第2章移动通信电波传播与传播模型预测

1、哈尔滨工业大学（威海）第二章 移动通信电波传播与传播预测模型哈尔滨工业大学（威海）目录目录 概述概述自由空间的自由空间的电波传播电波传播三种基本电波的三种基本电波的传播机制传播机制阴影衰落阴影衰落的基本特性的基本特性移动无线信道及移动无线信道及特性参数特性参数电波传播损耗电波传播损耗预测模型预测模型哈尔滨工业大学（威海） 电波传播的基本特性移动通信信道衰落的表现无线电波传播方式衰落原因复杂的无线复杂的无线电波传播环境电波传播环境传播损耗和传播损耗和弥散弥散阴影衰落阴影衰落多径衰落多径衰落多普勒频移多普勒频移基站天线、移基站天线、移动用户天线和动用户天线和两付天线之间两付天线之间的传播路径的传播

2、路径直射、反射、直射、反射、绕射和散射绕射和散射以及它们的合成以及它们的合成移动信道移动信道基本特性基本特性衰落特性衰落特性哈尔滨工业大学（威海） v信道的分类信道的分类根据不同距离内信号强度变化的快慢分为根据不同距离内信号强度变化的快慢分为 根据信号与信道变化快慢程度的比较分为根据信号与信道变化快慢程度的比较分为 短期快衰落长期慢衰落小尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多径）（主要特征是多径）描述描述长距离上信号长距离上信号强度的缓慢变化强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动短距离上信号强度的快速波动原因原因信道路径上信道路径上固定障碍物的阴影固定障碍物

3、的阴影移动台运动和地点的变化移动台运动和地点的变化影响影响业务覆盖区域业务覆盖区域信号传输质量信号传输质量v大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落哈尔滨工业大学（威海） v衰落特性的算式描述衰落特性的算式描述 式中，r(t)表示信道的衰落因子；m(t)表示 大尺度衰落；r0(t)表示小尺度衰落。( (t t) )r rmm( (t t) )r r( (t t) )0 0大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落小尺度衰落( (t t) )r r0 0mm( (t t) )接收功率图21 无线信道中的大尺度和小尺度衰落 t哈尔滨工业大学（威海）v考虑问题考虑问题衰落的物理机制衰落的物理机制功率的路径损

4、耗功率的路径损耗接收信号的变化和分布特性接收信号的变化和分布特性v应用成果应用成果传播预测模型的建立传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础为实现信道仿真提供基础v基本方法基本方法 理论分析方法（如射线跟踪法）理论分析方法（如射线跟踪法） 应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预测应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预测模型模型 现场测试方法（如冲激响应法）现场测试方法（如冲激响应法） 在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统计在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统计分析，来建立预测模型分析，来建立预测模型 电波传播特性的研究电波传播

5、特性的研究哈尔滨工业大学（威海） 自由空间的电波传播自由空间的电波传播v自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗磁波能量扩散而引起的传播损耗 v接收功率接收功率 式中，式中，Pt为发射功率，以球面波辐射为发射功率，以球面波辐射 , ,为为工作波长，工作波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收天线增益，分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离。为发射天线和接收天线间的距离。 4GAr2r ttrrGPdAP24哈尔滨工业大学（威海） 自由空间的电波传播自由

6、空间的电波传播v接收换算接收换算v自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗 当当Gt=Gr=1时，时， 分贝式分贝式rtPPL24dL 32.4520log()20log ()Lf Mhzd km()10 log()rrP dBmP mW()10log()rrP dBWP W哈尔滨工业大学（威海）3种种基本电波的传播机制基本电波的传播机制基本电波基本电波的传播机制的传播机制反射阻挡体比传输波阻挡体比传输波长长 大的多的物体大的多的物体产生多径衰落的产生多径衰落的主主 要因素要因素绕射散射阻挡体为尖利边阻挡体为尖利边缘缘产生于粗糙表面、产生于粗糙表面、小物体或其它不规小物体或其它不规则物体则物体哈尔

7、滨工业大学（威海）反射反射理想介质表面的反射理想介质表面的反射极化特性极化特性多径信号多径信号哈尔滨工业大学（威海） 理想介质表面的反射理想介质表面的反射zzRsinsinv如果电磁波传输到理想介质表面，如果电磁波传输到理想介质表面， 则能量都将反射回来则能量都将反射回来v反射系数反射系数（R）入射波与反射波的比值12112表面光滑的反射入射角入射角12020cosz20cosz(垂直极化）(水平极化）600j其中，为介电常数，为电导率，为波长。哈尔滨工业大学（威海） 极极 化化 特特 性性v极化极化 电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅

