15移动通信C2_WL

第二章第二章移动通信电波传移动通信电波传播与传播预测模型播与传播预测模型MobileCommunicationTheory2目录概述1自由空间的电波传输233种基本电波的传播机制种基本电波的传播机制3阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性4移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数5电波传播损耗预测模型电波传播损耗预测模型6MobileCommunicationTheory32.1.12.1.1电波传播的基本特性电波传播的基本特性基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移直射、反射、绕射和散射以及它们的合成复杂的无线电波传播环境移动通信信道衰落的原因无线电波传播方式衰落的表现移动信道的基本特性衰落特性MobileCommunicationTheory4信道的分类信道的分类™™信道的分类信道的分类大尺度衰落大尺度衰落ƒƒ根据不同距离内信号强度变化的快慢分为根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{{小尺度衰落小尺度衰落长期慢衰落长期慢衰落ƒƒ根据信号与信道变化快慢程度的比较分为根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{{短期快衰落短期快衰落大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多径）小尺度衰落（主要特征是多径）描述描述长距离上信号强度的缓慢变化长距离上信号强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动短距离上信号强度的快速波动原因原因信道路径上固定障碍物的阴影信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和地点的变化移动台运动和地点的变化影响影响业务覆盖区域业务覆盖区域信号传输质量信号传输质量™大尺度衰落与小尺度衰落MobileCommunicationTheory5衰落特性的算式描述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。(t)rm(t)r(t)0×=大尺度衰落小尺度衰落MobileCommunicationTheory62.1.22.1.2电波传播特性的研究电波传播特性的研究电波传播特电波传播特性的研究性的研究基本方法•理论分析方法（如射线跟踪法）•现场测试方法（如冲激响应法）应用成果•传播预测模型的建立•为实现信道仿真提供基础考虑问题•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MobileCommunicationTheory72.22.2自由空间的电波传播自由空间的电波传播在理想的、均在理想的、均匀的、各向同匀的、各向同性的介质中传性的介质中传播，只存在电播，只存在电磁波能量扩散磁波能量扩散而引起的传播而引起的传播损耗损耗传播损耗接收功率传播损耗接收换算ttrrGPdAP24π=自由空间电波传播分贝表示[]dfLlog20log2045.32++=()10log()rrPdBmPmW=()10log()rrPdBWPW=MobileCommunicationTheory82.332.33种基本电波传播机制种基本电波传播机制ŠŠ阻挡体比传输波阻挡体比传输波长大的多的物体长大的多的物体ŠŠ产生多径衰落的产生多径衰落的主要因素主要因素ŠŠ产生于粗糙表面、小物体或其产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体它不规则物体ŠŠ阻挡体为尖利边缘阻挡体为尖利边缘反射散射绕射MobileCommunicationTheory92.3.12.3.1反射反射理想介质表面反射理想介质表面反射极化特性极化特性多径信号多径信号MobileCommunicationTheory10理想介质表面反射理想介质表面反射™™如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来来™™反射系数反射系数（（RR））入射波与反射波的比值入射波与反射波的比值((垂直极化）垂直极化）（水平极化）（水平极化）020cosεθε−=zzzR+−=θθsinsinθε20cos−=zMobileCommunicationTheory11极化特性极化特性™™极化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化的状态™™电磁波的极化形式电磁波的极化形式线极化、圆极化和椭圆极化线极化、圆极化和椭圆极化™™线极化的两种特殊情况线极化的两种特殊情况ƒƒ水平极化（电场方向平行于地面）水平极化（电场方向平行于地面）ƒƒ垂直极化（电场方向垂直于地面）垂直极化（电场方向垂直于地面）MobileCommunicationTheory122.3.12.3.1多径信号多径信号™™两径传播模型两径传播模型接收信号功率接收信号功率简化后简化后相位差相位差™™多径传播模型多径传播模型其中，其中，NN为路径数。当为路径数。当NN很大时，无法用公式准确计算出很大时，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接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率2tr2tr....Ae)R1(Re1GGd4PP+−++⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ΔΦΔΦπλ2tr2trRe1GGd4PPΔΦπλ+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ACBhmθhbdθθβ直射波反射波地表面波可忽略地面二次效应可忽略可忽略λΔπΔΦl2=()lACCBABΔ=+−2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PPΔΦπλ∑−=+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=MobileCommunicationTheory132.3.22.3.2绕射绕射惠更斯－菲涅尔原理菲涅尔区基尔霍夫公式MobileCommunicationTheory14惠更斯－菲涅尔原理惠更斯－菲涅尔原理™™原理原理ŠŠ波前（面）上每点产生的次级波组合形成传播方向上新的波前波前（面）上每点产生的次级波组合形成传播方向上新的波前（面）（面）ŠŠ绕射由次级波的传播进入阴影区而形成绕射由次级波的传播进入阴影区而形成ŠŠ场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