第二章之一 电波传播特性

1、1,移动通信第二课,移动信道的电波传播特性,2,主 要 内 容,研究移动通信信道的意义和方法 无线电波传播特性分析 移动信道的特征 陆地移动信道的场强估计 移动信道的传播模型 噪 声 与 干 扰,3,研究移动通信信道的意义和方法,研究无线移动信道模型，预测接收信号场强： 衰减、吸收、折射、散射、绕射. 移动环境. 自然和人为无线电环境. 接收信号场强情况如何？ 信号带宽的增加 GSM的均衡 CDMA的多径合并 开发时域多径资源 智能天线的引入 开发空域多径资源,4,研究移动通信信道的意义和方法,无线电发射包括电磁场 电场分量 感应场分量 辐射场分量 辐射场具有E和B分量 在距离d处的EB的场强

2、1/d2 以发射机为球心的表面区域 影响接收信号强度的两个因素： 距离 = 路径衰减 多径 = 相位差,5,研究移动通信信道的意义和方法,模型是特定的,6,电磁波传播理论,电波传播方式及特点 三类损耗与四种效应 三类主要快衰落 多径信道的统计分析,7,电波传播方式及特点,电磁波从发射机发出，传播到接收天线，可以有不同的传播方式，主要的传播方式四种：,无线电波的几种主要传播方式,地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面波或表面波传播，简称地表波。 天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方式称为天波传播，也称电离层传播。,8,直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方

3、式，称为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播。 散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如对流层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收地点。,电波传播方式及特点,9,直射 反射 折射 绕射 散射,电磁波的基本传播机制,电波传播方式及特点,10,1. 电波在均匀媒质中沿直线传播 一般辐射到空间的电磁波都是球面波。但是当我们仅考虑离开场源很远的一小部分空间范围内的波面时，可以近似地看成均匀平面波。 2. 能量的扩散与吸收 随着传播距离的增加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐射的总能量一定，因此分布的面积越大，则通过单位面积上的能量就越小。所以离开天线的距离越远，

4、空间的电磁场就越来越弱。,自由空间直射传播,11,无线电的频率与波长满足以下关系:,其中，是无线电的波长 f 是无线电的频率 c 是光速，c = 3108 m/s,典型的例子： GSM系统使用900 MHz频段，其波长是： 3108 / 900106 = 0.33m,自由空间直射传播,12,发射和接收的功率分别是Pt 、Pr 发射和接收天线的增益分别是Gt、 Gr,定义自由空间传播损耗：,L,自由空间直射传播,13,自由空间传播损耗,自由空间传播损耗的计算公式：,结论：自由空间传播损耗 L 只与工作频率 f 和传播距离 d 有关。当 f 或d 增大一倍时，传播损耗增加 6 dB。,移动通信的例

5、子：d = 50 km, f = 2 GHz, 可以计算出L = 132 dB; 卫星通信的例子： d = 40000 km, f = 6 GHz, 此时的L = 200 dB,14,自由空间接收电平的计算,用分贝表示的接收电平：,L,例：Pt = 1W =30 dBm, f = 3800 MHz, d = 45 km, Gt = Gr = 39dB, 则 Pr = Pt +Gt +Gr L = 30 + 39 + 39 137 = -29 dBm = 1.26 W。,15,视距LOS的计算,发射和接收天线的高度分别是ht和hr， 地球的等效半径为Re=8500 km, O点为地心。,则视距传

6、播的极限距离为：,典型例子：发射和接收天线高50m, 则视距d=50 km。,自由空间传播损耗,16,反射波,直射波,地面散射波,基站天线,移动台天线,反 射,17,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,反 射,18,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。,19,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

7、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,20,两径传播模型 接收信号功率 简化后： 其中，相位差 ， 多径传播模型 其中，N为路径数。当N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。,两径传播模型,多 径 信 号,21,折 射,无线电波传播特性分析,当一束电波通过折射率对高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使

8、电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。,22,绕 射,23,惠更斯菲涅尔 原理,菲涅尔区,基尔霍夫公式,绕 射,24,惠更斯菲涅尔原理,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挡物所有次级波的矢量和。 说明 在P点处的次级波前中， 只有夹角为（即 ） 的次级波前能到达接收点R 每个点均有其对应的角， 将在0到180之间变化 越大，到达接收点辐射能量越大,图

9、2-3 对惠更斯菲涅尔原理说明,25,菲涅尔区,菲涅尔区 从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大n/2的连续区域 接收点信号的合成 n为奇数时，两信号抵消 n为偶数时，两信号叠加 菲涅尔区同心半径 第一菲涅尔区半径（n=1）特点 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，则大部分能量可以达到接收机。,图 菲涅尔区截面,26,多重刃形绕射 1）连续两个障碍物绕射损耗 2）多于两个障碍物情况,绕 射,27,如果在电磁波的直射路径上存在障碍物，则对接收的电磁波产生附加损耗。 根据障碍物与收发天线的关系，分为正余隙和负余隙。,绕 射,28,在实际移动无

