无线电波传播特性课件

1、第四章 无线电波传播特性华北电力大学电子系赵建立hdzjl23062011年主要内容无线电波传播特性分析移动无线信道及特性参数移动环境下的信道分析其他无线信道4.1 无线电波传播特性移动通信环境下场强变化剧烈场强变化的平均值随距离增加而衰减场强特性曲线的中值呈慢速变化-长期慢衰落（大尺度路径损耗传播模型）由移动通信信道路径上的固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起的。场强特性曲线的瞬时值呈快速变化-短期快衰落（小尺度多径衰落传播模型）由收发信双方的相对运动和环境地点的变化而产生。大尺度衰落与小尺度衰落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

2、度衰落；r0(t)表示小尺度衰落。大尺度衰落小尺度衰落图41 无线信道中的大尺度和小尺度衰落 接收功率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信号与信道变化快慢程度的比较分为 大尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多径）描述长距离上信号强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动原因信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和地点的变化影响 业务覆盖区域 信号传输质量大尺度衰落与小尺度衰落多径传播陆地室外移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物，树木和以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射，散射及绕射等，这样，移动信道是充满了反射波的传播环境。在移动传播环境中

3、，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而加强，有时反向迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。多径传播模型无线电传播特性的研究考虑问题衰落的物理机制功率的路径损耗接收信号的变化和分布特性应用成果传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础基本方法 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 测模型 现场测试方法（如冲激响应法） 在不同的传播

4、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4.2 电波的传播方式阻挡体 反射（引起多径衰落）比传输波长大的多的物体 绕射尖利边缘 散射粗糙表面自由空间的电波传播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，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗 接收功率 式中，Pt为发射功率，以球面波辐射， ，为工作波长，Gt，Gr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。自由空间的传播损耗 当Gt=Gr=1时， 分贝式接收换算 反 射理想介质表面的反射极化特性多径信号两径传播模型多径传播模型 理想介质表面的反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将

5、反射回来反射系数（R） 入射波与反射波的比值 入射角 式中 (垂直极化） （水平极化） 而 其中，为介电常数，为电导率，为波长。 极 化 特 性极化：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。电磁波的极化形式： 线极化、圆极化和椭圆极化。线极化的两种特殊情况 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）极化反射系数： 对于地面反射，当工作频率高于150MHz（ ）时， ，算得 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 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 地面二次效应可忽略直射波反射波地表面波可忽略

6、直射波反射波图4-2 两径传播模型发射天线接收天线 多 径 信 号两径传播模型多径传播模型移动通信环境的场强测试曲线阴影衰落的基本特性阴影衰落（慢衰落） 移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应特点 衰落与传播地形和地物分布、高度有关表达式 传播路径损耗和阴影衰落 分贝式 式中, r 移动用户和基站之间的距离 由于阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差dB的对数正态分布 m 路径损耗指数 实验数据表明m4，标准差8dB，是合理的4.2 移动无线信道及特性参数多径衰落的基本特性多普勒频移多径信道的信道模型描述多径信道的主要参数多

7、径信道的统计分析多径衰落信道的分类衰落特性的特征量1、多径衰落的基本特性幅度衰落 接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落 空间角度模拟通信系统的主要考虑对象原因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时延扩展 接收信号中脉冲的宽度扩展时间角度数字通信系统的主要考虑对象原因 信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号。 2、多 普 勒 频 移原因 移动体在x轴上以速度v移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移表达式 多普勒频移 cos 式中 v 移动速度 波长 v 入射波与移动台移动方向之间的

8、夹角 最大多普勒(Doppler)频移说明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：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的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。入射电波3、多径信道的信道模型原理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，可通过分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性推导冲击响应只考虑多径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信道的冲击响应 只考虑多径

9、效应传输信号 假设第i径的路径长度为xi、衰落系数（或反射系数）为接收信号式中，c为光速；为波长。又因为 所以 式中 为时延。 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。 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输出复包络简化得 （）其中， 为最大多普勒频移。在相位中不可忽略数量级小可忽略多径信道的冲击响应 多径和多普勒效应对传输信号的影响 令 式中 代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟 在任何时刻t，随机相位 都可产生对 的影响，引起多径衰落。 冲击响应 由（）式得 冲击响应 式中

10、， 、 表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位 包含了在第i个增量延迟内一个多径分量所有的相移； 为单位冲击函数。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变性，信道冲击响应可以简化为此冲击响应完全描述了信道特性，相位 服从 的均匀分布多径延迟影响多普勒效应影响4、描述多径信道的主要参数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。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 定量描述这些色散时常用的一些特定参数功率延迟分布PDP时间色散多普勒功率谱密度DPSD角度谱PAP频率色散角度色散功率延迟分布（PDP）

