电波传播与信道模型

移动环境下的电波传播、天线与信道模型,为什么研究移动环境的电波传播？,通信是通过信道来传送信息的，任何通信系统首先必须分析和掌握信道的特点和实质，围绕着通信传输的数量与质量，进行不断的优化。才能针对存在的问题对症下药，给出相应的技术解决方案。移动信道属于无线信道，是开放式的客观存在的变参量信道，且通信用户具有随机移动性的特点。移动通信中所采用的各种技术，都是针对移动通信的信道特点，以解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性为目标而设计的。分析移动环境的电波传播是解决移动通信关键问题的前提，是移动通信中各种新技术的源泉和动力。,Maxwell建立了宏观电磁场现象的统一理论，奠定了无线电技术理论基础。在时变电磁场中，变化的磁场激发旋涡电场；而变化的电场同样可以激发涡旋磁场。电场与磁场之间的相互激发可以脱离电荷和电流而发生。电场与磁场的相互联系，相互激发，时间上周而复始，空间上交链重复，这一过程预示着波动是电磁场的基本运动形态。他的这一预言在Maxwell去世后（1879年）不到10年的时间内，由德国科学家Hertz通过实验证实。从而证明了Maxwell的假设和推广的正确性。,电磁场的波动现象,无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播过程中波会减弱。,无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为：/，式中为传播媒质的介电常数。空气的介电常数与真空的很接近，略大于。,因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。,无线电波的波长、频率和传播速度的关系,三者的关系用式V/f描述。其中中，V为速度，单位为米/秒；f为频率，单位为赫兹；为波长，单位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。移动通信研究的对象为：10100cm(分米波）,f=3003000MHz，UHF（特高频）频段，属于微波频段。以空间波LOS传播为主传播受地平线限制受反射、绕射和散射影响无线电通信&电视频道等.,无线电波传播方式,传播方向,H方向,E方向,传播方式:TEM波-横电磁波无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。,无线电波的极化,在自由空间中电磁波的电场矢量在空间的取向称之为电磁波的极化。电磁波的极化有三种形式:椭圆极化（沿传播方向分：左旋极化、右旋极化）圆极化（沿传播方向分：左旋极化、右旋极化）线极化例如：电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。这两种极化方式均属于线极化。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失（类似于光的偏振）。,电磁场的三个区域及其特点三个尺度概念：源区的尺度：电磁波的波长：场点至原点的距离,电磁场的三个区域及其特点,在天线近区场中（），源直接产生的静态电磁场远大于电磁场相互激发所产生的电磁场。场点与源区的距离大约在一个波长的数量级（），在这个范围中，源直接产生的静态场与变化电磁场相互激发所产生的电磁场同时并存，量级上相当。这一区域也称为感应区。场点远离源区（）。源直接激发的静态场远小于电磁场相互激发而形成的电磁场。电磁场主要以波动形式将源的能量辐射出去。这一区域称为远场区，或者称为辐射区域。远场区的判断条件：Fraunhofer（弗朗荷费）距离：d2/并且dD且d（其中D为天线最大尺寸，d为与天线的距离）。例如：GSM900，天线长2米，远区条件为：d2/=24/0.333=24m并考虑dD，远区条件应在50m以上。,dB和dBm的概念,如前文所说：无线电波传播的实质是一种能量传输的形式。功率P?W(或mW、kW)有量纲（瓦、毫瓦、千瓦）功率传输系数(增益或损耗）A?倍无量纲（0）输出功率Pout=APin级联系统传输系数AA1A2A3An（非线性）无线电信号在传播路径损耗上是路径的幂函数，具有对数线性。功率增益（或损耗）A(dB)=10lgA（单位为dB或分贝无量纲）例：某功率放大器放大倍数200倍，则功率增益10lg200=23dB级联系统传输系数A(dB)=10lg（A1A2A3An）=10lgA1+10lgA2+10lgA3+10lgAn（单位为dB）功率的对数标度定义：P(dBm)=10lgP（单位为dBm/dB毫瓦有量纲）例：100mW=20dBm0dBKW=30dBW=60dBm,自由空间的电波传播1,自由空间功率通量密度（W/）：通过球表面积的辐射功率密度：不考虑天线增益。在此覆盖区域范围内，接收机天线“捕获”此通量的一小部分。,d,自由空间的电波传播2,Fraunhofer（弗朗荷费）距离：d2/（满足远场条件）。天线增益和天线孔径：G为接收机天线增益，与Ae（天线孔径）和波长有关。天线孔径，直观地为垂直于通量的天线面积接收功率(Pr)=功率通量密度(Pd)Ae,自由空间的电波传播3,在距离d处，接收信号功率为：通过球表面积的辐射功率功率传输系数式中，Pt为发射机输出功率，单位Watts系统因子K取决于天线增益、系统损耗因子和载波频率。