移動通信-第3章-移動信道的傳播特性

1、1 移動通信 通信工程學(xué)院 2 第3章 移動信道的傳播特性 3.0 研究無線信道的意義和方法 3.1 VHF/UHF電波傳播特性分析 3.2 移動信道的特征 3.3 陸地移動信道的場強(qiáng)估算 3.4 移動信道的傳播模型 3 3.0.1 信道的分類 任何一個通信系統(tǒng)，信道是必不可少的組成部分 按傳輸媒質(zhì)分 有線信道：如架空明線、電纜和光纖 無線信道：有中、長地表面波傳播，短波電離層的反射傳播， 超短波和微波直射傳播及各種散射傳播 按信道特性參數(shù)分 恒參信道：傳輸特性的變化量極微且變化速度極慢，大多數(shù)固 定無線信道都屬于恒參信道 變參信道：傳輸特性隨時間的變化較快，移動信道為典型的變 參信道 4 3

2、.0.2 為什么研究無線信道 研究無線移動信道模型，預(yù)測接收信號場強(qiáng) 電波在無線信道中傳播時會發(fā)生：衰減、吸收、折射、散射、 繞射. 電波傳播特性與環(huán)境密切相關(guān) 以上特性直接關(guān)系到無線通信設(shè)備采用的無線傳輸技術(shù)，關(guān)系 到無線通信系統(tǒng)的通信能力和服務(wù)質(zhì)量 信號帶寬的增加（數(shù)據(jù)速率的提高） GSM的均衡 CDMA的多載波傳輸技術(shù) 智能天線的引入 開發(fā)空域多徑資源 5 3.0.3 研究移動信道的基本方法 理論分析 用電磁場理論和統(tǒng)計(jì)理論分析電波在移動環(huán)境中的傳播特性，并用 數(shù)學(xué)模型來描述移動信道 對移動信道起指導(dǎo)作用 現(xiàn)場電波傳播實(shí)測 在不同的傳播環(huán)境中，做電波實(shí)測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證和校正理論分析結(jié)果 反映

3、某種特定信道的詳細(xì)特性 計(jì)算機(jī)模擬 能快速靈活地模擬各種移動環(huán)境 實(shí)際研究中采用兩種方式： 對移動環(huán)境中電波傳播特性給出某種統(tǒng)計(jì)描述 建立不同的傳播模型（適用于不同的傳播環(huán)境） 6 第3章 移動信道的傳播特性 3.0 研究無線信道的意義和方法 3.1 VHF/UHF電波傳播特性分析 3.2 移動信道的特征 3.3 陸地移動信道的場強(qiáng)估算 3.4 移動信道的傳播模型 7 3.1.1 電波傳播-傳播方式 直射波 從發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的電波，它是VHF/UHF頻段電波傳播 的主要方式 反射波 經(jīng)過地面反射到達(dá)接收機(jī)的電波 地表面波 沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ǎ捎诘乇砻娌ǖ膿p耗隨頻率升高而急劇增大

4、，傳播距離迅速減小，因此，在VHF/UHF頻段，地表面波的傳播可 以忽略不計(jì) 在移動信道中： 電波遇到各種障礙物時會發(fā)生 反射和散射現(xiàn)象，它對直射波 會引起干涉，即產(chǎn)生多徑衰落 發(fā)射天線 接收天線 直射波 反射波 地表面波 8 3.1.2 多徑傳輸信道模型 d d1 d2 hm hb 產(chǎn)生多徑的原因：直射、反射、散射、繞射 9 3.1.3 產(chǎn)生多徑的原因 直射：自由空間傳播（LOS） 反射：當(dāng)電波信號傳播碰撞到大大于信號波長的障礙物時發(fā)生反射 散射：當(dāng)電波信號傳播碰撞到小于信號波長障礙物且障礙物的個數(shù) 非常大時發(fā)生散射 繞射：信號能量繞過障礙物傳播的機(jī)制稱為繞射 費(fèi)涅爾區(qū) 反射、散射、繞射為影

