【教学课件】第三章无线移动通信信道.ppt

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1、第三章无线移动通信信道,概述电波传播特性及其研究自由空间的电波传播三种基本电波（反射、绕射、散射）的传播机制阴影衰落的基本特性多径衰落的基本特性电波传播损耗预测模型,3.1 概 述,3.1.1 引 言无线信道的电波传播特性与电波传播环境密切相关，这些环境包括地貌、人工建筑、气候特征、电磁干扰情况、通信体移动速度情况和使用的频段，它们直接关系到无线通信设备要采用的无线传输技术，关系到无线通信系统的通信能力和服务质量。无线移动通信信道是一种电波传播环境很复杂的无线信道，电波在不同的地形地貌和移动速度的环境条件下传播。有三种研究无线移动通信信道的基本方法：理论分析。用电磁场理论和统计理论分析电波在移

2、动环境中的传播特性，并用数学模型来描述移动信道。现场电波实测。在不同的传播环境中，做电波实测实验，验证和校正理论分析结果。计算机模拟。灵活快速地模拟各种移动环境。,3.1.2 无线移动通信信道,根据不同距离内信号强度变化的快慢分为,大尺度衰落与小尺度衰落,3.1.2 无线移动通信信道,无线移动通信信道是由长期慢衰落和短期快衰落效应来表征的。忽略热噪声时，接收机接收的信号可以表示为衰落特性的算式描述 式中，r(t)表示信道的衰落因子；m(t)表示长期慢衰落,即本地或对数正态衰落分量；r0(t)表示短期快衰落，即多径或瑞利衰落分量。,3.1.2 无线移动通信信道,长期慢衰落是由移动通信信道路径上的

3、固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起的,衰减特性一般服从d-n律，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对数正态分布的特征。利用不同测试环境下的移动通信信道的长期慢衰落中值计算公式，可以计算移动通信系统的业务覆盖区域。从无线系统工程的角度看，传播的衰落主要影响到无线区的覆盖。短期快衰落是由移动台运动和地点的变化而产生的。其中，多径产生时间扩散，引起信号符号间干扰；运动产生多普勒效应，引起信号相位变化。不同的测试环境有不同的短期快衰落特性。而多径衰落严重影响信号传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。,3.2 自由空间的无线电传播,自由空间的传播无线传输的一个基本概念是

4、全向天线-在所有方向等发射的天线，在实际应用中，全向天线是不存在的，所有天线都有一定的方向性。但全向天线仍可作为与其他天线进行比较的参照物，说明天线的相关基础概念。考虑一个全向辐射源，它在所有方向的发射功率均为PT(W),每单位面积的功率或功率通量密度为 即信源每单位时间辐射能量一定分布在包围信源的球面上,接收功率 式中，Pt为发射功率，以球面波辐射,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。自由空间的传播损耗 当Gt=Gr=1时，分贝式,上式表明d倍程或f倍频变化,损耗有6dB变化,3.2 自由空间的无线电传播,传播损耗与接收功率关系,在移动通信系

5、统中，接收电平的动态范围很大，常用dBW或dBm为单位表示接收电平。Pr(dBm)=10lgPr(mW);Pr(dBW)=10lgPr(W)0 dBW=30 dBm 例：2W 换算dBW、dBm为多少？3 dBW=33dBm 其中Pr、PT为接收、发射功率，L为传播损耗,Gb、Gm为BS、MS天线增益。上式是基本链路预算方程，说明了考虑无线链路传输特性时接收功率与发射功率之间的关系。闭合链路要求上式右边为接收机提供足够的功率，以便可靠检测发射机所发射的信息，即右边必须大于接收机灵敏度。,例 题,若发射机发射功率20W,f=900MHz,Gt=1,Gr=1,求自由空间100m处接收功率为多少dB

6、m?10km处接收功率为多少dBm?解:,3.3 阴影衰落传播的基本特性,阴影衰落是长期衰落（大尺度衰落），是移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应。,图3.2 阴影衰落,3.3 阴影衰落传播的基本特性,阴影衰落一般表示为电波传播距离r的m次幂与表示阴影损耗的正态对数分量的乘积。移动用户和基站之间的距离为r时，传播路径损耗和阴影衰落可以表示为 式中，是由于阴影产生的对数损耗（单位符号：dB），服从零平均和标准偏差dB的对数正态分布。当用dB表示时，上式变为,衰落多径环境,衰落,发射数据,接收数据,衰落,阴影衰落的基本特性,阴影衰落（慢

