移動通信電波傳播和傳播預(yù)測模型介紹

1、2目錄目錄概述概述1自由空間的電波傳輸自由空間的電波傳輸23456Mobile Communication Theory3基站天線、移基站天線、移動用戶天線和動用戶天線和兩付天線之間兩付天線之間的傳播路徑的傳播路徑傳播損耗和傳播損耗和彌散彌散陰影衰落陰影衰落多徑衰落多徑衰落多普勒頻移多普勒頻移直射、反射、直射、反射、繞射和散射以繞射和散射以及它們的合成及它們的合成復(fù)雜的無線復(fù)雜的無線電波傳播環(huán)電波傳播環(huán)境境移動通信移動通信信道信道衰落的衰落的原因原因無線電無線電波傳播波傳播方式方式衰落的衰落的表現(xiàn)表現(xiàn)移動信道的移動信道的基本特性基本特性 衰落特性衰落特性Mobile Communication

2、 Theory4v 大尺度衰落與小尺度衰落大尺度衰落與小尺度衰落Mobile Communication Theory5v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。( (t t) )r rmm( (t t) )r r( (t t) )0 0大尺度衰落小尺度衰落Mobile Communication Theory6基本方法基本方法理論分析方法理論分析方法（如射線跟蹤法）現(xiàn)場測試方法現(xiàn)場測試方法（如沖激響應(yīng)法） 應(yīng)用成果應(yīng)用成果傳播預(yù)測模型的建立為實(shí)現(xiàn)信道仿真提供基礎(chǔ)考慮問題考慮問題衰落的物理機(jī)制功率的路徑損耗接收信號的

3、變化和分布特性Mobile Communication Theory7傳播傳播損耗損耗接收接收功率功率傳播傳播損耗損耗接收接收換算換算ttrrGPdAP24自由空間自由空間電波傳播電波傳播分貝表示分貝表示 dfLlog20log2045.32() 10log ()rrP dBmP mW() 10log ( )rrP dBWP WMobile Communication Theory8 反射反射散射散射繞射繞射Mobile Communication Theory9Mobile Communication Theory10 020cosz zzRsinsin20coszMobile Commun

4、ication Theory11 Mobile Communication Theory12 2tr2tr.Ae)R1(Re1GGd4PP 2tr2trRe1GGd4PP 直射波反射波地表面波可忽略可忽略地面二次效應(yīng) l2 ()lACCBAB 2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PP Mobile Communication Theory13惠更斯菲涅爾惠更斯菲涅爾原理原理菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)基爾霍夫公式基爾霍夫公式Mobile Communication Theory14TP RMobile Communication Theory151212nn d drddsEn14jkrjkr

5、sRssEeeEEdsnrrnMobile Communication Theory16粗糙表面，反射能量于所有方向粗糙表面，反射能量于所有方向表面光滑度的判定表面光滑度的判定粗糙表面下的反射場強(qiáng)粗糙表面下的反射場強(qiáng)Mobile Communication Theory1710( , )10ml rr10log ( , )10logl rmrMobile Communication Theory18Mobile Communication Theory192.5.1 多徑衰落的基本特性Mobile Communication Theory202.5.1 多徑衰落的基本特性Mobile Comm

6、unication Theory21cosvfdmfvMobile Communication Theory22Mobile Communication Theory23Mobile Communication Theory24Mobile Communication Theory25傳輸信號假設(shè)第i徑的路徑長度為xi、衰落系數(shù)（或反射系數(shù)）為接收信號式中，c為光速； 為波長。又因?yàn)?所以 式中 為時延。 實(shí)質(zhì)上是接收信號的復(fù)包絡(luò)模型，是衰落、相移和時 延都不同的各個路徑的總和。 ( )Re( )exp( 2)cx ts tjf t( )Reexp2Reexp2iiiiiciiiiicixxx

