第2課-電波傳播與信道

第2課-電波傳播與信道第一頁(yè)，共69頁(yè)。內(nèi)容移動(dòng)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(dòng)環(huán)境下的信道特點(diǎn)多徑衰落模型三類主要快衰落頻率選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落空間選擇性衰落移動(dòng)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(nèi)對(duì)數(shù)距離損耗模型多徑信道模型移動(dòng)信道仿真實(shí)驗(yàn)方法第二頁(yè)，共69頁(yè)。一.移動(dòng)通信中無線電波的傳播特性第三頁(yè)，共69頁(yè)。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(yè)，共69頁(yè)。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(jī)天線增益。在此覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，接收機(jī)天線“捕獲”此通量的一小部分。第五頁(yè)，共69頁(yè)。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(guān)。

Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率

Gt和Gr為發(fā)射及接收天線增益

λ為載波波長(zhǎng)

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

df>>D且df>>λ，其中df

＝２D2/λ

D為天線最大直線長(zhǎng)度

λ為載波波長(zhǎng)第七頁(yè)，共69頁(yè)。電波的反射良導(dǎo)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(yè)，共69頁(yè)。反射系數(shù)第九頁(yè)，共69頁(yè)。天線的極化方式

電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，稱為水平極化波。第十頁(yè)，共69頁(yè)。繞射（衍射）機(jī)理當(dāng)波撞擊在障礙物邊緣時(shí)發(fā)生繞射。“次波”傳播進(jìn)入陰影區(qū)（惠更斯原理）；超出直射路徑的長(zhǎng)度導(dǎo)致相移；費(fèi)涅爾區(qū)表達(dá)了相對(duì)于障礙物位置的相移。第十一頁(yè)，共69頁(yè)。單個(gè)劈尖（Knife-edge)模型衍射增益：Gd=20lg|F(v)|第十二頁(yè)，共69頁(yè)。多個(gè)劈尖(MultipleKnife-edge)模型第十三頁(yè)，共69頁(yè)。散射機(jī)理在實(shí)際移動(dòng)無線環(huán)境中，接收信號(hào)比單獨(dú)繞射和反射模型預(yù)測(cè)的要強(qiáng)，這是因?yàn)楫?dāng)電波遇到粗糙表面時(shí)，反射能量由于散射而散布于所有方向，給接收機(jī)提供了額外的能量。第十四頁(yè)，共69頁(yè)。散射因子若平面上的最大突起高度h小于hc，則認(rèn)為表面光滑，反之則認(rèn)為粗糙。第十五頁(yè)，共69頁(yè)。二.移動(dòng)環(huán)境下的信道特點(diǎn)第十六頁(yè)，共69頁(yè)。移動(dòng)信道的特點(diǎn)傳播的開放性接收環(huán)境的復(fù)雜性市區(qū)近郊區(qū)農(nóng)村通信用戶的隨機(jī)移動(dòng)性準(zhǔn)靜態(tài)慢速步行高速車載第十七頁(yè)，共69頁(yè)。移動(dòng)信道中的干擾碼間干擾（ISI）滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則采取時(shí)域均衡同信道干擾不能通過提高發(fā)射機(jī)的載波功率加以克服可采用多用戶檢測(cè)技術(shù)加以抑制鄰道干擾帶內(nèi)干擾影響較大，帶外干擾影響較小。第十八頁(yè)，共69頁(yè)。碼間干擾第十九頁(yè)，共69頁(yè)。移動(dòng)通信中的4種效應(yīng)四種效應(yīng)陰影效應(yīng)：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(yuǎn)近效應(yīng)：移動(dòng)用戶與基站間距離的變化引起。多徑效應(yīng)：由移動(dòng)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(yīng)：由于移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度和方向引起多徑條件下多普勒頻譜展寬。第二十頁(yè)，共69頁(yè)。移動(dòng)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(yīng)引起，表現(xiàn)為信號(hào)電平中值的慢變化。小尺度空間——快衰落損耗：由多徑效應(yīng)引起的，反映波長(zhǎng)量級(jí)上接收信號(hào)電平中值的快速變化。第二十一頁(yè)，共69頁(yè)。移動(dòng)通信中的3類損耗第二十二頁(yè)，共69頁(yè)。慢衰落第二十三頁(yè)，共69頁(yè)。正態(tài)（高斯）分布第二十四頁(yè)，共69頁(yè)。