第2章電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型

電波傳播的基本特性電波傳播的基本特性即移動(dòng)信道的基本特性——衰落特性移動(dòng)通信信道基站天線(xiàn)、移動(dòng)用戶(hù)天線(xiàn)和兩付天線(xiàn)之間的傳播路徑

衰落的原因復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)電波傳播環(huán)境無(wú)線(xiàn)電波傳播方式直射、反射、繞射和散射以及它們的合成衰落的表現(xiàn)傳播損耗和彌散陰影衰落多徑衰落多普勒頻移當(dāng)前第1頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

信道的分類(lèi)信道的分類(lèi)根據(jù)不同距離內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度變化的快慢分為{根據(jù)信號(hào)與信道變化快慢程度的比較分為{大尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多徑）描述長(zhǎng)距離上信號(hào)強(qiáng)度的緩慢變化短距離上信號(hào)強(qiáng)度的快速波動(dòng)原因信道路徑上固定障礙物的陰影移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)和地點(diǎn)的變化影響業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域信號(hào)傳輸質(zhì)量大尺度衰落與小尺度衰落當(dāng)前第2頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

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)表示尺度衰落；r0(t)表示小尺度衰落。大尺度衰落小尺度衰落接收功率圖2－1無(wú)線(xiàn)信道中的大尺度和小尺度衰落t當(dāng)前第3頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)考慮問(wèn)題衰落的物理機(jī)制功率的路徑損耗接收信號(hào)的變化和分布特性應(yīng)用成果傳播預(yù)測(cè)模型的建立為實(shí)現(xiàn)信道仿真提供基礎(chǔ)基本方法

理論分析方法（如射線(xiàn)跟蹤法）應(yīng)用電磁傳播理論分析電波在移動(dòng)環(huán)境中的傳播特性來(lái)建立預(yù)測(cè)模型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法（如沖激響應(yīng)法）在不同的傳播環(huán)境中做電波實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)建立預(yù)測(cè)模型

電波傳播特性的研究當(dāng)前第4頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

自由空間的電波傳播自由空間的傳播損耗

在理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)中傳播，只存在電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗接收功率

式中，Pt為發(fā)射功率，以球面波輻射,,λ為工作波長(zhǎng)，Gt，Gr分別表示發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)增益，d為發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)間的距離。自由空間的傳播損耗

當(dāng)Gt=Gr=1時(shí)，分貝式接收換算當(dāng)前第5頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

基本電波的傳播機(jī)制阻擋體反射（引起多徑衰落）比傳輸波長(zhǎng)大的多的物體繞射尖利邊緣散射粗糙表面當(dāng)前第6頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

反射理想介質(zhì)表面的反射極化特性多徑信號(hào)兩徑傳播模型多徑傳播模型當(dāng)前第7頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

理想介質(zhì)表面的反射如果電磁波傳輸?shù)嚼硐虢橘|(zhì)表面，則能量都將反射回來(lái)反射系數(shù)（R）入射波與反射波的比值入射角θ

式中 (垂直極化） （水平極化）而 其中，ε為介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，λ為波長(zhǎng)。當(dāng)前第8頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

極化特性極化

電磁波在傳播過(guò)程中，其電場(chǎng)矢量的方向和幅度隨時(shí)間變化的狀態(tài)電磁波的極化形式線(xiàn)極化、圓極化和橢圓極化線(xiàn)極化的兩種特殊情況水平極化（電場(chǎng)方向平行于地面）垂直極化（電場(chǎng)方向垂直于地面）極化反射系數(shù)對(duì)于地面反射，當(dāng)工作頻率高于150MHz（）時(shí)，，算得應(yīng)用接收天線(xiàn)的極化方式同被接收的電磁波的極化形式一致時(shí)，才能有效地接收到信號(hào)，否則將產(chǎn)生極化失配不同極化形式的天線(xiàn)也可以互相配合使用當(dāng)前第9頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)兩徑傳播模型接收信號(hào)功率簡(jiǎn)化后其中，相位差，多徑傳播模型

其中，N為路徑數(shù)。當(dāng)N很大時(shí)，無(wú)法用公式準(zhǔn)確計(jì)算出接收信號(hào)的功率，必須用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算接收信號(hào)的功率

地面二次效應(yīng)可忽略直射波反射波地表面波可忽略直射波反射波圖2-2兩徑傳播模型發(fā)射天線(xiàn)接收天線(xiàn)

多徑信號(hào)當(dāng)前第10頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)繞射惠更斯－菲涅爾原理菲涅爾區(qū)基爾霍夫公式

