移动通信电波传播理论与模型[详细]

1、第2章 移动通信电波传播 理论与模型,主要内容,2.1 概述 2.2 自由空间的电波传播 2.3 基本电波传播机制 2.4 移动无线信道及特性参数 2.5 电波传播损耗预测模型,2.1 概述,移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，从某种意义上说就是研究移动信道特性。移动信道的基本特性就是衰落特性，衰落特性取决于无线电波的传播环境，不同的传播环境，其传播特性也不尽相同。而传播环境的复杂导致了移动信道特性的复杂。,发射机天线发出的无线电波， 可依不同的路径到达接收机，当频率f30 MHz时，典型的传播通路如图所示。 沿路径从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要

2、传播方式；沿路径的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波； 路径的电波沿地球表面传播， 称为地表面波。,当传播空间存在阻挡物时，无线电波在此环境下传播表现出的几种主要传播方式为：直射、反射、绕射和散射，以及它们的合成。 无线电波通过时变信道，在这种传播环境下表现出的4种主要效应为：多径效应、多普勒效应、阴影效应和远近效应。,多径效应是由于地理环境的影响，接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同物体反射及绕射过来的多条不同路径信号，并且它们到达时的信号强度、到达时间以及到达的载波相位都不一样。接收到的信号是各路径信号的矢量和。 多普勒效应是由于移动台在电波传播方向上的运动，导致接收信号

3、在频域的扩散，将会产生附加的调频噪声，出现接收信号的失真。,阴影效应是由于地形起伏、大型建筑物和其他障碍物的阻挡，在电波传播的接收区域内产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。 远近效应是由于接收用户的随机移动性，移动台与基站之间的距离随机发生变化，假设移动台发射信号的功率相等，那么到达基站时的信号强度将会不同，离基站远的信号弱，离基站近的信号强。,移动通信的传输衰落有两种衰落模式： 大尺度衰落和小尺度衰落。 大尺度衰落模型主要表征了由于移动台经过了较大距离的运动而引起的平均接收功率的衰减，描述了发射机和接收机之间长距离（几百或几千米）上的信号强度的变化。 小尺度衰落是指由于发射机和接

4、收机之间的空间区域内很小的变化（几个波长），而导致信号的幅度和相位较大变化的现象，描述了短距离或短时间内信号强度的快速变化，主要特征是多径。,2.2 自由空间的电波传播,自由空间传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想的传播条件。电波在自由空间传播时，虽然不发生反射、折射、绕射、散射和吸收等现象，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由电磁波能量扩散而引起的传播损耗。 当地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。,在自由空间

5、中，假设发射点的发射功率 ，以球面波辐射，接收的功率为 ，则有 式中， ， 为工作波长； ， 分别表示发射天线和接收天线增益； 为发射天线和接收天线之间的距离。,虽然电波在自由空间里传播不受阻挡， 不产生反射、 折射、绕射、散射和吸收， 但是，当电波经过一段路径传播之后， 能量仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。 由电磁场理论可知，若各向同性天线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT瓦，则距辐射源dm处的电场强度有效值E0为,磁场强度有效值H0为,(3 - 2),单位面积上的电波功率密度S为,(3 - 3),若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线， 则上述公式应改写

6、为,(3 - 4),(3 - 5),(3 - 6),接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积， 即 PR = SAR 式中， AR为接收天线的有效面积， 它与接收天线增益GR满足下列关系：,式中， 2/4为各向同性天线的有效面积。,(3 - 9),当收、 发天线增益为0dB， 即当GR=GT=1时， 接收 天线上获得的功率为,(3 - 10),由上面几式可得：,自由空间的传播损耗定义为,为工作频率，单位为MHz；,为收发天线之间的距离，单位为km。,2.3 基本电波传播机制,2.3.1 反射 2.3.2 绕射 2.3.3 散射,反射发生在当电磁波遇到比波长大得多的物体

7、时，主要发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。电磁波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通过。反射波的电场强度取决于菲涅尔（Fresnel）反射系数。反射系数与材料、入射波的极性、入射角和频率有关。反射是产生多径衰落的主要因素，其信号强度较直射波弱。,通常， 在考虑地面对电波的反射时， 按平面波处理， 即电波在反射点的反射角等于入射角。 不同界面的反射特性用反射系数R表征， 它定义为反射波场强与入射波场强的比值， R可表示为,式中， |R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比，代表反射波相对于入射波的相移。,R = |R|e-j,图 3 - 5 反射波与直射波,对于水平极化波和垂

