第2課-電波傳播與信道

第2課-電波傳播與信道第一頁，共69頁。內容移動通信中無線電波的傳播特性無線電波傳播方式反射繞射散射自由空間電波傳播模型移動環(huán)境下的信道特點多徑衰落模型三類主要快衰落頻率選擇性衰落時間選擇性衰落空間選擇性衰落移動通信系統(tǒng)的信道模型地面反射（雙射線）模型室外傳播的常用模型室內對數(shù)距離損耗模型多徑信道模型移動信道仿真實驗方法第二頁，共69頁。一.移動通信中無線電波的傳播特性第三頁，共69頁。無線電波傳播方式傳播路徑直射波---視距傳播（LOS）反射波繞射波散射波第四頁，共69頁。自由空間電波傳播模型1自由空間功率通量密度（W/m2）：通過球表面積的輻射功率：式中Gt發(fā)射機天線增益。在此覆蓋區(qū)域范圍內，接收機天線“捕獲”此通量的一小部分。第五頁，共69頁。自由空間電波傳播模型２Friis自由空間傳播方程式中：L為系統(tǒng)損耗因子，包括鏈路衰減、濾波器損耗、天線損耗，與傳播無關。

Pt為發(fā)射機輸出功率

Gt和Gr為發(fā)射及接收天線增益

λ為載波波長

d為收發(fā)天線間的距離第六頁，共69頁。自由空間電波傳播模型３路徑損耗假設d處于遠場（Fraunhoferregion）：

df>>D且df>>λ，其中df

＝２D2/λ

D為天線最大直線長度

λ為載波波長第七頁，共69頁。電波的反射良導體反射無衰減。絕緣體只反射入射波能量的一部分：反射造成180°相移第八頁，共69頁。反射系數(shù)第九頁，共69頁。天線的極化方式