,自由空间的电波传播4,功率传输系数式中：L为系统损耗因子Pt为射机输出功率Gt和Gr为收、发天线增益为载波波长,假设d处于远场区（Fraunhoferregion）即dD且d，其中D为天线最大直线长度为载波波长无干扰，无阻挡。,自由空间的电波传播5,菲涅尔区与传播余隙,1、菲涅尔区：恒时延椭圆轨迹的边界,2、传播余隙：第一菲涅尔区半径的0.577倍。,满足f(n)与f(n-1)的曲面之间的区域称为第n菲涅尔区。N=1时，称为第一菲涅尔区，其是一个椭球体，第一菲涅尔区包含全部发射能量的1/2。另外测试和理论表明，若间隙大于第一菲涅尔区半径的0.577倍，则损耗近似等于自由空间的损耗。,反射与透射,电磁波在不同介质交界处会产生反射和折射。良导体反射无衰减。绝缘体只反射入射波能量的一部分：另一部分能量折射入新介质继续传播“Brewster角”：全反射直角入射：100%透射？非理想介质会吸收电磁波能量，产生穿透衰落。反射角=入射角并产生相移。,无线路径的典型穿透损耗（900M),穿透损耗大小不仅与电磁波频率有关，而且与穿透物体的材料、尺寸有关。,绕射（衍射）机理,当波撞击在障碍物边缘时发生绕射。“次级球面波”传播进入阴影区；超出直射路径的长度导致相移，费涅尔区表达了相对于障碍物位置的相移。若无LOS，绕射可帮助覆盖。,传播到阴影区的信号功率,绕射传播功率是多少?第一费涅尔区阻挡：与自由空间相比低5至25dB,散射机理,在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强，这是因为当电波遇到小于信号波长障碍物或粗糙表面的多面体时，反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量和干扰。临近的金属物体（街头标志等）、树叶都会产生散射：通常采用统计模型。,陆地移动通信环境的特点1,传播环境的复杂性由于移动台的天线比较低，传播路径总是受到地形及人为环境的影响；各种地形环境和复杂的人为建筑物、树林等使得接收信号为大量的散射、反射信号的迭加。移动台的随机移动性移动台总是在移动，即使移动台不同，周围环境也一直在变化，如人、车的移动、风吹动树叶等；使得基站与移动台之间的传播路径不断发生变化。还有是移动台相对与基站的移动方向、移动速度的不同，都会导致信号电平的变化。信号电平随机变化信号电平随时间和位置的变化而变化；只能用随机过程的概率分布来描述。,陆地移动通信环境的特点2,传播的开放性空间干扰现象严重，比较常见的有同频干扰、邻频干扰；还有互调干扰等；随着频率复用系数的提高，同邻频干扰将成为主要因素。人为噪声现象严重人为噪声主要是机动车的点火噪声；还有电力线噪声和工业噪声。,信号强度一般直觉,影响接收信号强度的两个因素：距离路径衰减多径相位差,绿色信号比蓝色信号到达红接收点的传输距离长（K+1/2）K=0、1、2、3、对900MHz信号，(波长)=33cm。,产生多径的原因,自由空间传播（LOS）。（最强）反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长的障碍物时发生反射。（次强）绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射。（次强）散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物或粗糙多面体时发生散射。（最弱）,如何研究多径信道？,从接收信号的角度进行统计分析：接收信号的幅度变化及分布接收信号的到达角分布从多径的数学表达式角度分析：研究多径中每径幅度的分布研究每径的到达角和分布研究每径的时延特性及分布从模型的角度。,模型是特定的,尺度不同：大尺度（范围内的平均值）小尺度（在波长量级范围内的测量值）环境特征不同：室外、室内、陆地、海洋、空间等等。应用区域不同：宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微微蜂窝。,大尺度（慢）衰落模型,大尺度衰落预测距离的电波传播行为：是由于电波传播路径上收到建筑物及山体等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。距离和主要环境特征的函数，粗略地认为与频率无关，一般遵从对数正态分布；当距离减小到一定程度时，模型就不成立了；用于无线系统覆盖和粗略的容量规划建模。,小尺度（快）衰落模型,小尺度（衰落）模型描述信号在尺度内的变化：是由于多径传播而产生的衰落，反映小范围波长量级（短时间）的接受电平的变化；与载波频率和信号带宽有关，一般遵从瑞利分布或莱斯分布；着眼于“衰落”建模：在短距离或数个波长范围内信号快速变化。小尺度（快）衰落可细分为三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。两种传播模型并不是相互独立的，在同一个无线信道中，既存在大尺寸衰落，也存在小尺寸衰落。,信号表示：慢衰落与快衰落,三种快衰落的物理模型1,空间选择性衰落，即在不同地点（空间）衰落特性不一样；,结论：由于电波波束的角度扩散，空间选择性衰落周期S=/，分集接收机间的距离S。