5、響電波傳播的三種機(jī)制 10 3.1.4 自由空間傳播（LOS） 自由空間傳播 指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。電 波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產(chǎn) 生反射或散射 無干擾，無阻擋 實(shí)際情況 只要地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對介電常數(shù) 和相對導(dǎo)磁率都等于1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達(dá)接收 天線的地面反射信號場強(qiáng)也可以忽略不計(jì)，在這樣情況下，電波 可視作在自由空間傳播。 11 3.1.5 直射波-視距傳播 自由空間傳播（由于輻射能量的擴(kuò)散而引起能量衰減） 接收點(diǎn)的電波功率（式3-9）： 有效接收面積 ，GT，GR分別為發(fā)射和接收天線增益

6、 傳播損耗： 自由空間損耗 TT R R GP d A P 2 4 RR GA 4 2 )() 4 ( 2 2 WGGPP RTTR )()(lg20)(lg2044.32dBMHzfkmdLfs 2 4 d P P L R T （GT=GR=1） 電波在自由空間中的損耗只與工作頻率電波在自由空間中的損耗只與工作頻率 f 和傳播距離和傳播距離 d 有關(guān)。有關(guān)。 當(dāng)當(dāng) f 或或d 增大一倍時，損耗將分別增加增大一倍時，損耗將分別增加6dB 12 3.1.6 反射波 概念 反射系數(shù)R：定義為反射波場強(qiáng)與入射波場強(qiáng)的比值，可表示為 T a o b c R hr d1d2 ht z z R sin s

7、in c c z 2 cos 2 cos c z 水平極化波 垂直極化波 式中， c是反射媒質(zhì)的等效復(fù)介電常數(shù)，它與反射媒質(zhì)的相對介電常數(shù)r 、電 導(dǎo)率和工作波長有關(guān): c = r j60 對于地面反射波：當(dāng) f 150MHz (2m)時，Tc，則會產(chǎn)生時間選擇性衰落； 一般情況下 T167bps 25 3.2.6 慢衰落（大尺度衰落） 概念：在信號電平發(fā)生快衰落的同時，其局部中值電平還隨地點(diǎn)、時間、 以及移動臺速度作比較平緩的變化，稱為慢衰落。它反映了中等范圍內(nèi)(數(shù)百 波長量級)接收電平的均值變化，又稱為大尺度衰落。 產(chǎn)生的原因 陰影效應(yīng)：衰落速率與工作頻率無關(guān)，主要決定于傳播環(huán)境及移 動臺

8、速度 大氣折射：大氣介電常數(shù)的變化，衰落速度更慢，常忽略 慢衰落近似地服從對數(shù)正態(tài)分布 r為接收信號的局部均值；m為r的期望值；為標(biāo)準(zhǔn)偏差 2 2 2 )( exp 2 1 )( mr rp 26 概念：移動臺在運(yùn)動時，接收場強(qiáng)出現(xiàn)快速、大幅度的周期變化，這 種變化稱為多徑快衰落 產(chǎn)生的原因 多徑效應(yīng) 多普勒效應(yīng) 三種典型情況 只有多徑效應(yīng)： 只有多普勒效應(yīng)： 多徑 + 多普勒： 3.2.7 快衰落（小尺度衰落） 2exp)( 0 1 tfjAts N i i )cos(2exp)( 0 t v fjAts cos2exp2exp)( 0 1 i N i i vt jtfjAts 27 3.2

9、.8 瑞利(Rayleigh)分布-快衰落包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性 指在無直射波的N個路徑傳播時，若每條路徑的信號幅度 為高斯分布、相位在02為均勻分布，則合成信號包絡(luò)分 布為瑞利分布： )0( 2 1 )( 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 re r drrer rr 均 值： 均方值： 0 253. 1 2 )()(drrrrEm 2 0 22 2)()( drrrrE 為隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，(r)為包絡(luò)概率密度函數(shù) 2 1 exp 1 )( 當(dāng)r=時 r/ (r)為最大值， r在 值出現(xiàn)的可能性最大 當(dāng)r=1.177時 177. 1 0 2 1 )(drr 衰落信號的包絡(luò)有50%概率大于 1.

