第二章 移動(dòng)通電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型

第二章移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型MobileCommunicationTheory目錄概述1自由空間的電波傳輸23種基本電波的傳播機(jī)制3陰影衰落的基本特性4移動(dòng)無(wú)線信道及特性參數(shù)5電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型6MobileCommunicationTheory2.1.1電波傳播的基本特性基站天線、移動(dòng)用戶(hù)天線和兩付天線之間的傳播路徑傳播損耗和彌散陰影衰落多徑衰落多普勒頻移直射、反射、繞射和散射以及它們的合成復(fù)雜的無(wú)線電波傳播環(huán)境移動(dòng)通信信道衰落的原因無(wú)線電波傳播方式衰落的表現(xiàn)移動(dòng)信道的基本特性衰落特性MobileCommunicationTheory信道的分類(lèi)信道的分類(lèi)

大尺度衰落根據(jù)不同距離內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度變化的快慢分為{

小尺度衰落長(zhǎng)期慢衰落根據(jù)信號(hào)與信道變化快慢程度的比較分為{

短期快衰落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MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheory2.1.2電波傳播特性的研究電波傳播特性的研究基本方法理論分析方法（如射線跟蹤法）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法（如沖激響應(yīng)法）

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)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MobileCommunicationTheory2.2自由空間的電波傳播在理想的、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傳播損耗接收功率傳播損耗接收換算自由空間電波傳播分貝表示MobileCommunicationTheory2.33種基本電波傳播機(jī)制阻擋體比傳輸波長(zhǎng)大的多的物體產(chǎn)生多徑衰落的主要因素

產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體

阻擋體為尖利邊緣反射散射繞射基本電波傳播機(jī)制MobileCommunicationTheory2.3.1反射理想介質(zhì)表面反射極化特性多徑信號(hào)MobileCommunicationTheory理想介質(zhì)表面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

(垂直極化）

（水平極化）

MobileCommunicationTheory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

線極化、圓極化和橢圓極化線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）MobileCommunicationTheory2.3.1多徑信號(hào)兩徑傳播模型

接收信號(hào)功率 簡(jiǎn)化后 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

直射波反射波地表面波可忽略地面二次效應(yīng)可忽略MobileCommunicationTheory2.3.2繞射惠更斯－菲涅爾原理菲涅爾區(qū)基爾霍夫公式MobileCommunicationTheory惠更斯－菲涅爾原理原理波前（面）上每點(diǎn)產(chǎn)生的次級(jí)波組合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)而形成場(chǎng)強(qiáng)為圍繞阻擋物所有次級(jí)波的矢量和說(shuō)明任一P’點(diǎn)，只有夾角為θ

（即）的次級(jí)波前能到達(dá)接收點(diǎn)Rθ在0o到180o之間變化到達(dá)接收點(diǎn)輻射能量與

θ成正比MobileCommunicationTheory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)?；鶢柣舴蚬?/p>

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)。MobileCommunicationTheory散射2.3.3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場(chǎng)強(qiáng)MobileCommunicationTheory2.4對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型

對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型是一個(gè)能夠反映電波傳播主要特性的簡(jiǎn)單模型，對(duì)于實(shí)際信道來(lái)說(shuō)，這個(gè)模型只是一種近似，更精確的模型可采用復(fù)雜的解析模型或者通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)建立模型。是一個(gè)參考距離。在參考距離或接近參考距離的位置，路徑損耗具有自由空間損耗的特點(diǎn)；是發(fā)射天線到接收天線間的距離；是路徑損耗指數(shù)主要取決于傳播環(huán)境，其變化范圍為2~6MobileCommunicationTheory2.5陰影衰落的基本特性陰影衰落（慢衰落）

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特點(diǎn)

與傳播地形和地物分布、高度有關(guān)表達(dá)式

移動(dòng)用戶(hù)和基站之間的距離為

時(shí)，傳播路徑損耗和陰影衰落可以表示為：

式中：由陰影產(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；n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MobileCommunicationTheory2.6移動(dòng)無(wú)線信道及特性參數(shù)無(wú)線信道多徑信道的統(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)MobileCommunicationTheory2.6.1多徑衰落的基本特性幅度衰落幅度隨移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)距離的變動(dòng)而衰落

空間角度模擬系統(tǒng)主要考慮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MobileCommunicationTheory2.6.1多徑衰落的基本特性時(shí)延擴(kuò)展脈沖寬度擴(kuò)展時(shí)間角度數(shù)字系統(tǒng)主要考慮原因信號(hào)傳播路徑不同，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)MobileCommunicationTheory2.6.2多普勒頻移原因移動(dòng)時(shí)會(huì)引起多普勒（Doppler）頻率漂移表達(dá)式

