電波傳播和移動(dòng)信道傳輸特性的研究.ppt

1、1,第三章 電波傳播和移動(dòng)信道 傳輸特性的研究,無線電波傳播特性分析 自由空間傳播 陸地傳播機(jī)制 移動(dòng)環(huán)境下的信道分析 移動(dòng)無線傳播環(huán)境概述 大尺度多徑衰落模型 小尺度路徑損耗模型,2,概要,無線電波傳播特性分析 自由空間傳播 陸地傳播機(jī)制 移動(dòng)環(huán)境下的信道分析 移動(dòng)無線傳播環(huán)境 大尺度多徑衰落模型 小尺度路徑損耗模型,3,相關(guān)知識(shí)- 無線電波的本質(zhì),無線電波屬于電磁波，電磁波是變化著的電場和磁場共同產(chǎn)生的 。光也是一定波長的電磁波。所有電磁波在真空 都以一種速度傳播 ( 光 速 c = 299792450 米 / 秒 )。 在 真 空 中 電 磁 波 的 傳 播 速 度 (c) 、 波 長

2、和 頻 率 ， 有 以 下 的 簡單關(guān)系 ： (波 長) x (頻 率) = c 麥克斯韋科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，并揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性 赫茲第一次證實(shí)了電磁波的存在，且具有與光類似的特性 俄國波波夫制作了無線電收發(fā)信機(jī)，作了用無線電傳送莫爾斯電碼的表演，當(dāng)時(shí)拍發(fā)的報(bào)文是“海因里希赫茲” 第一次以電磁波傳遞實(shí)際訊息是1897年意大利的馬可尼開始的,4,相關(guān)知識(shí)- 無線頻譜,電磁波按頻率或波長可劃分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線 無線電波指從幾赫茲到3000GHz范圍內(nèi)的電磁波，而其中30MHz到3GHz之間的頻段比較適合移動(dòng)通信 無線頻譜是非常寶貴的資源，

3、在通信中，我們對(duì)頻率使用有很嚴(yán)格的限制。國際上采用了比較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比如移動(dòng)通信就劃分了一定的頻率范圍，每一個(gè)（連續(xù)的）頻率范圍我們稱為頻段。其他的頻段用于衛(wèi)星通信，微波通信等等。,5,相關(guān)知識(shí) - 無線電波的相位,每一頻率的電波有其相應(yīng)的波長，我們把一個(gè)波長對(duì)應(yīng)為2的相位，比如有兩路相同頻率的電波，在傳輸過程中，有一路電波比另外一路電波快了半個(gè)波長那么我們就說該電波比另外一路超前了相位，另外一路就比前面一路滯后了相位,6,自由空間傳播（1）,什么叫自由空間？無任何衰減、無 任何阻擋、無任何多徑的傳播空間。 無線電波在自由空間傳播時(shí)，其單位 面積中的能量會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而減少。這 種減少，稱為自由空

4、間的傳播損耗。 如圖所示，發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線 為各向均勻輻射，則以發(fā)射源為中心， d為半徑的球面上單位面積的功率為： S PT / 4 d2,PT,d,7,自由空間傳播(2),由于天線有方向性（設(shè)發(fā)射天線增益為GT）,則接收點(diǎn)的電波功率密度 設(shè)接收天線的有效接收面積為 ，則 其中Gr為接收天線增益， 為自由空間波長 接收天線處的功率為,8,自由空間傳播(3),使用近地距離 的 參考距離 在室內(nèi)環(huán)境典型值取為1m，室外環(huán)境取為100m或1km 自由空間損耗及其分貝數(shù)表示 令： Pr / PT = Gr GT / LS其中LS 定義為自由空間傳播損耗 則： LS = (4 d / )2 =