11、基于固定时延参考 的附加时延 的函数，通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式中，T是常数，为多径时延的平均值时间色散特性参数平均附加延时 rms时延扩展 其中最大附加延时扩展(XdB) 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(XdB)处的时延 图2-5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 t0dB -XdB D 图2-5 典型的归一化时延扩展谱 时间色散参数从时延扩展角度说明相关带宽两径情况 接收信号 等效网络传递函数 信道的幅频特性 当 时，信号同相叠加，出现峰点 当 时，信号反

12、相相减，出现谷点 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 多径情况 应为rms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 说明相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关 图2-6 两径信道模型 图2-7 通过两径信道的接收信号幅频特性A(,t) w)(2tnDp )()12(tnD+p 1+r1-r从包络相关性角度推导相关带宽设两个信号的包络为 和 ， 频率差为 ，则包络相关系数 此处，相关函数 若信号衰落符合瑞利分布，则 式中， 为零阶Bessel函数， 为最大多普勒频移。不失一般性，可令 ，简化后通常，根据包络的相关系数 来测度相关带宽代入得

13、相关带宽 () 衰落的分类及判定 判定 由信道和信号两方面决定分类 不同频率分量的衰落 信号波形频率选择性衰落 不一致 失真非频率选择性衰落（平坦衰落） 相关的 一致的 不失真数字通信系统信号带宽小于信道相关带宽BsBc平坦衰落频选衰落码间干扰 频 率 色 散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时变特性原因 移动台运动或信道路径中的物体运动用普勒扩展和相关时间来描述多普勒扩展 （功率谱）相关时间 相关时间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。表征了时变信道对信号的衰落节拍推导相关时间时间选择性衰落 推导相关时间从

14、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 所以多普勒扩展的倒数就是对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=0 式中 为多普勒扩展（有时也用 表示），即多普勒频移。从包络相关性角度 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间 ,包络相关系数 令 ， =0.5 推出 时间选择性衰落时间选择性衰落是由多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性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在现代数字通信中，常规定 为上页两式的几何平均作为经验关系码元间隔大于信道相关时间TsT

15、c时选衰落误码5多径信道的统计分析 主要讨论多径信道的包络统计特性。接收信号的包络根据不同的无线环境一般服从 瑞利分布 莱斯分布 瑞 利 分 布环境条件 通常在离基站较远、反射物较多的地区符合 （如下图）发射机和接收机之间没有直射波路径存在大量反射波，到达接收天线的方向角随机,且02均匀分布各反射波的幅度和 相位都统计独立Play接收信号的幅度相位分布瑞利分布的概率分布密度 包络 r 服从瑞利分布，在02内服从均匀分布瑞利分布的均值 瑞利分布的方差 莱斯分布的环境条件直射系统中，接收信号中有视距信号成为主导分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上非直射系统中，源自某一个散射体路径的信

16、号功率特别强Play莱斯分布的概率密度函数概率密度函数 式中, A是主信号的峰值 I0()是0阶第一类修正贝塞尔函数莱斯因子K 主信号的功率与多径分量方差之比 分贝式意义 完全决定了莱斯的分布：当 ，莱斯分布变为瑞利分布强直射波的存在使接收信号包络从瑞利变为莱斯分布当直射波进一步增强（ ），莱斯分布将趋进高斯分布瑞利分布 莱斯分布 高斯分布图2-10 莱斯分布的概率密度函数6多径衰落信道的分类 依据 分类时间色散频率选择性衰落信道平坦衰落信道频率色散快衰落信道慢衰落信道是否考虑角度色散标量信道（时，频）矢量信道（时、频、空）平坦衰落和频率选择性衰落 Ts为信号周期（信号带宽Bs的倒数） 是信道

17、的时延扩展； Bc为相关带宽通常若 ，可认为该信道是频率选择性的 频率选择性衰落平坦衰落 原因信道具有恒定增益和相位的带宽范围小于发送信号带宽 时间色散 码间干扰信道具有恒定增益和相位的带宽范围大于发送信号带宽频谱特性不同频率获得不同增益在接收端保持不变 条件 Bs Bc Ts Bs 快衰信道和慢衰信道 快衰落慢衰落原因冲激响应变化快于基带信号变化信道冲激响应变化比不上基带信号变化条件TsTc BsBd TsBdTc为信道相关时间BD为多普勒扩展7衰落特性的特征量衰落深度衰落速率电平通过率衰落持续时间衰落速率和衰落深度 衰落速率 信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数，即包络衰落的速率

