电波传播与信道模型1

1、 通信是通过信道来传送信息的，任何通信系统 首先必须分析和掌握信道的特点和实质，围绕着通 信传输的数量与质量，进行不断的优化。才能针对 存在的问题对症下药，给出相应的技术解决方案。 移动信道属于无线信道，是开放式的客观存在 的变参量信道，且通信用户具有随机移动性的特点。 移动通信中所采用的各种技术，都是针对移动通信 的信道特点，以解决移动通信中的有效性、可靠性 和安全性为目标而设计的。分析移动环境的电波传 播是解决移动通信关键问题的前提，是移动通信中 各种新技术的源泉和动力。 Maxwell建立了宏观电磁场现象的统一理论，奠定了无 线电技术理论基础。在时变电磁场中，变化的磁场激发 旋涡电场；而

2、变化的电场同样可以激发涡旋磁场。电场 与磁场之间的相互激发可以脱离电荷和电流而发生。电 场与磁场的相互联系， 相互激发，时间上周而复始， 空间上交链重复， 这一过程预示着波动是电磁场的基 本运动形态。 他的这一预言在Maxwell去世后（1879年） 不到10 年的时间内，由德国科学家Hertz通过实验证实。 从而证明了Maxwell的假设和推广的正确性。 电磁波 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波 在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒 表示。在媒质中的传播速度为：/ ，式中为传播媒质的介 电常数。空气的介电常数与真空的很接近，略大于。 因此，无线电波在空气中 的传播

3、速度略小于光速，通常 我们就认为它等于光速。 n 三者的关系用式V/f 描述。 其中中，V为速度，单位为米/秒；f为频率，单位为赫兹；为波长， 单位为米。 由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时， 速度是不同的，因此波长也不一样。 n 移动通信研究的对象为：10100cm (分米波）,f=3003000MHz， UHF （特高频）频段，属于微波频段。 以空间波LOS传播为主 传播受地平线限制 受反射、绕射和散射影响 无线电通信& 电视频道等. 波长波长 B B l la ah h b la h bl ahblah 传播方向 H方向 E方向 传播方式:TEM波-横电磁波 无

4、线电波是一种能量传输 形式，在传播过程中，电场和 磁场在空间是相互垂直的，同 时这两者又都垂直于传播方向。 在自由空间中电磁波的电场矢量在空间的取向称之为电磁波的极 化。 电磁波的极化有三种形式: 椭圆极化（沿传播方向分：左旋极化、右旋极化） 圆极化（沿传播方向分：左旋极化、右旋极化） 线极化 例如：电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。 如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。这两种 极化方式均属于线极化。 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程 中通常都要产生极化损失（类似于光的偏振）。 电磁场的三个区域及其特点 三个尺度概念： 源区的尺度： 电磁波

5、的波长： 场点至原点的距离 Vk V djexp 4 0 rr rr rJ rA r r 1 rr 1 rr 1 rr n 在天线近区场中（ ），源直接产生的静态电磁场远大于电磁场 相互激发所产生的电磁场。 n 场点与源区的距离大约在一个波长的数量级（ ），在这个范围 中，源直接产生的静态场与变化电磁场相互激发所产生的电磁场同时 并存，量级上相当。这一区域也称为感应区。 n 场点远离源区（ ）。源直接激发的静态场远小于电磁场相互激 发而形成的电磁场。电磁场主要以波动形式将源的能量辐射出去。这 一区域称为远场区，或者称为辐射区域。 l 远场区的判断条件：Fraunhofer（弗朗荷费）距离： d

6、 2 /并且d D且d （其中D为天线最大尺寸，d为与天线的距离）。 l 例如：GSM900，天线长2米，远区条件为： d 2 /=24/0.333=24m并考虑d D，远区条件应在50m以上。 1 rr 1 rr 1 rr 2 D 2 D 如前文所说：无线电波传播的实质是一种能量传输的形式。 功率P?W(或mW、kW) 有量纲（瓦、毫瓦、千瓦） 功率传输系数(增益或损耗）A?倍 无量纲（0） 输出功率Pout=APin 级联系统传输系数AA1A2A3An（非线性） 无线电信号在传播路径损耗上是路径的幂函数，具有对数线性。 功率增益（或损耗）A(dB)=10lgA（单位为dB或分贝 无量纲 ）