,三种快衰落的物理模型2,频率选择性衰落，即在不同的频率衰落特性不一样；,结论：由于时延扩散引起了频率选择性衰落，频率衰落周期F=1/L。时延展宽是决定相干带宽的唯一因素，RAKE多径接收机的频率区间F。,三种快衰落的物理模型3,时间选择性衰落，即在不同时间衰落特性不一样；,结论：由于高速移动引起的频率扩散，时间选择性衰落周期T=/B，信道编码交织区间T。,典型环境的典型扩散值,快衰落瞬时幅度特性,电平通过率（LevelCrossingRate）：指在单位时间内信号电平以正斜率通过某一给定电平A的次数衰落速率：指单位时间内信号以正斜率通过中值电平的次数。衰落深度：指信号的有效值(均方根值)与最小值之间的差值。衰落持续时间及其分布：指信号电平低于某一电平（门限电平）的持续时间，衰落平均持续时间将引起传输数据的突发差错。,多径衰落模型瑞利分布,指在无直射波的N个路径中，若每条路径的信号幅度均为高斯分布、相位均为02均匀分布，则合成信号包络分布为瑞利分布（标准偏差取决于不同的应用环境）：,多径衰落模型莱斯分布,指含有一个强直射波的N个路径，传播时若每条路径的信号幅度均为高斯分布、相位在02为均匀分布，则合成信号包络分布为莱斯分布（标准偏差取决于不同的应用环境）：,不同环境的标准偏差(900M),多径信号的构成,多径信号的构成主要由三类：快速移动用户附近物体的反射而形成的多径干扰，在频域上产生扩散而引起的时间选择性衰落；是从远地反射体产生的回波，这种回波的时延较长且较稳定；在时域和空间角度产生扩散，从而引起空间选择性衰落和频率选择性衰落；是从移动台附近半径为50400波长（16130m）的建筑物和树林反射和散射的回波，这类回波数量大，时延短，它们是构成多径信号的主要部分；严重影响到达天线的空间角度分布，从而引起空间选择性衰落；,三类多径传播示意图,移动环境下电波传播的几种效应,空间传播路径损耗（Pathloss）。阴影效应：由地形、地物结构引起，表现为慢衰落。多径效应：由于传播受到移动台周围（50400个波长内）的自然障碍（主要指人为建筑物）或散射体（主要指树林）的反射在地面上造成多径波干涉，结果形成驻波场。当移动台通过这个驻波场时，接收信号呈现短期衰落，场强会剧烈起伏。引起的多径传播，表现为快衰落。多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引起多径条件下多普勒频谱展宽。,移动环境下场强测试曲线,无线电波的产生及天线,导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.如果导线位置如由于两导线的距离很近，两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。,同轴电缆变化为阵子天线,半波振子上的场分布,对称振子,两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。,一个1/2波长的对称振子在900MHz约167mm长1800MHz约83mm长,俯视图,侧视图,在地平面上，把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈”压成扁平的。,天线辐射的方向性,天线的方向性是指天线控制辐射能量的去向的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图。,立体视图,在这儿产生的增益=10log(4mW/1mW)=6dB,对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”,在扇形覆盖天线中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里,“扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dB,反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,定向辐射的原理,前向功率,后向功率,定向天线的前后比,方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力,水平面方向图,120(eg),峰值,-10dB点,-10dB点,10dB波束宽度,60(eg),峰值,-3dB点,-3dB点,3dB波束宽度,15(eg),Peak,Peak-3dB,Peak-3dB,32(eg),Peak,Peak-10dB,Peak-10dB,天线的波束宽度,在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。,俯仰面方向图,方向图旁瓣显示,两个天线为一个整体，传输两个独立的波,双极化天线,极化隔离度代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例。例：隔离度为10log(1000mW/1mW)=30dB,八木天线是一种引向天线，由一个有源振子和多个无源振子放置在同一平面上。一个无源振子为反射器，其余的无源振子为引向器。