3 电波传播与传播预测模型

1第三章移动信道的传播特性电波传播特性及其研究概述自由空间的电波传播三种基本的电波传播机制（反射、绕射、散射）阴影衰落的基本特性移动无线信道及特性参数电波传播损耗预测模型21概述--（1）电波传播的基本特性电波传播的基本特性——衰落特性。衰落特性也是移动信道的基本特性。衰落的原因复杂的无线电波传播环境衰落的表现传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移31概述--（2）衰落的分类衰落的分类根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{短期快衰落长期慢衰落小尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多径）描述长距离（几百或几千米）上信号强度的缓慢变化短距离（几个波长）或短时间（几秒）内信号强度的快速波动原因信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和地点的变化影响业务覆盖区域信号传输质量大尺度衰落与小尺度衰落41概述--（3）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)表示大尺度衰落；r0(t)表示小尺度衰落。0()()()rtmtrt大尺度衰落小尺度衰落(t)r0m(t)接收功率图2－1无线信道中的大尺度和小尺度衰落t5研究对象(内容)衰落的物理机制功率的路径损耗接收信号的变化和分布特性目的建立传播预测模型为实现信道仿真提供基础基本方法理论分析方法（如射线跟踪法）应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预测模型。现场测试方法（如冲激响应法）在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统计分析，来建立预测模型。1概述--（4）电波传播特性的研究62自由空间的电波传播自由空间的传播损耗的概念在理想、均匀、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。ttrrGPdAP24自由空间的传播损耗接收功率式中，Pt为发射功率，以球面波辐射,Ar是接收天线的有效面积,λ为工作波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离。传播损耗当Gt=Gr=1时：用分贝表示：接收电平:4GAr2r24LdtrLPP10lg32.4520lg20lgdBLLfd()10lg()rrPdBmPmW()10lg()rrPdBWPW73电波的三种基本传播机制阻挡体反射比传输波长大得多的物体绕射尖利边缘散射粗糙表面83电波的三种基本传播机制---(1)反射理想介质表面的反射极化特性多径信号两径传播模型多径传播模型9反射-（1）理想介质表面的反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来反射系数R：入射波与反射波的场强比值式中，(垂直极化)或(水平极化)其中，θ入射角，ε和σ分别为反射媒质的介电常数和电导率，λ为波长。200cosz20cosz600jzzRsinsin10反射-（2）极化特性极化电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态电磁波的极化形式线极化、圆极化和椭圆极化线极化的两种特殊情况•水平极化（电场方向平行于地面）•垂直极化（电场方向垂直于地面）极化反射系数对于地面反射，当工作频率高于150MHz（）时，，算得应用•接收天线的极化方式同被接收的电磁波的极化形式一致时，才能有效地接收到信号，否则将产生极化失配•不同极化形式的天线也可以互相配合使用m21()()1vhRR垂直极化反射系数水平极化反射系数11两径传播模型接收信号功率简化后其中，相位差，多径传播模型其中，N为路径数。当N很大时，无法用公式准确计算出接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率12211e....4jjrtrtPPGGRRed直射波221Re4jrtrtPPGGd2l()lACCBAB22111exp()4NrtrtiiiPPGGRjd直射波反射波图2-2两径传播模型发射天线接收天线反射-（3）多径信号123电波的三种基本传播机制---(2)绕射惠更斯－菲涅尔原理菲涅尔区基尔霍夫公式13绕射-（1）惠更斯－菲涅尔原理原理波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。说明在P’点处的次级波前中，只有夹角为θ（即）的次级波前能到达接收点R每个点均有其对应的θ角，θ将在0º到180º之间变化θ越大，到达接收点辐射能量越大'TPRT90RP”P’Pd扩展波前次级波前2/2d/2d惠更斯－菲涅尔原理14T90Rd22/2d/2dd13P'PP3r2r1r3/2d/2dnnP绕射-（2）菲涅尔区基尔霍夫公式菲涅尔区从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大nλ/2的连续区域接收点信号的合成n为奇数时，两信号抵消n为偶数时，两信号叠加菲涅尔区同心圆半径第一菲涅尔区半径（n=1）特点在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以达到接收机。基尔霍夫公式空间任何一点R的场强ER:式中，S是包围R点的任意封闭曲面，Es是波面场强，是与波面正交的场强导数。r是点光源到曲面S上任一点的距离1212nnddrdd14jkrjkrsRssEeeEEdsnrrnsEn153电波的三种基本传播机制---(3)散射起因无线电波遇到粗糙表面时，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参考高度hc:平面上最大的突起高度h{粗糙表面下的反射场强散射损耗系数式中，为表面高度h的标准差，h是具有局部平均值的高斯分布的随机变量。