8、度随时间变化的状态的状态v电磁波的极化形式电磁波的极化形式 线极化、圆极化和椭圆极化线极化、圆极化和椭圆极化v线极化的两种特殊情况线极化的两种特殊情况 水平极化（电场方向平行于地面）水平极化（电场方向平行于地面） 垂直极化（电场方向垂直于地面）垂直极化（电场方向垂直于地面）哈尔滨工业大学（威海） 极极 化化 特特 性性m21()()1vhRR 垂直极化反射系数水平极化反射系数v极化反射系数极化反射系数 对于地面反射，当工作频率高于对于地面反射，当工作频率高于150MHz（ ）时，）时， ，算得，算得 v应用应用 接收天线的极化方式同被接收的电磁波的极化形式一致接收天线的极化方式同被接收的电磁波

9、的极化形式一致 时，才能有效地接收到信号，否则将产生极化失配时，才能有效地接收到信号，否则将产生极化失配 不同极化形式的天线也可以互相配合使用不同极化形式的天线也可以互相配合使用哈尔滨工业大学（威海）2tr2tr.Ae)R1(Re1GGd4PP 地面二次效应地面二次效应直射波直射波反射波反射波地表面波地表面波可忽略可忽略2tr2trRe1GGd4PP l2 ()lACCBAB 图2-2 两径传播模型 多多 径径 信信 号号直射波反射波发射天线接收天线CmhbhABdv两径传播模型两径传播模型 接收信号功率接收信号功率哈尔滨工业大学（威海）2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PP 多

10、多 径径 信信 号号v多径传播模型多径传播模型 哈尔滨工业大学（威海） 绕绕 射射哈尔滨工业大学（威海）惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理TP R图图2-3 对惠更斯菲涅尔原理说明对惠更斯菲涅尔原理说明v原理原理波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所

11、有次级波的矢量和。v说明说明 在在P点处的次级波前中，点处的次级波前中， 只有夹角为只有夹角为（即（即 ） 的次级波前能到达接收点的次级波前能到达接收点R每个点均有其对应的每个点均有其对应的角，角， 将在将在0 到到180180之间变化之间变化越大，越大，到达接收点辐射能量越大到达接收点辐射能量越大 TRP” PPd扩展波前次级波前3 / 2d哈尔滨工业大学（威海）菲涅尔区菲涅尔区 基尔霍夫公式基尔霍夫公式 v菲涅尔区菲涅尔区 从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大 的连续区域接收点信号的合成接收点信号的合成 n为奇数时，两信号抵消为奇数时，两信号抵消 n为偶数时，两信号叠加为偶数时，

12、两信号叠加菲涅尔区同心半径菲涅尔区同心半径1212nn d drdd图2-4 菲涅尔区截面 TRP” PPd次级波前3 / 2d2/ 2d/ 2d1r2r/ 2n哈尔滨工业大学（威海）菲涅尔区的进一步解释菲涅尔区的进一步解释v满足以下条件的所有点满足以下条件的所有点Q的集合称为第的集合称为第n菲涅尔区：菲涅尔区：2TRQRTQnTRd1d2dPQ哈尔滨工业大学（威海）第第n菲涅尔区半径菲涅尔区半径v第第n菲涅尔区边界上的某个点菲涅尔区边界上的某个点P到到TR连线的距离叫第连线的距离叫第n菲涅尔区半径菲涅尔区半径 nF211221211TPdFdFdnn222222211PRdFdFdnnTPR

13、TR2nP121FndddnFn哈尔滨工业大学（威海）菲涅尔区菲涅尔区 基尔霍夫公式基尔霍夫公式 第一菲涅尔区半径（第一菲涅尔区半径（n=1）特点）特点 在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半 发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以达到接收机。分能量可以达到接收机。 v基尔霍夫公式基尔霍夫公式 从波前点到空间任何一点的场强从波前点到空间任何一点的场强 式中，式中，E是波面场强，是波面场强， 是与波面正交的场强导数。是与波面正交的场强导数。14jkrjkrsRssEeeEEdsnrr

14、nsEn哈尔滨工业大学（威海）散散 射射散射散射无线电波遇到粗糙表面无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所时，反射能量散布于所有方向有方向表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8 sincih表面光滑度的判定表面光滑度的判定表面平整度的参数高度平面上最大的突起高度 h2sinexp8hisroughsh 哈尔滨工业大学（威海）阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性10( ,)10ml rr10log ( ,)10logl rmrv阴影衰落阴影衰落（慢衰落）（慢衰落） 移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成