7、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 由于阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差 dB的对数正态分布 m 路径损耗指数 实验数据表明m4，标准差8dB，是合理的,3.4 多径衰落的基本特性,移动无线信道是弥散信道。电波通过移动无线信道后，信号在时域上或在频域上都会产生弥散，本来分开的波形在时间上或在频谱上会产生交叠，使信号产生衰落失真。多径效应在时域上引起信号的时延扩展，使得接收信号的信号分量展宽，相应地

8、在频域上规定了相关带宽性能。当信号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性衰落。多普勒效应在频域上引起频谱扩展，使得接收信号的信号产生多普勒频展，相应地在时域上规定了相关时间。多普勒效应产生的衰落是时间性选择衰落。在多径传播信道中，假设：有N个多径信道，它们彼此相互独立且没有一个信道的信号占支配地位；没有直射波信号，仅有许多反射波信号，接收到的信号包络的衰落变化服从瑞利分布。但是，当接收到较强的直射波信号且它占有支配地位时，接收信号包络的衰落变化服从莱斯(Rician)分布。,反射与多径信号,反射多径信号两径传播模型多径传播模型,反射与多径信号,1.反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射

9、回来反射系数（R）入射波与反射波的比值 入射角 式中(垂直极化）（水平极化）而 其中，为介电常数，为电导率，为波长。,反射与多径信号,2.两径传播模型,下图表示有一条直射波和一条反射波路径的两径传播模型。,两径传播模型,图中,A表示发射天线；B表示接收天线；hb和hm分别表示发射天线和接收天线离地面的高度；AB表示直射波路径；ACB表示反射波路径。,反射与多径信号,在接收天线B处的接收信号功率表示为,在大多数场合，地表面波的影响可以忽略，则上式可以简化为,其中，相位差,3.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,多普

10、勒频谱,当移动体在x轴上以速度 v移动时引起多普勒（Doppler）频率漂移。用一个平面波表示稳定扩散事件，假定xOy平面是平面场,此时，多普勒效应引起的多普勒频移可表示为,当第n个入射波的入射角是 时,设发射信号是垂直极化，并且只考虑垂直波时，场强Ez可以表示为,多普勒频谱,根据中心极限理论，当N很大时，近似为高斯随机过程,Ez可以表示为且Tc(t)、Ts(t)是高斯随机过程，Tc、Ts为随机变量。对应固定时间t，Tc、Ts有0平均和等方差,一个单频信号通过移动无线信道后，衰落信号的包络发生随机变化，其相位也会发生随机变化。,多普勒频谱,移动台的运动造成接收信号产生多普勒频移,为最大多普勒频

11、移,此时入射波与移动台移动方向之间的夹角=0。在多径传播环境中，对于接收机有不同时延的反射路径。每个路径产生相同的多普勒频移。多普勒效应的结果是通过移动的多径信道后单频信号的频谱扩展为 相当于单频信号通过移动的多径无线信道后成为随机调频信号。若收到多条有不同入射角的多径信号，多普勒频移成为多普勒扩展频谱，称做多径衰落信号的随机调频。,多普勒频谱,多普勒扩展的倒数就是对信道相关时间的度量，即信道的相关时间,它表征时变信道影响信号衰落的衰落节拍,信道随着这个时间节拍在时域上对信号有不同的选择性.把这种衰落称为时间选择性衰落，它对数字信号的误码性能有明显的影响。时间选择性衰落是由多普勒效应引起的，并

12、且发生在传输波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性。,3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布,讨论多径信道的包络统计特性,接收信号的包络根据不同的无线环境一般服从 瑞利分布 莱斯分布,1、瑞 利 分 布,环境条件 通常在离基站较远、反射物较多的地区符合（如下图）发射机和接收机之间没有直射波路径存在大量反射波，到达接收天线的方向角随机且02均匀分布各反射波的幅度和相位都统计独立场强分量Tc，Ts接收信号的 幅度相位分布,Play,场强分量Tc，Ts,推导 设发射信号是垂直极化，并且只考虑垂直波时，场强为 式中，多普勒频率漂移，随机相位（02均匀分布）又可表示为 其中 Tc，Ts的性质相互正交

