第三講移動信道中的電波傳播

1、移動通信移動通信Mobile Communication蘭州交通大學(xué)電信學(xué)院蘭州交通大學(xué)電信學(xué)院 主講：鄭玉甫主講：鄭玉甫: 2目錄目錄n第一講 概述（1學(xué)時） n第二講 移動通信組網(wǎng)原理（2學(xué)時）n第三講 移動信道中的電波傳播（1學(xué)時）n第四講 數(shù)字移動通信關(guān)鍵技術(shù)（2學(xué)時）n第五講 GSM/GPRS數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（2學(xué)時）n第六講 移動數(shù)據(jù)傳輸（1學(xué)時）n第七講 未來移動通信展望（1學(xué)時）n第八講 GSM-R鐵路專用移動通信系統(tǒng)（8學(xué)時）n第九講 鐵路無線電管理（2學(xué)時）n第十講 鐵路GSM-R系統(tǒng)運用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（2學(xué)時）n第十一講 鐵路GSM-R系統(tǒng)測試（2學(xué)時）3第三講第三講 移動

2、信道中的電波傳播移動信道中的電波傳播n3.1 三種基本傳輸機(jī)制q3.1.1 反射與多徑信號q3.1.2 繞射損耗 q3.1.2 散射n3.2 無線電波傳播概述n3.3 自由空間的無線電傳播n3.4 陰影衰落n3.5 多徑衰落q3.5.1 多徑衰落的基本特性q3.5.2 多普勒頻移4q3.5.3 瑞利（Rayleigh）和萊斯（Rician）分布q3.5.4 衰落特征量q3.5.5 時延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬q3.5.6 多普勒頻展與相干時間q3.5.7 多徑衰落類型n3.6 電波傳播路徑損耗模型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室內(nèi)電波傳播路徑損耗模型5n3.1 三種基本傳輸機(jī)制 電波利用電離層的折射、反射和散射作用進(jìn)行傳播的方式稱為天波 沿地球表面進(jìn)行傳播的電波傳播模式稱為地表面波。 在對流層中進(jìn)行的電波傳播方式稱為空間波6 在移動通信系統(tǒng)中，影響電磁波傳播的三種基本傳播機(jī)制：反射 、繞射、散射。w反射：當(dāng)電磁波遇到比其波長大得多得物體時發(fā)生反射，發(fā)射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面w繞射：當(dāng)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時發(fā)生繞射w散射：當(dāng)波穿行的介質(zhì)中存在小于波長的物體并且單位體積

4、內(nèi)阻擋體的個數(shù)非常巨大時，發(fā)生散射。散射產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體。 78w兩徑（直射+反射）傳播模型接收信號功率：考慮由N條路徑構(gòu)成的多徑傳播模型時：2214jTRtrReGGdPP211214NijiTRtrieRGGdPP9w繞射損耗 菲涅爾余隙：表示障礙物頂點P至直射線TR的距離x； 規(guī)定阻擋時余隙為負(fù)；無阻擋時余隙為正10繞射損耗和菲涅爾余隙的關(guān)系： 當(dāng)直射線TR從障礙物頂點擦過時，繞射損耗約為6dB； 當(dāng)直射線TR低于障礙物頂點時，損耗急劇增加。A.11n3.2 無線電波傳播概述 三種衰落w路徑損耗衰落：它指電波在空間傳播所產(chǎn)生的損耗，反映了傳播在宏觀大范圍（即公里量級

5、）的空間距離上的接收信號電平平均值的變化趨勢。它隨著距離基站的距離而變，衰減特性服從nRdP112w陰影衰落：它是指由于在電波傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗，反映了中等范圍內(nèi)數(shù)百波長量級接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗，其衰落特性服從對數(shù)正態(tài)分布。這種衰落變化率較慢，又稱為慢衰落。 13w小尺度衰落（多徑衰落、瑞利衰落）：它主要是由多徑傳播而產(chǎn)生的衰落，反映了微觀小范圍內(nèi)數(shù)十波長量級接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗，其衰落特性服從瑞利（Rayleigh）分布或萊斯（Rician）分布。14 多徑衰落可分為三種： 1）空間選擇性衰落：在不同地點（空間）衰落特性不一樣