10、177，稱為包絡(luò)r的中值 28 3.2.9 萊斯(Rician)分布 指含有一個強(qiáng)直射波的N個路徑，傳播時若每條路徑的信 號幅度為高斯分布、相位在02為均勻分布，則合成信 號包絡(luò)分布為萊斯分布 當(dāng)a0時，萊斯分布趨近于瑞利分布，此時主信號減弱到與其它 多徑信號分量的功率一樣 K - dB時，萊斯 分布轉(zhuǎn)變?yōu)槿鹄植?2 0 2 22 2 ra I 2 arr r exp)( r/ a-直達(dá)波振幅 0123456789 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 P(r) K=6dB K 2 2 2 lg10)( a dBK 29 3.2.10 衰落儲備量 為了防止因衰落(包括快

11、衰落和慢衰 落)引起的通信中斷，在信道設(shè)計(jì)中 ，必須使信號的電平留有足夠的余 量，以使中斷率R小于規(guī)定指標(biāo)。 這種電平余量稱為 衰落儲備的大小決定于地形、地物 、工作頻率和要求的通信可靠性指 標(biāo)。通信可靠性也稱作，并 用T表示，它與中斷率的關(guān)系是 T=1-R。 如f=450MHz，T=99%，則衰落儲 備量約為：22.5dB。 30 3.2.11 快衰落瞬時幅度特性 電平通過率(Level Crossing Rate)：指在單位時間內(nèi)信號電 平以正斜率通過某一給定電平A的次數(shù)，如圖中電平通過率為4/T； 衰落速率: : 指單位時間內(nèi)信號以正斜率通過中值電平的次數(shù)； 衰落深度: : 指信號的有效

12、值(均方根值)與最小值之間的差值 衰落持續(xù)時間及 其分布：指信號電平 低于某一電平(門限電平) 的持續(xù)時間。可以判定 語音受影響的程度，以 及在數(shù)字通信中是否會 發(fā)生突發(fā)性錯誤和突發(fā) 性錯誤的長度 31 3.2.12 結(jié) 論 多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)使接收信號包絡(luò)變化接近瑞利分 布。 在典型移動信道中，衰落深度達(dá)到3030dBdB左右，衰落速率( 最大衰落率為2v/)約30403040次/ /秒 32 3.2.13 如何研究多徑？ 從接收信號的角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 接收信號的幅度變化及分布 接收信號的到達(dá)角分布 從多徑的數(shù)學(xué)表達(dá)式角度分析 研究多徑中每徑幅度的分布 研究每徑的到達(dá)角和分布 研究每徑的時

13、延特性及分布 從模型的角度 33 3.2.14 多徑時散 基站天線 3 4 2 1 實(shí)際上，各個脈沖幅度是隨機(jī)變化的，他們 在時間上可以互不交疊，也可以相互交疊， 甚至隨移動臺周圍散射體數(shù)目的增加，移動 臺所接收到的一串脈沖將會變成有一定寬度 的連續(xù)脈沖信號。引起碼間干擾 )()( 1 0 ttSatS i i N i i )()( 0 tatSiT 式中，ai是第i條路徑的衰減系數(shù)；i(t)為 第i條路徑的相對延時差。 多徑的性質(zhì)是隨 時間而變化的 34 時延擴(kuò)展可以用實(shí)測信號的統(tǒng)計(jì)平均的方法來定義. 時延譜（多徑散布譜）（多徑散布譜）：不同時延信號強(qiáng)度所構(gòu)成根據(jù)統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果 平均時延： E

14、(t)的一階矩，數(shù)學(xué)期望、均值 時延擴(kuò)展： E(t)的均方根值，表征時延擴(kuò)展對平均時延的偏離程度。越大，時延 擴(kuò)展越嚴(yán)重；越小，時延擴(kuò)展越輕。 最大時延max ：是以信號強(qiáng)度下降30dB時測定的時延值 3.2.15 多徑時延譜 2 0 2 0 )( )( dttEt dtttE 35 3.2.16 不同環(huán)境下的時延擴(kuò)展 不同環(huán)境下，平均時延擴(kuò)展是不一樣的：一般情況下，市區(qū)的時 延要比郊區(qū)大，市區(qū)傳播條件更為惡劣。如無抗多徑措施，要求碼元周期 T，即數(shù)字信號的傳輸速率Rb1/ 參數(shù)市區(qū)郊區(qū) 平均時延平均時延 （ s）1.52.50.1.2.0 時延擴(kuò)展時延擴(kuò)展 （ s）1.03.00.22.0