多普勒頻移

最大多普勒(Doppler)頻移MobileCommunicationTheory2.6.2多普勒頻移說(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）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。MobileCommunicationTheory2.6.3多徑信道的信道模型原理多徑信道對(duì)無(wú)線信號(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MobileCommunicationTheory2.6.3多徑信道的信道模型推導(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)MobileCommunicationTheory

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。MobileCommunicationTheory

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MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheory2.6.4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MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheory時(shí)間色散參數(shù)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

MobileCommunicationTheory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)

r+1r-1w)(2tnDp

)()12(tnD+p

MobileCommunicationTheory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(＊)MobileCommunicationTheory

判定

由信道和信號(hào)兩方面決定衰落的分類(lèi)及判定分類(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MobileCommunicationTheory頻率色散用多普勒擴(kuò)展來(lái)描述，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)用多普勒擴(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

信道沖激響應(yīng)應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值表征了時(shí)變信道對(duì)信號(hào)的衰落節(jié)拍MobileCommunicationTheory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，表示接收天線增益，用表示功率譜，則 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

fcfc+fmfc-fmS(f)MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheory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，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MobileCommunicationTheory角度色散原因

移動(dòng)臺(tái)和基站周?chē)纳⑸洵h(huán)境不同，使得多天線系統(tǒng)中不同位置的天線經(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MobileCommunicationTheory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M(jìn)obileCommunicationTheory相關(guān)距離與空間選擇性衰落相關(guān)距離Dc空間選擇性衰落信道沖激響應(yīng)保證一定相關(guān)度的空間距離空選衰落:天線空間距離大于相關(guān)距離>Dc非空選衰落:天線空間距離遠(yuǎn)小于相關(guān)距離<<DcMobileCommunicationTheory2.6.5多徑信道的統(tǒng)計(jì)分析瑞利分布萊斯分布Nakagami-m分布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)線環(huán)境一般服從MobileCommunicationTheory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PlayMobileCommunicationTheory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

MobileCommunicationTheory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)θ積分

對(duì)r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

圖2－9瑞利分布的概率分布密度

MobileCommunicationTheory萊斯分布環(huán)境條件概率密度函數(shù)萊斯因子MobileCommunicationTheory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)PlayMobileCommunicationTheory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)MobileCommunicationTheoryNakagami-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

MobileCommunicationTheory2.6.6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）MobileCommunicationTheoryTs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平坦衰落和頻率選擇性衰落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>>MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheory2.6.7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MobileCommunicationTheory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。MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheory2.5.8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MobileCommunicationTheory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MobileCommunicationTheoryClarke信道模型推導(dǎo)接收?qǐng)鰪?qiáng)統(tǒng)計(jì)特性對(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

MobileCommunicationTheoryClarke信道模型推導(dǎo)接收?qǐng)鰪?qiáng)統(tǒng)計(jì)特性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MobileCommunicationTheoryJakes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)

代入可得MobileCommunicationTheory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。Jakes仿真器模型圖2-12Jakes仿真器模型

MobileCommunicationTheory

MIMO信道就是在基站端和用戶(hù)端都為多副天線。

MIMO信道建模要考慮發(fā)射天線和接收天線之間的相關(guān)性。目前MIMO信道建模主要有兩種方式，一是分析模型主要考慮MIMO信道的空時(shí)特征進(jìn)行建模，二是物理模型主要考慮MIMO信道的傳播特征進(jìn)行建模。

通常物理模型是基于無(wú)線傳播的特定參數(shù)，例如傳播延時(shí)擴(kuò)展、角度擴(kuò)展、幅度增益以及天線分布等來(lái)構(gòu)建MIMO信道矩陣；而分析模型是對(duì)基本物理模型的數(shù)學(xué)抽象，重點(diǎn)考慮空間的相關(guān)性，也就是說(shuō)通過(guò)相關(guān)矩陣等運(yùn)算來(lái)構(gòu)建MIMO信道矩陣，而不考慮特殊的傳播過(guò)程。2.7MIMO信道MobileCommunicationTheory基站端的信號(hào)向量可表示為：移動(dòng)臺(tái)端的信號(hào)向量表示為：分析模型MobileCommunicationTheory根據(jù)這樣的假設(shè)，可得到MIMO信道的沖擊響應(yīng)為：式中：

，為：

分析模型MobileCommunicationTheory其中

表示BS端第

個(gè)天線和MS端第

個(gè)天線之間鏈路的第

徑的復(fù)衰落系數(shù)。由此可得出BS和MS信號(hào)分別為：

或

假設(shè)

是服從均值為0的復(fù)高斯分布，即

，幅度

服從瑞利分布，這樣可得第

徑的功率.