8、直极化波的反射系数Rh和Rv分别由下列公式计算：,(3 - 23),(3 - 24),式中， c是反射媒质的等效复介电常数， 它与反射媒质的相对介电常数r、 电导率和工作波长有关， 即,(3-25),对于地面反射， 当工作频率高于150MHz(2m)时，1， 由式(3 - 23)和式(3 - 24)可得,即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为180。,Rv=Rh = -1,(3-26),由发射点T发出的电波分别经过直射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R， 由于两者的路径不同， 从而会产生附加相移。 由上图可知， 反射波与直射波的路径差为,式中， d=d1+d2。,通常(h

9、t+hr)d, 故上式中每个根号均可用二项式定理展开， 并且只取展开式中的前两项。 例如：,由此可得到,(3 - 28),式中， 2/称为传播相移常数。 这时接收场强E可表示为,由路径差d引起的附加相移为,注：直射波与地面反射波的合成场强将随反射系数以及路径差的变化儿变化，有时会反相抵消，有时会同向相加，造成合成波的衰落现象。,绕射波是指从较大的建筑物或山丘绕射后到达接收点的传播信号，它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较直射波弱。,绕射发生在当接收机和发射机之间的无线路径被尖利边缘阻挡时，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，即波在传播的过程中，行进中的波前上的每一个点，都可作为产生次级波的

10、点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。另外，当发射机和接收机之间不存在视距路径时（LOS，line of sight，指移动台可以看见基站天线；NLOS，非视距是指移动台看不见基站天线），围绕阻挡体也会产生波的弯曲。,障碍物的影响与绕射损耗 在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物， 由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。 设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所示。 图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙。 规定阻挡时余隙为负， 如图 (a)所示； 无阻挡时余隙为正， 如图 (b)所示。 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图 3-4 所示。图中，纵

11、坐标为绕射引起的附加损耗， 即相对于自由空间传播损耗的分贝数。 横坐标为x/x1, 其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式可求得：,(3 - 21),图 3 - 3 障碍物与余隙 (a) 负余隙； (b) 正余隙,由图3 - 4 可见，当x/x10.5 时，附加损耗约为0dB， 即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.5x1; 当x0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为 6 dB。 注：第一菲涅尔区半径在d/2处为最大值，绕射损耗影响最大。,例3-1

12、 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试 求出电波传播损耗。 先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗Lfs为,Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB,由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径x1为,式中，=c/f, c为光速，f为频率。,由图3-4 查得附加损耗(x/x1-1)为16.5dB, 因此电波传播的损耗L为 L = Lfs+16.5 = 116.0dB,图3 4 绕射损耗与余隙关系,散射发生在介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨

13、大时。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体，反射能量由于散射而散布于所有方向。,当入射角为 时，则表面平整度的参数高度为：,如果表面上最大的突起高度小于 ，认为该表面是光滑的；反之则认为该表面是粗糙的。计算粗糙表面的反射时需要乘以散射损耗系数 ，表示减弱的反射场,是表面高度的标准差,2.4.1 多径衰落信道 2.4.2 多径信道模型 2.4.3 多径信道的主要参数,2.4 移动无线信道及特性参数,移动无线信道的主要特征是多径传播。多径传播是由于无线传播环境的影响，由发射点出发的电波可能会经过多条路径到达接收点，所获信号是多个路径来的多个信号的叠加。,图2-4 移动台接收多条路径信号示意

14、图,假设基站发射的信号为：,2.4.1 多径衰落信道,重要结论：一个均值为0、方差为 的平稳高斯窄带过程，它的包络的一维概率密度服从瑞利分布，相位的一维概率密度分布是均匀分布。,图2-5 瑞利分布的概率密度函数,1时间选择性衰落 时间选择性衰落是指在不同的时间，信道衰落特性不一样，这种衰落会造成信号的失真。,图2-6 时间选择性衰落示意图,2空间选择性衰落 空间选择性衰落是指在不同的地点衰落特性不一样,通常又称为平坦瑞利衰落，这里的平坦是指在时域和频域中不存在选择性衰落。,3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。,图2-7 频率选择性衰落示意图,2.4.2 多径信道模型