10、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粗糙表面时，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。 临近金属物体（街头标志等）：通常采用统计模型,散 射,29,起因 无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向 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 h 粗糙表面下的反射场强 散射损耗系数 式中， 为表面高度h的标准差，h是具有局部平均值的高斯分布的随机变量。 用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强,散 射,30,电磁波传播理论,电波传播方式及特点 三类损耗与四种效应 三类主要快衰落 多径信道的统计分析,31,路径传播损耗 慢衰落

11、损耗 快衰落 空间选择性快衰落 频率选择性快衰落 时间选择性快衰落,接收信号中的三类损耗与四种效应,32,阴影效应 由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中 产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与专用仪表可以测试出来。,接收信号中的三类损耗与四种效应,四种主要效应,远近效应 由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出

12、现以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。,33,多径效应 由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。 这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。,接收信号中的三类损耗与四种效应,四种主要效应,34,多径对信号的影响,35,多普勒效应 它是由于接收

13、用户处于高速移动中（比如车载通信时）传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。 这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。,接收信号中的三类损耗与四种效应,四种主要效应,36,衰落：电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。 衰落根据其时间特性可分为慢衰落和快衰落两种。 信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落； 曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。 快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落（虽然它们的产生原因不同），快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中

14、值。 衰落根据其频率特性可分为非频率选择性衰落（平衰落）和频率选择性衰落两种。,什么叫衰落,37,衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。 衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。 衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。 衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。 所以，需要对衰落进行研究，以解决如何对抗衰落的问题。,衰落有什么影响,38,慢衰落：由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的这种接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变化称为慢衰落 ，比多径效应引起的快衰落要慢得多。 中值：在局部时间（或地点）中，信

15、号电平大于或小于它的时间各为50%。,移动环境的衰落特性-慢衰落,39,阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上半盲区，表现为慢衰落。,移动环境的衰落特性-慢衰落,40,产生原因:慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大气条件的变化而引起的，主要与气象条件、电路长度、地形等因素有关。 阴影效应：由障碍物阻挡造成阴影效应，衰落速率与工作频率无关 大气折射：大气介电常数的变换，时变 特点: 衰落与传播地形和地物分布、高度有关,移动环境的衰落特性-慢衰落,41,慢衰落一般服从对数正态分布,式中， 为信号中值的分贝值 为信号中值的均值（分贝）,移动环境的衰落特性-慢衰落,对

16、数正态分布： 如果一个变量可以看作是许多很小独立因子的乘积，则这个变量可以看作是对数正态分布。 一个典型的例子是股票投资的长期收益率，它可以看作是每天收益率的乘积。,42,电磁波传播理论,电波传播方式及特点 三类损耗与四种效应 三类主要快衰落 多径信道的统计分析,43,移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象叫快衰落。 产生原因 多径效应：同一信号沿着两个或多个路径传播 多普勒频移：移动台与基站之间的相对运动，随机频率调制 环境物体相对于基站和移动台在运动，时变 对系统性能的影响 场强信号随机快速起伏 时延扩展 随机调频,移动环境的

17、衰落特性-快衰落,44,多径时散：因多径效应在时域上造成（数字）信号的展宽 假设基站发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，脉冲宽带被展宽了。,多径时散与相关带宽,45,相关带宽： 是描述时延扩展的，是表征多径信道特性的一个重要参数。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，可使两个信号变得相关。这一频率间隔称为“相干” 或“相关”带宽（Bc）。 它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。相关带宽就是信道保持恒定的最大频率差范围。 通常，相干带宽近似等于最大

18、多径时延的倒数。 Bc=1/(2)(Hz)（工程估算）,相关带宽,意义：在相关带宽内，信号可以顺利传输，无大的失真；若信号带宽超过相关带宽，将有大的失真。,46,三类主要快衰落,频率选择性衰落 不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散 空间选择性衰落 不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样 时间选择性衰落 快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散,47,频率选择性衰落,频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不一样。 当频率超过相干带宽时发生频率选择性衰落。 如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略, 那么当多路信号迭加时, 不同时间的符号就会重迭在一起，造成符号间的干扰。这种衰落

19、称为频率选择性衰落。,48,时 间 色 散,时间色散：是指到达接收机的直射信号和其他多径信号由于空间传输的时间差异而带来的彼此干扰问题。 无线电波从发射端到接收端会经过直射、反射等很多传播途径，从发射端辐射出的波经过反射路径到达接收端用的时间要比走直射路径长一些。从接收端看，先后收到了来自同一信源的两列波；这两列波走的路径不同，传播环境不同，受到的干扰也不同。 时间色散是指到达接收机的直射信号和其他多径信号由于空间传输的时间差异而带来的彼此干扰问题。 假若发射机发送了一个“1”，由于多径效应，接收机先收到“1”这个数据，又收到“0”这个数据，接收机不知道究竟是“0”还是“1”了，所以解码就可能