二单元34.5dB三单元68dB四单元710dB五单元911dB八木天线的单元越多，方向性越强。但是单元的增加不与方向性、增益成正比。单元过多时，导致工作频带变窄，整个天线尺寸也将偏大，单元数不宜超过9。有较高的方向性系数，结构简单，制作方便，重量轻。在米波、分米波段应用广泛，,反射器,有源振子,引向器,最大辐射方向,至接收机或发射机,/4,八木天线,增益这个概念是在有源器件中有放大器时才会产生的概念。那为什么会有天线的增益呢？天线的增益就是相对于一个等功率各向同性的辐射器，改变了其功率的分配，使之产生了增益。增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。,天线的增益的概念,一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射,一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射,一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:13dBd=15.15dBi,2.15dB,对称振子的增益为2.15dB,天线增益dBd和dBi的区别,全向天线增益与垂直波瓣宽度,板状天线增益与水平波瓣宽度,天线增益与方向图的关系,一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故,关于传输线的几个基本概念,连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽。当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。,天线、传输线的特性阻抗,天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的特性阻抗。特性阻抗有电阻分量和电抗分量。特性阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的特性阻抗为纯电阻。馈线的特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关。天线的特性阻抗与天线的结构和工作波长有关。通信常用的阻抗有50、75、120和600。,9.5W,80ohm,50ohm,朝前:10W,返回:0.5W,反射系数、驻波系数与回波损耗,当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。,这里的反射损耗为10log(10/0.5)=13dBVSWR是反射损耗的另一种计量,在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。反射波幅度（LO）反射系数入射波幅度（LO）驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR)驻波波腹电压幅度最大值max（1+）驻波系数驻波波节电压辐度最小值min（1-）终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。,驻波比、反射损耗和反射系数,电压驻波比（VSWR）对网络的影响：VSWR反射功率比辐射功率减少覆盖面积减少3.025%2.15dB40%2.011%0.86dB18%1.88%0.67dB14%1.54%0.36dB8.0%1.42.8%0.21dB4.7%1.31.7%0.13dB2.9%1.20.8%0.07dB1.1%,电波传播路径地形分类,移动通信环境分类,按照地物的密集程度分为：开阔地环境：在电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面。郊区环境平坦地形：在移动台附近有些障碍物，但稠密建筑物多为13层楼房。城市环境：有较稠密的建筑物和高层楼房。大都市高楼大厦稠密建筑区中等稠密建筑区：多为28层建筑，间或40层高楼中小建筑区：多为25层建筑，间或20层高楼平房建筑区：多为24层建筑,简单对数距离路径损耗模型,计入其它环境因素的对数距离路径损耗模型：PL(d)dB=PL(d0)+10nlog(d/d0)在远场选择d0测量PL(d0)或计算自由空间损耗测量并根据经验得到n,不同环境下路径损耗指数n,对数阴影模型,当障碍物阻挡收发信机间的LOS时发生阴影。可用一简单的统计模型说明不可预测的“阴影”。在对数距离PL公式中，增加一个0均值的高斯随机变量：PL(d)dB=PL(d0)+10nlog(d/d0)+X式中：X为一零均值高斯随机变量（dB）和n根据测量数据，基于线性递归法使测量值与估计值的均方误差最小计算得到。,Okumura电波传播衰减计算模式,GSM900MHz主要采用CCIR推荐的Okumura电波传播衰减计算模式该模式是以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正不同地形上的基本传输损耗按下列公式分别预测:L(市区)=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a)L(郊区)=6