13、的同频分量高斯随机过程 概率密度 x=Tc或Ts统计独立 联合概率密度零均值，等方差，不相关 是关于 的总体平均,=0,接收信号的幅度相位分布,直角坐标 极坐标则 由雅各比行列式 所以 对 r 积分 对积分 可见，包络 r 服从瑞利分布，在02内服从均匀分布瑞利分布的均值 瑞利分布的方差 满足 的 值称为信号包络样本区间的中值=1.777,图29 瑞利分布的概率分布密度,2、莱 斯 分 布,环境条件,概率密度函数,莱斯因子,莱斯分布的环境条件,直射系统中，接收信号中有视距信号成为主导分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上非直射系统中，源自某一个散射体路径的信号功率特别强,Play,

14、莱斯分布的概率密度函数,概率密度函数 式中,A是主信号的峰值 I0()是0阶第一类修正贝塞尔函数莱斯因子K 主信号的功率与多径分量方差之比 分贝式意义 完全决定了莱斯的分布：当，莱斯分布变为瑞利分布强直射波的存在使接收信号包络从瑞利变为莱斯分布当直射波进一步增强（），莱斯分布将趋进高斯分布,瑞利分布 莱斯分布 高斯分布,图2-10 莱斯分布的概率密度函数,3.4.4 时延扩展,典型的归一化时延谱图,图中，描述多径时延谱的参数有,p()为归一化时延信号的包络，近似为指数曲线。,Tm为最大时延扩展，归一化时延信号包络p()=-XdB时所对应的时延差值。,a为归一化时延谱曲线的数学期望（平均延时）,

15、为归一化时延谱曲线的均方值时延扩展,3.4.4 时延扩展,均方根时延扩展是对多径信道时延特性的统计描述，其含义表示时延谱扩展的程度。值越小，时延扩展就越轻微；反之，时延扩展就越严重，表征时延扩展对平均延时a的偏离程度。在数字传输系统中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰。为避免码间串扰，应使码元周期大于时延扩展。不同环境下平均时延扩展是不一样的,3.4.5 相关带宽,两条路径信道模型,首先考虑图所示的两条路径信道模型情况。,第一条路径信号为Si(t)，第二条路径信号 为其中r为比例常数。,两路径信道的等效网络传递函数为,信道的幅频特性,相关带宽,设两个信

16、号的包络为 和，频率差为，则包络相关系数 此处，相关函数 若信号衰落符合瑞利分布，则 式中，为零阶Bessel函数，为最大多普勒频移。不失一般性，可令，简化后通常，根据包络的相关系数 来测度相关带宽代入得 相关带宽(),衰落的分类及判定,判定 由信道和信号两方面决定,数字通信系统,信号带宽小于信道相关带宽BsBc,信号带宽远大于信道相关带宽BsBc,平坦衰落,频选衰落,码间干扰,衰落特性的特征量,衰落深度,衰落速率,电平通过率,衰落持续时间,小尺度衰落二阶统计特性,电平通过率：单位时间内信号包络以正斜率通过某一规定电平值R的平均次数平均衰落持续时间：信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对

17、应的电平通过率之比,电平通过率与平均衰落持续时间,电平通过率,平均衰落持续时间,平均衰落持续时间,知道平均衰落持续时间可确定在一次衰落期间丢失的比特数,3.5 电波传播损耗预测模型,目的 掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。方法 根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确确定传播环境的主要因素自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性该地区的植被特征天气状况自然和人为的电磁噪声状况系统的工作频率和移动台运动等因素本节内容室外传播模型传播模型校正,3.

18、5 室外传播模型,常用的几种室外电波传播损耗预测模型Hata模型 广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损耗预测的传播模型。根据应用频率的不同，又分为Okumura-Hata 模型COST 231 Hata模型，CCIR模型LEE模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型,3.5.1 Okumura-Hata模型-1,适用范围：频率范围 f:150-1500MHz基站天线高度 Hb:30-200m移动台高度 Hm:1-10m距离 d:1-20km,宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物1km以内预测不适用频率超过1500MHz以上时不适用,3.5.1 Okumura-Hata 模

19、型,路径损耗计算的经验公式 式中 工作频率（MHz）基站天线有效高度（m），定义为基站天线实际海拔高度与基 站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差，即 移动台天线有效高度（m），定义为移动台天线高出地表的高度 d 基站天线和移动台天线之间的水平距离（km）有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数 小区类型校正因子 地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响,3.5.2 COST 231-Hata模型-1,适用范围：频率范围 f:1500-2000MHz基站天线高度 Hb:30-200m移动台高度 Hm:1-10m距离 d:1-20km,宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物1km