7、y ta x tas tjftcccxxa s tjf tcia( )Re( )exp( 2)cy tr tjf t ( )exp2exp2iiiiciiiixxr tajs tajfs tc iixc( )r tMobile Communication Theory26 考慮移動臺移動時，導(dǎo)致各徑產(chǎn)生多普勒效應(yīng)設(shè)路徑的到達(dá)方向和移動臺運(yùn)動方向之間的夾角為路徑的變化量輸出復(fù)包絡(luò)簡化得 （）其中， 為最大多普勒頻移。icosiixvt ( )exp2cosexp2exp2cosiiiiiiiiiiiixxxxr tajs tcxxvtvajjts tcc ( )exp2cosexp2cosexp

8、2cos2exp22cosiiiiiiimiiiimiciiiiicimiixxvr tajts tcxajf ts tajf tfs ta s tjff t 在相位中不可忽略不可忽略數(shù)量級小可忽略可忽略mfMobile Communication Theory27多徑和多普勒效應(yīng)對傳輸信號的影響 令 式中 代表第i條路徑到達(dá)接收機(jī)的信號分量的增量延遲（實(shí)際遲延減去所有分量取平均的遲延），它隨時間變化 在任何時刻t，隨機(jī)相位 都可產(chǎn)生對 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個分量的實(shí)際幅度和增量延遲；相位 包含了在第i個增量延遲內(nèi)一個多徑分量所有的相移；

9、為單位沖擊函數(shù)。如果假設(shè)信道沖激響應(yīng)至少在一小段時間間隔或距離具有不變性，信道沖擊響應(yīng)可以簡化為此沖擊響應(yīng)完全描述了信道特性，相位 服從 的均勻分布,( )22cosicimiciD itff tt ( )( )( )( , )ijtiiir tas tes th t( )( , )ijtiiih ta e 多徑延遲影響多普勒效應(yīng)影響i( )it( )r tiai( )it ( )( )ijtiiiha e i0,2Mobile Communication Theory28功率延遲分布功率延遲分布PDP時間色散時間色散多普勒功率譜密度多普勒功率譜密度DPSD角度譜角度譜PAP頻率色散頻率色散角

10、度色散角度色散Mobile Communication Theory29Mobile Communication Theory30 1TPeT22kkkkkkkkkkaPaP 22E22222kkkkkkkkkkaPEaP 0dB -XdB Mobile Communication Theory31( )0( )( )(1)jtir tx tre( )0( )(, )1( )jteir tHjtrex t ( , ) 1cos( )sin( )Atrtjrt ( )2tn( )(21)tn r 2 )(t ( )ix t 0( )r t (, )cHjt 12( )cBt)(t)(t( ) t

11、( ) t r1r1)(2tn )() 12(tn Mobile Communication Theory321222221122(, )(, )rrRfrrfrrrr 121 212120(, ),( ,)rRfr rrr p r r drdr2022(2)(, )1(2)mrJfff221()1(2)rff1( )r t2( )r t12fff 0()J mf0()0.5rf12f12cBMobile Communication Theory33分類 不同頻率分量的衰落 信號波形頻率選擇性衰落 不一致 失真失真非頻率選擇性衰落（平坦衰落） 相關(guān)的 一致的 不失真不失真數(shù)字通信系統(tǒng)信號帶寬小

12、于信道相關(guān)帶寬信號帶寬小于信道相關(guān)帶寬BsBc平坦衰落平坦衰落頻選衰落頻選衰落碼間干擾碼間干擾Mobile Communication Theory34Mobile Communication Theory35假設(shè)接收信號由N個經(jīng)過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，由于多普勒效應(yīng)，接收信號的功率譜展寬到 和 范圍平坦的多普勒功率譜 dpd G d)(Gp)(GpbdffS fSmccmfffffffS22)(1)(mcff mcff fcfc + fmfc - fmS ( f )mffS21)(

13、cmfffMobile Communication Theory36=0.511cDmTff2022(2)(, )1 (2)mrJfff()( )RS fDfDB0f 20(0, )(2)rmJf 916cmTfMobile Communication Theory37時間選擇性衰落碼元間隔大于信道相關(guān)時間碼元間隔大于信道相關(guān)時間TsTc時選衰落時選衰落誤碼誤碼290.42316mcmTffMobile Communication Theory38Mobile Communication Theory39200()( )( )pdpd 00( )( )pdpd0,360Mobile Commu