6、成因：開放型移動信道 2) 頻率選擇性衰落：在不同的頻率衰落特性不一樣 成因：寬帶移動信道 3) 時間選擇性衰落：在不同的時間衰落特性不一樣 成因：高速移動用戶的信道 1516n3.3 自由空間的無線電傳播 在自由空間中，電波的傳播是直線傳播（無阻擋的視距路徑）。適用范圍是：衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距無線鏈路w接收信號功率w自由空間路徑損耗式中，f:通信頻率，與波長的關(guān)系為： f=c/ d:通信距離 RTtrGGdPdP24)(MHz)lg20(km)lg2045.32log10fdPPLrtfs1718距離距離 (m)接收信號電平接收信號電平(dBm)19GSM 1800強(qiáng)場變化舉例強(qiáng)場變化舉例

7、-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100500100015002000250030003500400045005000距離距離 (m)強(qiáng)場強(qiáng)場 (dBm)測量測量自由空間短期衰落短期衰落長期衰落長期衰落 2 m /220n3.4 陰影衰落w當(dāng)電波在傳播路徑上遇到障礙物的阻擋時，會產(chǎn)生電磁場的陰影，造成接收天線處場強(qiáng)中值的變化，從而引起衰落，這種衰落又稱陰影衰落w對任意的d值，特定位置的路徑損耗為隨機(jī)正態(tài)對數(shù)（以分貝表示時，服從正態(tài)分布） 其中， 為均值為零的高斯隨機(jī)變量；標(biāo)準(zhǔn)偏差為 （dB計） XdPLdPL)(dB)(X( )dBdB( )dB()rtP dmPmPL

8、 d含天線增益2122衰落儲備w為了防止因衰落（包括多徑衰落和陰影衰落）引起的通信中斷，在信道設(shè)計中，必須使信號的電平留有足夠的余量，以使中斷率R小于規(guī)定指標(biāo)，這種電平余量稱為衰落儲備 23A.24 n3.5 多徑衰落q3.5.1 多徑衰落的基本特性w多徑效應(yīng)在時域上引起信號的時延擴(kuò)展，相應(yīng)地在頻域上規(guī)定了相干帶寬。當(dāng)信號帶寬大于相干帶寬時就會發(fā)生頻率選擇性衰落。w多普勒效應(yīng)在頻域上引起信號頻譜擴(kuò)展，相應(yīng)地在時域上規(guī)定了相干時間。當(dāng)符號周期大于相干時間時就會發(fā)生時間選擇性衰落。 25 26q3.5.2 多普勒頻移w由于移動臺和基站的相對運動，每個多徑波都經(jīng)歷了明顯的頻移過程。移動引起的接機(jī)信號

9、頻移稱為多普勒頻移。 頻率彌散frequency dispersioncfcvcoscostvdl路徑差cos cos21mdfvtfcos22tvl相位差頻率差最大多普勒頻移 fm= v/ 27q3.5.3 瑞利和萊斯分布1、瑞利分布w假設(shè)：（1）收、發(fā)間存在多條反射路徑且各個反射波的幅度和到達(dá)接收天線的方向角是隨機(jī)的且滿足統(tǒng)計獨立；（2）收、發(fā)信機(jī)之間沒有直射波通路w設(shè)基站發(fā)射的信號為 考慮到多普勒頻移，則經(jīng)反射（或散射）到達(dá)接收天線的第i個接收信號可表示為w接收信號為： 0000exp)(tjatS00expcos2exp)(tjvtjatSiiiiNiitStS1)()(28w經(jīng)推導(dǎo)，

10、結(jié)論： 當(dāng)多徑數(shù)N很大時， 合成信號的相位服從 U0,2 當(dāng)不存在LOS信號時，多徑衰落信號的包絡(luò)服從瑞利分布；當(dāng)存在LOS信號時，其包絡(luò)服從萊斯分布；實測環(huán)境中，有時其包絡(luò)服從Nakagami分布 29w多徑接收信號的幅度服從瑞利分布，其概率密度函數(shù)為 其中， 為包絡(luò)檢波之前所接收信號的均方根（rms）值w相位(t)的概率密度函數(shù)為 0002exp)(222rrrrrp2021)(p30w瑞利分布特點：存在很多徑，沒有一個特別突出的徑 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、萊斯分布w萊斯分布特點：存在很多徑，有一個特別突出的徑35w多徑接收信號的幅度服從萊斯分布，其概率密度函數(shù)為 其中，A為主信號幅度的峰值； 為零階第一類貝賽爾函數(shù) 定義萊斯因子K：主信號的功率與多徑分量方差之比 00)0, 0()(2022222rrAforArIerrpAr）（(.)0I(dB)2lg10(dB)22AK36373、Nakagami-m分布w多徑接收信號的幅度服從Nakagami分布，其概率密度函數(shù)為 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電平電平通過率通過率衰落持續(xù)時間衰落持續(xù)時間391、衰落率和衰落深度w衰落率是指信號包絡(luò)沿正斜率通過中值電平的速率可見，平均衰落率與信號頻率、移動臺運動速度有關(guān)w衰落深度是指信號有效值與該次衰落的信號最小值的差值(Hz)1085. 12/3vfvA平均衰落率：402、電平通過率w信號包絡(luò)沿正斜率通過某一規(guī)定電平的速率 41 對于瑞利分布，電平通過率可表示為： 其中， 為最大多普勒頻移； 為規(guī)定電平值R normalized to 衰

