第三讲移动信道中的电波传播

1、移动通信移动通信Mobile Communication兰州交通大学电信学院兰州交通大学电信学院 主讲：郑玉甫主讲：郑玉甫: 2目录目录n第一讲 概述（1学时） n第二讲 移动通信组网原理（2学时）n第三讲 移动信道中的电波传播（1学时）n第四讲 数字移动通信关键技术（2学时）n第五讲 GSM/GPRS数字蜂窝移动通信系统（2学时）n第六讲 移动数据传输（1学时）n第七讲 未来移动通信展望（1学时）n第八讲 GSM-R铁路专用移动通信系统（8学时）n第九讲 铁路无线电管理（2学时）n第十讲 铁路GSM-R系统运用质量标准（2学时）n第十一讲 铁路GSM-R系统测试（2学时）3第三讲第三讲 移动

2、信道中的电波传播移动信道中的电波传播n3.1 三种基本传输机制q3.1.1 反射与多径信号q3.1.2 绕射损耗 q3.1.2 散射n3.2 无线电波传播概述n3.3 自由空间的无线电传播n3.4 阴影衰落n3.5 多径衰落q3.5.1 多径衰落的基本特性q3.5.2 多普勒频移4q3.5.3 瑞利（Rayleigh）和莱斯（Rician）分布q3.5.4 衰落特征量q3.5.5 时延扩展与相关带宽q3.5.6 多普勒频展与相干时间q3.5.7 多径衰落类型n3.6 电波传播路径损耗模型q3.6.1 Okumura模型q3.6.2 Okumura-Hata模型q3.6.3 COST-231 H

3、ata模型q3.6.4 COST-231 Walfisch-Ikegami(WIM)模型q3.6.5 COST-231室内电波传播路径损耗模型5n3.1 三种基本传输机制 电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方式称为天波 沿地球表面进行传播的电波传播模式称为地表面波。 在对流层中进行的电波传播方式称为空间波6 在移动通信系统中，影响电磁波传播的三种基本传播机制：反射 、绕射、散射。w反射：当电磁波遇到比其波长大得多得物体时发生反射，发射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面w绕射：当接收机与发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射w散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积

4、内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。 78w两径（直射+反射）传播模型接收信号功率：考虑由N条路径构成的多径传播模型时：2214jTRtrReGGdPP211214NijiTRtrieRGGdPP9w绕射损耗 菲涅尔余隙：表示障碍物顶点P至直射线TR的距离x； 规定阻挡时余隙为负；无阻挡时余隙为正10绕射损耗和菲涅尔余隙的关系： 当直射线TR从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6dB； 当直射线TR低于障碍物顶点时，损耗急剧增加。A.11n3.2 无线电波传播概述 三种衰落w路径损耗衰落：它指电波在空间传播所产生的损耗，反映了传播在宏观大范围（即公里量级

5、）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。它随着距离基站的距离而变，衰减特性服从nRdP112w阴影衰落：它是指由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗，反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其衰落特性服从对数正态分布。这种衰落变化率较慢，又称为慢衰落。 13w小尺度衰落（多径衰落、瑞利衰落）：它主要是由多径传播而产生的衰落，反映了微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其衰落特性服从瑞利（Rayleigh）分布或莱斯（Rician）分布。14 多径衰落可分为三种： 1）空间选择性衰落：在不同地点（空间）衰落特性不一样

6、成因：开放型移动信道 2) 频率选择性衰落：在不同的频率衰落特性不一样 成因：宽带移动信道 3) 时间选择性衰落：在不同的时间衰落特性不一样 成因：高速移动用户的信道 1516n3.3 自由空间的无线电传播 在自由空间中，电波的传播是直线传播（无阻挡的视距路径）。适用范围是：卫星通信系统和微波视距无线链路w接收信号功率w自由空间路径损耗式中，f:通信频率，与波长的关系为： f=c/ d:通信距离 RTtrGGdPdP24)(MHz)lg20(km)lg2045.32log10fdPPLrtfs1718距离距离 (m)接收信号电平接收信号电平(dBm)19GSM 1800强场变化举例强场变化举例

7、-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100500100015002000250030003500400045005000距离距离 (m)强场强场 (dBm)测量测量自由空间短期衰落短期衰落长期衰落长期衰落 2 m /220n3.4 阴影衰落w当电波在传播路径上遇到障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影，造成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，这种衰落又称阴影衰落w对任意的d值，特定位置的路径损耗为随机正态对数（以分贝表示时，服从正态分布） 其中， 为均值为零的高斯随机变量；标准偏差为 （dB计） XdPLdPL)(dB)(X( )dBdB( )dB()rtP dmPmPL

