移动通信3 电波传播与传播预测模型

1、1第三章第三章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性电波电波传播特性传播特性及其研究概述及其研究概述自由空间的自由空间的电波传播电波传播三种基本的电波三种基本的电波传播机制传播机制（反射、绕射、散（反射、绕射、散射）射）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2 1 电波传播的基本特性电波传播的基本特性衰落特性。衰落特性也衰落特性。衰落特性也是移动信道的基本特性。是移动信道的基本特性。衰落的原因衰落的原因 复杂的无线电波传播环境复杂的无线电波传播环境衰落的表现衰落的表现传播损耗和弥散传播损耗和弥散阴影衰落阴影衰落多

2、径衰落多径衰落多普勒频移多普勒频移3 1 衰落的分类衰落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（主要特征是多径）小尺度衰落（主要特征是多径）描述描述长距离（几百或几千米）上信长距离（几百或几千米）上信号强度的缓慢变化号强度的缓慢变化短距离（几个波长）或短时间短距离（几个波长）或短时间（几秒）内信号强度的快速波动（几秒）内信号强度的快速波动原因原因信道路径上固定障碍物的阴影信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和

3、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大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落4 1 衰落特性的算式描述衰落特性的算式描述 式中式中，r(t)表示信道的衰落因子；表示信道的衰落因子；m(t)表示大尺度衰落；表示大尺度衰落；r0(t)表示小尺度衰落。表示小尺度衰落。0( )( )( )r tm trt大尺度衰落小尺度衰落(t)(t)r r0 0mm( (t t) )接收功率图图21 无线信道中的大尺度和小尺度衰落无线信道中的大尺度和小尺度衰落 t5研究对象研究对象(内容内容) 衰落的物理机制衰落的物理机制功率的路径损耗功率的路径损耗接收信

4、号的变化和分布特性接收信号的变化和分布特性目的目的建立传播预测模型建立传播预测模型为实现信道仿真提供基础为实现信道仿真提供基础基本方法基本方法 理论分析方法理论分析方法（如射线跟踪法）（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模型。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。 现场测试方法现场测试方法（如冲激响应法）（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分析，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。来建立预测模型。 1 62 自由空间的传播损耗的概念自由空间的传播损耗的概

5、念 在理想、均匀、各向同性的介质中传播，只存在电磁波在理想、均匀、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。能量扩散而引起的传播损耗。 ttrrGPdAP24自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗接收功率接收功率 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 , Ar是接收天线的是接收天线的有效面积有效面积,为工作波长，为工作波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收分别表示发射天线和接收天线增益，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。传播损耗传播损耗接收电平接收电平: 4GAr2r 24LdtrL P P 10lg32.45

6、20lg20lgdBLLfd() 10lg()rrP dBmP mW() 10lg( )rrP dBWP W73 电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播机制阻挡体阻挡体 反射反射比传输波长大得多的物体比传输波长大得多的物体 绕射绕射尖利边缘尖利边缘 散射散射粗糙表面粗糙表面83 电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播机制-(1) 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两径传播模型两径传播模型多径传播模型多径传播模型9 反射反射-（1）如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来来反射系数反射系数R：入射波与反射

7、波的场强比值：入射波与反射波的场强比值 式中，式中， (垂直极化垂直极化) 或或 (水平极化水平极化) 其中，其中，入射角，入射角，和和分别分别为反射媒质的介电常数和为反射媒质的介电常数和电导率，电导率，为波长。为波长。200cosz 20cosz600jzzRsinsin10反射反射-（2）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的状态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的状态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

8、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）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 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m21()()1vhRR 垂直极化反射系数水平极化反射系数11接收信号功率接收信号功率 简化后简化后 其中，相位差其中，相位差其中，其中，N

9、为路径数。当为路径数。当N很大时，无法用公式准确计算出接很大时，无法用公式准确计算出接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率 12211e.4jjrtrtPPG GRR ed 地面二次效应地面二次效应直射波反射波反射波地表面波可忽略可忽略221Re4jrtrtPPG Gd2l ()lACCBAB 22111exp()4NrtrtiiiPPG GRjd 直射波反射波图2-2 两径传播模型发射天线接收天线反射反射-（3）123 电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播机制-(2) 惠更斯菲涅尔惠更斯菲涅尔原理原理菲涅尔区菲涅尔区 13绕射绕