15、的电磁场阴影效应碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应v特点特点 衰落与传播地形和衰落与传播地形和 地物分布、高度有关地物分布、高度有关v表达式表达式传播路径损耗和阴影衰落传播路径损耗和阴影衰落 分贝式分贝式 式中式中, r 移动用户和基站之间的距离移动用户和基站之间的距离 ， 由于阴影产生的对数损耗由于阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差），服从零平均和标准偏差dB的对数正态分布的对数正态分布 m 路径损耗指数路径损耗指数实验数据表明实验数据表明m4，标准差，标准差8dB，是合理的，是合理的哈尔滨工业大学（威海）移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数描述多径信道的主

16、要参数描述多径信道的主要参数Text多径信道的统计分析多径信道的统计分析多径衰落信道的分类多径衰落信道的分类Text多普勒频移多普勒频移多径信道的信道模型多径信道的信道模型衰落特性的特征量衰落特性的特征量衰落信道的建模与仿真衰落信道的建模与仿真无线信道无线信道无线信道无线信道哈尔滨工业大学（威海）多径衰落的基本特性多径衰落的基本特性v幅度衰落接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落 空间角度空间角度模拟通信系统的主要考虑对象模拟通信系统的主要考虑对象原因原因 本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落 地形变

17、化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落 哈尔滨工业大学（威海）多径衰落的基本特性多径衰落的基本特性v时延扩展时延扩展 接收信号中脉冲的宽度扩展时间角度时间角度数字通信系统的主要考虑对象数字通信系统的主要考虑对象原因原因 信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号哈尔滨工业大学（威海）多多 普普 勒勒 频频 移移cosdvfmvf入射电波v原因原因移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移v表达式表达式多普勒频

18、移最大多普勒(Doppler)频移哈尔滨工业大学（威海）多多 普普 勒勒 频频 移移v说明说明 多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关：入射方向之间的夹角有关： 若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。 信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。哈尔滨工业大学（威海）多径信道的信道模型多径信道的信道模型v原理

19、原理多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。将信道看成作用于信号上的一个滤波器，可通过分析将信道看成作用于信号上的一个滤波器，可通过分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性v推导冲击响应推导冲击响应只考虑多径效应只考虑多径效应再考虑多普勒效应再考虑多普勒效应多径和多普勒效应对传输信号的影响多径和多普勒效应对传输信号的影响多径信道的冲击响应多径信道的冲击响应哈尔滨工业大学（威海）只考虑多径效应只考虑多径效应传输信号传输信号假设第假设第i径的路径长度为径的路径长度为xi、衰落系数（或反射系数）为、衰

20、落系数（或反射系数）为接收信号接收信号式中，式中，c为光速；为光速； 为波长。为波长。( )Re( )exp( 2)cx ts tjf t( )Reexp2Reexp2iiiiiciiiiicixxxy ta x tas tjftcccxxa s tjf tcia哈尔滨工业大学（威海）只考虑多径效应只考虑多径效应设设则则 式中式中 为时延。为时延。 实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时延都不同的各个路径的总和。时延都不同的各个路径的总和。 ( )Re( )exp( 2)cy tr tjf t ( )exp2exp2iiiiciiiixxr

21、tajs tajfs tc iixc( )r t哈尔滨工业大学（威海） 再考虑多普勒效应再考虑多普勒效应考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应( )exp2iiiiiixxxxr tajs tc 在相位中在相位中不可忽略不可忽略数量级小数量级小可忽略可忽略i设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为cosiixvt 路径的变化量路径的变化量输出复包络输出复包络cosexp2exp2cosiiiiiixxvtvajjts tcc哈尔滨工业大学（威海） 再考虑多普勒效应再考虑多普勒效应简化得简化得 其中，其中，

22、 为最大多普勒频移。为最大多普勒频移。( )exp2cosexp2cosexp2cos2exp22cosiiiiiiimiiiimiciiiiicimiixxvr tajts tcxajf ts tajf tfs ta s tjff t mf哈尔滨工业大学（威海）多径信道的冲击响应多径信道的冲击响应v多径和多普勒效应对传输信号的影响多径和多普勒效应对传输信号的影响令令 v 式中式中 代表第代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟条路径到达接收机的信号分量的增量延迟（实际迟延减去所有分量取平均的迟延），它随时间变化（实际迟延减去所有分量取平均的迟延），它随时间变化v 在任何时刻在任何时刻t，

23、随机相位，随机相位 都可产生对都可产生对 的影响，引起的影响，引起多径衰落。多径衰落。,( )22cosicimiciD itff tt 多径延迟多径延迟影响影响多普勒效应影响多普勒效应影响( )it( )r ti哈尔滨工业大学（威海）多径信道的冲击响应多径信道的冲击响应v 冲击响应冲击响应 由（）式得由（）式得 ( )( )( )( , )ijtiiir tas tes th t( )( , )ijtiiih ta e ( )( )ijtiiiha e 冲击响应冲击响应iai( )it 式中，式中， 、 表示第表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位个分量的实际幅度和增量延迟；相位 包包含了