當(dāng)前第11頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

惠更斯－菲涅爾原理原理波在傳播過(guò)程中，行進(jìn)中的波前（面）上的每一點(diǎn)，都可作為產(chǎn)生次級(jí)波的點(diǎn)源，這些次級(jí)波組合起來(lái)形成傳播方向上新的波前（面）。繞射由次級(jí)波的傳播進(jìn)入陰影區(qū)而形成。陰影區(qū)繞射波場(chǎng)強(qiáng)為圍繞阻擋物所有次級(jí)波的矢量和。說(shuō)明在P’點(diǎn)處的次級(jí)波前中，只有夾角為θ（即）的次級(jí)波前能到達(dá)接收點(diǎn)R每個(gè)點(diǎn)均有其對(duì)應(yīng)的θ角，

θ將在0o到180o之間變化θ越大，到達(dá)接收點(diǎn)輻射能量越大圖2-3對(duì)惠更斯－菲涅爾原理說(shuō)明當(dāng)前第12頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

菲涅爾區(qū)基爾霍夫公式

菲涅爾區(qū)從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)次級(jí)波路徑長(zhǎng)度直接路徑長(zhǎng)度大的連續(xù)區(qū)域接收點(diǎn)信號(hào)的合成n為奇數(shù)時(shí)，兩信號(hào)抵消n為偶數(shù)時(shí)，兩信號(hào)疊加菲涅爾區(qū)同心半徑

第一菲涅爾區(qū)半徑（n=1）特點(diǎn)在接收點(diǎn)處第一菲涅爾區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)是全部場(chǎng)強(qiáng)的一半發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離略大于第一菲涅爾區(qū)，則大部分能量可以達(dá)到接收機(jī)。

基爾霍夫公式從波前點(diǎn)到空間任何一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)

式中，E是波面場(chǎng)強(qiáng)，是與波面正交的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)數(shù)。圖2-4菲涅爾區(qū)截面

當(dāng)前第13頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)散射起因無(wú)線(xiàn)電波遇到粗糙表面時(shí)，反射能量散布于所有方向表面光滑度的判定

表面平整度的參數(shù)高度平面上最大的突起高度h{粗糙表面下的反射場(chǎng)強(qiáng)

散射損耗系數(shù)

式中，為表面高度h的標(biāo)準(zhǔn)差，h是具有局部平均值的高斯分布的隨機(jī)變量。用粗糙表面的修正反射系數(shù)表示反射場(chǎng)強(qiáng)當(dāng)前第14頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)陰影衰落的基本特性陰影衰落（慢衰落）移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信信道傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其它障礙物對(duì)電波傳播路徑的阻擋而形成的電磁場(chǎng)陰影效應(yīng)特點(diǎn)衰落與傳播地形和地物分布、高度有關(guān)表達(dá)式傳播路徑損耗和陰影衰落分貝式

式中,r移動(dòng)用戶(hù)和基站之間的距離

ζ由于陰影產(chǎn)生的對(duì)數(shù)損耗（dB），服從零平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差σdB的對(duì)數(shù)正態(tài)分布

m路徑損耗指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明m＝4，標(biāo)準(zhǔn)差σ＝8dB，是合理的當(dāng)前第15頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)信道及特性參數(shù)多徑衰落的基本特性多普勒頻移多徑信道的信道模型描述多徑信道的主要參數(shù)多徑信道的統(tǒng)計(jì)分析多徑衰落信道的分類(lèi)衰落特性的特征量衰落信道的建模與仿真當(dāng)前第16頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)多徑衰落的基本特性幅度衰落接收信號(hào)的幅度將隨著移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)距離的變動(dòng)而衰落空間角度模擬通信系統(tǒng)的主要考慮對(duì)象原因本地反射物所引起的多徑效應(yīng)表現(xiàn)為快衰落地形變化引起的衰落以及空間擴(kuò)散損耗表現(xiàn)為慢衰落時(shí)延擴(kuò)展接收信號(hào)中脈沖的寬度擴(kuò)展時(shí)間角度數(shù)字通信系統(tǒng)的主要考慮對(duì)象原因信號(hào)的傳播路徑不同，所以到達(dá)接收端的時(shí)間也就不同，導(dǎo)致接收信號(hào)包含發(fā)送脈沖及其各個(gè)延時(shí)信號(hào)當(dāng)前第17頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)多普勒頻移原因移動(dòng)體在x軸上以速度v移動(dòng)時(shí)會(huì)引起多普勒（Doppler）頻率漂移表達(dá)式多普勒頻移cosα