7、 例：某功率放大器放大倍数200倍，则功率增益10lg200=23dB 级联系统传输系数A (dB)=10lg（A1A2A3An） = 10lgA1+10lgA2+10lgA3+10lgAn （单位为dB） 功率的对数标度定义： P(dBm)=10lgP （单位为dBm/dB毫瓦 有量纲 ）例：100mW=20dBm 0dBKW=30dBW=60dBm n 自由空间功率通量密度（W/ ）： 通过球表面积的辐射功率密度： 不考虑天线增益。 n 在此覆盖区域范围内，接收机天线“捕获”此通 量的一小部分。 2 m 2 4 d P P t d d Fraunhofer（弗朗荷费）距离： d 2 /（满

8、足远 场条件）。 天线增益和天线孔径： nG为接收机天线增益，与Ae（天线孔径）和波长有 关。 n天线孔径，直观地为垂直于通量的天线面积 n接收功率( Pr) = 功率通量密度( Pd) Ae 2 D 在距离d处，接收信号功率为： 通过球表面积的辐射功率 功率传输系数 n式中， Pt为发射机输出功率，单位Watts n系统因子K取决于天线增益、系统损耗因子和载波频率。 2 )( d P KdP t r 2 )( d K p dP A t r n功率传输系数 n式中： L为系统损耗因子 nPt为射机输出功率 nGt和Gr为收、发天线增益 n为载波波长 Ld GG p dP A rt t r 2

9、2 )4( )( 假设d 处于远场区（Fraunhofer region）即d D且d ，其中 nD为天线最大直线长度 n为载波波长 无干扰，无阻挡。 kmMHzbf dfLlog20log205 .32 1、菲涅尔区：恒时延椭圆轨迹的 边界 2、传播余隙：第一菲涅尔区半径的0.577倍。 满足f(n)与f(n-1)的曲面之间的区域称为第n菲涅尔区。N=1时，称为 第一菲涅尔区，其是一个椭球体，第一菲涅尔区包含全部发射能量 的1/2。另外测试和理论表明，若间隙大于第一菲涅尔区半径的0.577 倍，则损耗近似等于自由空间的损耗。 f(n)=ST+RT=SR+n*/2 S R T 间隙(第一菲涅尔

10、半径） 反射与透射 电磁波在不同介质交界处 会产生反射和折射。 良导体反射无衰减。 绝缘体只反射入射波能量 的一部分： n另一部分能量折射入新介质继续 传播 n“Brewster角”：全反射 n直角入射：100%透射？ 非理想介质会吸收电磁波 能量，产生穿透衰落。 反射角=入射角并产生相移。 环境损耗（dB）环境损耗（dB） 城市密集建筑物1830郊区建筑物1015 普通城区建筑物1520乡村建筑物10 混凝土墙面（单）15车辆6 金属材料2530走廊拐角810 轻质织物35金属制品车间512 木板(15mm)35玻璃01 石灰板(7mm) 35金属楼梯5 穿透损耗大小不仅与电磁波频率有关，而

11、且穿透损耗大小不仅与电磁波频率有关，而且 与穿透物体的材料、尺寸有关。与穿透物体的材料、尺寸有关。 n 当波撞击在障碍物边缘 时发生绕射。 “次级球面波” 传播进 入阴影区； 超出直射路径的长度导 致相移，费涅尔区表达 了相对于障碍物位置的 相移。 若无LOS，绕射可帮助 覆盖。 n 绕射传播功率是多少? 第一费涅尔区阻挡：与自由空间相比低5 至25dB 在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射 模型预测的要强，这是因为当电波遇到小于信号波长 障碍物或粗糙表面的多面体时，反射能量由于散射而 散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量和干扰。 临近的金属物体（街头标志等）、树叶都会产生散射：

12、 通常采用统计模型。 传播环境的复杂性传播环境的复杂性 由于移动台的天线比较低，传播路径总是受到地形及人为环境的 影响；各种地形环境和复杂的人为建筑物、树林等使得接收信号 为大量的散射、反射信号的迭加。 移动台的随机移动性移动台的随机移动性 移动台总是在移动，即使移动台不同，周围环境也一直在变化， 如人、车的移动、风吹动树叶等；使得基站与移动台之间的传播 路径不断发生变化。还有是移动台相对与基站的移动方向、移动 速度的不同，都会导致信号电平的变化。 信号电平随机变化信号电平随机变化 信号电平随时间和位置的变化而变化；只能用随机过程的概率分 布来描述。 传播的开放性传播的开放性 空间干扰现象严重