20、出现错误。,49,时 间 色 散,时间色散参数 平均附加延时 rms时延扩展 最大附加延时扩展(XdB),类比：几个同学出去玩，在森林里看到远处有一个动物（类似信息发射端），A说：“那是一只鹿！”，B说：“是一匹马。”在后面的C说：“你们俩谁说的对，我无法判断了。”（接收机解调问题），在这种情况下，同样一个动物从不同角度（传播路径）看印象差别这么大，大家无法判断到底是鹿还是马了（无法解调了）,50,平坦衰落：信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。 一般来说， 多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时延。 如果这些相对时延远小于一个符号的时间， 则可认为多路信号几乎是同时到达接收机的。 这种

21、情况下多径不会造成符号间的干扰。 这种衰落称为平坦衰落， 因为这种信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。,平 坦 衰 落,51,判定：由信道和信号两方面决定,数字通信系统,信号带宽小于信道相关带宽 BsBc,信号带宽远大于信道相关带宽 BsBc,平坦衰落,频选衰落,码间干扰,相关带宽与频率选择性衰落,52,空间选择性衰落,空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样。,53,角 度 色 散,原因 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。 参数 角度扩展 相关距离 空间选择性衰落,54,角 度 扩 展,角度功率谱（PAS） 信号功率谱密度在角度上的

22、分布。一般为均匀分布、截短 高斯分布和截短拉普拉斯分布 角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即 式中 意义 描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在 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。,55,相关距离与空间选择性衰落,相关距离Dc 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,天线空间距离大于相关距离 Dc,天线空间距离远小于相关距离 Dc,空选衰落,非空选衰落,56,时间选择性衰落,时间选择性衰落，是指在不同的时间衰落特性是不一样的。,57,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

23、 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,58,推导相关时间,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 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,59,相关时间与时间选择

24、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,码元间隔大于信道相关时间 TsTc,时选衰落,误码,60,三类主要快衰落,实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件 在实际移动通信中，三类选择性衰落都存在，根据其产生的条件大致可以划分为以下三类。 第一类多径干扰：由快速移动用户附近的物体发射而形成的。其特点是在信号频域产生多普勒扩散而引起时间选择性衰落。 第二类多径干扰：由远处山丘或高大建筑物反射而形成的。其特点是信号在时域上产生

25、扩散，引起频率选择性衰落。 第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其他物体发射而形成的干扰信号。引起空间选择性衰落。,61,如何对抗衰落,减少通信距离，增加发送功率，调整天线高度，选择合适路由。 在移动通信中采用微蜂窝、直放站。 采用分集技术、均衡技术、编码技术等。,62,电磁波传播理论,电波传播方式及特点 三类损耗与四种效应 三类主要快衰落 多径信道的统计分析,63,为什么要进行多径信道的统计分析,相关衰落信道模型是进行多天线系统、分集研究的基础。 通信的应用领域越来越广泛，如深空通信、光通信等，面对越来越复杂的信道环境，传统经典的信道模型在应用上往往受限，或者需要针对具体的环境做出改进以提高

26、精度。,64,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 Nakagami-m分布 注：包络即随机过程的振幅随着时间变化的曲线。,65,瑞利分布,瑞利分布：当一个随机二维向量的两个分量呈独立的、有着相同的方差的正态分布时，这个向量的模呈瑞利分布。 瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。 瑞利分布是一个均值为0，方差为2的平稳窄带高斯过程。,66,瑞利衰落,瑞利衰落：在无线通信信道中，由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径，各条路径延时时间是不同的

27、，而各个方向分量波的叠加，又产生了驻波场强，从而形成信号快衰落称为瑞利衰落。,瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。 在无线通信信道环境中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后， 总信号的强度服从瑞利分布。,67,瑞利衰落,瑞利衰落信道是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。 瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环境。若传播环境中存在足够多的散射，则冲激信号到

28、达接收机后表现为大量统计独立的随机变量的叠加，根据中心极限定理，则这一无线信道的冲激响应将是一个高斯过程。如果这一散射信道中不存在主要的信号分量，通常这一条件是指不存在直射信号则这一过程的均值为0，且相位服从0 到2的均匀分布。即，信道响应的能量或包络服从瑞利分布。 瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号的情况，否则应使用莱斯衰落信道作为信道模型。,68,瑞利分布的环境条件,环境条件：通常在离基站较远、反射物较多的地区，符合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,69,非视距传播的瑞利衰落,视距传播：电波沿直线传播的方式称为视距传播。视距传播的距离一般为2050Km。 非视距传播：当移动台（MS）与基站（BS）之间的直射路径被障碍物挡住后，无线电波只能在经过反射和衍射后到达接收端，此时测量到的数据，如到达时间、时间差、入射角度等，将不能正确反映发送端与接收端的真实距离，这种现象被称为非视距传播（NLOS）。,70,非视距传播的瑞利衰落,假定幅度n(t)和相位n(t)对不同路径都相互独立， n(t)在(0,2)上均