式中v移動(dòng)速度

λ波長(zhǎng)vx

α入射波與移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)方向之間的夾角＝最大多普勒(Doppler)頻移說(shuō)明多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向、速度以及無(wú)線(xiàn)電波入射方向之間的夾角有關(guān)：若移動(dòng)臺(tái)朝向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻移為正（接收信號(hào)頻率上升）；反之若移動(dòng)臺(tái)背向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻移為負(fù)（接收信號(hào)頻率下降）。信號(hào)經(jīng)過(guò)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)信號(hào)的多普勒擴(kuò)散，因而增加了信號(hào)帶寬。入射電波當(dāng)前第18頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)多徑信道的信道模型原理多徑信道對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的影響表現(xiàn)為多徑衰落特性。將信道看成作用于信號(hào)上的一個(gè)濾波器，可通過(guò)分析濾波器的沖擊相應(yīng)和傳遞函數(shù)得到多徑信道的特性推導(dǎo)沖擊響應(yīng)只考慮多徑效應(yīng)再考慮多普勒效應(yīng)多徑和多普勒效應(yīng)對(duì)傳輸信號(hào)的影響多徑信道的沖擊響應(yīng)當(dāng)前第19頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)只考慮多徑效應(yīng)傳輸信號(hào)假設(shè)第i徑的路徑長(zhǎng)度為xi、衰落系數(shù)（或反射系數(shù)）為接收信號(hào)式中，c為光速；為波長(zhǎng)。又因?yàn)樗允街袨闀r(shí)延。實(shí)質(zhì)上是接收信號(hào)的復(fù)包絡(luò)模型，是衰落、相移和時(shí)延都不同的各個(gè)路徑的總和。當(dāng)前第20頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

再考慮多普勒效應(yīng)考慮移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致各徑產(chǎn)生多普勒效應(yīng)設(shè)路徑的到達(dá)方向和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角為路徑的變化量輸出復(fù)包絡(luò)簡(jiǎn)化得

（＊）其中，為最大多普勒頻移。在相位中不可忽略數(shù)量級(jí)小可忽略當(dāng)前第21頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)多徑信道的沖擊響應(yīng)多徑和多普勒效應(yīng)對(duì)傳輸信號(hào)的影響

令式中代表第i條路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)分量的增量延遲（實(shí)際遲延減去所有分量取平均的遲延），它隨時(shí)間變化在任何時(shí)刻t，隨機(jī)相位都可產(chǎn)生對(duì)的影響，引起多徑衰落。沖擊響應(yīng)由（＊）式得沖擊響應(yīng)式中，、表示第i個(gè)分量的實(shí)際幅度和增量延遲；相位包含了在第i個(gè)增量延遲內(nèi)一個(gè)多徑分量所有的相移；為單位沖擊函數(shù)。如果假設(shè)信道沖激響應(yīng)至少在一小段時(shí)間間隔或距離具有不變性，信道沖擊響應(yīng)可以簡(jiǎn)化為此沖擊響應(yīng)完全描述了信道特性，相位服從的均勻分布多徑延遲影響多普勒效應(yīng)影響當(dāng)前第22頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)描述多徑信道的主要參數(shù)由于多徑環(huán)境和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)等影響因素，使得移動(dòng)信道對(duì)傳輸信號(hào)在時(shí)間、頻率和角度上造成了色散。通常用功率在時(shí)間、頻率以及角度上的分布來(lái)描述這種色散多徑信道的主要參數(shù)定量描述這些色散時(shí)常用的一些特定參數(shù)功率延遲分布PDP時(shí)間色散多普勒功率譜密度DPSD角度譜PAP頻率色散角度色散當(dāng)前第23頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)時(shí)間色散

時(shí)間色散參數(shù)

平均附加延時(shí)rms時(shí)延擴(kuò)展最大附加延時(shí)擴(kuò)展(XdB)

相關(guān)帶寬多徑衰落下，頻率間隔靠得很近的兩個(gè)衰落信號(hào)存在不同時(shí)延，可使兩個(gè)信號(hào)變得相關(guān)。這一頻率間隔稱(chēng)為“相干”或“相關(guān)”帶寬（Bc）從時(shí)延擴(kuò)展角度說(shuō)明從包絡(luò)相關(guān)性角度說(shuō)明多徑衰落的分類(lèi)及判定當(dāng)前第24頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)功率延遲分布（PDP）基于固定時(shí)延參考的附加時(shí)延的函數(shù)，通過(guò)對(duì)本地瞬時(shí)功率延遲分布取平均得到市區(qū)環(huán)境中近似為指數(shù)分布式中，T是常數(shù)，為多徑時(shí)延的平均值時(shí)間色散特性參數(shù)平均附加延時(shí)

rms時(shí)延擴(kuò)展其中最大附加延時(shí)擴(kuò)展(XdB)高于某特定門(mén)限的多徑分量的時(shí)間范圍，即多徑能量從初值衰落到低于最大能量(XdB)處的時(shí)延圖2-8中，為歸一化的最大附加延時(shí)擴(kuò)展(XdB)；為歸一化平均附加延時(shí)；為歸一化rms時(shí)延擴(kuò)展

t0dB

-XdB

D

圖2-5典型的歸一化時(shí)延擴(kuò)展譜

時(shí)間色散參數(shù)當(dāng)前第25頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)從時(shí)延擴(kuò)展角度

說(shuō)明相關(guān)帶寬兩徑情況

接收信號(hào)

等效網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)

信道的幅頻特性當(dāng)時(shí)，信號(hào)同相疊加，出現(xiàn)峰點(diǎn)

當(dāng)時(shí)，信號(hào)反相相減，出現(xiàn)谷點(diǎn)