15、最大時延最大時延 （ s）5.012.03.07.0 工作頻段為450MHz或900MHZ max 36 目的：研究信號中不同頻率分量通過多徑衰落信道后的衰落是否相同 Bc為多徑時散的相關(guān)帶寬 對于調(diào)角信號，工程上估算： 例：=3s，Bc=1/(2)=53kHz， 此時傳輸信號的帶寬應(yīng)80m 48 3.3.8 電波傳播路徑的環(huán)境分類 按照地物的密集程度分為按照地物的密集程度分為 開闊地環(huán)境： 在電波傳播路徑上無高大樹木、建筑物等障礙物，呈開闊狀地面 郊區(qū)環(huán)境： 平坦地形，在移動臺附近有些障礙物，但稠密建筑物多為12層樓房 城市環(huán)境：有較稠密的建筑物和高層樓房 大都市高樓大廈稠密建筑區(qū) 中等稠密

16、建筑區(qū)：多為28層，間或40層高樓 中小建筑區(qū)：多為25層，間或20層高樓 平房建筑區(qū)：多為24層 49 3.3.9 中等起伏地形上傳播損耗的中值 -市區(qū)基本損耗中值 基本中值：在計(jì)算各種地形、地 物上的傳播損耗時，均以中等起伏 地上市區(qū)的損耗中值或場強(qiáng)中值作 為基準(zhǔn)，因而把它稱作基準(zhǔn)中值或 基本中值。 縱坐標(biāo)是以自由空間的傳播損 耗為0dB的相對值。且： 基站天線的高度hb=200m， 移動臺天線高度hm=3m 頻率升高距離增大，市區(qū)傳 播基本損耗中值都將增加 中等起伏地上市區(qū)基本損耗中值 50 3.3.10 基站天線高度增益因子Hb(hb, d) 如果基站天線的高度不是 200m，則損耗中

17、值的差異用 基站天線高度增益因子Hb(hb, d)表示。 圖中給出了不同通信距離d時， Hb(hb, d)與hb的關(guān)系 當(dāng)hb200m時，Hb(hb, d)0dB； 當(dāng)hb200m時，Hb(hb, d)3m時，Hm(hm, f)0dB； 當(dāng)hm3m時，Hm(hm, f)1km) 微蜂窩微蜂窩(hm， Lrts0) Lmsd多重屏障的繞射損耗 （ Lmsd 0） 3.4.7 WIM模型-非視距傳播 msdrtsb LLLL 0 )(lg20)(lg204 .32 0 MHzfkmdL orimrts LhfwLlg20lg10lg109 .16 9055)35(114. 00 . 4 5535)

18、35(075. 05 . 2 350354. 010 Lori= bfKdKKLL fdabshmsd lg9lglg 70 3.4.8 WIM模型參數(shù)定義 hROOf：建筑物高度 w：街道寬度 B：建筑物間隔 ：相對于街道平面的直射波 方向 71 3.4.9 室內(nèi)移動通信系統(tǒng)的多種形式 室內(nèi)無繩電話 移動臺在室內(nèi)與其他用戶進(jìn)行移動通信(基站建于室外基站建于室外) 室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，供用戶在不同樓層之間通話(基站建于室基站建于室 內(nèi)內(nèi)) 地鐵、隧道、礦井、地下商場內(nèi)的通信 72 3.4.10 室內(nèi)傳播的主要特征 室內(nèi)模型研究較少，是移動無線信道新的研究領(lǐng)域 主要特征： 覆蓋距離更小，環(huán)境相對變動更

19、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(qiáng)的影響非常大； 更“混亂”，散射波更多，LOS更少。 73 3.4.11 基于COST231的室內(nèi)路徑損耗耗模型 室內(nèi)路徑衰耗模型 參數(shù)定義見教材P122 室內(nèi)路徑衰耗簡化模型 L應(yīng)大于自由空間損耗 f b n n wiwicfs LnLkLLL ) 1 2 ( )46. 0 1 2 ( 3 .18lg3037 n n ndL 74 3.4.12 建筑物的穿透損耗 穿透損耗： 用建筑物附近道路中央的場強(qiáng)與在室內(nèi)不同樓層中測得的場強(qiáng) 之差表示 穿透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