13、落信號包絡(luò)的均方根值講解書上例題3.122efNmRmf/=/2rmsRRR423、平均衰落持續(xù)時間w接收信號包絡(luò)低于某一特定電平的持續(xù)時間 Rt1t2t3（Rayleigh 分布）RRNRrP)( ) 1(212efm講解書上例題3.24344q3.5.5 時延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬 時延擴(kuò)展和相干帶寬是描述寬帶多徑信號時間色散特性的參數(shù)w多徑衰落：無線信號在經(jīng)過短距離（幾個波長）或短時間（秒級）的傳播后其幅度快速衰落。這種衰落是由于同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小的時間差到達(dá)接收機(jī)的信號相互干涉引起的。 451、時延擴(kuò)展w經(jīng)不同路徑達(dá)到接收機(jī)的時間不同而引起的脈沖寬度擴(kuò)展的現(xiàn)象。 最大時延

14、擴(kuò)展時間色散 time dispersion 多徑傳播46 寬帶多徑信道的時間色散特性通常用平均多徑時延和均方根（rms）時延擴(kuò)展來定量描述 歸一化的多徑功率延遲分布 47w平均多徑時延是功率延遲分布的一階矩，定義為w均方值時延擴(kuò)展是功率延遲分布的二階矩，定義為w最大時延max ，即歸一化的包絡(luò)曲線E(t)下降到30dB時對應(yīng)的時延差 0)( dtttE20222)()()(dttEt48講解書上例題3.3492、多徑傳播對接收信號的影響 n時域q衰落（fading）q符號間干擾（inter-symbol interference，ISI）典型瑞利衰落包絡(luò)（900MHz，120km/h）50相

15、關(guān)帶寬(coherent bandwidth)fc1/Tmn頻域衰落的頻率選擇性（frequency selectivity）q頻率選擇（frequency selective）q非頻率選擇（non-frequency selective or flat）513、相干帶寬w兩個接收信號的幅度、相位具有高度相關(guān)性的頻率范圍。若相關(guān)帶寬定義為頻率相關(guān)函數(shù)值大于0.5的某特定帶寬，則可表示為w相干帶寬表征的是信號中兩個頻率分量基本相關(guān)的頻率間隔。也就是說，衰落信號中的兩個頻率分量，當(dāng)其頻率間隔小于相關(guān)帶寬時，它們是相關(guān)的，其衰落具有一致性；當(dāng)頻率間隔大于相關(guān)帶寬時，它們就不相關(guān)了，其衰落不具有一致性

16、（頻率選擇性衰落）。 51cB52舉例： 某市區(qū)實測均方根時延擴(kuò)展為1.37s，試問該系統(tǒng)在不使用均衡器的條件下對AMPS或GSM業(yè)務(wù)是否合適？解：因為 30kHz，所以AMPS不需要均衡器就能正常工作；而GSM系統(tǒng)所需的200kHz帶寬超過了 ，所以GSM需要均衡器才能正常工作 kHzsBc146)37.1 (5151cBcB53q3.5.6 多普勒頻展與相干時間 多普勒頻展與相干時間是描述小尺度內(nèi)信道時變特性的參數(shù)n時變（time variation）時間選擇性 time selectivity用戶或信道中反射體和散射體移動541、多普勒頻展w最大多普勒(Doppler)頻移，也稱多普勒頻