相鄰兩個(gè)谷點(diǎn)的,兩相鄰場(chǎng)強(qiáng)

為最小值的頻率間隔與兩徑時(shí)延成反比

多徑情況

應(yīng)為rms時(shí)延擴(kuò)展

是隨時(shí)間變化的，可由大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)處理計(jì)算出來(lái)

說(shuō)明相關(guān)帶寬是信道本身的特性參數(shù)，與信號(hào)無(wú)關(guān)

圖2-6兩徑信道模型A(ω,t)

r+1r-1w)(2tnDp

)()12(tnD+p

圖2-7通過(guò)兩徑信道的接收信號(hào)幅頻特性當(dāng)前第26頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)從包絡(luò)相關(guān)性角度

推導(dǎo)相關(guān)帶寬設(shè)兩個(gè)信號(hào)的包絡(luò)為和，頻率差為，則包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

此處，相關(guān)函數(shù)

若信號(hào)衰落符合瑞利分布，則式中，為零階Bessel函數(shù)，為最大多普勒頻移。不失一般性，可令，簡(jiǎn)化后通常，根據(jù)包絡(luò)的相關(guān)系數(shù)

來(lái)測(cè)度相關(guān)帶寬代入得相關(guān)帶寬(＊)當(dāng)前第27頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)衰落的分類(lèi)及判定

判定由信道和信號(hào)兩方面決定分類(lèi)不同頻率分量的衰落信號(hào)波形頻率選擇性衰落不一致失真非頻率選擇性衰落（平坦衰落）相關(guān)的一致的不失真數(shù)字通信系統(tǒng)信號(hào)帶寬小于信道相關(guān)帶寬Bs<Bc信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于信道相關(guān)帶寬Bs>>Bc平坦衰落頻選衰落碼間干擾當(dāng)前第28頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

頻率色散頻率色散參數(shù)是用多普勒擴(kuò)展來(lái)描述的，而相關(guān)時(shí)間是與多普勒擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)的參數(shù)時(shí)變特性原因移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)或信道路徑中的物體運(yùn)動(dòng)用普勒擴(kuò)展和相關(guān)時(shí)間來(lái)描述多普勒擴(kuò)展（功率譜）相關(guān)時(shí)間

相關(guān)時(shí)間是信道沖激響應(yīng)應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值，即在此間隔內(nèi)信道特性沒(méi)有明顯的變化。表征了時(shí)變信道對(duì)信號(hào)的衰落節(jié)拍推導(dǎo)相關(guān)時(shí)間時(shí)間選擇性衰落

當(dāng)前第29頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)多普勒擴(kuò)展典型(CLASS)多普勒擴(kuò)展（適用于室外傳播信道）

假設(shè)接收信號(hào)由N個(gè)經(jīng)過(guò)多普勒頻移的平面波合成，b為平均功率表示在角度內(nèi)的入射功率，表示接收天線(xiàn)增益，有入射波在內(nèi)的功率接收頻率用表示功率譜，則式中又由知功率譜對(duì)b歸一化，并設(shè)=1，，得

典型的多普勒功率譜由圖可見(jiàn)，由于多普勒效應(yīng)，接收信號(hào)的功率譜展寬到和范圍平坦(FLAT)多普勒擴(kuò)展（適用于室內(nèi)傳播信道）平坦的多普勒功率譜

fcS(f)圖2-8多普勒擴(kuò)展功率譜fc-fm

fc+fm

當(dāng)前第30頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)推導(dǎo)相關(guān)時(shí)間從多普勒擴(kuò)展角度時(shí)間相關(guān)函數(shù)與多普勒功率譜之間是傅立葉變換關(guān)系

所以多普勒擴(kuò)展的倒數(shù)就是對(duì)信道相關(guān)時(shí)間的度量，即

此時(shí)入射波與移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)方向之間的夾角α=0式中為多普勒擴(kuò)展（有時(shí)也用表示），即多普勒頻移。從包絡(luò)相關(guān)性角度通常將信號(hào)包絡(luò)相關(guān)度為0.5時(shí)的時(shí)間間隔定義為相關(guān)時(shí)間

28頁(yè)曾推出包絡(luò)相關(guān)系數(shù)令，=0.5推出當(dāng)前第31頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

時(shí)間選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落是由多普勒效應(yīng)引起的，并且發(fā)生在傳輸波形的特定時(shí)間段上，即信道在時(shí)域具有選擇性要保證信號(hào)經(jīng)過(guò)信道不會(huì)在時(shí)間軸上產(chǎn)生失真，就必須保證傳輸符號(hào)速率遠(yuǎn)大于相關(guān)時(shí)間的倒數(shù)在現(xiàn)代數(shù)字通信中，常規(guī)定為上頁(yè)兩式的幾何平均作為經(jīng)驗(yàn)關(guān)系碼元間隔大于信道相關(guān)時(shí)間Ts>Tc時(shí)選衰落誤碼當(dāng)前第32頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)角度色散原因移動(dòng)臺(tái)和基站周?chē)纳⑸洵h(huán)境不同，使得多天線(xiàn)系統(tǒng)中不同位置的天線(xiàn)經(jīng)歷的衰落不同參數(shù)角度擴(kuò)展相關(guān)距離空間選擇性衰落當(dāng)前第33頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)角度擴(kuò)展角度功率譜（PAS）信號(hào)功率譜密度在角度上的分布。一般為均勻分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布角度擴(kuò)展等于功率角度譜的二階中心矩的平方根，即