電場的方向就是天線極化方向。當電場強度方向垂直于地面時，稱為垂直極化波；當電場強度方向平行于地面時，稱為水平極化波。第十頁，共69頁。繞射（衍射）機理當波撞擊在障礙物邊緣時發(fā)生繞射?！按尾ā眰鞑ミM入陰影區(qū)（惠更斯原理）；超出直射路徑的長度導致相移；費涅爾區(qū)表達了相對于障礙物位置的相移。第十一頁，共69頁。單個劈尖（Knife-edge)模型衍射增益：Gd=20lg|F(v)|第十二頁，共69頁。多個劈尖(MultipleKnife-edge)模型第十三頁，共69頁。散射機理在實際移動無線環(huán)境中，接收信號比單獨繞射和反射模型預測的要強，這是因為當電波遇到粗糙表面時，反射能量由于散射而散布于所有方向，給接收機提供了額外的能量。第十四頁，共69頁。散射因子若平面上的最大突起高度h小于hc，則認為表面光滑，反之則認為粗糙。第十五頁，共69頁。二.移動環(huán)境下的信道特點第十六頁，共69頁。移動信道的特點傳播的開放性接收環(huán)境的復雜性市區(qū)近郊區(qū)農村通信用戶的隨機移動性準靜態(tài)慢速步行高速車載第十七頁，共69頁。移動信道中的干擾碼間干擾（ISI）滿足奈奎斯特第一準則采取時域均衡同信道干擾不能通過提高發(fā)射機的載波功率加以克服可采用多用戶檢測技術加以抑制鄰道干擾帶內干擾影響較大，帶外干擾影響較小。第十八頁，共69頁。碼間干擾第十九頁，共69頁。移動通信中的4種效應四種效應陰影效應：由于大型建筑物或其他物體的阻擋而使接收區(qū)出現(xiàn)半盲區(qū)。遠近效應：移動用戶與基站間距離的變化引起。多徑效應：由移動體周圍的局部散射體引起的多徑傳播，表現(xiàn)為快衰落。多普勒效應：由于移動體的運動速度和方向引起多徑條件下多普勒頻譜展寬。第二十頁，共69頁。移動通信中的3類損耗三種損耗大尺度空間——自由空間傳播路徑損耗（Pathloss）。中尺度空間——慢衰落損耗：由陰影效應引起，表現(xiàn)為信號電平中值的慢變化。小尺度空間——快衰落損耗：由多徑效應引起的，反映波長量級上接收信號電平中值的快速變化。第二十一頁，共69頁。移動通信中的3類損耗第二十二頁，共69頁。慢衰落第二十三頁，共69頁。正態(tài)（高斯）分布第二十四頁，共69頁。移動環(huán)境下的快（多徑）衰落第二十五頁，共69頁。多徑信道的包絡統(tǒng)計特性第二十六頁，共69頁。第二十七頁，共69頁。瑞利（Rayleigh）分布第二十八頁，共69頁。第二十九頁，共69頁。多徑衰落模型——萊斯（Rice）分布第三十頁，共69頁。多徑衰落模型——Nakagami分布從實際測量中總結出來的，與Rice分布非常相似。第三十一頁，共69頁。三類主要快衰落產生的原因：多徑效應多普勒效應三類主要快衰落空間選擇性衰落→角度擴展頻率選擇性衰落→時延擴展時間選擇性衰落→頻率擴展第三十二頁，共69頁。空間選擇性衰落——角度擴展信道輸入：射頻：單頻等幅載波角度域：脈沖式點波束信道輸出：時空域：同一時間、不同地點的衰落不同角度域：點波束產生擴散第三十三頁，共69頁。角度擴展與相關距離相關距離：定義為兩副天線的信道響應保持強相關的最大空間距離。相關距離越短，角度擴展越大；反之相關距離越長，角度擴展越小。典型的角度擴展值：室內360°，城市20°，平坦的農村1°。第三十四頁，共69頁。頻率選擇性衰落——時延擴展信道輸入：頻域：白色等幅頻譜時域：t時刻的一個沖激信道輸出：頻域：衰落起伏的有色譜時域：沖激信號在時域產生了擴散第三十五頁，共69頁。時延擴展與相關帶寬相關帶寬的意義在相關帶寬內信號傳輸失真??；若信號帶寬超過相關帶寬，將產生較大失真和符號間串擾。其中，Tm為信道的多徑擴展第三十六頁，共69頁。時間選擇性衰落——多普勒頻移信道輸入：時域：單頻等幅載波頻域：單一頻率f上的單根譜線（沖激）信道輸出：時域：包絡起伏不平頻域：以f為中心產生頻率擴展，擴展寬度為絕對多普勒頻移第三十七頁，共69頁。多普勒擴展與相關時間相關時間的意義一般情況下，Ts<<Tc，多普勒擴展可不考慮當發(fā)送信號的持續(xù)時間Ts>Tc，則會產生時間選擇性衰落其中，Bd為多普勒展寬第三十八頁，共69頁。實際移動通信中3類選擇性衰落第三十九頁，共69頁。典型環(huán)境下的典型擴散值第四十頁，共69頁。第四十一頁，共69頁。第四十二頁，共69頁。三.移動通信系統(tǒng)的信道模型第四十三頁，共69頁。地面反射（雙射線）模型第四十四頁，共69頁。地面反射（雙射線）模型第四十五頁，共69頁。室外傳播的常用模型Hata模型Walfisch-Ikegami模型快速模型微蜂窩Cost231Hata模型微蜂窩Bertoni模型第四十六頁，共69頁。Hata模型Hata模型源自Okumura（奧村）模型與Hata公式。適用于頻率100~1500MHz，傳播距離在1~20km的城市場強預測。修正因子第四十七頁，共69頁。第四十八頁，共69頁。Walfisch-Ikegami（WIM）模型適合高樓林立地區(qū)的中到大型蜂窩的場強確定，首先在歐洲用于GSM建模。模型包含3個部分：直射波的自由空間損耗屋脊到街道的饒射和散射損耗多次屏蔽穿透損耗因為考慮了街道寬度、街道饒射和散射的影響，Walfisch-Ikegami模型比Hata模型更精確，也更復雜。第四十九頁，共69頁。Walfisch-Ikegami模型注：有時還要考慮加上樹木造成的衰落校正因子Lt，例如有無樹葉時損耗相差3~5dB第五十頁，共69頁。Walfisch-Ikegami模型自由空間損耗的計算第五十一頁，共69頁。Walfisch-Ikegami模型屋脊到街道的饒射和散射損耗的計算第五十二頁，共69頁。Walfisch-Ikegami模型多次屏蔽穿透損耗的計算第五十三頁，共69頁。快速模型