24、在第含了在第i个增量延迟内一个多径分量所有的相移；个增量延迟内一个多径分量所有的相移； 为单位为单位冲击函数。冲击函数。如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离具有不如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离具有不变性，信道冲击响应可以简化为变性，信道冲击响应可以简化为i0,2哈尔滨工业大学（威海）描述多径信道的主要参数描述多径信道的主要参数v 由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。v 通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这通常用功率在

25、时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散种色散功率延迟分布功率延迟分布PDP时间色散时间色散多普勒功率谱密度多普勒功率谱密度DPSD角度谱角度谱PAP频率色散频率色散角度色散角度色散PDP，Power-Delay-ProfileDPSP，Doppler-Power-Spectral-DensityPAP，Power-Azimuth-Spectrum哈尔滨工业大学（威海）时时 间间 色色 散散v 时间色散参数时间色散参数 平均附加延时平均附加延时 rms时延扩展时延扩展 最大附加延时扩展最大附加延时扩展(XdB) v 相关带宽相关带宽 多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，多径

26、衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，可使两个信号变得相关。这一频率间隔称为可使两个信号变得相关。这一频率间隔称为“相干相干” 或或“相关相关”带宽（带宽（Bc）从时延扩展角度说明从时延扩展角度说明从包络相关性角度说明从包络相关性角度说明多径衰落的分类及判定多径衰落的分类及判定哈尔滨工业大学（威海）v功率延迟分布功率延迟分布（PDP） 基于固定时延参考基于固定时延参考 的附加时延的附加时延 的函数，通的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到市区环境中近似为指数分布市区环境中近似为指数分布式中，式中，T是常数，为多径时延的平均值是常数，为多径时

27、延的平均值 1TPeT0时间色散参数时间色散参数哈尔滨工业大学（威海）v时间色散特性参数时间色散特性参数平均附加延时平均附加延时 rms时延扩展时延扩展其中其中22kkkkkkkkkkPaPa 22E22222kkkkkkkkkkPaEPa时间色散参数时间色散参数 0dB -XdB m P典型的归一化时延扩展谱mTmTm最大附加延时扩展最大附加延时扩展(XdB) 多径能量从初值衰落到低于最大能量(XdB)处的时延，图中， 为归一化的最大附加延时扩展(XdB)； 为归一化平均附加延时； 为归一化rms时延扩展。哈尔滨工业大学（威海）从时延扩展角度从时延扩展角度说明说明相关带宽相关带宽v两径情况

28、接收信号 等效网络传递函数 信道的幅频特性( )0( )( )(1)jtir tx tre( , )1cos( )sin( )Atrtjrt 通过两径信道的接收信号幅频特性通过两径信道的接收信号幅频特性(, )eHjt r )(t S 0( )r t( )ix t( )0( )(, )1( )jteir tHjtrex t ( )2tn( )(21)tn 当 时，信号同相叠加，出现峰点 当 时，信号反相相减，出现谷点 12( )cBt)(t 相邻两个谷点的 ,两相邻场强为最小值的频率间隔与两径时延 成反比 r1r1)(2tn )()12(tn A(,t)哈尔滨工业大学（威海）从时延扩展角度从时

29、延扩展角度说明说明相关带宽相关带宽v多径情况 v 应为rms时延扩展v 是随时间变化的，可由大量实测数据经过统计处理计算出来 v v 说明相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关)(t( ) t( ) t哈尔滨工业大学（威海）从包络相关性角度从包络相关性角度 推导推导相关带宽相关带宽设两个信号的包络为设两个信号的包络为 和和 ，频率差为，频率差为 ，则，则包络相关系数包络相关系数 此处，相关函数此处，相关函数 若若信号衰落符合瑞利分布信号衰落符合瑞利分布，则则 式中，式中， 为零阶为零阶Bessel函数，函数， 为最大多普勒频移。为最大多普勒频移。不失一般性，可令不失一般性，可令 ，简化后，简

30、化后通常，根据包络的相关系数通常，根据包络的相关系数 来测度相关带宽来测度相关带宽代入得代入得 相关带宽相关带宽 ()1222221122(, )(, )rrRfrrfrrrr 121 212120(,),(,)rRfr rr r p r rdr dr2022(2)(, )1(2)mrJfff221()1(2)rff1( )r t2( )r t12fff 0()J mf0()0.5rf12cB 12f哈尔滨工业大学（威海）衰落的分类及判定衰落的分类及判定v v判定判定 由信道和信号两方面决定由信道和信号两方面决定分类分类 不同频率分量的衰落不同频率分量的衰落 信号波形信号波形频率选择性衰落频率