8、 d含天线增益2122衰落储备w为了防止因衰落（包括多径衰落和阴影衰落）引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标，这种电平余量称为衰落储备 23A.24 n3.5 多径衰落q3.5.1 多径衰落的基本特性w多径效应在时域上引起信号的时延扩展，相应地在频域上规定了相干带宽。当信号带宽大于相干带宽时就会发生频率选择性衰落。w多普勒效应在频域上引起信号频谱扩展，相应地在时域上规定了相干时间。当符号周期大于相干时间时就会发生时间选择性衰落。 25 26q3.5.2 多普勒频移w由于移动台和基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。移动引起的接机信号

9、频移称为多普勒频移。 频率弥散frequency dispersioncfcvcoscostvdl路径差cos cos21mdfvtfcos22tvl相位差频率差最大多普勒频移 fm= v/ 27q3.5.3 瑞利和莱斯分布1、瑞利分布w假设：（1）收、发间存在多条反射路径且各个反射波的幅度和到达接收天线的方向角是随机的且满足统计独立；（2）收、发信机之间没有直射波通路w设基站发射的信号为 考虑到多普勒频移，则经反射（或散射）到达接收天线的第i个接收信号可表示为w接收信号为： 0000exp)(tjatS00expcos2exp)(tjvtjatSiiiiNiitStS1)()(28w经推导，

10、结论： 当多径数N很大时， 合成信号的相位服从 U0,2 当不存在LOS信号时，多径衰落信号的包络服从瑞利分布；当存在LOS信号时，其包络服从莱斯分布；实测环境中，有时其包络服从Nakagami分布 29w多径接收信号的幅度服从瑞利分布，其概率密度函数为 其中， 为包络检波之前所接收信号的均方根（rms）值w相位(t)的概率密度函数为 0002exp)(222rrrrrp2021)(p30w瑞利分布特点：存在很多径，没有一个特别突出的径 31w瑞利分布的均值w瑞利分布的均方值w瑞利分布的方差wr的中值 2533. 1)(0drrrprErmean 20222)(drrprrE 22224292

11、. 0rErEr177. 1medianr3200.20.40.60.81-30-25-20-15-10-50510t (s)R(t) (dB)v=20km/h33342、莱斯分布w莱斯分布特点：存在很多径，有一个特别突出的径35w多径接收信号的幅度服从莱斯分布，其概率密度函数为 其中，A为主信号幅度的峰值； 为零阶第一类贝赛尔函数 定义莱斯因子K：主信号的功率与多径分量方差之比 00)0, 0()(2022222rrAforArIerrpAr）（(.)0I(dB)2lg10(dB)22AK36373、Nakagami-m分布w多径接收信号的幅度服从Nakagami分布，其概率密度函数为 21

12、2exp2mrmrmrpmmm 222var rrEm 2rE01dxexxm m(m1/2) ; ; 38q3.5.4 衰落特征量衰落深度衰落深度衰落速率衰落速率电平电平通过率通过率衰落持续时间衰落持续时间391、衰落率和衰落深度w衰落率是指信号包络沿正斜率通过中值电平的速率可见，平均衰落率与信号频率、移动台运动速度有关w衰落深度是指信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值(Hz)1085. 12/3vfvA平均衰落率：402、电平通过率w信号包络沿正斜率通过某一规定电平的速率 41 对于瑞利分布，电平通过率可表示为： 其中， 为最大多普勒频移； 为规定电平值R normalized to 衰

13、落信号包络的均方根值讲解书上例题3.122efNmRmf/=/2rmsRRR423、平均衰落持续时间w接收信号包络低于某一特定电平的持续时间 Rt1t2t3（Rayleigh 分布）RRNRrP)( ) 1(212efm讲解书上例题3.24344q3.5.5 时延扩展与相关带宽 时延扩展和相干带宽是描述宽带多径信号时间色散特性的参数w多径衰落：无线信号在经过短距离（几个波长）或短时间（秒级）的传播后其幅度快速衰落。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的。 451、时延扩展w经不同路径达到接收机的时间不同而引起的脉冲宽度扩展的现象。 最大时延

14、扩展时间色散 time dispersion 多径传播46 宽带多径信道的时间色散特性通常用平均多径时延和均方根（rms）时延扩展来定量描述 归一化的多径功率延迟分布 47w平均多径时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为w均方值时延扩展是功率延迟分布的二阶矩，定义为w最大时延max ，即归一化的包络曲线E(t)下降到30dB时对应的时延差 0)( dtttE20222)()()(dttEt48讲解书上例题3.3492、多径传播对接收信号的影响 n时域q衰落（fading）q符号间干扰（inter-symbol interference，ISI）典型瑞利衰落包络（900MHz，120km/h）50相