5、(4 f d / c )2,9,功率單位,無線信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度用分貝（db）來衡量.分貝是一個(gè)用10為底的對(duì)數(shù)表示的比值的單位，設(shè)P為系統(tǒng)中某一點(diǎn)的功率， 為參考點(diǎn)的功率，則用db表示的功率比值由 來計(jì)算. 由于1db是一個(gè)比值或相對(duì)單位，db值本身并不確定測量參數(shù)的絕對(duì)值，而db的導(dǎo)出單位則可表示絕對(duì)值。有分貝瓦（dBW，相對(duì)于1W的分貝數(shù)）和分貝毫瓦（dBm，相對(duì)于1mW的分貝數(shù)）兩個(gè)常用單位 例如：GSM手機(jī)的最大發(fā)射功率2W換成分貝值為33dBm； 手機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度40dBm為0.0001mW，70dBm為0.0000001mW,10,例：如果發(fā)射機(jī)發(fā)射50瓦的功率，將其換算成(a)

6、dBm和(b)dBW；如果該發(fā)射機(jī) 為單位增益天線,并且載頻為900MHz,求出在自由空間中距天線100m處接受功率 為多少dBm。10km處Pr為多少？假定接收天線為單位增益 解：已知：發(fā)射功率，Pt=50W載頻，fc=900MHz，則發(fā)射功率 (a) (b) 100m處接受功率為： 則,11,10km處功率為： 使用近地距離公式確定10km處的接收功率（dBm），其中 =100m,d=10km,12,概要,電波傳播機(jī)制分析 自由空間傳播 陸地傳播機(jī)制 移動(dòng)環(huán)境下的信道分析 移動(dòng)無線傳播環(huán)境 大尺度多徑衰落模型 小尺度路徑損耗模型,13,實(shí)際空間傳播,14,傳播路徑,若從移動(dòng)信道中的電磁波傳

7、播上看主要可分為： 直射波-視距傳播 反射波 繞射波 另外，還有穿透建筑物的傳播 以及空氣中離子受激后二次發(fā)射的漫 反射產(chǎn)生的散射波但是它們相對(duì) 于直射波、反射波、繞射波都比較弱，,發(fā)射天線,接收天線,直射波,反射波,地表面波,15,反射（Reflection）,當(dāng)電磁波遇到比波長大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射。反射發(fā)生在地球表面、建筑物和墻壁表面,16,繞射（Diffraction）,當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路由被尖銳的邊緣阻擋時(shí)，發(fā)生繞射.,17,散射（Scattering）,當(dāng)電磁波的傳播路由上存在小于波長的物體、并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時(shí)，發(fā)生散射。散射發(fā)生在粗糙表面、小物

8、體或其它不規(guī)則物體，如：樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等.,18,概要,無線電波傳播特性分析 自由空間傳播 陸地傳播機(jī)制 移動(dòng)環(huán)境下的信道分析 移動(dòng)無線傳播環(huán)境 大尺度模型分析 小尺度模型分析,19,復(fù)雜的移動(dòng)通信信道,首先，傳播環(huán)境十分復(fù)雜，傳播機(jī)理多種多樣。幾乎包括了電波傳播的所有過程，如：直射、繞射、反射、散射。 其次，由于用戶臺(tái)的移動(dòng)性，傳播參數(shù)隨時(shí)變化，引起接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)。 因此，接收信號(hào)中存在三類損耗和四種效應(yīng),20,接收信號(hào)中的三類損耗與四種效應(yīng),具有三類不同層次的損耗 路徑傳播損耗 慢衰落（損耗） 快衰落（損耗） 四種主要效應(yīng) 陰影效應(yīng) 多徑效應(yīng) 多普勒效應(yīng) 遠(yuǎn)近效應(yīng),21,傳播信號(hào)