31、选择性衰落 不一致不一致 失真失真非频率选择性衰落非频率选择性衰落（平坦衰落）（平坦衰落） 相关的相关的 一致的一致的 不失真不失真数字通信系统信号带宽小于信道相关带宽信号带宽小于信道相关带宽BsBc平坦衰落平坦衰落频选衰落频选衰落码间干扰码间干扰哈尔滨工业大学（威海）频频 率率 色色 散散频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相关时间频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相关时间是与多普勒扩展相对应的参数是与多普勒扩展相对应的参数v时变特性时变特性原因原因 移动台运动或信道路径中的物体运动移动台运动或信道路径中的物体运动用多普勒扩展和相关时间来描述用多普勒扩展和相关时间来描述v多普勒扩展多普

32、勒扩展 （功率谱）（功率谱）v相关时间相关时间 相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值，即在此间隔内信道特性没有明显的变化。值，即在此间隔内信道特性没有明显的变化。表征了时变信道对信号的衰落节拍表征了时变信道对信号的衰落节拍哈尔滨工业大学（威海）多普勒扩展多普勒扩展v 典型典型(CLASS)多普勒扩展（多普勒扩展（适用于室外传播信道适用于室外传播信道） 假设接收信号由假设接收信号由N个经过多普勒频移的个经过多普勒频移的平面波合成平面波合成， b为平均功为平均功率率 ， 表示在角度表示在角度 内的入射功率，内的入射功率， 表示接表示

33、接收天线增益，入射波在收天线增益，入射波在 内的功率内的功率2mcfff1sin fcosffffmc b Gpd d)(Gp)(GpbdffS dpd Gd接收频率接收频率 fS用用 表示功率谱，则表示功率谱，则 dsinffdm 式中式中 mc1fffcos dd哈尔滨工业大学（威海）多普勒扩展多普勒扩展功率谱功率谱 2mcmfff1f)(G)(p)(G)(pbdppdfbfS )G(-()G(.)()(mccmfffffffS 22)(1)( mf21)f(S cmffffcS ( f )fc - fm fc + fm 21/p G 对对b归一化，并设归一化，并设 =1， ， 得得 典型

34、的多普勒功率谱典型的多普勒功率谱 由图可见，由于多普勒效应，接收信号由图可见，由于多普勒效应，接收信号的功率谱展宽到的功率谱展宽到 和和 范围范围cmffcmff哈尔滨工业大学（威海）推导相关时间推导相关时间v从多普勒扩展角度从多普勒扩展角度 时间相关函数与多普勒功率谱之间是傅立叶变换关系时间相关函数与多普勒功率谱之间是傅立叶变换关系 所以多普勒扩展的倒数就是对所以多普勒扩展的倒数就是对信道相关时间的度量，即信道相关时间的度量，即 此时入射波与移动台移动方向之间的夹角此时入射波与移动台移动方向之间的夹角 式中式中 为多普勒扩展（有时也用为多普勒扩展（有时也用 表示），即多普勒表示），即多普勒频

35、移。频移。v从包络相关性角度从包络相关性角度 通常将信号包络相关度为通常将信号包络相关度为0.5时的时间间隔定义为相关时的时间间隔定义为相关时间，包络相关系数时间，包络相关系数 令令 ， =0.5 推出推出2022(2)(, )1 (2)mrJfff()( )RS f1/1/cDmTffDfDB0f 20(0, )(2)rmJf 916cmTf0哈尔滨工业大学（威海） 时间选择性衰落时间选择性衰落v 时间选择性衰落时间选择性衰落是由多普勒效应引起的，并且发生在传是由多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性输波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性v 要保证信

36、号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须要保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须保证传输符号速率远大于相关时间的倒数保证传输符号速率远大于相关时间的倒数v 在现代数字通信中，常规定在现代数字通信中，常规定cT290.42316mcmTff码元间隔大于信道相关时间码元间隔大于信道相关时间TsTc时选衰落时选衰落误码误码哈尔滨工业大学（威海）角角 度度 色色 散散v原因原因 移动台和基站周围的散射环境不同，使得多天移动台和基站周围的散射环境不同，使得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同线系统中不同位置的天线经历的衰落不同v参数参数角度扩展角度扩展相关距离相关距离 v空间选择性衰落空间选