10、射-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。阴影区绕射波场强为围绕阻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。挡物所有次级波的矢量和。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1

11、80180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TP R惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理14绕射绕射- 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从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大n/2的连续区域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，两信号叠加菲涅尔区同心圆半径菲涅尔区同心圆半径 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

12、菲涅尔区，则大部分能量可以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。达到接收机。 基尔霍夫公式基尔霍夫公式 空间任何一点空间任何一点R的场强的场强ER: 式中，式中，S是包围是包围R点的任意封闭曲面，点的任意封闭曲面，Es是波面场强，是波面场强， 是与波面正交是与波面正交的场强导数。的场强导数。r是点光源到曲面是点光源到曲面S上任一点的距离上任一点的距离1212nn d drdd14jkrjkrsRssEeeEEdsnrrnsEn153 电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播机制-(3) 散散起因起因 无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向无线电波遇到粗糙表

13、面时，反射能量散布于所有方向表面光滑度的判定表面光滑度的判定 表面平整度的参考高度表面平整度的参考高度hc: 平面上最大的突起高度平面上最大的突起高度 h 粗糙表面下的反射场强粗糙表面下的反射场强 散射损耗系数散射损耗系数 式中，式中， 为表面高度为表面高度h的标准差，的标准差，h是具有局部平均值的是具有局部平均值的高斯分布的随机变量。高斯分布的随机变量。 用粗糙表面的修正反射系数用粗糙表面的修正反射系数 求解反射场强求解反射场强 表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8sincih2sinexp8hisroughsRRh164 阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性阴影衰落（慢衰落）阴影衰落（慢衰落

14、） 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的电磁场阴影效应传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应特点特点 衰落与传播地形和地物分布、高度有关衰落与传播地形和地物分布、高度有关表达式表达式 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），服从均值为），服从均值为0和标准偏差为和标准偏差为 dB的正态分布的正态分布 m 路径损耗指数路径损耗指数 实验数据表明实验数

15、据表明m4，标准差，标准差8dB，是合理的，是合理的10( ,)10ml rr10log ( ,)10logl rmr175 移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数多径衰落的多径衰落的基本特性基本特性多普勒频移多普勒频移多径信道的多径信道的信道模型信道模型多径信道的多径信道的描述描述多径信道的多径信道的统计分析统计分析多径衰落信道的多径衰落信道的分类分类衰落特性的衰落特性的特征量特征量衰落信道的衰落信道的建模与仿真建模与仿真18(1) 多径衰落的基本特性多径衰落的基本特性从空间角度幅度衰落幅度衰落 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

16、落 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从时间角度时延扩展时延扩展 接收信号中脉冲的宽度扩展接收信号中脉冲的宽度扩展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19(2) 多多 普普 勒勒 频频 移移原因原

17、因 移动体在移动体在x轴上以速度轴上以速度v移动时会引起多普勒（移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移）频率漂移表达式表达式 多普勒频移多普勒频移 式中式中 v：移动速度：移动速度 ：波长波长 v x ：入射波与移动台移动方向之间的夹角入射波与移动台移动方向之间的夹角 ：最大多普勒：最大多普勒(Doppler)频移频移说明说明 多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及电波入射方向之间的多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及电波入射方向之间的夹角有关：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(接收信号接收信号 频率上升频率上升)；若

18、移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负；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的多普勒扩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。散，因而增加了信号带宽。cosdvfmvf入射电波20(3) 多径信道的信道模型多径信道的信道模型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，可通过分析滤波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激响应和传递函数得到多径信道的特性器的冲激

19、响应和传递函数得到多径信道的特性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激响应多径信道的冲激响应21(I) 只考虑多径效应只考虑多径效应假设第假设第i径的路径长度为径的路径长度为di、衰落系数（或反射系数）为、衰落系数（或反射系数）为式中，式中，c为光速；为光速；为波长。为波长。 令令 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、相移和时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。延都不同的各个路径的总和。 ( )Re( )exp( 2)cs t