式中意義描述了功率譜在空間上的色散程度，角度擴(kuò)展在之間分布。角度擴(kuò)展越大，表明散射環(huán)境越強(qiáng)，信號(hào)在空間的色散度越高當(dāng)前第34頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)相關(guān)距離與空間選擇性衰落相關(guān)距離Dc

信道沖激響應(yīng)保證一定相關(guān)度的空間距離空間選擇性衰落天線(xiàn)空間距離大于相關(guān)距離>Dc天線(xiàn)空間距離遠(yuǎn)小于相關(guān)距離<<Dc空選衰落非空選衰落當(dāng)前第35頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)多徑信道的統(tǒng)計(jì)分析

主要討論多徑信道的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性。接收信號(hào)的包絡(luò)根據(jù)不同的無(wú)線(xiàn)環(huán)境一般服從瑞利分布萊斯分布Nakagami-m分布當(dāng)前第36頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)瑞利分布環(huán)境條件

通常在離基站較遠(yuǎn)、反射物較多的地區(qū)符合（如下圖）發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒(méi)有直射波路徑存在大量反射波，到達(dá)接收天線(xiàn)的方向角隨機(jī)且0~2π均勻分布各反射波的幅度和相位都統(tǒng)計(jì)獨(dú)立場(chǎng)強(qiáng)分量Tc，Ts接收信號(hào)的幅度相位分布Play當(dāng)前第37頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)分量Tc，Ts推導(dǎo)設(shè)發(fā)射信號(hào)是垂直極化，并且只考慮垂直波時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)為式中，多普勒頻率漂移，隨機(jī)相位（0～2π均勻分布）

又可表示為其中

Tc，Ts的性質(zhì)相互正交的同頻分量高斯隨機(jī)過(guò)程概率密度x=Tc或Ts統(tǒng)計(jì)獨(dú)立聯(lián)合概率密度零均值，等方差，不相關(guān)<>是關(guān)于的總體平均

<>=0

當(dāng)前第38頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)接收信號(hào)的幅度相位分布直角坐標(biāo)極坐標(biāo)則由雅各比行列式

所以

對(duì)r積分

對(duì)θ積分

可見(jiàn)，包絡(luò)r服從瑞利分布，θ在0～2π內(nèi)服從均勻分布瑞利分布的均值

瑞利分布的方差

滿(mǎn)足的值稱(chēng)為信號(hào)包絡(luò)樣本區(qū)間的中值

=1.777圖2－9瑞利分布的概率分布密度

當(dāng)前第39頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)萊斯分布環(huán)境條件概率密度函數(shù)萊斯因子當(dāng)前第40頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)萊斯分布的環(huán)境條件直射系統(tǒng)中，接收信號(hào)中有視距信號(hào)成為主導(dǎo)分量，同時(shí)還有不同角度隨機(jī)到達(dá)的多徑分量迭加于其上非直射系統(tǒng)中，源自某一個(gè)散射體路徑的信號(hào)功率特別強(qiáng)Play當(dāng)前第41頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)萊斯分布的概率密度函數(shù)概率密度函數(shù)式中,A是主信號(hào)的峰值

I0(·)是0階第一類(lèi)修正貝塞爾函數(shù)萊斯因子K主信號(hào)的功率與多徑分量方差之比

分貝式意義完全決定了萊斯的分布：當(dāng)，萊斯分布變?yōu)槿鹄植紡?qiáng)直射波的存在使接收信號(hào)包絡(luò)從瑞利變?yōu)槿R斯分布當(dāng)直射波進(jìn)一步增強(qiáng)（），萊斯分布將趨進(jìn)高斯分布瑞利分布萊斯分布高斯分布圖2-10萊斯分布的概率密度函數(shù)當(dāng)前第42頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Nakagami-m分布概率密度函數(shù)式中為≥的實(shí)數(shù)，

，

為伽馬函數(shù)

當(dāng)

時(shí)，有式中，為信號(hào)的平均功率

形狀因子

意義參數(shù)m取不同值時(shí)對(duì)應(yīng)不同分布，更具廣泛性：當(dāng)m=1時(shí)，成為瑞利分布當(dāng)m較大時(shí)，接近高斯分布

當(dāng)前第43頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)多徑衰落信道的分類(lèi)

