第2課-電波傳播與信道

1、第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 移動通信移動通信-第二課第二課 移動環(huán)境下的電波傳播移動環(huán)境下的電波傳播 與移動信道與移動信道 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 內(nèi)內(nèi) 容容 移動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 移動環(huán)境下的信道特點 多徑衰落模型 三類主要快衰落 頻率選擇性衰落 時間選擇性衰落 空間選擇性衰落 移動通信系統(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)對數(shù)距離損耗模型 多徑信道模型 移動信道仿真實驗方法

2、第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 一. 移動通信中無線電波的傳播 特性 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 無線電波傳播方式無線電波傳播方式 傳播路徑 直射波-視距傳播（LOS） 反射波 繞射波 散射波 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 自由空間電波傳播模型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)射機天線增益。 在此覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，接收機天線“捕獲”此通 量的一小部分。 第第2

3、2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 自由空間電波傳播模型自由空間電波傳播模型 Friis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)射機輸出功率 Gt 和Gr 為發(fā)射及接收天線增益 為載波波長 d為收發(fā)天線間的距離 2 0 0 )()( d d dPdP rr 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 自由空間電波傳播模型自由空間電波傳播模型 路徑損耗 假設(shè)d 處于遠(yuǎn)場（Fraunhofer region）： df D 且df ，其中df D2

4、/ D 為天線最大直線長度 為載波波長 f dd 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 電波的反射電波的反射 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 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 反射系數(shù)反射系數(shù) 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 天線的極化方式天線的極化方式 電場的方向就是天線極化方向。 當(dāng)電場強度方向垂直于地面時，稱為垂直 極化波； 當(dāng)電場強度方向平行于地面時，稱為水平 極化波。 第第2 2章章

5、 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 繞射（衍射）機理繞射（衍射）機理 當(dāng)波撞擊在障礙物邊 緣時發(fā)生繞射。 “次波” 傳播進(jìn)入陰 影區(qū)（惠更斯原理）； 超出直射路徑的長度 導(dǎo)致相移； 費涅爾區(qū)表達(dá)了相對 于障礙物位置的相移。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 單個劈尖（Knife-edge)模型 衍射增益 ：Gd=20lg|F(v)| 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 多個劈尖(Multiple Knife-edge)模型 第第2 2章章 移動環(huán)境下的

6、電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 散射機理散射機理 在實際移動無線環(huán)境中，接收信號比單獨繞射和反 射模型預(yù)測的要強，這是因為當(dāng)電波遇到粗糙表面 時，反射能量由于散射而散布于所有方向，給接收 機提供了額外的能量。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 散射因子散射因子 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。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 二二. . 移動環(huán)境下的信道特點移動環(huán)境下的信道特點 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動

7、信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 移動信道的特點 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 通信用戶的隨機移動性 準(zhǔn)靜態(tài) 慢速步行 高速車載 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 移動信道中的干擾 碼間干擾（ISI） 滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則 采取時域均衡 同信道干擾 不能通過提高發(fā)射機的載波功率加以克服 可采用多用戶檢測技術(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。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 碼間干擾 S() O Ts Ts Ts (a) s(t)

8、S0 O 4 Ts3 Ts2 Ts TsTs2Ts3Ts4Tst (b) 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 移動通信中的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)：移動用戶與基站間距離的變化引起。 多徑效應(yīng)：由移動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)：由于移動體的運動速度和方向引起多徑 條件下多普勒頻譜展寬。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 移動通信中的3類損耗 三種損耗 大尺度空間自由空間傳播路徑損耗（Pa

9、th loss）。 中尺度空間慢衰落損耗：由陰影效應(yīng)引起， 表現(xiàn)為信號電平中值的慢變化。 小尺度空間快衰落損耗：由多徑效應(yīng)引起的， 反映波長量級上接收信號電平中值的快速變化。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 移動通信中的3類損耗 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 慢衰落慢衰落 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 正態(tài)（高斯）分布正態(tài)（高斯）分布 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 移

10、動環(huán)境下的快（多徑）衰落移動環(huán)境下的快（多徑）衰落 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 多徑信道的包絡(luò)統(tǒng)計特性多徑信道的包絡(luò)統(tǒng)計特性 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 瑞利（Rayleigh）分布 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 多徑衰落模型萊斯（Rice）分布

11、 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 多徑衰落模型Nakagami 分布 從實際測量中總結(jié)出來的，與Rice分布非常相似。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 三類主要快衰落三類主要快衰落 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展 頻率選擇性衰落時延擴展 時間選擇性衰落頻率擴展 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 空間選擇性衰落角度擴展 信道輸入： 射頻：單頻等幅載波 角度域：脈沖式點波 束 信道輸出： 時