13、，比较常 见的有同频干扰、邻频干扰； 还有互调干扰等；随着频率 复用系数的提高，同邻频干 扰将成为主要因素。 人为噪声现象严重人为噪声现象严重 人为噪声主要是机动车的点 火噪声；还有电力线噪声和 工业噪声。 影响接收信号强度的两个因素： n距离 路径衰减 n多径 相位差 绿色信号比蓝色信号到达红接收点的传输 距离长（K+1/2） K=0、1、2、3、 对900MHz 信号， (波长) =33cm。 自由空间传播（LOS）。（最强） 反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长 的障碍物时发生反射。（次强） 绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射。 （次强） 散射：当电波信号传播碰撞到小于信

14、号波长障碍物 或粗糙多面体时发生散射。（最弱） 从接收信号的角度进行统计分析： n接收信号的幅度变化及分布 n接收信号的到达角分布 从多径的数学表达式角度分析： n研究多径中每径幅度的分布 n研究每径的到达角和分布 n研究每径的时延特性及分布 从模型的角度。 尺度不同： n大尺度（ 范围内的平均值） n小尺度（在波长量级范围内的测量值） 环境特征不同： 室外、室内、陆地、海洋、空间等等。 应用区域不同： 宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微 微蜂窝。 l 大尺度衰落预测距离 的电波传 播行为： 是由于电波传播路径上收到建筑物 及山体等的阻挡所产生的阴影效应 而产生的损耗。 距离和主要环境特

15、征的函数，粗略 地认为与频率无关，一般遵从对数 正态分布； 当距离减小到一定程度时，模型就 不成立了； 用于无线系统覆盖和粗略的容量规 划建模。 小尺度（衰落）模型描述信号在小尺度（衰落）模型描述信号在尺度内的变化：尺度内的变化： 是由于多径传播而产生的衰落，反映小范围波长量级 （短时间）的接受电平的变化； 与载波频率和信号带宽有关，一般遵从瑞利分布或莱 斯分布； 着眼于“衰落”建模：在短距离或数个波长范围内信 号快速变化。 小尺度（快）衰落可细分为三类：空间选择性衰落、 频率选择性衰落、时间选择性衰落。 两种传播模型并不是相互独立的，在同一个无线信道 中，既存在大尺寸衰落，也存在小尺寸衰落。

16、 空间选择性衰落，即在不同地点（空间）衰落特性不一样； 结论：由于电波波束的角度扩散，空间选择性衰落周期S=/ ，分集接收机间的距离S。 频率选择性衰落，即在不同的频率衰落特性不一样； 结论：由于时延扩散引起了频率选择性衰落，频率衰落周期 F=1/L。时延展宽是决定相干带宽的唯一因素，RAKE多径接收 机的频率区间F。 时间选择性衰落，即在不同时间衰落特性不一样； 结论：由于高速移动引起的频率扩散，时间选择性衰落周期T=/ B， 信道编码交织区间T。 电平通过率（Level Crossing Rate）：指在单位时间内信号电 平以正斜率通过某一给定电平A 的次数 衰落速率：指单位时间内信号以正

17、斜率通过中值电平的次数。 衰落深度：指信号的有效值(均方根值)与最小值之间的差值。 衰落持续时间及其分布：指信号电平低于某一电平（门限电平） 的持续时间，衰落平均持续时间将引起传输数据的突发差错。 n 指在无直射波的N 个路径中，若每条路径的信号幅 度均为高斯分布、相位均为02均匀分布，则合成 信号包络分布为瑞利分布（标准偏差取决于不同 的应用环境）： n 指含有一个强直射波的N 个路径，传播时若每条路 径的信号幅度均为高斯分布、相位在02为均匀分 布，则合成信号包络分布为莱斯分布（标准偏差取 决于不同的应用环境） ： 环境（dB）环境（dB） 商店8.7室内农贸市场5.2 办公室9.2工厂(

18、LOS)5.0 郊区室内5.0工厂(NLOS)9.7 市区室内（36层）5.66.8市区室内（12层）8.09.2 n 多径信号的构成主要由三类： 1.快速移动用户附近物体的反射而形成的多径干扰，在 频域上产生扩散而引起的时间选择性衰落； 2.是从远地反射体产生的回波，这种回波的时延较长且 较稳定；在时域和空间角度产生扩散，从而引起空间 选择性衰落和频率选择性衰落； 3.是从移动台附近半径为50400波长（16130m）的建 筑物和树林反射和散射的回波，这类回波数量大，时 延短，它们是构成多径信号的主要部分；严重影响到 达天线的空间角度分布，从而引起空间选择性衰落； n 空间传播路径损耗（Pa