9、的表示,由前面的定性分析可得到傳播的總損耗分別由大范圍(大尺度、公里量級(jí))的路徑衰耗、中范圍(中尺度、數(shù)百波長量級(jí))的陰影效應(yīng)和小范圍(小尺度、數(shù)十波長以下)的快衰落共同決定。它可表示為： 其中： 表示大范圍的路徑衰耗， ， 表示中范圍的陰影效應(yīng)損耗， 表示小范圍內(nèi)的快衰落損耗。 通常，使用大尺度模型和小尺度模型來分析移動(dòng)信道傳播特性,22,兩種傳播模型：大尺度模型和小尺度模型,23,二種傳播模型（續(xù)）,大尺度路徑損耗傳播模型 描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長距離上平均場強(qiáng)的變化，用于預(yù)測平均場強(qiáng)并估計(jì)無線覆蓋范圍。 小尺度多徑衰落傳播模型 描述移動(dòng)臺(tái)在極小范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，短距離或短時(shí)間上接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速

10、變化，用于確定移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該采取的技術(shù)措施。,24,概要,無線電波傳播特性分析 自由空間傳播 陸地傳播機(jī)制 移動(dòng)環(huán)境下的信道分析 移動(dòng)無線傳播環(huán)境 大尺度模型分析 小尺度模型分析,25,大尺度模型,描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長距離上平均場強(qiáng)的 變化，用于預(yù)測平均場強(qiáng)并估計(jì)無線覆蓋范圍。,26,對(duì)數(shù)距離路徑衰減規(guī)律,基于理論和測試的傳播模型指出，無論室內(nèi)或室外信道，平均接收信號(hào)的功率（dB）隨距離的對(duì)數(shù)衰減。這種模型已被廣泛地使用。對(duì)任意T-R距離，平均大尺度路徑損耗表示為： 其中，n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗距離增長的速率。 n在不同環(huán)境下的取值如下表所示：,27,不同環(huán)境下路徑損耗指數(shù),28

11、,陰影衰落,產(chǎn)生的原因 陰影效應(yīng)：由位于電波傳播路經(jīng)上的障礙物的阻擋而產(chǎn)生的損耗。特點(diǎn)：衰落速率與與地形地貌、用戶移動(dòng)的速度有關(guān)，而與工作頻率無關(guān)大氣折射，大氣介電常數(shù)的變化，時(shí)變 統(tǒng)計(jì)特性 分布特性-對(duì)數(shù)正態(tài)分布 其中， 為0均值，標(biāo)準(zhǔn)差為 的高斯分布隨機(jī)變量 位置函數(shù) 時(shí)間函數(shù) 聯(lián)合分布,29,無線傳播模型,傳播模型是小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ) 根據(jù)具體的使用環(huán)境，選用對(duì)應(yīng)的傳播模型 傳播模型校正 CW測試 利用數(shù)字地圖等進(jìn)行校正,30,大尺度模型：室外模型,Okumura(奧村)模型 適用頻率范圍150MHz-3GHz， 距離1100km，基站天線高度30200m。 預(yù)測城區(qū)信號(hào)時(shí)使用最廣泛的模型，

12、在日本已經(jīng)成為系統(tǒng)規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)。 開發(fā)了一套在特定條件下自由空間中值損耗的曲線。 缺點(diǎn)：對(duì)城區(qū)和郊區(qū)的快速變化反應(yīng)較慢，和實(shí)際情況偏差約1014dB。,31,大尺度模型：室外模型（續(xù)）,Hata模型 適用頻率范圍150MHz -1.5GHz 根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗(yàn)公式，以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其它地區(qū)進(jìn)行修正。 市區(qū)路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式。在1km以上的情況下，預(yù)測結(jié)果和Okumura模型非常接近。 缺點(diǎn)：適用于大區(qū)制移動(dòng)系統(tǒng)，不適用于小區(qū)半徑為1km的個(gè)人通信系統(tǒng)。,其它模型 Hata模型的PCS擴(kuò)展 WalfishBertoni模型 LEE微蜂窩模型,32,Okumura模型： 其