14、nication Theory40空選衰落空選衰落:天線空間距離大于相關(guān)距離天線空間距離大于相關(guān)距離Dc非空選衰落非空選衰落:天線空間距離遠(yuǎn)小于相關(guān)距離天線空間距離遠(yuǎn)小于相關(guān)距離DcMobile Communication Theory41Mobile Communication Theory42Mobile Communication Theory43NnnnnctCEtT10)(cos)(NnncnztCEE10cosnnnt tsintTtcostTEcsccz 2z2s2s2cE2ETT = 0 zEn n csTT 2zEnn, NnnnnstCEtT10)sin()(bxebxp2

15、221)(2222221)()(),(csTTcscseTpTpTTpMobile Communication Theory44 2c2sTTr cs1TTtg coscTrsinsTrcossin( ,)sincos( , )csrT TJrrr2222( , )(,)2rcsrp rp T TJe 2533. 12dr)r(rprER0meanr 222022220.4292222 drrERrEr222022220.4292222drrERrEr5 . 0)rr(Pm 777.1mr RrRpexpdrrpRr022)2(1)()(P(R) mr圖29 瑞利分布的概率分布密度 02221

16、21)(22drrepr222222202221)(rrerdrerpMobile Communication Theory45Mobile Communication Theory46Mobile Communication Theory47 222Alog10dBK dBK,0A 12A2 瑞利分布瑞利分布 萊斯分布萊斯分布 高斯分布高斯分布)0, 0()(2202)(222rAAIerrpAr222AK Mobile Communication Theory48Nakagami-m分布222()var()Ermr122()E r 10()mxmxedx1( )exp( )mmmsmsp

17、smss 2sE s22rs 2222( )expexprrrrp rss2122( )exp( )mmmm rmrp rm2121KmKMobile Communication Theory49依據(jù) 分類時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，頻）矢量信道（時、頻、空）Mobile Communication Theory50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)送信號帶寬 時間色散 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 Bc Ts

18、Bs 10sTMobile Communication Theory51快衰落慢衰落原因沖激響應(yīng)變化快于基帶信號變化信道沖激響應(yīng)變化比不上基帶信號變化條件TsTc BsBd TsBdMobile Communication Theory52衰落深度衰落深度衰落速率衰落速率電平電平通過率通過率衰落持續(xù)時間衰落持續(xù)時間Mobile Communication Theory53 衰落率 信號包絡(luò)在單位時間內(nèi)以正斜率通過中值電平的次數(shù)，即包絡(luò)衰落的速率與與發(fā)射頻率發(fā)射頻率，移動臺行進(jìn)，移動臺行進(jìn)速度和方向速度和方向以及多徑傳播以及多徑傳播的的路徑數(shù)路徑數(shù)有關(guān)有關(guān)平均衰落率平均衰落率衰落深度 信號有效值

19、與該次衰落的信號最小值的差值。31.85 102Af Mobile Communication Theory54單位時間內(nèi)信號包絡(luò)以正斜率通過某一規(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 為信號包絡(luò)r對時間的導(dǎo)函數(shù)平均電平通過率 由于電平通過率是隨機(jī)變量，通常用平均電平通過率來描述。 對于瑞利分布可得 式中 fm為最大多譜勒頻率， 其中信號平均功率 ， 為信號有效值 0rd)r,R(pr)R(Nr 22)(efRNmrmsRR2R 02222dr)r(pr)r(E 2Rrms Mobile Communication T

20、heory55信號包絡(luò)低于某個給定電平值的概率與該電平所對應(yīng)的電平通過率之比v表達(dá)式v意義 描述了衰落次數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律v平均衰落持續(xù)時間 衰落是隨機(jī)發(fā)生的，只能給出平均衰落持續(xù)時間 對于瑞利衰落，可得 RRNRrP )1e(f212mR Mobile Communication Theory56 負(fù)斜率 T 正斜率 t1 t2 t3 t4 1 2 3 4 R TRn/4)( 414/)(itRt T 0 圖圖211 電平通過率和平均衰落持續(xù)時間電平通過率和平均衰落持續(xù)時間Mobile Communication Theory57Mobile Communication Theory58Mobile Communication Theory59terra