依據(jù)分類(lèi)時(shí)間色散頻率選擇性衰落信道平坦衰落信道頻率色散快衰落信道慢衰落信道是否考慮角度色散標(biāo)量信道（時(shí)，頻）矢量信道（時(shí)、頻、空）當(dāng)前第44頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)平坦衰落和頻率選擇性衰落Ts為信號(hào)周期（信號(hào)帶寬Bs的倒數(shù)）是信道的時(shí)延擴(kuò)展；

Bc為相關(guān)帶寬通常若，可認(rèn)為該信道是頻率選擇性的頻率選擇性衰落平坦衰落

原因信道具有恒定增益和相位的帶寬范圍小于發(fā)送信號(hào)帶寬時(shí)間色散碼間干擾信道具有恒定增益和相位的帶寬范圍大于發(fā)送信號(hào)帶寬頻譜特性不同頻率獲得不同增益在接收端保持不變條件Bs>BcTs<Bs<<BcTs>>當(dāng)前第45頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)快衰信道和慢衰信道

快衰落慢衰落原因沖激響應(yīng)變化快于基帶信號(hào)變化信道沖激響應(yīng)變化比不上基帶信號(hào)變化條件Ts>TcBs<BdTs<<TcBs>>BdTc為信道相關(guān)時(shí)間BD為多普勒擴(kuò)展當(dāng)前第46頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)衰落特性的特征量衰落深度衰落速率電平通過(guò)率衰落持續(xù)時(shí)間當(dāng)前第47頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)衰落速率和衰落深度

衰落率信號(hào)包絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)以正斜率通過(guò)中值電平的次數(shù)，即包絡(luò)衰落的速率與發(fā)射頻率，移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)速度和方向以及多徑傳播的路徑數(shù)有關(guān)平均衰落率衰落深度信號(hào)有效值與該次衰落的信號(hào)最小值的差值。當(dāng)前第48頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)電平通過(guò)率單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)包絡(luò)以正斜率通過(guò)某一規(guī)定電平值R的平均次數(shù)意義描述衰落次數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律：深度衰落發(fā)生的次數(shù)較少，而淺度衰落發(fā)生得相當(dāng)頻繁表達(dá)式式中為信號(hào)包絡(luò)r對(duì)時(shí)間的導(dǎo)函數(shù)平均電平通過(guò)率由于電平通過(guò)率是隨機(jī)變量，通常用平均電平通過(guò)率來(lái)描述。對(duì)于瑞利分布可得式中fm為最大多譜勒頻率，

其中信號(hào)平均功率，為信號(hào)有效值當(dāng)前第49頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)衰落持續(xù)時(shí)間信號(hào)包絡(luò)低于某個(gè)給定電平值的概率與該電平所對(duì)應(yīng)的電平通過(guò)率之比表達(dá)式意義描述了衰落次數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律平均衰落持續(xù)時(shí)間衰落是隨機(jī)發(fā)生的，只能給出平均衰落持續(xù)時(shí)間對(duì)于瑞利衰落，可得當(dāng)前第50頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)電平通過(guò)率和平均衰落持續(xù)時(shí)間

圖示圖2－11電平通過(guò)率和平均衰落持續(xù)時(shí)間當(dāng)前第51頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)衰落信道的建模與仿真簡(jiǎn)介Clarke信道模型

說(shuō)明了基于散射時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)特性：包絡(luò)服從瑞利分布，相位服從（0，2π]的均勻分布環(huán)境假設(shè)

有一臺(tái)具有垂直極化的固定發(fā)射機(jī)，入射到移動(dòng)天線(xiàn)的電磁場(chǎng)由N個(gè)具有任意載頻相位、入射方位角和相等的平均幅度的平面波組成推導(dǎo)統(tǒng)計(jì)特性Jakes仿真

模擬均勻介質(zhì)散射環(huán)境中平坦衰落信道的復(fù)低通包絡(luò)。方法用有限個(gè)（≥10個(gè)）低頻振蕩器近似構(gòu)建一種可分析模型推導(dǎo)接收波形表達(dá)式及仿真模型當(dāng)前第52頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Clarke信道模型

推導(dǎo)接收?qǐng)鰪?qiáng)統(tǒng)計(jì)特性1對(duì)于以第n個(gè)角度到達(dá)x軸的入射波多普勒頻移為到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的垂直極化平面波存在和場(chǎng)強(qiáng)分量，即其中，

是本地場(chǎng)（假設(shè)為恒定值）的實(shí)數(shù)幅度，表示不同電波幅度的實(shí)數(shù)隨機(jī)變量，為自由空間的固定阻抗（）第n個(gè)到達(dá)分量的隨機(jī)相位對(duì)場(chǎng)強(qiáng)歸一化，有圖2－15入射角到達(dá)平面示意圖

當(dāng)前第53頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Clarke信道模型

推導(dǎo)接收?qǐng)鰪?qiáng)統(tǒng)計(jì)特性2由于多普勒頻移相對(duì)于載波很小，若N足夠大，三種場(chǎng)分量可用窄帶高斯隨機(jī)過(guò)程表示設(shè)相位角在