12、空域：同一時間、 不同地點的衰落不同 角度域：點波束產(chǎn)生 擴散 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 角度擴展與相關(guān)距離角度擴展與相關(guān)距離 相關(guān)距離：定義為兩副天線的信道響應(yīng)保持強 相關(guān)的最大空間距離。 相關(guān)距離越短，角度擴展越大；反之相關(guān)距離 越長，角度擴展越小。 典型的角度擴展值：室內(nèi)360，城市20， 平坦的農(nóng)村1。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 頻率選擇性衰落時延擴展 信道輸入： 頻域：白色等幅頻 譜 時域：t時刻的一 個沖激 信道輸出： 頻域：衰落起伏的 有色譜 時域：沖激信號

13、在 時域產(chǎn)生了擴散 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 時延擴展與相關(guān)帶寬時延擴展與相關(guān)帶寬 相關(guān)帶寬的意義 在相關(guān)帶寬內(nèi)信號傳輸失真?。蝗粜盘枎挸?過相關(guān)帶寬，將產(chǎn)生較大失真和符號間串?dāng)_。 其中，其中，Tm 為信道的多徑擴展 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 時間選擇性衰落多普勒頻移 信道輸入： 時域：單頻等幅載波 頻域：單一頻率f上的 單根譜線（沖激） 信道輸出： 時域：包絡(luò)起伏不平 頻域：以f為中心產(chǎn)生 頻率擴展，擴展寬度 為絕對多普勒頻移 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移

14、動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 多普勒擴展與相關(guān)時間多普勒擴展與相關(guān)時間 相關(guān)時間的意義 一般情況下，TsTc，則會產(chǎn)生時間 選擇性衰落 其中，Bd為多普勒展寬 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 實際移動通信中3類選擇性衰落 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 典型環(huán)境下的典型擴散值 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 第第2 2章章

15、移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 三. 移動通信系統(tǒng)的信道模型 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 地面反射（雙射線）模型 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 地面反射（雙射線）模型 )lg20lg20lg10lg10(lg40 rtrt hhGGdPL 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 室外傳播的常用模型 Hata 模型 Walfisch-Ikegami 模型 快速模型 微蜂窩Cost231 Hat

16、a 模型 微蜂窩Bertoni 模型 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 Hata 模型模型 Hata 模型源自O(shè)kumura（奧村）模型與 Hata 公式。 適用于頻率1001500MHz，傳播距離在 120km 的城市場強預(yù)測。 修正因子 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 Walfisch-Ikegami（WIM） 模型模型 適合高樓林立地區(qū)的中到大型蜂窩的場強確定，首先在歐洲用于GSM 建模。 模

17、型包含3個部分： 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 因為考慮了街道寬度、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。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 Walfisch-Ikegami 模型模型 注：有時還要考慮加上樹木造成的衰落校正因子Lt，例如有 無樹葉時損耗相差35dB 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 Walfisch-Ikegami 模型模型 自由空間損耗的計算 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波

18、傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 Walfisch-Ikegami 模型模型 屋脊到街道的饒射和散射損耗的計算 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 Walfisch-Ikegami 模型模型 多次屏蔽穿透損耗的計算 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 快速模型快速模型 快速模型是較低等級的模型，用來粗略估 計覆蓋區(qū)域的總的傳播期望值。 優(yōu)點：快速估算。 缺點：不精確。 兩個快速模型： 800MHz：PL12136lgd 1900MHz：PL13040lgd 第第2 2章

19、章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 微蜂窩微蜂窩Cost231 Hata 模型模型 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 室內(nèi)傳播特點室內(nèi)傳播特點 室內(nèi)模型研究較少，是移動無線信道新的 研究領(lǐng)域。 室內(nèi)傳播的主要特征： 覆蓋距離更小，環(huán)境相對變動更大； 距離短，更接近“近場”； 門的開關(guān)和天線安裝等對室內(nèi)信號場強的影響 非常大； 更“混亂”，散射波更多，LOS （視線）更少。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 室內(nèi)傳播中的主要問題 信號盲區(qū)：電梯間、地

20、下室、地下停車場、 超過基站高度的高層建筑 “乒乓效應(yīng)”：由于收到多個基站信號， 且其強度相差不大，手機會在幾個不同小 區(qū)間來回切換，語音質(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”。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 建筑物的隔離損耗建筑物的隔離損耗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，頻率高的損耗相對小。 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移

21、動信道 移動通信 建筑物的隔離損耗建筑物的隔離損耗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 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 建筑物的隔離損耗建筑物的隔離損耗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：15 dB/層 2-5 樓：6-10 dB/層 5 樓以上：1-2 dB/層 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 其他信道的損耗特性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 信號頻率 接收機在建筑物內(nèi)的位置 隧道的損耗 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 室內(nèi)對數(shù)距離損耗模型室內(nèi)對數(shù)距離損耗模型 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信 傳統(tǒng)鏡像法的射線跟蹤技術(shù) 鏡像法原理 二次反射 第第2 2章章 移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道 移動通信