15、关带宽(coherent bandwidth)fc1/Tmn频域衰落的频率选择性（frequency selectivity）q频率选择（frequency selective）q非频率选择（non-frequency selective or flat）513、相干带宽w两个接收信号的幅度、相位具有高度相关性的频率范围。若相关带宽定义为频率相关函数值大于0.5的某特定带宽，则可表示为w相干带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。也就是说，衰落信号中的两个频率分量，当其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性；当频率间隔大于相关带宽时，它们就不相关了，其衰落不具有一致性

16、（频率选择性衰落）。 51cB52举例： 某市区实测均方根时延扩展为1.37s，试问该系统在不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适？解：因为 30kHz，所以AMPS不需要均衡器就能正常工作；而GSM系统所需的200kHz带宽超过了 ，所以GSM需要均衡器才能正常工作 kHzsBc146)37.1 (5151cBcB53q3.5.6 多普勒频展与相干时间 多普勒频展与相干时间是描述小尺度内信道时变特性的参数n时变（time variation）时间选择性 time selectivity用户或信道中反射体和散射体移动541、多普勒频展w最大多普勒(Doppler)频移，也称多普勒频

17、展BD 55w多普勒频展：它表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由于移动台运动产生的，即就是信道在时域具有选择性，这种衰落又称为时间选择性衰落。若基带信号带宽远大于 ，则多普勒扩展的影响可忽略，此时信道称为慢衰落信道 Df多普勒扩展功率谱 562. 相干时间w多普勒频展在时域的表示，信道特性没有显著变化的持续时间，可表示为w相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。若比特持续时间小于信道相干时间Tc时，信道衰减和相移对于至少一个比特持续时间内基本上固定不变，此时，信道呈现慢衰落性。否则，信道呈现快衰落性，引起信号失真。DcfT423. 05758q3.5.

18、7 多径衰落类型 w信号通过移动无线信道传播时，其衰落类型取决于发送信号的特性及信道特性。信号参数（如带宽、符号周期等）和信道参数（如rms时延扩展和多普勒频展）之间的关系决定了不同的发送信号将经历不同的衰落类型w 多径时延扩展引起的衰落效应：频率选择性衰落w多普勒频展引起的衰落效应：时间选择性衰落w角度色散 ：空间选择性衰落 59多径衰落类型 606162n3.6 电波传播路径损耗模型 w根据测试数据找出各种地形地区下的传播损耗（或接收信号场强）与距离、频率以及天线高度之间的关系，建立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。w在移动通信领域，常用的几种室外

19、电波传播损耗预测模型有奥村（Okumura）模型、Hata模型、COST-231 Hata模型和COST-231 Walfisch-Ikegami模型(WIM) 63q3.6.1 Okumura模型w适用于UHF和VHF频段、适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区w这一模型的特点是：以准平滑地形大城市的场强中值或路径损耗作为基准，对于不同的传播环境给出相应修正因子 频率范围为：150MHz-1500MHz 距离为：1100km 基站天线高度：301000m 移动台天线高度：110m 64w准平滑地形市区传播损耗中值w任意地形地区的传播损耗中值 其中， 为所在市区中的路径损耗中值； 为自由空间

20、 传播损耗； 为当基站天线高度200米、移动台天线高度 3米时，市区路径损耗相对于自由空间的路径损耗； 为 基站天线高度增益因子； 为移动台天线高度增益因子； KT 为环境类型所带来的增益 TLfsL),(),(),()(fhHdhHdfALdBLmmbbmfsTTTAKLLAm(f, d) Hb(hb, d) Hm(hm, f) 65w讲解例题3.4 大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f, d)66q3.6.2 Okumura-Hata模型w适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。哈塔模型是根据奥村曲线图所作的经验公式 频率范围为：150MHz-1500MHz 距离为：1100km 基站天

21、线高度：30200m 移动台天线高度：110m 67w路径损耗公式 式中，f为工作频率（MHz），hb为基站天线有效高度 （m），hm为移动台天线有效高度（m），d为收、发天线 之间的距离（km），a(hm)为移动台天线高度修正因子， Ccell为小区类型校正因子，Cterrian为地形校正因子，反映一 些重要的地形环境因素对路径损耗的影响 mbphahfdBLlg82.13lg16.2655.69terriancellbCCdhlg)lg55. 69 .44(68频率频率 基站高度基站高度移动台高度移动台高度900MHz50 m1.5 m69q3.6.3 Cost 231模型wHATA模型的扩展，适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区 频率范围为：1500MHz-2000MHz 距离为：120km 基站天线高度：30200m 移动