20、穿透損耗與樓層的關(guān)系 樓層越高損耗越小 穿透損耗與頻率的關(guān)系 頻率低的損耗大；頻率高 的損耗相對小 75 3.4.13 隧道內(nèi)的傳輸損耗 在限定空間中，電波的傳 播損耗很大，通信距離很 短。 當(dāng)傳播路徑上出現(xiàn)障礙物 （如汽車）或通道彎曲時 ，損耗還會增大。 頻率越低，損耗越大 400MHz的損耗為 4050dB/km。 150MHz的損耗為 100150dB/km 76 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì) 1 1、現(xiàn)場勘察與基站初始布局、現(xiàn)場勘察與基站初始布局 2 2、電波傳播（場強(qiáng)）測試、電波傳播（場強(qiáng)）測試 3 3、資料收集與需求分析、資料收集與需求分析 4 4、業(yè)務(wù)量預(yù)測與容量規(guī)劃、業(yè)務(wù)量

21、預(yù)測與容量規(guī)劃 5 5、小區(qū)規(guī)劃、小區(qū)規(guī)劃 6 6、場強(qiáng)預(yù)測與覆蓋分析、場強(qiáng)預(yù)測與覆蓋分析 7 7、頻率規(guī)劃與干擾分析、頻率規(guī)劃與干擾分析 8 8、參數(shù)規(guī)劃、參數(shù)規(guī)劃 9 9、話務(wù)分析、話務(wù)分析 1010、無線資源參數(shù)設(shè)計(jì)、無線資源參數(shù)設(shè)計(jì) 導(dǎo)頻強(qiáng)度 77 78 無線規(guī)劃設(shè)計(jì)流程無線規(guī)劃設(shè)計(jì)流程 WCDMA無線設(shè)計(jì)步驟 無線鏈路預(yù)算 和容量估算 傳播覆蓋仿真 系統(tǒng)仿真 研究 更高的精度 79 Level 1: Level 1: 鏈路預(yù)算鏈路預(yù)算 根據(jù)要求覆蓋的面積計(jì)算基站的數(shù)量根據(jù)要求覆蓋的面積計(jì)算基站的數(shù)量 Start鏈路預(yù)算分析鏈路仿真算基站數(shù)量 1 A 1 B 1 C 輸入： 均勻分布的

22、基站位置 均勻的手機(jī)分布位置和統(tǒng)一的 運(yùn)動速度 一致的傳播模型和多路徑模型 均勻話務(wù)量 鏈路級/系統(tǒng)級參數(shù) 輸出： Eb/No的需求值/ 手機(jī)運(yùn)動速 度/ 業(yè)務(wù) 輸入： Eb/No要求值/ 業(yè)務(wù) 地理區(qū)域劃分 覆蓋可靠性 相同的小區(qū)負(fù)荷(75%等于 6 dB 干擾余量I.M) 穿透損耗 系統(tǒng)/手機(jī)/基站參數(shù) 傳播模型 最大業(yè)務(wù)速率/地理分區(qū) 輸出: 小區(qū)覆蓋范圍/ 地理分區(qū) 輸入: 總面積/地理分區(qū) 小區(qū)覆蓋/ 地理分區(qū) 輸出: 基站數(shù)量/ 地理分區(qū) 80 Level1: Level1: 容量估算容量估算 根據(jù)容量的要求計(jì)算基站的數(shù)量和配置根據(jù)容量的要求計(jì)算基站的數(shù)量和配置 業(yè)務(wù)的模型化 輸入: 地理分區(qū) 用戶數(shù)量 用戶增長預(yù)測 話務(wù)量/ 用戶/ BH/ 地理分區(qū) 吞吐量/ 業(yè)務(wù)/地理分區(qū) 業(yè)務(wù)混合比例/地理分區(qū) 輸出t: 總的等效話務(wù)量（Erl. 或kbps) 基站容量計(jì)算 輸入: Eb/No要求值/ 業(yè)務(wù) 承載速率/業(yè)務(wù) F因子（I因子和因子） 激活因子 目標(biāo)干擾