37、择性衰落哈尔滨工业大学（威海）v角度功率谱（角度功率谱（PAS） 信号功率谱密度在角度上的分布。一般为均匀分布、截信号功率谱密度在角度上的分布。一般为均匀分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布短高斯分布和截短拉普拉斯分布v角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即即 式中式中v意义意义 描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在 之间分布。之间分布。角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度越高 200()( )( )pdpd 00( )( )pdpd0,360哈尔滨工业大学（威海）相关距离与空间选

38、择性衰落相关距离与空间选择性衰落v相关距离相关距离Dc 信道冲激响应保证一定相关度的空间距离信道冲激响应保证一定相关度的空间距离v空间选择性衰落空间选择性衰落天线空间距离大于相关距离天线空间距离大于相关距离 DccxD天线空间距离远小于相关距离天线空间距离远小于相关距离 1，近似为莱斯分布。，近似为莱斯分布。21,121KmmK2222( )expexprrrrp rss哈尔滨工业大学（威海）多径衰落信道的分类多径衰落信道的分类 依据时间色散、频率色散依据时间色散、频率色散还是角度色散进行分类还是角度色散进行分类时间色散时间色散频率选择频率选择性衰落信道性衰落信道平坦衰落平坦衰落信道信道快衰落

39、信快衰落信道道慢衰落信慢衰落信道道频率色散频率色散角度色散角度色散标量信道标量信道（时，频（时，频)矢量信道矢量信道（时、频、（时、频、空）空）哈尔滨工业大学（威海）平坦衰落和频率选择性衰落平坦衰落和频率选择性衰落v Ts为信号周期（信号带宽为信号周期（信号带宽Bs的倒数）的倒数） 是信道的时延扩展；是信道的时延扩展； Bc为相关带宽为相关带宽v 通常若通常若 ，可认为该信道是频率选择性的，可认为该信道是频率选择性的 频率选择性衰落频率选择性衰落平坦衰落平坦衰落 原因原因信道具有恒定增益和相位的带宽范信道具有恒定增益和相位的带宽范围小于发送信号带宽围小于发送信号带宽 时间色散时间色散 码间干扰

40、码间干扰信道具有恒定增益和相信道具有恒定增益和相位的带宽范围大于发送位的带宽范围大于发送信号带宽信号带宽频谱特性频谱特性不同频率获得不同增益不同频率获得不同增益在接收端保持不变在接收端保持不变 条件条件 sT10sTscsBBTscsBBT哈尔滨工业大学（威海）快衰信道和慢衰信道快衰信道和慢衰信道 快衰落快衰落慢衰落慢衰落原因冲激响应变化快于冲激响应变化快于基带信号变化基带信号变化信道冲激响应变化比不信道冲激响应变化比不上基带信号变化上基带信号变化条件 Tc为信道相关时间Bd为多普勒扩展scsdTTBBscsdTTBB哈尔滨工业大学（威海）衰落特性的特征量衰落特性的特征量衰落深度衰落深度衰落速

41、率衰落速率衰落持衰落持续时间续时间电平通电平通过率过率哈尔滨工业大学（威海）衰落速率和衰落深度衰落速率和衰落深度 31.85 102Af v衰落速率衰落速率 信号包络在单位时间内以正斜率通过信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平中值电平的的次数，即包络衰落的速率次数，即包络衰落的速率与与发射频率发射频率，移动台行进，移动台行进速度和方向速度和方向以及多径以及多径传播的传播的路径数路径数有关有关平均衰落率平均衰落率v衰落深度衰落深度 信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值。信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值。哈尔滨工业大学（威海）电平通过率电平通过率单位时间内信号包络以正斜率通过某一规定电

42、平值单位时间内信号包络以正斜率通过某一规定电平值R的平均次数的平均次数意义意义 描述衰落次数的统计规律：描述衰落次数的统计规律： 深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁表达式表达式 式中式中 为信号包络为信号包络r对时间的导函数对时间的导函数平均电平通过率平均电平通过率 由于电平通过率是随机变量，通常用平均电平通过率来描述。由于电平通过率是随机变量，通常用平均电平通过率来描述。 对于瑞利分布可得对于瑞利分布可得 式中式中 fm为最大多谱勒频率，为最大多谱勒频率， 其中信号平均功率其中信号平均功率 ， 为信号有效值为信号有效值 0rd)r

43、,R(pr)R(Nr 22)(efRNmrmsRR2R 02222dr)r(pr)r(E 2Rrms 哈尔滨工业大学（威海）衰落持续时间衰落持续时间信号包络低于信号包络低于某个给定电平值某个给定电平值的概率与该的概率与该电平所对应的电平通过率之比电平所对应的电平通过率之比v表达式表达式v意义意义 描述了衰落次数的统计规律描述了衰落次数的统计规律v平均衰落持续时间平均衰落持续时间 衰落是随机发生的，只能给出平均衰落持续时间衰落是随机发生的，只能给出平均衰落持续时间. 对于瑞利衰落，可得对于瑞利衰落，可得 RRNRrP )1e(f212mR 哈尔滨工业大学（威海）电平通过率和平均衰落持续时间电平通