13、中： 和 由預(yù)測曲線查得 Okumura -Hata 模型公式：,33,COST-231-Hata模型公式：,34,大尺度模型：室內(nèi)模型,一般說明 室內(nèi)傳播特點(diǎn)：覆蓋距離更小，環(huán)境變化更大 受到影響的因素很多，如：門窗是開還是關(guān)？天線放置的位置？人員的分布情況？ 室內(nèi)信道可以分為視距（LOS）和阻擋（OBS）兩種。,分隔損耗 同樓層的分隔損耗 給出不同頻段、不同材料不同分隔方式的損耗值。如：混凝土墻在1300MHz的損耗為815dB。 樓層間的分隔損耗 和建筑物的材料、類型、層數(shù)、窗戶及頻段有關(guān)。一層的衰減要大，而五、六層以上的衰減很小。,35,室內(nèi)路徑損耗公式：對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型,36,例

14、：使用Okumura模型求解d=50km, =100m, =10m,郊區(qū)環(huán)境下的路徑損耗。已知發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率 為1kW,載頻為900MHz,求接收功率（假定接收機(jī)天線為單位增益）。 解：自由空間路徑損耗 可由公式計(jì)算： 由Okumura曲線可得： 和,37,而可得：,則可得總的中值路徑損耗為： =125.5dB+43dB-(-6)dB-10.46dB-9dB =155.04dB 因此，接受功率中值為： =60dBm-155.04dB+0dB=-95.04dBm,38,概要,無線電波傳播特性分析 自由空間傳播 陸地傳播機(jī)制 移動(dòng)環(huán)境下的信道分析 移動(dòng)無線傳播環(huán)境 大尺度多徑衰落模型 小尺度路徑

15、損耗模型,39,小尺度衰落模型,小尺度傳播的主要效應(yīng)： 多徑效應(yīng) 多普勒效應(yīng),小尺度衰落模型分析 存在的衰落及統(tǒng)計(jì)分布 時(shí)延擴(kuò)展及相干帶寬 多普勒頻移及相干時(shí)間 移動(dòng)信道分類,40,多徑效應(yīng),定義： 由于移動(dòng)信道中直射、反射和折射現(xiàn)象的同時(shí)存在，使得發(fā)射信號(hào)通過不同的傳播路徑，形成幅度、相位及到達(dá)時(shí)間相互區(qū)別的多個(gè)信號(hào)而到達(dá)接收臺(tái)。并且不同多徑成分的相位、幅度等都是隨機(jī)、獨(dú)立變化的 多徑效應(yīng)引起的問題：額外的路徑損耗、突發(fā)性誤碼、嚴(yán)重的碼間干擾,41,小尺度衰落及分布, Rayleigh衰落 Rice衰落,42,Ricean分布與Rayleigh分布的關(guān)系,43,瑞利(Rayleigh)衰落（

16、1）,設(shè)無直射波的N個(gè)路徑信號(hào)的幅值和到達(dá)接收天線的方位角是隨機(jī)的且統(tǒng)計(jì)獨(dú)立發(fā)送信號(hào)為： 接收信號(hào)為： 令： 則： x 和 y是獨(dú)立隨機(jī)變量之和，根據(jù)中心極限定律， x 和y 趨于正態(tài)分布。,44,瑞利(Rayleigh)衰落（2）,x和y是高斯過程，即其概率密度公式為： 式中， 為信號(hào)的平均功率；tx或y。 r(t)的包絡(luò)為 而 由于x和y是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，則x和y的聯(lián)合概率密度為 把p(x,y)變成p(r, ），則,45,瑞利(Rayleigh)衰落（3）,從而，角度的分布為 即 在0 內(nèi)均勻分布。信號(hào)包絡(luò)的分布密度為 即信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布。其中 是包絡(luò)檢波之前所接收的電壓信號(hào)的均方根值；r