服從均勻分布則E場(chǎng)可用同相和正交分量表示式中具有0平均和等方差，且不相關(guān)接收的E場(chǎng)的包絡(luò)為包絡(luò)服從瑞利分布式中當(dāng)前第54頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Jakes仿真

推導(dǎo)接收波形表達(dá)式依據(jù)Clarke模型，接收端波形可表示為經(jīng)歷了N條路徑的一系列平面波的疊加其中不同路徑的附加相移是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，且在服從均勻分布將標(biāo)準(zhǔn)化，功率歸一化，得式中假設(shè)平面波的N個(gè)入射角在均勻分布，則模型中參數(shù)

(n=1,2,,N)

代入可得當(dāng)前第55頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Jakes仿真器模型描述平坦衰落的隨機(jī)信號(hào)可以用N個(gè)相互獨(dú)立的隨機(jī)變量（，，）表示，所以可以用N個(gè)低頻振蕩器生成。圖2-12Jakes仿真器模型

當(dāng)前第56頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型目的掌握基站周?chē)械攸c(diǎn)處接收信號(hào)的平均強(qiáng)度及變化特點(diǎn)，以便為網(wǎng)絡(luò)覆蓋的研究以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。方法根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析歸納出基于不同環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行校正，使其更加接近實(shí)際，更準(zhǔn)確確定傳播環(huán)境的主要因素自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性該地區(qū)的植被特征天氣狀況自然和人為的電磁噪聲狀況系統(tǒng)的工作頻率和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)等因素本節(jié)內(nèi)容室外傳播模型室內(nèi)傳播模型傳播模型校正當(dāng)前第57頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)室外傳播模型常用的幾種室外電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型Hata模型廣泛使用的一種適用于宏蜂窩的中值路徑損耗預(yù)測(cè)的傳播模型。根據(jù)應(yīng)用頻率的不同，又分為Okumura-Hata模型COST231Hata模型，CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型

當(dāng)前第58頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Okumura-Hata模型路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式式中—工作頻率（MHz）—基站天線(xiàn)有效高度（m），定義為基站天線(xiàn)實(shí)際海拔高度與基站沿傳播方向?qū)嶋H距離內(nèi)的平均地面海波高度之差，即—移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)有效高度（m），定義為移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高出地表的高度

d—基站天線(xiàn)和移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)之間的水平距離（km）—有效天線(xiàn)修正因子，是覆蓋區(qū)大小的函數(shù)—小區(qū)類(lèi)型校正因子

—地形校正因子，反映一些重要的地形環(huán)境因素對(duì)路徑損耗的影響當(dāng)前第59頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)COST-231Hata模型路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式式中—大城市中心校正因子

兩種Hata模型的主要區(qū)別頻率衰減系數(shù)不同COST-231Hata模型頻率衰減因子為33.9Okumura-Hata模型的頻率衰減因子為26.16COST-231Hata模型還增加了一個(gè)大城市中心衰減，大城市中心地區(qū)路徑損耗增加3dB。當(dāng)前第60頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)CCIR模型給出了反映自由空間路徑損耗和地形引入的路徑損耗聯(lián)合效果的經(jīng)驗(yàn)公式校正因子右圖給出了Hata和CCIR路徑損耗公式的對(duì)比，由圖可見(jiàn)，路徑損耗隨

建筑物密度而增大圖2－14Hata和CCIR路徑損耗公式的對(duì)比當(dāng)前第61頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LEE模型優(yōu)點(diǎn)模型中的主要參數(shù)易于根據(jù)測(cè)量值調(diào)整，適合本地?zé)o線(xiàn)傳播環(huán)境，準(zhǔn)確性高路徑損耗預(yù)測(cè)算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快應(yīng)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)分類(lèi)LEE宏蜂窩模型LEE微蜂窩模型當(dāng)前第62頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LEE宏蜂窩模型決定移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)大小的因素人為建筑物地形地貌基本思路先把城市當(dāng)成平坦的，只考慮人為建筑物的影響，在此基礎(chǔ)上再把地形地貌的影響加進(jìn)來(lái)地形地貌影響的三種情況無(wú)阻擋有阻擋水面反射當(dāng)前第63頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)無(wú)阻擋的情況考慮地形影響，采用有效天線(xiàn)高度計(jì)算：式中—天線(xiàn)有效高度—天線(xiàn)實(shí)際高度若，是一個(gè)增益若，是一個(gè)損耗。

式中

當(dāng)前第64頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)有阻擋的情況4式中由于山坡等地形阻擋物引起的衍射損耗計(jì)算單個(gè)刃形邊的衍射損耗如下

、和如圖所示，并定義一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)(a)考慮兩種情況：a.電波被阻擋，為負(fù)，為正，接收功率（w）衰減系數(shù)b.為正，為負(fù)，計(jì)算單個(gè)刃形邊的衍射損耗Lr(b)圖2－14山坡等地形阻擋物引起的衍射損耗當(dāng)前第65頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)水面反射其中