44、过率和平均衰落持续时间图图211 电平通过率和平均衰落持续时间电平通过率和平均衰落持续时间负斜率负斜率正斜率正斜率1234RT02t1t3t4t4( )n RT41( )4iitt RT哈尔滨工业大学（威海）衰落信道的建模与仿真简介衰落信道的建模与仿真简介v Clarke信道模型信道模型 说明了基于散射时移动台接收信号的场强的说明了基于散射时移动台接收信号的场强的统计特性统计特性： 包络服从瑞利分布，相位服从包络服从瑞利分布，相位服从（ 0，2的均匀分布的均匀分布环境假设环境假设 有一台具有垂直极化的固定发射机，入射到移动天线的电有一台具有垂直极化的固定发射机，入射到移动天线的电磁场由磁场由N

45、个具有个具有任意载频相位、入射方位角和相等的平均任意载频相位、入射方位角和相等的平均幅度幅度的平面波组成的平面波组成推导推导统计特性统计特性v Jakes仿真仿真 模拟均匀介质散射环境中平坦衰落信道的模拟均匀介质散射环境中平坦衰落信道的复低通包络复低通包络。方法方法 用有限个（用有限个（10个）低频振荡器近似构建一种可分析模型个）低频振荡器近似构建一种可分析模型推导推导接收波形表达式及仿真模型接收波形表达式及仿真模型哈尔滨工业大学（威海）Clarke信道模型信道模型v 对于以第对于以第n个以角度个以角度 到达到达x轴的入射波轴的入射波v 多普勒频移为多普勒频移为v 到达移动台的垂直极化平面波存

46、在到达移动台的垂直极化平面波存在电场电场E和和磁场磁场H的的场强分量，场强分量，即：即：v 其中，其中， 是本地平均是本地平均E场场(假设为恒定值）的实数幅度，假设为恒定值）的实数幅度， 表示不表示不同电波幅度的实数随机变量，同电波幅度的实数随机变量， 为自由空间的固定阻抗为自由空间的固定阻抗 ( ) v 第第n个到达分量的随机相位个到达分量的随机相位v 对场强归一化，有对场强归一化，有n图图215 入射角到达平面示意图入射角到达平面示意图 cosnnvf01cos(2)NzncnnEECf t01sincos(2)NxnncnnEHCf t 01coscos(2)NynncnnEHCf t

47、nC0E3372nnnf t211NnnC在在x-yx-y平面平面哈尔滨工业大学（威海）Clarke信道模型信道模型(0,2 2nnnf t()cos(2)sin(2)zccscET tftTft01( )cos(2)NcnnnnT tECf t01( )sin(2)NsnnnnT tECf t,v由于多普勒频移相对于载波很小若由于多普勒频移相对于载波很小若N足够大，足够大， 三种场分量可用窄带高斯随机过程表示。三种场分量可用窄带高斯随机过程表示。v设相位角设相位角 在在 服从均匀分布，则服从均匀分布，则E场可用同场可用同相和正交分量表示相和正交分量表示 式中：式中： 代表同相分量和正交分量。

48、代表同相分量和正交分量。zxyEHH、 、哈尔滨工业大学（威海）Clarke信道模型信道模型根据中心极限定理，根据中心极限定理， 都是高斯随机过程。都是高斯随机过程。 具有具有0平均、等方差、不相关的特点：平均、等方差、不相关的特点： 是关于是关于 的总体平均。的总体平均。接收的接收的E场的包络为场的包络为包络服从瑞利分布包络服从瑞利分布 式中式中,22( )( )( )zcsETtTtr t22222r2202r2erdre21)r(p 202E,0scTT222202cszETTE2zEnn、哈尔滨工业大学（威海）Jakes仿真仿真推导接收波形表达式推导接收波形表达式 依据依据Clarke

49、模型，接收端波形可表示为经历了模型，接收端波形可表示为经历了N条路径的条路径的一系列平面波的叠加一系列平面波的叠加 其中其中 ，不同路径的附加相移，不同路径的附加相移 是相互独立的随是相互独立的随机变量，且在机变量，且在 服从均匀分布。服从均匀分布。 将将 标准化，功率归一化，得：标准化，功率归一化，得： 式中式中1( )2cos(cos)( )cos( )sinNncmnnnccscR tCttXttXtt01( )cos()NDncnnnRtECtt1( )2cos(cos)NcnmnnnX tCt1( )2sin(cos)NsnmnnnXtCt cosnmnn(0,2 ()DR t哈尔滨