17、是幅度值。,46,萊斯(Rician)衰落,指含有一個(gè)強(qiáng)直射波(LOS)的N個(gè)路徑傳播時(shí)，若每條路徑的信號(hào)幅度為高斯分布，相位在02為均勻分布，則合成信號(hào)包絡(luò)分布為萊斯分布。,47,移動(dòng)多徑信道的參數(shù)：,時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬，描述信道時(shí)間彌散特性 多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間，描述信道時(shí)變（頻率擴(kuò)展）特性 發(fā)送信號(hào)特性（如帶寬、符號(hào)間隔等）和信道特性（rms時(shí)延、多普勒擴(kuò)展）決定了信號(hào)將經(jīng)歷不同類型的衰落,48,時(shí)延擴(kuò)展（多徑時(shí)散）,在多徑傳播條件下，當(dāng)發(fā)射端發(fā)送一個(gè)極窄的脈沖信號(hào) 時(shí)，經(jīng)過多條不同的傳播路徑后，接收端信號(hào)則為一串脈沖組成（可能是離散的，也可能聯(lián)成一片），即 其中，N和I都是隨機(jī)變化的。

18、這樣，信號(hào)在時(shí)間軸上被“展寬”了，因此稱這種現(xiàn)象為時(shí)延擴(kuò)展（time delay spread）,49,描述多徑時(shí)延的統(tǒng)計(jì)參數(shù)：,最大時(shí)延擴(kuò)展 平均時(shí)延 時(shí)延擴(kuò)展.,50,典型的時(shí)延譜 典型的歸一化時(shí)延譜 通常功率延遲分布來源于本地連續(xù)沖激響應(yīng)的測量值取短時(shí)或空間平均,51,最大時(shí)延擴(kuò)展 ( dB) 歸一化時(shí)延曲線比直達(dá)功率下降XdB （通常取30dB)時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)延差(相對(duì)第一個(gè)到達(dá)的信號(hào)時(shí)間)，在不存在直達(dá)信號(hào)的情況下，可以將多徑信號(hào)中具有最強(qiáng)功率的那一徑作為比較基準(zhǔn) 平均時(shí)延 其中，t為相對(duì)時(shí)延值，p(t)為歸一化的時(shí)延強(qiáng)度，它是不同時(shí)延信號(hào)分量具有的平均功率,52,rms(Root M

19、ean Square)時(shí)延擴(kuò)展,其中, 是多徑信道時(shí)延特性的統(tǒng)計(jì)描述，表示時(shí)延擴(kuò)展的嚴(yán)重程度。值越大，時(shí)延擴(kuò)展越嚴(yán)重；反之，時(shí)延擴(kuò)展越輕微,53, P(t)多徑時(shí)延譜: 即信道輸出的平均功率關(guān)于時(shí)延 的函數(shù) 在數(shù)字傳輸中，由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號(hào)中的一個(gè)碼元波形會(huì)擴(kuò)展到其他碼元周期中去，即造成碼間干擾（ISI）. 為了避免碼間干擾，如無抗干擾措施（如均衡等），應(yīng)使碼元周期大于多徑效應(yīng)引起的時(shí)延擴(kuò)展,即T ，或者等效地說碼元速率小于1/ .,54,例：計(jì)算下圖所給出的多徑分布的平均附加時(shí)延，rms時(shí)延擴(kuò)展及最大附加時(shí)延（10dB）。設(shè)信道相干帶寬對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)取50%，則該系統(tǒng)在不使用均衡器的條件

20、下對(duì)AMPS或GSM業(yè)務(wù)是否合適？,解：可得給信號(hào)的平均附加時(shí)延為：,55,而： 所以rms時(shí)延擴(kuò)展為: 而最大時(shí)延 （10dB）由圖中得到,為 對(duì)應(yīng)相干系數(shù)相干帶寬為： 因?yàn)锽c大于30kHz，所以AMPS不需均衡器就能正常工作。而GSM所需的200kHz 帶寬超過了Bc，所以GSM需要均衡器才能正常工作。,56,時(shí)延統(tǒng)計(jì)特性,多徑信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的分布 指數(shù)分布-對(duì)于有近距離散射體，中距離高大建筑和遠(yuǎn)山的環(huán)境 等間隔分布-簡化模型，GSM 05.05建議 多徑信號(hào)到達(dá)數(shù)目的分布-泊松分布,57,典型時(shí)延,f=450/800MHz,58,頻率選擇性衰落與平坦衰落,實(shí)際測量數(shù)據(jù)表明，信號(hào)通過移動(dòng)信