17、展BD 55w多普勒頻展：它表征的是時變信道對信號的衰落節(jié)拍，這種衰落是由于移動臺運動產(chǎn)生的，即就是信道在時域具有選擇性，這種衰落又稱為時間選擇性衰落。若基帶信號帶寬遠(yuǎn)大于 ，則多普勒擴(kuò)展的影響可忽略，此時信道稱為慢衰落信道 Df多普勒擴(kuò)展功率譜 562. 相干時間w多普勒頻展在時域的表示，信道特性沒有顯著變化的持續(xù)時間，可表示為w相干時間就是指一段時間間隔，在此間隔內(nèi)，兩個到達(dá)信號有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。若比特持續(xù)時間小于信道相干時間Tc時，信道衰減和相移對于至少一個比特持續(xù)時間內(nèi)基本上固定不變，此時，信道呈現(xiàn)慢衰落性。否則，信道呈現(xiàn)快衰落性，引起信號失真。DcfT423. 05758q3.5.

18、7 多徑衰落類型 w信號通過移動無線信道傳播時，其衰落類型取決于發(fā)送信號的特性及信道特性。信號參數(shù)（如帶寬、符號周期等）和信道參數(shù)（如rms時延擴(kuò)展和多普勒頻展）之間的關(guān)系決定了不同的發(fā)送信號將經(jīng)歷不同的衰落類型w 多徑時延擴(kuò)展引起的衰落效應(yīng)：頻率選擇性衰落w多普勒頻展引起的衰落效應(yīng)：時間選擇性衰落w角度色散 ：空間選擇性衰落 59多徑衰落類型 606162n3.6 電波傳播路徑損耗模型 w根據(jù)測試數(shù)據(jù)找出各種地形地區(qū)下的傳播損耗（或接收信號場強(qiáng)）與距離、頻率以及天線高度之間的關(guān)系，建立基于不同環(huán)境的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停诖嘶A(chǔ)上對模型進(jìn)行校正，使其更加接近實際，更準(zhǔn)確。w在移動通信領(lǐng)域，常用的幾種室外

19、電波傳播損耗預(yù)測模型有奧村（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適用于UHF和VHF頻段、適用于宏小區(qū)，但不適用于微小區(qū)和微微小區(qū)w這一模型的特點是：以準(zhǔn)平滑地形大城市的場強(qiáng)中值或路徑損耗作為基準(zhǔn)，對于不同的傳播環(huán)境給出相應(yīng)修正因子 頻率范圍為：150MHz-1500MHz 距離為：1100km 基站天線高度：301000m 移動臺天線高度：110m 64w準(zhǔn)平滑地形市區(qū)傳播損耗中值w任意地形地區(qū)的傳播損耗中值 其中， 為所在市區(qū)中的路徑損耗中值； 為自由空間

20、 傳播損耗； 為當(dāng)基站天線高度200米、移動臺天線高度 3米時，市區(qū)路徑損耗相對于自由空間的路徑損耗； 為 基站天線高度增益因子； 為移動臺天線高度增益因子； KT 為環(huán)境類型所帶來的增益 TLfsL),(),(),()(fhHdhHdfALdBLmmbbmfsTTTAKLLAm(f, d) Hb(hb, d) Hm(hm, f) 65w講解例題3.4 大城市準(zhǔn)平滑地形基本衰耗中值A(chǔ)m(f, d)66q3.6.2 Okumura-Hata模型w適用于宏小區(qū)，但不適用于微小區(qū)和微微小區(qū)。哈塔模型是根據(jù)奧村曲線圖所作的經(jīng)驗公式 頻率范圍為：150MHz-1500MHz 距離為：1100km 基站天

21、線高度：30200m 移動臺天線高度：110m 67w路徑損耗公式 式中，f為工作頻率（MHz），hb為基站天線有效高度 （m），hm為移動臺天線有效高度（m），d為收、發(fā)天線 之間的距離（km），a(hm)為移動臺天線高度修正因子， Ccell為小區(qū)類型校正因子，Cterrian為地形校正因子，反映一 些重要的地形環(huán)境因素對路徑損耗的影響 mbphahfdBLlg82.13lg16.2655.69terriancellbCCdhlg)lg55. 69 .44(68頻率頻率 基站高度基站高度移動臺高度移動臺高度900MHz50 m1.5 m69q3.6.3 Cost 231模型wHATA模型的擴(kuò)展，適用于宏小區(qū)，但不適用于微小區(qū)和微微小區(qū) 頻率范圍為：1500MHz-2000MHz 距離為：120km 基站天線高度：30200m 移動