20、s tjf t( )Reexp2Reexp2iiiiiciiiiicidddr tas tas tjf tcccddas tjf tcia( )Re( )exp( 2)cr tr tjf t ( )exp2exp2iiiic iiiiddr tajs tajfs tc iid c( )r t22 (II) 再考虑多普勒效应再考虑多普勒效应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路径的变化量路径的变化量 ，最大多普勒频移为，最大多普勒频移为输出复包络输出复包络简化得简化得icosiidvt ( )exp2cosexp2exp2cosiiiiiiii

21、iiiiddddr tajs tcddvtvajjts tcc ( )exp22cosiicimiir ta s tjff tmf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23(III)多径信道的冲激响应多径信道的冲激响应令令 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（实际条路径到达接收机的信号分量的增量延迟（实际延迟减去所有分量取平均的时延），它随时间变化。延迟减去所有分量取平均的时延），它随时间变化。 在任何时刻在任何时刻t，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。由（）式得由（）式得,( ) 22cosi

22、c imic iDitff tt ( )( )( )( , )ijtiiir tas tes th t多径延多径延迟影响迟影响多普勒效多普勒效应影响应影响i( )it( )r t24(III)多径信道的冲激响应多径信道的冲激响应冲激响应冲激响应式中，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 包含了在第包含了在第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； 为单为单位冲激函数。位冲激函数。此冲击响应完全描述了信道特性。此冲击响应完全描述了信道特性。如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离内具有不如果假设信道冲激

23、响应至少在一小段时间间隔或距离内具有不变性，信道冲击响应可以简化为变性，信道冲击响应可以简化为相位相位 服从服从 的均匀分布的均匀分布( )( , )ijtiiih tae iai( )it ( )ijiiiha e i0,225(4)多径信道的描述多径信道的描述-色散色散由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道引起由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道引起传输信号在时间、频率和角度上的色散。传输信号在时间、频率和角度上的色散。通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散多径信道的主要参数多径信道的主要参数 定量描述

24、这些色散时常用的一些特定参数定量描述这些色散时常用的一些特定参数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26时间色散参数时间色散参数-多径效应的时域表现多径效应的时域表现 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) 相干带宽相干带宽-多径效应的频域表现多径效应的频域表现 多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，使两个信号变得相关。这一频率间隔称为不同时延，使两个信号变得相关。这一频率间隔称

25、为“相相干干” 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27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，通过对本地瞬时功率延迟分布取平的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到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，为多径时延的平均值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最大附加延时扩展最大附加延时扩展(XdB) 高

26、于某特定门限的多径分量的时间范围，即多径高于某特定门限的多径分量的时间范围，即多径 能量从初值衰落到低于最大能量能量从初值衰落到低于最大能量(XdB)处的时延处的时延 右图中，右图中， 为归一化的最大附加延时扩展为归一化的最大附加延时扩展(XdB)； 为归一化平均附加延时；为归一化平均附加延时； 为归一化为归一化rms时延扩展时延扩展 1TPeT 0dB -XdB mmT P典型的归一化时延扩展谱 22k kkkkkkkkkaPaP 22E 2 2222k kkkkkkkkkaPEaP 0mTm时延扩展时延扩展28相干带宽相干带宽(1) 接收信号接收信号 等效网络传递函数等效网络传递函数 信道

27、的幅频特性信道的幅频特性 当当 时，信号同相叠加（峰点）时，信号同相叠加（峰点） 当当 时，时，信号反相相减（谷点）信号反相相减（谷点） 相邻两个谷点的相邻两个谷点的 ,两相邻两相邻场强为最小值的频率间隔与两径时延场强为最小值的频率间隔与两径时延 成反比成反比 应为应为rms时延扩展时延扩展 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 说明相干带宽是信道本身的特性参数，与信号无关说明相干带宽是信道本身的特性参数，与信号无关( )0( )( )(1)jtir tx tre( )2tn( )(21)tn) (t21 ( )cBt ( )

28、0()(, )1()jteir tH j trex t r 2 )(t ( )ix t 0( )r t (, )cHjt ( , )1cos( )sin( )Atrtjrt 两径信道模型两径信道模型A(,t) r1r1)(2tn )()12(tn 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)(t( ) t( ) t29相干带宽相干带宽(2)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 则包络相关系数则包络相关系数 此处此处若信号衰落符合瑞利分布，则若信号衰落符合瑞利分布，则 式中，式中， 为零阶为零阶Bessel函数，为最大多普勒频移。函数，为最大多普勒频