21、道時(shí)，不同頻率分量上的場強(qiáng)有較大的變化差異，即遭受的衰落可能有所不同。根據(jù)衰落與頻率的關(guān)系，可將衰落分為兩種：頻率選擇性衰落與非頻率選擇性衰落（平坦衰落）。相應(yīng)地，可將信道分為頻率選擇性衰落信道與平坦衰落信道 信號(hào)會(huì)發(fā)生哪種衰落，要由信號(hào)和信道兩方面因素決定,59,平坦衰落信道特性,信號(hào)中各頻率分量的衰落狀況與頻率無關(guān)，即信號(hào)經(jīng)過傳輸后，各頻率分量所遭受的衰落具有一致性，即相關(guān)性，因而衰落信號(hào)的波形不失真,60,頻率選擇性衰落信道特性,傳輸信道對(duì)信號(hào)中不同頻率成分有不同的隨機(jī)的響應(yīng)，使不同頻率的信號(hào)分量的衰落不一致，所以衰落信號(hào)波形將失真,61,相關(guān)帶寬(1),就移動(dòng)信道而言，存在一個(gè)相關(guān)帶寬

22、 ：當(dāng)信號(hào)帶寬遠(yuǎn)小于信道相關(guān)帶寬時(shí)，為平坦衰落信道;當(dāng)信號(hào)帶寬大于信道相關(guān)帶寬時(shí)，為頻率選擇性衰落信道 相關(guān)帶寬 表征的是信號(hào)中兩個(gè)頻率分量基本相關(guān)的頻率間隔。它是信道本身的特性參數(shù)，與信號(hào)無關(guān) 相關(guān)帶寬 的取值視系統(tǒng)實(shí)際要求而定，通常都是根據(jù)特定多徑系統(tǒng)而得到的統(tǒng)計(jì)測量值,62,相關(guān)帶寬(2),這里我們考慮頻率分別為 和 的兩個(gè)信號(hào)的包絡(luò)的相關(guān)性， 即由兩信號(hào)的相關(guān)系數(shù)得出。設(shè)這兩個(gè)信號(hào)的包絡(luò)為 和 ，頻率 差為 ，則其包絡(luò)相關(guān)系數(shù)為： 若信號(hào)服從瑞利分布，且由于這里討論的是頻率域的相關(guān)性，可設(shè) ，則可得到 由上式可知，當(dāng)信號(hào)頻率間隔增加時(shí)，相關(guān)系數(shù)減小，也就是信 號(hào)的不一致性增加。,63,如定義為頻率相關(guān)函數(shù)大于0.5的某特定帶寬，則 相關(guān)帶寬近似為： 如定義為頻率相關(guān)函數(shù)大于0.9的某特定帶寬，則 相關(guān)帶寬近似為,64,多普勒頻移,當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以恒定速率v ，沿著與入射波成 角的方向 運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成的接收信號(hào)相位變化值為： 由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移為： 其中， 為最大多普勒頻移 假設(shè)發(fā)射頻率為 ，則接收頻率變化為,65,x Y,66,67,例：若一發(fā)射機(jī)發(fā)射載頻為1850MHz,一輛汽車以每小時(shí)60英里（60mph）速度運(yùn)動(dòng),計(jì)算在以下情況下接收機(jī)載波頻率： （a）汽車沿直線朝向發(fā)射機(jī)運(yùn)動(dòng) （b）汽車沿直線背向發(fā)射機(jī)運(yùn)動(dòng) （c）汽