15、,设传输信号为,接收到多条路径的信号可表示为,经推导可以得出接收信号的包络为,假设移动台以速度,运动，第,条路径到达方向和移动台运动方向之间的夹角为,则路径的变化量为,此时信号输出的复包络为,信道的冲激响应可以表示为,此模型在工程上用抽头延迟线来实现,2.4.3 多径信道的主要参数,一、频率扩散参数和相关时间 频率扩散参数是用多普勒扩展来描述，而相关时间则是与多普勒扩展相对应的参数，它们描述了信道的时变特性。当信道时变时，信道具有时间选择性衰落，造成信号的失真。,多普勒扩展,图2-8 多普勒扩展功率谱,相关时间 由多普勒效应引起的在时域产生的衰落称为时间选择性衰落，对数字信号误码有明显影响，为

16、了减少这种影响，要求基带信号的码元速率远大于信道相关时间的倒数。,如果将相关时间定义为信号包络相关度为0.5时，则,二、角度扩散参数和相关距离 由于无线通信中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，从而产生了角度扩散，即空间选择性衰落。角度扩展和相关距离是描述空间选择性衰落的两个主要参数。,角度扩展 角度扩展越大，表面散射环境越强，信号在空间的扩散度越高；相反，角度扩展越小，表明散射环境越弱，信号在空间的扩散度越低。,相关距离 相关距离是指信道冲激响应保证一定相关度的空间距离。在相关距离内，信号经历的衰落具有很大的相关性，即如果天线元素放置的空间距离远远小

17、于相关距离，此时信道就是非空间选择性信道。,三、时间扩散参数和相关带宽,图2-9 多径信道响应示意图,实际的情况要复杂得多，每次试验接收到的脉冲序列是变化的，收到的脉冲数目N、脉冲时延差和脉冲幅度大小都在随机变化，甚至移动台周围散射体数目增加，接收到的将可能会是有一定宽度的连续信号，根据统计结果，移动通信中接收到的多径时延信号强度大致如图2-10所示。,图2-10 多径时延分布图,2相关带宽,2相关带宽,图2-11 两径传播信道幅频特性,2.5 电波传播损耗预测模型,由于移动信道中电波传播的条件十分恶劣和复杂，因而要准确地计算信号场强或传播损耗是很困难的，通常采用分析和统计相结合的办法，根据测

18、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，使其更加接近实际情况，更准确。,2.5.1 室内传播模型,室内无线信道覆盖面积小，收发设备之间的传播环境变化大，且受到建筑物材料结构、建筑物类型和建筑物布局等影响。但从电波传播的机理来看，它仍然是受到反射、绕射和散射等传播方式的影响。实验研究表明建筑物内部接收到的信号强度随着楼层高度的增加而增加，在建筑物的低层，由于建筑物群的原因有较大的衰减，使得穿透进入建筑物的信号电平很小，在较高层若存在视距路径，会产生较强的直射到建筑物外墙的信号。,室内路径损耗模型可用下面的简化形式表示：,2.5.2 室外传播模型,一、Hata模型 Hat

19、a模型是广泛应用的一种中值路径损耗预测的传播模型，适用于宏蜂窝（小区半径大于1km）的路径损耗预测。 Hata模型路径损耗计算的经验公式为,Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，适用的频率范围为1501500MHz，主要用于900MHz，基站天线的有效高度（指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拔高度之差）在30200m之间，移动台天线的有效高度（指移动台高出地表的高度）在110m之间。,二、COST-231 Hata模型 COST-231 Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，应用频率在15002000MHz，

20、适用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，发射有效天线高度在30200m，接收有效天线高度在110m。,COST-231 Hata模型路径损耗计算的经验公式为：,三、COST-231/Walfish/Ikegami模型 欧洲研究委员会COST-231在Walfish和Ikegami分别提出的模型基础上，对实测数据加以完善，提出了COST-231/Walfish/Ikegami模型。该模型考虑了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗，是高楼林立地区的中到大型蜂窝的半确定性模型。COST-231/Walfish/Ikegami模型适用的频率范围8002000MHz，路径距离在0.025km之间，基站天线高度在450m之间，移动台天线高度在13m之间。,视距传播 视距传播环境中，发射机