移動(dòng)環(huán)境下的快（多徑）衰落第二十五頁(yè)，共69頁(yè)。多徑信道的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性第二十六頁(yè)，共69頁(yè)。第二十七頁(yè)，共69頁(yè)。瑞利（Rayleigh）分布第二十八頁(yè)，共69頁(yè)。第二十九頁(yè)，共69頁(yè)。多徑衰落模型——萊斯（Rice）分布第三十頁(yè)，共69頁(yè)。多徑衰落模型——Nakagami分布從實(shí)際測(cè)量中總結(jié)出來的，與Rice分布非常相似。第三十一頁(yè)，共69頁(yè)。三類主要快衰落產(chǎn)生的原因：多徑效應(yīng)多普勒效應(yīng)三類主要快衰落空間選擇性衰落→角度擴(kuò)展頻率選擇性衰落→時(shí)延擴(kuò)展時(shí)間選擇性衰落→頻率擴(kuò)展第三十二頁(yè)，共69頁(yè)?？臻g選擇性衰落——角度擴(kuò)展信道輸入：射頻：?jiǎn)晤l等幅載波角度域：脈沖式點(diǎn)波束信道輸出：時(shí)空域：同一時(shí)間、不同地點(diǎn)的衰落不同角度域：點(diǎn)波束產(chǎn)生擴(kuò)散第三十三頁(yè)，共69頁(yè)。角度擴(kuò)展與相關(guān)距離相關(guān)距離：定義為兩副天線的信道響應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)的最大空間距離。相關(guān)距離越短，角度擴(kuò)展越大；反之相關(guān)距離越長(zhǎng)，角度擴(kuò)展越小。典型的角度擴(kuò)展值：室內(nèi)360°，城市20°，平坦的農(nóng)村1°。第三十四頁(yè)，共69頁(yè)。頻率選擇性衰落——時(shí)延擴(kuò)展信道輸入：頻域：白色等幅頻譜時(shí)域：t時(shí)刻的一個(gè)沖激信道輸出：頻域：衰落起伏的有色譜時(shí)域：沖激信號(hào)在時(shí)域產(chǎn)生了擴(kuò)散第三十五頁(yè)，共69頁(yè)。時(shí)延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬相關(guān)帶寬的意義在相關(guān)帶寬內(nèi)信號(hào)傳輸失真小；若信號(hào)帶寬超過相關(guān)帶寬，將產(chǎn)生較大失真和符號(hào)間串?dāng)_。其中，Tm為信道的多徑擴(kuò)展第三十六頁(yè)，共69頁(yè)。時(shí)間選擇性衰落——多普勒頻移信道輸入：時(shí)域：?jiǎn)晤l等幅載波頻域：?jiǎn)我活l率f上的單根譜線（沖激）信道輸出：時(shí)域：包絡(luò)起伏不平頻域：以f為中心產(chǎn)生頻率擴(kuò)展，擴(kuò)展寬度為絕對(duì)多普勒頻移第三十七頁(yè)，共69頁(yè)。多普勒擴(kuò)展與相關(guān)時(shí)間相關(guān)時(shí)間的意義一般情況下，Ts<<Tc，多普勒擴(kuò)展可不考慮當(dāng)發(fā)送信號(hào)的持續(xù)時(shí)間Ts>Tc，則會(huì)產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落其中，Bd為多普勒展寬第三十八頁(yè)，共69頁(yè)。實(shí)際移動(dòng)通信中3類選擇性衰落第三十九頁(yè)，共69頁(yè)。典型環(huán)境下的典型擴(kuò)散值第四十頁(yè)，共69頁(yè)。第四十一頁(yè)，共69頁(yè)。第四十二頁(yè)，共69頁(yè)。三.移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道模型第四十三頁(yè)，共69頁(yè)。地面反射（雙射線）模型第四十四頁(yè)，共69頁(yè)。地面反射（雙射線）模型第四十五頁(yè)，共69頁(yè)。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(yè)，共69頁(yè)。Hata模型Hata模型源自O(shè)kumura（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(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。修正因子第四十七頁(yè)，共69頁(yè)。第四十八頁(yè)，共69頁(yè)。Walfisch-Ikegami（WIM）模型適合高樓林立地區(qū)的中到大型蜂窩的場(chǎng)強(qiáng)確定，首先在歐洲用于GSM建模。模型包含3個(gè)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?yàn)榭紤]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(fù)雜。第四十九頁(yè)，共69頁(yè)。Walfisch-Ikegami模型注：有時(shí)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(shí)損耗相差3~5dB第五十頁(yè)，共69頁(yè)。Walfisch-Ikegami模型自由空間損耗的計(jì)算第五十一頁(yè)，共69頁(yè)。Walfisch-Ikegami模型屋脊到街道的饒射和散射損耗的計(jì)算第五十二頁(yè)，共69頁(yè)。Walfisch-Ikegami模型多次屏蔽穿透損耗的計(jì)算第五十三頁(yè)，共69頁(yè)。快速模型