29、移。不失一般性，可令不失一般性，可令 ，简化后，简化后通常，根据包络的相关系数通常，根据包络的相关系数 来测度相干带宽来测度相干带宽代入得代入得 相干带宽相干带宽 ()1222221122(, )(, )rrRfrrfrrrr121 212120,( , )r rrr p r r drdr2022(2)(, )1(2)mrJfff221()1(2)rff1( )r t2( )r t12fff 0()J mf0()0.5rf12cB12f30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

30、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远小于信道相干带宽信号带宽远小于信道相干带宽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31(II) 频频 率率 色色 散散-概念概念频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相干时间是频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相干时间是与多普勒扩展相对应的参数与多普勒扩展相对应的参数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描述：描述：用多普勒扩展和相干时间来用多普勒扩展和相干时间来描述描述多普勒扩展多普勒扩展 （功率谱）（功率谱）相干时间相干时间 相干时间相干

31、时间是信道冲激响应应维持不变的时间间隔的统计平是信道冲激响应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。均值，即在此间隔内信道特性没有明显的变化。表征表征了时变信道对信号的衰落节拍了时变信道对信号的衰落节拍推导推导相干时间相干时间时间选择性衰落时间选择性衰落 32(II) 频频 率率 色色 散散-多普勒扩展功率谱多普勒扩展功率谱（适用于室外传播信道）（适用于室外传播信道）典型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，接收信号的功率谱展宽由图可见，由于多普勒效应，接收信号的功率谱展宽（适用于室内传播信道）（适用于室内传播信道） 平坦的多普勒功率谱平坦的

32、多普勒功率谱 mccmfffffffS 22)(1)( mf21)f(S cmffffcS ( f )多普勒扩展功率谱多普勒扩展功率谱fc - fm fc + fm 33(II) 频频 率率 色色 散散-相干时间相干时间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信道相干时间的度量所以多普勒扩展的倒数就是对信道相干时间的度量，即即 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=0 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）表示），即多普勒频移。即多普勒频移。通常将信号包络

33、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干时间时的时间间隔定义为相干时间 由包络相关系数由包络相关系数 令令 ，易得，易得2022(2)(, )1 (2)mrJfff()( )RS f11cDmTffDfDB0f 916cmTf34(II) 频频 率率 色色 散散-时变衰落时变衰落在现代数字通信中，常规定在现代数字通信中，常规定 为上页两式的几何平均作为为上页两式的几何平均作为经验关系经验关系时间选择性衰落时间选择性衰落是由多普勒效应引起的，并且发生在传输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波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性要要

34、保证保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须保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干时间的倒数证传输符号速率远大于相干时间的倒数cT290.42316mcmTff码元间隔大于信道相干时间码元间隔大于信道相干时间TsTc时选衰落时选衰落误码误码35 (III)角角 度度 色色 散散-概念概念移动台和基站周围的散射环境不同，使得多天线系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统中不同位置的天线经历的衰落不同角度扩展角度扩展相关距离相关距离36(III)角角 度度 色色 散散-参数之参数之角度扩展角度扩展信号功率谱密度在角度上的

35、分布。一般为均匀分布、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截短高斯分布和截短拉普拉斯分布等于角度功率谱的二阶中心矩的平方根，即等于角度功率谱的二阶中心矩的平方根，即 式中式中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色散度越高 200()( )( )pdpd 00( )( )pdpd0,237(III)角角 度度 色色 散散-参数之参数之相关距离相关距离Dc 信道冲激响应保证一定相关度的空间距

36、离信道冲激响应保证一定相关度的空间距离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 Bc Ts Bs sTsTsT10sT50快衰落快衰落慢衰落慢衰落原因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条件TsTc BsBD TsBDTc为信道相干时间为信道相干时间BD为多普勒扩展为多普勒扩展51（7）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52