18、与发射频率，移动台行进速度和方向以及多径传播的路径数有关平均衰落率衰落深度 信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值。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平值R的平均次数意义 描述衰落次数的统计规律： 深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁表达式 式中 为信号包络r 对时间的导函数平均电平通过率 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。 对于瑞利分布可得 式中 fm为最大多谱勒频率， 其中 信号平均功率 ， 为信号有效值衰落持续时间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表达式意义 描述了衰落次数的统计规律平均衰落持续时间 衰落是随机发

19、生的，只能给出平均衰落持续时间 对于瑞利衰落，可得4.3 电波传播损耗预测模型目的 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，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。方法 根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确确定传播环境的主要因素自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性该地区的植被特征天气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本节内容室外传播模型室内传播模型传播模型校正室外传播模型常用的几种室外电波传播损耗预测模型Hata模型 广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损

20、耗预测的传播模型。 根据应用频率的不同，又分为Okumura-Hata 模型COST 231 Hata模型，CCIR模型LEE模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型 Okumura-Hata 模型 路径损耗计算的经验公式式中 工作频率（MHz） 基站天线有效高度（ m ），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 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 d 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 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损耗的影响 CO

21、ST-231 Hata模型路径损耗计算的经验公式 式中 大城市中心校正因子两种Hata模型的主要区别频率衰减系数不同 COST-231Hata模型频率衰减因子为33.9 Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减，大城市中心地区路径损耗增加3dB。CCIR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果的经验公式 校正因子右图给出了Hata和CCIR 路径损耗公式的对比， 由图可见，路径损耗随 建筑物密度而增大图214 Hata和CCIR路径损耗公式的对比 COST 231 Walfisch-Ikegami 模型应用用

22、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（GSM/PCS/DECT/DCS）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不同情况的路径损耗两种情况视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗 式中 L0 由空间损耗 L1 由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗 L2 沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）COST 231 Walfisch-Ikegami 模型各参数意义 1 式中 w 接收机所在的街道宽度（m）, hR建筑物的平均高度（m） hR，hm接收天线的高度 其中 街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角2 式中 上面各式中，hB 发射天线高度， b相邻行建筑物中心距离

23、室外传播模型的使用适用范围应用方法使用及评价传播模型的适用范围 适用范围传播模型宏蜂窝（1km）微蜂窝（1km）频率（MHz）天线高度（m）城区/郊区/乡村HataOkumura-Hata宏蜂窝1501500基站：30200移动台：110城区、郊区、乡村 COST-231 Hata宏蜂窝1500 2000基站：30200移动台：110城区、郊区、乡村 CCIC宏蜂窝150 2000基站：30200移动台：110城区、郊区LEE宏蜂窝450 2000城区、郊区、乡村 微蜂窝分LOS和NLOS450 2000城区、郊区WIM0.025km分LOS和NLOS800 2000基站：450移动台：13

24、城区、郊区传播模型的应用方法 基站和移动台之间水平距离d（km）d1 宏蜂窝模型d5 d5 有实测数据并得到LEE模型参数和距离衰减因子d1 微蜂窝模型有实测数据 LEE模型WIM模型LEE模型WIM模型CCIR模型Hata模型传播模型的使用及评价 Hata模型参数易获得，模型易使用但未考虑建筑物的高度和密度、街道的分布和走向等重要因素的影响，预测值和实际值的误差较大 CCIR模型 考虑了建筑物密度的影响，引入参数B（被建筑物覆盖 区域的百分比），且易获得LEE模型适用于有测试数据时。主要参数易于根据测量值调整，准确性高。算法简单，计算速度快COST 231-Walfisch-Ikegami

25、模型用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境发射天线可以高于、等于或低于周围建筑物室内传播模型 显著特点室内覆盖面积小得多收发机间的传播环境变化更大影响因素建筑物的布局建筑材料建筑类型常用的几种室内传播模型对数距离路径损耗模型Ericsson多重断点模型衰减因子模型对数距离路径损耗模型 Ericsson多重断点模型 对数距离路径损耗模型 室内路径损耗遵从公式 式中，依赖于周围环境和建筑物类型，是标准偏差为的正态随机变量Ericsson多重断点模型 有四个断点， 考虑路径损耗的上下边界未考虑对数正态阴影部分图2.17 多重断点室内路径损耗模型 衰减因子模型应用 适用于建筑物内的传播预测。包含了建筑物类型影响以及 阻挡物引起的变化，灵活性强。衰减因子模型同层建筑物 其中 表示同层测试的指数值 多层建筑物 其中 表示基于测试的多楼层路径损耗指数室内路径损耗等于自由空间损耗加上附加损耗因子， 并且随着距离成指数增长 修改（