和™™说明说明ŠŠ任一任一PP’’点，只有夹角为点，只有夹角为θθ（即（即）的次级波前）的次级波前能到达接收点能到达接收点RRŠŠθθ在在00ºº到到180180ºº之间变化之间变化ŠŠ到达接收点辐射能量到达接收点辐射能量与与θθ成正比成正比'TPR∠2/2dλ+/2dλ+θMobileCommunicationTheory15菲涅尔区菲涅尔区基尔霍夫公式基尔霍夫公式™™菲涅尔区菲涅尔区从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大的连续区域从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大的连续区域ƒƒ接收点信号的合成接收点信号的合成••nn为奇数时，两信号抵消为奇数时，两信号抵消••nn为偶数时，两信号叠加为偶数时，两信号叠加ƒƒ菲涅尔区同心半径菲涅尔区同心半径ƒƒ第一菲涅尔区半径（第一菲涅尔区半径（n=1n=1）特点）特点••在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半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。接收机。™™基尔霍夫公式基尔霍夫公式从波前点到空间任何一点的场强从波前点到空间任何一点的场强式中，式中，EE是波面场强，是波面场强，是与波面正交的场强导数。是与波面正交的场强导数。1212nnddrddλ=+sEn∂∂2/2dλ+/2dλ+mP'PP3r2r1r3/2dλ+/2dnλ+14jkrjkrsRssEeeEEdsnrrnπ−−⎡⎤⎛⎞∂−∂=−⎢⎥⎜⎟∂∂⎝⎠⎣⎦∫MobileCommunicationTheory162.3.32.3.3散射散射粗糙表面，反射能量于所有方向表面光滑度的判定粗糙表面下的反射场强MobileCommunicationTheory172.42.4阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性™™阴影衰落阴影衰落（慢衰落）（慢衰落）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™™特点特点与传播地形和地物分布、高度有关与传播地形和地物分布、高度有关™™表达式表达式传播路径损耗和阴影衰落传播路径损耗和阴影衰落分贝式分贝式式中式中rr移动用户和基站的距离移动用户和基站的距离ζζ由阴影产生的对数损耗（由阴影产生的对数损耗（dBdB），服从零平均和标准偏），服从零平均和标准偏差差σσdBdB的对数正态分布的对数正态分布mm路径损耗指数路径损耗指数实验数据表明实验数据表明mm＝＝44，标准差，标准差σσ＝＝8dB8dB是合理的是合理的10(,)10mlrrζζ=×10log(,)10loglrmrζζ=+MobileCommunicationTheory182.52.5移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数多径信道的多径信道的统计分析统计分析多径衰落信道的多径衰落信道的分类分类衰落特性的衰落特性的特征量特征量衰落信道的衰落信道的建模与仿真建模与仿真多径衰落的多径衰落的基本特性基本特性多普勒频移多普勒频移多径信道的多径信道的信道模型信道模型描述多径信道的描述多径信道的主要参数主要参数MobileCommunicationTheory192.5.1多径衰落的基本特性™™幅度衰落幅度衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落ƒƒ空间角度空间角度ƒƒ模拟系统主要考虑模拟系统主要考虑ƒƒ原因原因••本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落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地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落落MobileCommunicationTheory202.5.1多径衰落的基本特性™™时延扩展时延扩展脉冲宽度扩展脉冲宽度扩展ƒƒ时间角度时间角度ƒƒ数字系统主要考虑数字系统主要考虑ƒƒ原因原因信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导信号传播路径不同，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致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号MobileCommunicationTheory212.5.22.5.2多普勒频移多普勒频移™™原因原因移动时会引起多普勒（移动时会引起多普勒（DopplerDoppler）频率漂移）频率漂移™™表达式表达式多普勒频移多普勒频移最大多普勒最大多普勒(Doppler)(Doppler)频移频移αλcosvfd=mfv=λMobileCommunicationTheory222.5.22.5.2多普勒频移多普勒频移™™说明说明ƒƒ多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关：入射方向之间的夹角有关：••若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接（接收信号收信号频率上升频率上升））••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（接收信号收信号频率下降频率下降））ƒƒ信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号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。的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。MobileCommunicationTheory232.5.32.5.3多径信道的信道模型多径信道的信道模型™™原理原理ƒƒ多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。性。ƒƒ将信道看成作用于信号上的一个滤波器，可通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击相应和传递函数得到多径过分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性信道的特性MobileCommunicationTheory242.5.32.5.3多径信道的信道模型多径信道的信道模型™™推导冲击响应推导冲击响应ƒƒ只考虑多径效应只考虑多径效应ƒƒ再考虑多普勒效应再考虑多普勒效应ƒƒ多径和多普勒效应对传输信号的影响多径和多普勒效应对传输信