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

800MHz：PL＝121＋36lgd

1900MHz：PL＝130＋40lgd第五十四頁(yè)，共69頁(yè)。微蜂窩Cost231Hata模型第五十五頁(yè)，共69頁(yè)。室內(nèi)傳播特點(diǎn)室內(nèi)模型研究較少，是移動(dòng)無線信道新的研究領(lǐng)域。室內(nèi)傳播的主要特征：覆蓋距離更小，環(huán)境相對(duì)變動(dòng)更大；距離短，更接近“近場(chǎng)”；門的開關(guān)和天線安裝等對(duì)室內(nèi)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的影響非常大；更“混亂”，散射波更多，LOS（視線）更少。第五十六頁(yè)，共69頁(yè)。室內(nèi)傳播中的主要問題信號(hào)盲區(qū)：電梯間、地下室、地下停車場(chǎng)、超過基站高度的高層建筑“乒乓效應(yīng)”：由于收到多個(gè)基站信號(hào)，且其強(qiáng)度相差不大，手機(jī)會(huì)在幾個(gè)不同小區(qū)間來回切換，語(yǔ)音質(zhì)量很差。“孤島”效應(yīng)：小區(qū)用戶無法正常切換而形成“孤島”。第五十七頁(yè)，共69頁(yè)。建筑物的隔離損耗1

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

隔離損耗：同樓層墻，家具，設(shè)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(yè)，共69頁(yè)。建筑物的隔離損耗3

隔離損耗：樓層間取決于建筑結(jié)構(gòu)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(yè)，共69頁(yè)。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(hào)頻率接收機(jī)在建筑物內(nèi)的位置隧道的損耗第六十一頁(yè)，共69頁(yè)。室內(nèi)對(duì)數(shù)距離損耗模型第六十二頁(yè)，共69頁(yè)。傳統(tǒng)鏡像法的射線跟蹤技術(shù)鏡像法原理二次反射第六十三頁(yè)，共69頁(yè)。多徑信道模型基本思想：假設(shè)相對(duì)于信號(hào)傳輸速率信道是慢時(shí)變系統(tǒng)，因而可以把信道在一段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)“Snapshot”看成是一個(gè)線性時(shí)不變?yōu)V波器。將多徑干擾效應(yīng)用一個(gè)濾波器來表示。測(cè)量或計(jì)算信道的沖擊響應(yīng)（響應(yīng)頻率為fc窄脈沖），可看作一個(gè)復(fù)高斯隨機(jī)過程。第六十四頁(yè)，共69頁(yè)。統(tǒng)計(jì)衰落模型是發(fā)生在特定位置（小尺度）的信號(hào)衰落概率模型：通常是沖擊響應(yīng)模型；固定無線信道慢速時(shí)變；移動(dòng)信道快速時(shí)變。最簡(jiǎn)單的模型是基于廣義平穩(wěn)非相干散射（WSSUS）準(zhǔn)則，通常認(rèn)為是一個(gè)頻率選擇性瑞利衰落信道。第六十五頁(yè)，共69頁(yè)。WSSUS廣義平穩(wěn)（WSS）：統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立于時(shí)間和位置的小抖動(dòng)，即固定節(jié)