37、（7）衰落特性的特征量）衰落特性的特征量 -衰落速率和衰落深度衰落速率和衰落深度 信号包络在单位时间内在正方向上信号包络在单位时间内在正方向上(以正斜率以正斜率)通通过中值电平的次数，即包络衰落的速率过中值电平的次数，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传播以及多径传播的的路径数路径数有关有关平均衰落率平均衰落率信号有效值（衰落信号均方值）与该次衰落的信信号有效值（衰落信号均方值）与该次衰落的信号最小值的比值。号最小值的比值。31.85 102Af 53（7）衰落特性的特征量）衰落特性的特征量 -单位时间内信号包络以正斜率通过某一规定电平值单

38、位时间内信号包络以正斜率通过某一规定电平值R的平均的平均次数次数 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， 是是 处处r与与 的联合的联合概率密度函数概率密度函数 意义意义 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。衰落发生得相当频繁。 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 ，

39、 为信号有效值为信号有效值 ,p rr0( )( , )N Rrp R r drr 22)(efRNmrmsRR2R 2220( )( )2E rr p r dr 2Rrms r r R54（7）衰落特性的特征量）衰落特性的特征量 -衰落持续时间：衰落持续时间： 信号包络低于某特定值信号包络低于某特定值R的平均持续时间的平均持续时间 可用信号包络低于某个给定电平值的概率与该电可用信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比平所对应的电平通过率之比意义：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

40、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 55 负斜率 T 正斜率 t1 t2 t3 t4 1 2 3 4 R TRn/4)( 414/)(itRt T 0 图图 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56Clarke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，入射到移动天线有一台具有垂直极化的固

41、定发射机，入射到移动天线的电磁场由的电磁场由N个具有个具有任意载频相位、入射方位角和相等任意载频相位、入射方位角和相等的平均幅度的平均幅度的平面波组成的平面波组成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个）低频振荡器近似构建一种可分析模型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57依据依据Clarke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条路径的一系条路径的一系列平面波的叠加列平面波的叠加 其中其中 不同路径的附

42、加相移不同路径的附加相移 是相互独立的随机变量，且在是相互独立的随机变量，且在 服服从均匀分布从均匀分布将将 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，则模型中参数均匀分布，则模型中参数 代入可得代入可得1( )2cos(cos)( )cos( )sinNncmnnnccscR tCttXttXtt01( )cos()NDncnnnR tECtt1( )2cos(cos)NcnmnnnX tCt1( )2sin(cos)NsnmnnnX tCt2nnN假定多径成分强度相等cosnmn122( )cos(cos)NcmnnR

43、 tttnNNn(0,2 ()DR t(0,2 Nd221,2,nn nNN，NCNCnn1,1258 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。nCnn59Jakes仿真器模型仿真器模型其中其中 ，M的典型取值为的典型取值为3442, 1,2,NMnM112( )2coscos2coscosMcMmnnnX tttN112( )2sincos2sincosMsMmnnnX tttN( )( )cos( )sincsccR

44、tXttXtt1, 1,2,4nMnMnM2 1, 1,2,nCNnM60掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化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。特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，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，更准确在此基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）、植被特征自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）、植被特征人工建筑的数量、高度、分布和材料特性人工建筑的

45、数量、高度、分布和材料特性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室外传播模型、室内传播模型、传播模型校正室外传播模型、室内传播模型、传播模型校正61地形地物的分类地形地物的分类: :p按照地面起伏高度的不同，地形可分为两大类，按照地面起伏高度的不同，地形可分为两大类，l中等起伏（准平滑）地形中等起伏（准平滑）地形：表面起伏在：表面起伏在20m20m以下；峰点和以下；峰点和峰谷之间水平距离大于波动幅度；平均地面高度的起伏峰谷之间水平距离大于波动幅度；平均地面高度的起伏变化在变化在20m20m以内。以内。l不

46、规则地形不规则地形：又分为丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和：又分为丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和海陆混合地形等。海陆混合地形等。p按照地物的密集程度，又可分为三类。按照地物的密集程度，又可分为三类。l开阔地开阔地：在电波传播方向上无高大树木、建筑物等障碍：在电波传播方向上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面。物，呈开阔状地面。l郊区地郊区地：是指在移动台近处存在障碍物但不稠密的地区。：是指在移动台近处存在障碍物但不稠密的地区。l市区地市区地：指有较密集的建筑物和高层楼房地区。：指有较密集的建筑物和高层楼房地区。基本概念基本概念62 由于地形的复杂性，只讲天线自身的高度并无多大实际意义。由于地