α—由于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境引起的衰減因子（）；—基站發(fā)射功率、—分別為基站和移動(dòng)臺(tái)的天線(xiàn)增益當(dāng)前第66頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LEE微蜂窩模型1小區(qū)路徑損耗預(yù)測(cè)公式為是基站天線(xiàn)有效高度，距離基站處的直射波路徑損耗，是一個(gè)雙斜率模型的理論值為

其中為菲涅爾區(qū)的距離

當(dāng)前第67頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LEE微蜂窩模型2

是由于建筑物引起的損耗。其值可以這樣得到首先按圖2-19所示計(jì)算從基站到A點(diǎn)的穿過(guò)街區(qū)的總的阻擋長(zhǎng)度B＝a+b+c，再根據(jù)B查找曲線(xiàn)圖2-20，可得值。(dA)A建筑物abc(dA)B=a+b+c圖2.15計(jì)算街區(qū)建筑物引入的損耗

圖2.16微小區(qū)參數(shù)

當(dāng)前第68頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)COST231Walfisch-Ikegami模型應(yīng)用用于建筑物高度近似一致的郊區(qū)和城區(qū)環(huán)境常用于移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM/PCS/DECT/DCS）設(shè)計(jì)可以計(jì)算基站發(fā)射天線(xiàn)高于、等于或低于周?chē)ㄖ锏炔煌闆r的路徑損耗兩種情況視距傳播情況，路徑損耗非視距傳播情況，路徑損耗式中L0—由空間損耗

L1—由沿屋頂下沿最近的衍射引起的衰落損耗

L2—沿屋頂?shù)亩嘀匮苌洌ǔ俗罱难苌洌┊?dāng)前第69頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)COST231Walfisch-Ikegami模型

各參數(shù)意義

1

式中w—接收機(jī)所在的街道寬度（m）,

hR—建筑物的平均高度（m）

hR，hm—接收天線(xiàn)的高度

其中—街區(qū)軸線(xiàn)于連結(jié)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線(xiàn)的夾角

2

式中

上面各式中，hB發(fā)射天線(xiàn)高度，b相鄰行建筑物中心距離當(dāng)前第70頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)室外傳播模型的使用適用范圍應(yīng)用方法使用及評(píng)價(jià)當(dāng)前第71頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)傳播模型的適用范圍

適用范圍傳播模型宏蜂窩（>1km）微蜂窩（<1km）頻率（MHz）天線(xiàn)高度（m）城區(qū)/郊區(qū)/鄉(xiāng)村HataOkumura-Hata宏蜂窩150－1500基站：30－200移動(dòng)臺(tái)：1－10城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村COST-231Hata宏蜂窩1500－2000基站：30－200移動(dòng)臺(tái)：1－10城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村CCIC宏蜂窩150－2000基站：30－200移動(dòng)臺(tái)：1－10城區(qū)、郊區(qū)LEE宏蜂窩450－2000城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村微蜂窩分LOS和NLOS450－2000城區(qū)、郊區(qū)WIM0.02－5km分LOS和NLOS800－2000基站：4－50移動(dòng)臺(tái)：1－3城區(qū)、郊區(qū)當(dāng)前第72頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)傳播模型的應(yīng)用方法

基站和移動(dòng)臺(tái)之間水平距離d（km）d≥1

宏蜂窩模型d<5d≥5

有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并得到LEE模型參數(shù)和距離衰減因子d<1微蜂窩模型有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)LEE模型WIM模型LEE模型WIM模型CCIR模型Hata模型當(dāng)前第73頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)傳播模型的使用及評(píng)價(jià)

Hata模型參數(shù)易獲得，模型易使用但未考慮建筑物的高度和密度、街道的分布和走向等重要因素的影響，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的誤差較大

CCIR模型考慮了建筑物密度的影響，引入?yún)?shù)B（被建筑物覆蓋區(qū)域的百分比），且易獲得LEE模型適用于有測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)。主要參數(shù)易于根據(jù)測(cè)量值調(diào)整，準(zhǔn)確性高。算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快COST231-Walfisch-Ikegami模型用于建筑物高度近似一致的郊區(qū)和城區(qū)環(huán)境發(fā)射天線(xiàn)可以高于、等于或低于周?chē)ㄖ锂?dāng)前第74頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)室內(nèi)傳播模型

顯著特點(diǎn)室內(nèi)覆蓋面積小得多收發(fā)機(jī)間的傳播環(huán)境變化更大影響因素建筑物的布局建筑材料建筑類(lèi)型常用的幾種室內(nèi)傳播模型對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型衰減因子模型當(dāng)前第75頁(yè)\共有84頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型

Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型

對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型

室內(nèi)路徑損耗遵從公式式中，依賴(lài)于周?chē)h(huán)境和建筑物類(lèi)型，是標(biāo)準(zhǔn)偏差為的正態(tài)隨機(jī)變量Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型

有四個(gè)斷點(diǎn)，