50、工业大学（威海）Jakes仿真仿真推导接收波形表达式推导接收波形表达式 假设平面波的假设平面波的N个入射角个入射角 在在 均匀分布，则模型中均匀分布，则模型中参数参数 代入可得：代入可得：2nnN2112nnCpddN122( )cos(cos)NcmnnR tttnNN(0,2 Nd22,(1,2,.)nn nNNNCNCnn1,12哈尔滨工业大学（威海）Jakes仿真器模型仿真器模型描述平坦衰落的随机信号可以用描述平坦衰落的随机信号可以用N个相互独立的随机变量个相互独立的随机变量（ ， ， ）表示，所以可以用）表示，所以可以用N个低频振荡器生成。个低频振荡器生成。图图2-12 Jakes仿

51、真器模型仿真器模型 nCnn哈尔滨工业大学（威海）v 目的目的 掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化特点，以便掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。v 方法方法 根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确v 确定传播环境的主要因素确定传播环境的主要因素自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）人工建筑的数量

52、、高度、分布和材料特性人工建筑的数量、高度、分布和材料特性该地区的植被特征该地区的植被特征天气状况天气状况自然和人为的电磁噪声状况自然和人为的电磁噪声状况系统的工作频率和移动台运动等因素系统的工作频率和移动台运动等因素v 本节内容本节内容室外传播模型室外传播模型室内传播模型室内传播模型传播模型校正传播模型校正哈尔滨工业大学（威海）室外传播模型室外传播模型Hata模型 CCIR模型LEE模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型 Okumura-Hata 模型模型COST 231 Hata模型模型常用的常用的几种室几种室外电波外电波传播损传播损耗预测耗预测模型模型哈尔滨工业大学

53、（威海）Okumura-Hata 模型模型v 适用频率范围适用频率范围1501500MHz。v 路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式式中式中 工作频率（工作频率（MHz）。）。 基站天线有效高度（基站天线有效高度（ m ），定义为基站天线实际），定义为基站天线实际海拔高度与基站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度海拔高度与基站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差。之差。 移动台天线有效高度（移动台天线有效高度（m），定义为移动台天线），定义为移动台天线高出地表的高度高出地表的高度 d 基站天线和移动台天线之间的水平距离基站天线和移动台天线之间的水平距离 （km） 69.55 2

54、6.16log13.82log44.9 6.55loglogpcteretecellterrainL dBfhhhd CCcftehreh哈尔滨工业大学（威海）Okumura-Hata 模型模型 有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数 小区类型校正因子小区类型校正因子 地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响损耗的影响 MHz300f97. 4h75.11log2 . 3MHz300f1 . 1h54. 1log29. 88 . 0flog56. 1h7 . 0flog11. 1hc2rec2rec

55、recre大大城城市市、郊郊区区、乡乡村村中中小小城城市市 乡村乡村郊区郊区城市城市98.40flog33.18flog78. 44 . 528flog20Cc2c2ccell reh cellCterrainC哈尔滨工业大学（威海）COST-231 Hata模型模型v频率扩展到频率扩展到1.52G的的Hata模型扩展版本。模型扩展版本。v路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式 式中式中 大城市中心校正因子大城市中心校正因子 5046.3 33.9log13.82log44.9 6.55loglogcteretecellterrainML dBfhhhd CCC 市市中中心心大大城城中中

56、等等城城市市和和郊郊区区dB3dB0CMMC哈尔滨工业大学（威海）COST-231 Hata模型模型v两种两种Hata模型的主要区别模型的主要区别Okumura-Hata模型适用于准平坦地形宏蜂窝，适用频率范模型适用于准平坦地形宏蜂窝，适用频率范围围150MHz1500MHz，主要用于，主要用于900MHz，30m 200m，lm 10m，lkmd20km；COST231-Hata模型适用于城市模型适用于城市地貌及郊区的无线网络规划，一般用于宏蜂窝基站，地貌及郊区的无线网络规划，一般用于宏蜂窝基站，1500MHz 2000MHz，可用于，可用于1800MHz的载频，的载频，30m 1km）微蜂窝（微蜂窝（1km）频率（频率（MHz）天线高度天线高度（m）城区城区/郊区郊区/乡乡村村HataOkumura-Hata宏蜂窝宏蜂窝1501500基站：基站：30200移动台：移动台：110城区、郊区、乡城区、郊区、乡村村 COST-231 Hata宏蜂窝宏蜂窝1