47、形的复杂性，只讲天线自身的高度并无多大实际意义。如图，设基站天线顶端海拔高度为如图，设基站天线顶端海拔高度为 ，从基站天线设置点起，从基站天线设置点起315km315km距离内地平面平均海拔高度为距离内地平面平均海拔高度为 ，则定义，则定义基站天线有效基站天线有效高度高度 。移动台天线有效高度移动台天线有效高度 则是指当地路面以则是指当地路面以上的高度。上的高度。tmhgnhgntmbhhhmh 图图 基站天线有效基站天线有效高度高度 的定义的定义bh基本概念基本概念 天线有效高度天线有效高度tmhbh地面平均高度（地面平均高度（ ）gnh3km15km63p 准确计算信号传播损耗很准确计算信

48、号传播损耗很困难。困难。p 通常在大量实验的基础上，通常在大量实验的基础上，找出各种地形地物下的找出各种地形地物下的传传播损耗与距离、频率以及播损耗与距离、频率以及天线高度之间的关系，绘天线高度之间的关系，绘出移动通信的传播特性计出移动通信的传播特性计算图表算图表。p 基准中值基准中值Am (f, d)：各种地：各种地形的传播损耗均以中等起形的传播损耗均以中等起伏地上市区传播损耗中值伏地上市区传播损耗中值作为基准中值或基本中值。作为基准中值或基本中值。图图3-23 中等起伏地市区基本损耗中值中等起伏地市区基本损耗中值基本概念基本概念 传播损耗中值传播损耗中值 f (MHz)1305021090

49、7010206040307050100200500100030007002000300130502109070d(km)市区、基准：mhmhmb3200Am (f, d)/dBd(km)64图3-24（a）基站天线高度增益因子bh),(dhHbbd（km）3020100-10-20-3020 30 50 70 100 200 300 500 700 10001004020110市区、基准：mhb200hb (m)Hb (hb, d)/dB基本概念基本概念p 若基站天线高度若基站天线高度 不是不是200m，则损耗中值的差异用，则损耗中值的差异用基站天线基站天线高度增益因子高度增益因子 表示表示

50、传播损耗中值传播损耗中值65图3-24（b）移动台天线高度增益因子基本概念基本概念p 若移动台天线高度若移动台天线高度hm 不是不是3m，则损耗中值的，则损耗中值的差异用差异用移动台天线高度移动台天线高度增益因子增益因子hm (hm, f)表示。表示。p 中等起伏地市区的中等起伏地市区的接收接收信号功率中值信号功率中值PP和和传传播损耗中值播损耗中值LT分别为：分别为： 传播损耗中值传播损耗中值201050-5151 2 3 5 7 10200010007004002001001002004001000)(MHzf中小城市内大城市内市区、基区：mhm3400MHz0( , )(, )(,)Pm

51、bbmmdBdBPPAf dHh dHhf0( , )(, )(,)TmbbmmLLAf dHh dHhf66常用的几种室外电波传播损耗预测模型常用的几种室外电波传播损耗预测模型Hata模型模型 广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损耗广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损耗预测的传播模型。预测的传播模型。Hata模型模型COST 231 Hata模型模型CCIR模型模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型模型 67Okumura模型是奥村（模型是奥村（Okumura）和他的合作者根）和他的合作者根据在日本东京近郊广泛测试的结果得到的经验公式，据在日本东京近郊广泛测试的结果

52、得到的经验公式，是基于各种数量值的纯经验模型，没有任何的分析是基于各种数量值的纯经验模型，没有任何的分析解释，利用修正因子可广泛用于预测城区信号解释，利用修正因子可广泛用于预测城区信号。适用频率范围适用频率范围150MHz-3GHz；距离；距离1100km；天线；天线高度高度301000m。预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经成预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经成为系统规划的标准。为系统规划的标准。68 Hata模型是根据模型是根据Okumura模型的经验公式建立起来的，模型的经验公式建立起来的，Hata模型以市区的传播损耗为标准，其它地区在这个标准上进行模型以市区的传播损耗为标