快速模型是較低等級的模型，用來粗略估計覆蓋區(qū)域的總的傳播期望值。優(yōu)點：快速估算。缺點：不精確。兩個快速模型：

800MHz：PL＝121＋36lgd

1900MHz：PL＝130＋40lgd第五十四頁，共69頁。微蜂窩Cost231Hata模型第五十五頁，共69頁。室內傳播特點室內模型研究較少，是移動無線信道新的研究領域。室內傳播的主要特征：覆蓋距離更小，環(huán)境相對變動更大；距離短，更接近“近場”；門的開關和天線安裝等對室內信號場強的影響非常大；更“混亂”，散射波更多，LOS（視線）更少。第五十六頁，共69頁。室內傳播中的主要問題信號盲區(qū)：電梯間、地下室、地下停車場、超過基站高度的高層建筑“乒乓效應”：由于收到多個基站信號，且其強度相差不大，手機會在幾個不同小區(qū)間來回切換，語音質量很差?！肮聧u”效應：小區(qū)用戶無法正常切換而形成“孤島”。第五十七頁，共69頁。建筑物的隔離損耗1

隔離損耗與樓層的關系：樓層越高，損耗越小。隔離損耗與建筑材料的關系：鋼筋混凝土結構的損耗大于磚石和土木結構；損耗隨穿透深度而增大。隔離損耗與頻率的關系：頻率低的損耗大，頻率高的損耗相對小。第五十八頁，共69頁。建筑物的隔離損耗2

隔離損耗：同樓層墻，家具，設備高度依賴于材料類型和頻率硬隔離vs軟隔離：硬隔離隨建筑而成軟隔離不到天花板

“框架”建筑第五十九頁，共69頁。建筑物的隔離損耗3

隔離損耗：樓層間取決于建筑結構和頻率

“樓層損耗因子”隨著樓層增高而減小典型值：1樓：15dB/層

2-5樓：6-10dB/層5樓以上：1-2dB/層第六十頁，共69頁。其他信道的損耗特性建筑物的透射損耗建筑物的材料窗戶開口面積、窗戶數(shù)量信號頻率接收機在建筑物內的位置隧道的損耗第六十一頁，共69頁。室內對數(shù)距離損耗模型第六十二頁，共69頁。傳統(tǒng)鏡像法的射線跟蹤技術鏡像法原理二次反射第六十三頁，共69頁。多徑信道模型基本思想：假設相對于信號傳輸速率信道是慢時變系統(tǒng)，因而可以把信道在一段時間內的一個“Snapshot”看成是一個線性時不變?yōu)V波器。將多徑干擾效應用一個濾波器來表示。測量或計算信道的沖擊響應（響應頻率為fc窄脈沖），可看作一個復高斯隨機過程。第六十四頁，共69頁。統(tǒng)計衰落模型是發(fā)生在特定位置（小尺度）的信號衰落概率模型：通常是沖擊響應模型；固定無線信道慢速時變；移動信道快速時變。最簡單的模型是基于廣義平穩(wěn)非相干散射（WSSUS）準則，通常認為是一個頻率選擇性瑞利衰落信道。第六十五頁，共69頁。WSSUS廣義平穩(wěn)（WSS）：統(tǒng)計特性獨立于時間和位置的小抖動，即固定節(jié)