用粗糙表面的修正反射系数求解反射场强表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8sincih2sinexp8hisroughsRRh164阴影衰落的基本特性阴影衰落（慢衰落）移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应特点衰落与传播地形和地物分布、高度有关表达式传播路径损耗和阴影衰落分贝式式中,r移动用户和基站之间的距离ζ由于阴影产生的对数损耗（dB），服从均值为0和标准偏差为σdB的正态分布m路径损耗指数实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB，是合理的10(,)10mlrr10log(,)10loglrmr175移动无线信道及特性参数多径衰落的基本特性多普勒频移多径信道的信道模型多径信道的描述多径信道的统计分析多径衰落信道的分类衰落特性的特征量衰落信道的建模与仿真18(1)多径衰落的基本特性从空间角度——幅度衰落接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落模拟通信系统的主要考虑对象原因•本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落•地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落从时间角度——时延扩展接收信号中脉冲的宽度扩展数字通信系统的主要考虑对象原因信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号19(2)多普勒频移原因移动体在x轴上以速度v移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移表达式多普勒频移式中v：移动速度λ：波长vxα：入射波与移动台移动方向之间的夹角：最大多普勒(Doppler)频移说明•多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及电波入射方向之间的夹角有关：若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正(接收信号频率上升)；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负(接收信号频率下降)。•信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。cosdvfmvf入射电波20(3)多径信道的信道模型原理多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。将信道看成作用于信号上的一个滤波器，可通过分析滤波器的冲激响应和传递函数得到多径信道的特性推导冲激响应只考虑多径效应再考虑多普勒效应多径和多普勒效应对传输信号的影响多径信道的冲激响应21(I)只考虑多径效应传输信号假设第i径的路径长度为di、衰落系数（或反射系数）为接收信号式中，c为光速；λ为波长。令则式中为时延。实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时延都不同的各个路径的总和。()Re()exp(2)cststjft()Reexp2Reexp2iiiiiciiiiicidddrtastastjftcccddastjftcia()Re()exp(2)crtrtjft()exp2exp2iiiiciiiiddrtajstajfstciidc()rt22(II)再考虑多普勒效应设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为路径的变化量，最大多普勒频移为输出复包络简化得（＊）icosiidvt()exp2cosexp2exp2cosiiiiiiiiiiiiddddrtajstcddvtvajjtstcc()exp22cosiicimiirtastjfftmf23(III)多径信道的冲激响应多径和多普勒效应对传输信号的影响令式中代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟（实际延迟减去所有分量取平均的时延），它随时间变化。在任何时刻t，随机相位都可产生对的影响，引起多径衰落。冲激响应由（＊）式得,()22cosicimiciDitfftt()()()(,)ijtiiirtastestht多径延迟影响多普勒效应影响i()it()rt24(III)多径信道的冲激响应冲激响应式中，、表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位包含了在第i个增量延迟内一个多径分量所有的相移；为单位冲激函数。此冲击响应完全描述了信道特性。如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离内具有不变性，信道冲击响应可以简化为相位服从的均匀分布()(,)ijtiiihtaeiai()it()ijiiihaei0,225(4)多径信道的描述---色散由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道引起传输信号在时间、频率和角度上的色散。通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散多径信道的主要参数定量描述这些色散时常用的一些特定参数功率延迟分布PDP时间色散多普勒功率谱密度DPSD角度谱PAP频率色散角度色散26(I)时间色散---概念时间色散参数----多径效应的时域表现平均附加延时rms时延扩展最大附加延时扩展(XdB)相干带宽---多径效应的频域表现多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，使两个信号变得相关。这一频率间隔称为“相干”或“相关”带宽（Bc）从时延扩展角度说明从包络相关性角度说明多径衰落的分类及判定27功率延迟分布（PDP）基于固定时延参考的附加时延的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到市区环境中近似为指数分布式中，T是常数，为多径时延的平均值时间色散特性参数平均附加延时rms时延扩展其中最大附加延时扩展(XdB)高于某特定门限的多径分量的时间范围，即多径能量从初值衰落到低于最大能量(XdB)处的时延右图中，为归一化的最大附加延时扩展(XdB)；为归一化平均附加延时；为归一化rms时延扩展1TPeT功率时延0dB-XdBmmTP典型的归一化时延扩展谱22kkkkkkk