20、以内预测不适用频率超过2000MHz或低于1500MHz时不适用,3.5.2 COST-231 Hata模型,路径损耗计算的经验公式 式中 大城市中心校正因子,两种Hata模型的主要区别,COST-231Hata模型适用于15002000MHz，在1km以内预测不准。Okumura-Hata适用于1500MHz以下的大于1公里范围的宏小区。频率衰减系数不同 COST-231Hata模型频率衰减因子为33.9 Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减，大城市中心地区路径损耗增加3dB。,3.5.3 CCIR模型,给出了反映自由空

21、间路径损耗和地形引入的路径损耗联合效果的经验公式该公式是Okumura-Hata模型在城市传播环境下的应用，校正因子右图给出了Hata和CCIR 路径损耗公式的对比，由图可见，路径损耗随 建筑物密度而增大,Hata和CCIR路径损耗公式的对比图,3.5.4 LEE模型,优点模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合本地无线传播环境，准确性高路径损耗预测算法简单，计算速度快应用 无线通信系统分类LEE宏蜂窝模型 LEE微蜂窝模型,3.5.4 LEE宏蜂窝模型,决定移动台接收信号大小的因素人为建筑物地形地貌基本思路 先把城市当成平坦的，只考虑人为建筑物的影响，在此基础上再把地形地貌的影响加进来地形地

22、貌影响的三种情况无阻挡有阻挡水面反射,3.5.4 无阻挡的情况,式中,3.5.4 有阻挡的情况,4 式中 由于山坡等地形阻挡物引起的衍射损耗计算单个刃形边的衍射损耗如下、和 如图所示，并定义一个无量纲的参数(a)考虑两种情况：a.电波被阻挡，为正，为负，接收功率（w）衰减系数b.为负，为正，计算单个刃形边的衍射损耗Lr(b),山坡等地形阻挡物引起的衍射损耗,3.5.4 水面反射,其中 由于移动无线通信环境引起的衰减因子（）；基站发射功率、分别为基站和移动台的天线增益,3.5.4 LEE微蜂窝模型 1,小区路径损耗预测公式为 是基站天线有效高度，距离基站 处的直射波路径损耗，是一个双斜率模型 的

23、理论值为 其中 为菲涅尔区的距离,3.5.4 LEE微蜂窝模型 2,是由于建筑物引起的损耗。其值可以这样得到 首先按图2-15所示计算从基站到A点的穿过街区的总的阻挡长度Ba+b+c，再根据B查找曲线图2-16，可得值。,图2.15 计算街区建筑物引入的损耗,图2.16 微小区参数,3.5.5 COST 231 Walfisch-Ikegami 模型,适用范围：频率范围 f:8002000MHz基站天线高度 Hbase:450m移动台高度 Hmobile:13m距离 d:0.025km建筑物高度 Hroof(m)路面宽度 w(m)建筑物间距 b(m)相对直射波方向的街道走向(),市区环境，宏蜂

24、窝或微蜂窝郊区环境或乡村环境不适用,3.5.5 COST 231 Walfisch-Ikegami 模型,应用用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境常用于移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS）设计可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等不同情况的路径损耗两种情况视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗 式中 L0 由空间损耗 L1 由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗 L2 沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）,COST 231 Walfisch-Ikegami 模型各参数意义,1 式中 w 接收机所在的街道宽度（m）,hR建筑物的平均高度（m）hR，hm接收天线的高度

25、其中 街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角2 式中 上面各式中，hB 发射天线高度，b相邻行建筑物中心距离,3.5.6 室外传播模型的使用,适用范围,应用方法,使用及评价,3.5.6 传播模型的适用范围,3.5.6 传播模型的应用方法,基站和移动台之间水平距离d（km）,d1,宏蜂窝模型,d5,d5,有实测数据并得到LEE模型参数和距离衰减因子,d1,微蜂窝模型,有实测数据,LEE模型,WIM模型,LEE模型,WIM模型,CCIR模型,Hata模型,传播模型的使用及评价,Hata模型参数易获得，模型易使用但未考虑建筑物的高度和密度、街道的分布和走向等重要因素的影响，预测值和实际值的误差较大 CCIR模型 考虑了建筑物密度的影响，引入参数B（被建筑物覆盖 区域的百分比），且易获得LEE模型适用于有测试数据时。主要参数易于根据测量值调整，准确性高。算法简单，计算速度快COST 231-Walfisch-Ikegami 模型用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境发射天线可以高于、等于或低于周围建筑物,