53、准，其它地区在这个标准上进行修正。修正。适用于市区、郊区和广阔地形的大区制的移动系统。适用于市区、郊区和广阔地形的大区制的移动系统。 适用频率范围适用频率范围150MHz -1.5GHz；传播距离为；传播距离为120km，基站，基站天线高度在天线高度在30200m之间。之间。 市区路径损耗的标准公式。在市区路径损耗的标准公式。在1km以上的情况下，预测结果以上的情况下，预测结果和和Okumura模型非常接近。模型非常接近。 缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半径为缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半径为1km的的个人通信系统。个人通信系统。69Okumura-Hata中值路径损耗计

54、算的经验公式中值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海拔高度与基），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之差站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差 移动台天线有效高度（移动台天线有效高度（m），定义为移动台天线高出地表的高度），定义为移动台天线高出地表的高度 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） 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

55、映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响 69.55 26.16log13.82log44.9 6.55loglogpcteretecellterrainL dBfhhhd CC220 2 log285.4 4.78 log18.33log40.98 cellcccCfff城市郊区乡村cftehreh reh cellCterrainC22 1.11log0.71.56log0.88.29 log1.541.1 3003.2 log11.754.97 300crecrerecrecfhfhhfMHzhfMHz中小城市大城市、郊区、乡村70

56、 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两种两种Hata模型的模型的主要区别主要区别频率频率衰减系数衰减系数不同不同 COST-231Hata模型频率衰减因子为模型频率衰减因子为33.9 Okumura-Hata模型的频率衰减因子为模型的频率衰减因子为26.16COST-231Hata模型还模型还增加增加了一个大城市中心衰减，大城了一个大城市中心衰减，大城市中心地区路径损耗增加市中心地区路径损耗增加3dB。 5046.3 33.9log13.82log44.9 6.55loglogcteretecellterrainMLdBfhhhd CC

57、C 市市中中心心大大城城中中等等城城市市和和郊郊区区dB3dB0CMMC71室外模型：室外模型： CCIR模型模型给出了反映自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗联合效给出了反映自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗联合效果的经验公式果的经验公式 校正因子校正因子右图给出了右图给出了Hata和和CCIR 路径损耗公式的路径损耗公式的对比对比， 由图可见，由图可见，路径损耗随路径损耗随 建筑物密度而增大建筑物密度而增大 5069.55 26.16log13.82log44.9 6.55loglogctereteLdBfhhhd B3025logB 被建筑物覆盖的区域的百分比72 用于建筑物高度近似一

58、致的郊区和城区环境用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境常用于移动通信系统（常用于移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS）设计）设计可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等不同情况的路径损耗不同情况的路径损耗视距传播情况，路径损耗视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗 式中式中 L0 自由空间传播损耗自由空间传播损耗 L1 由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗 L2 2 沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）fdLlog20log26

59、6 .42210LLLL 11116.9 10log10log20logRmLwfhhL 221loglog9logadfLLkkdkfb73 w 接收机所在的街道宽度（接收机所在的街道宽度（m） hR建筑物的平均高度（建筑物的平均高度（m） hm接收天线的高度接收天线的高度 其中其中 街区轴线与发射机和接收机天线连线之间的夹角街区轴线与发射机和接收机天线连线之间的夹角2 式中式中 上面各式中，上面各式中，hB为为发射天线高度，发射天线高度， b为相邻建筑物中心距离为相邻建筑物中心距离 1110 0.35710352.5 0.0753535554 0.1114555590Lblogflogkd

60、logkkLLfda9212 RBRBRBhh,hh,hhlogL011821 kmdhhhhdkmdhhhhhhkRBRBRBRBRBa5 . 0,4 . 0545 . 0,8 . 054,54并并且且并并且且 RBRRBRBdhhhhhhhk,1518,18 大大城城市市中中等等城城市市和和郊郊区区,19255 . 1,19257 . 04ffkf 11116.9 10log10log20logRmLwfhhL 74室外模型：室外模型：COST 231-WI模型模型 COST231WalfishIkegami（COST 231-WI）模型是应用）模型是应用于建筑物密集区的中到大型蜂窝的半确