分析模型MobileCommunicationTheory再假設(shè)不同時(shí)延的多徑分量不相關(guān)，即：

定義BS端天線相間的相關(guān)系數(shù)為：定義MS端天線相間的相關(guān)系數(shù)為：

分析模型MobileCommunicationTheory得到BS端和MS端天線間的相關(guān)矩陣為：

分析模型MobileCommunicationTheory產(chǎn)生信道增益矩陣

還需要發(fā)射和接收天線對(duì)之間的相關(guān)系數(shù)，

將發(fā)射和接收兩組天線對(duì)構(gòu)成的多徑分量間的相關(guān)系數(shù)表示為：一般地，多徑分量相關(guān)系數(shù)滿(mǎn)足如下關(guān)系：得到MIMO信道的相關(guān)矩陣為：

分析模型MobileCommunicationTheory下面討論相關(guān)MIMO信道系數(shù)的產(chǎn)生。為相關(guān)矩陣,是第條路徑的平均功率，為的MIMO信道向量，即為矩陣中元素的列矩陣：

為第條路徑的MIMO衰落信道，表示為：

式中

，

是均值為0，方差為1的獨(dú)立復(fù)高斯分量。

分析模型MobileCommunicationTheory矩陣

可以通過(guò)喬里斯基（Cholesky）分解，即根據(jù)擴(kuò)展ITU信道提供的功率時(shí)延分布(如教材中表2.2)，可計(jì)算得到。另外，

反映了MIMO信道的時(shí)頻衰落特性，可以利用Jakes仿真模型來(lái)生成。這樣就可以得到每個(gè)可分辨徑的信道轉(zhuǎn)移矩陣

分析模型MobileCommunicationTheory延時(shí)抽頭MIMO信道模型

分析模型MobileCommunicationTheorySCM（SCM，SpatialChannelModel）信道模型。該模型是基于散射隨機(jī)假設(shè)所建立的信道模型，基本原理是利用統(tǒng)計(jì)得到的信道特性，如時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展等來(lái)構(gòu)建模型。模型的每條徑都有特定角度擴(kuò)展值，這些空間分布特性產(chǎn)生了每條徑在不同天線間的空間相關(guān)特性，并且通過(guò)引入天線間距得到信道之間的相關(guān)性。每條徑（或者說(shuō)射線）的衰落特性由20條等功率的子徑所構(gòu)成，這些子徑角度服從拉普拉斯分布。具體產(chǎn)生細(xì)節(jié)不做講解了，可自學(xué)。

物理模型MobileCommunicationTheory2.6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)，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)。方法分析測(cè)試數(shù)據(jù)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)行校正確定傳播環(huán)境的主要因素地形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MobileCommunicationTheory2.6.1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CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型MobileCommunicationTheoryOkumura-Hata模型路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式式中—

工作頻率（MHz）

—

基站天線有效高度（m），定義為基站天線實(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)天線有效高度（m），定義為移動(dòng)臺(tái)天線高出地表的高度

—

基站天線和移動(dòng)臺(tái)天線之間的水平距離（km）

—

有效天線修正因子，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MobileCommunicationTheoryCOST-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。MobileCommunicationTheoryCCIR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MobileCommunicationTheoryLEE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)線通信系統(tǒng)分類(lèi)LEE宏蜂窩模型LEE微蜂窩模型MobileCommunicationTheoryLEE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MobileCommunicationTheory無(wú)阻擋的情況考慮地形影響，采用有效天線高度計(jì)算：式中—天線有效高度

—天線實(shí)際高度若，是一個(gè)增益若，是一個(gè)損耗。

式中MobileCommunicationTheory有阻擋的情況

1

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MobileCommunicationTheory水面反射其中

—由于移動(dòng)無(wú)線通信環(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)的天線增益MobileCommunicationTheoryLEE微蜂窩模型

小區(qū)路徑損耗預(yù)測(cè)公式為是基站天線有效高度，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MobileCommunicationTheoryLEE微蜂窩模型

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查找曲線圖2-20，可得值。(dA)A建筑物abc(dA)B=a+b+cMobileCommunicationTheoryCOST231Walfisch-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㎝obil