19、th loss）。 n 阴影效应：由地形、地物结构引起，表现为慢衰落。 n 多径效应：由于传播受到移动台周围（50400个波长内） 的自然障碍（主要指人为建筑物）或散射体（主要指树林） 的反射在地面上造成多径波干涉，结果形成驻波场。当移 动台通过这个驻波场时，接收信号呈现短期衰落，场强会 剧烈起伏。引起的多径传播，表现为快衰落。 n 多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引起多径条件 下多普勒频谱展宽。 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与 导线的长短和形状有关.如果导线位置如由于两导线的距离很近，两导 线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导 线张开，

20、这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电 动势方向相同，因而辐射较强。通常将上述能产生显著辐射的直导线 称为振子。 1/2波长波长 1/4波长波长 1/4波长波长 1/2波长波长 振子振子 波长波长 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一 波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。 一个1/2波长的对称振子 在 900MHz 约 167mm长 1800MHz 约 83mm长 俯视图 侧视图 在地平面上，把信号集中到所需要的地 方，要求把“面包圈” 压成扁平的。 天线的方向性是指天线控制辐射能量的去向的能力。对于接收天 线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有

21、的接收能力。 天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示. 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁 波的能力。一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的方向图。 立体视图 在这儿产生的增益在这儿产生的增益= 10log(4mW/1mW) = 6dB 一个对称振子 假设在接收机中有1mW功率 在阵中有4个对称振子 在接收机中就有4 mW功率 对称振子组阵能够控制辐射能构成 “扁平的面包圈” 在扇形覆盖天线中，反射面把功率聚焦到 一个方向进一步提高了增益。 这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子相 比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dB “扇形覆盖天线 ” 将在接收机中

22、有8mW功率 “全向阵” 例如在接收机中为4mW功率 (俯视) 天线 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线 前向功率前向功率 后向功率后向功率 以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值为典型值为 25dB 目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率 (前向功率前向功率) (反向功率反向功率) 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向 接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子 前后的相同信号电波具有相同的接收能力 水平面方向图 120 (eg) 峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点 10dB 波束宽度波束宽度 60 (eg

23、) 峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点 3dB 波束宽度波束宽度 15 (eg) Peak Peak - 3dB Peak - 3dB 32 (eg) Peak Peak - 10dB Peak - 10dB 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣， 其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣 宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰 能力越强。 俯仰面方向图 上旁瓣抑制 下旁瓣抑制 两个天线为一个整体，传输两个独立的波 V/H (垂直/水平)倾斜 (+/- 45) 极化隔离度代表馈送到一种 极化的信号在另外一种极化中出 现的比例

24、。 例：隔离度为 10log(1000mW/1mW) = 30dB 1W1mW u 八木天线是一种引向天线，由一个有源振子和 多个无源振子放置 在同一平面上。一个无源振 子为反射器，其余的无源振子为引向器。 u 二单元34.5dB 三单元68dB 四单元710dB 五单元911dB u 八木天线的单元越多，方向性越强。但是单元 的增加不与方向性、增益成正比。单元过多时， 导致工作频带变窄，整个天线尺寸也将偏大， 单元数不宜超过9。 u 有较高的方向性系数，结构简单，制作方便， 重量轻。在米波、分米波段应用广泛， 反射器 有源振子 引向器 最大辐射方向 至接收机 或发射机 /4 增益这个概念是在

25、有源器件中有放大器时才会产生 的概念。那为什么会有天线的增益呢？ 天线的增益就是相对于一个等功率各向同性的辐射 器，改变了其功率的分配，使之产生了增益。 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理 想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比， 即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣 越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。 一个单一对称振子具有面包 圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所 有方向具有相同的辐射 一个天线与对称振子相比较的增益 用“dBd”表示 一个天线与各向同性辐射器相比较的 增益用“dBi”表示 例如: 13dBd = 15.15dBi 2.15dB 对称振子的

26、增益为2.15dB 90 180 360 半功率波瓣宽度 半波振子 带反射板的半波振子 带反射板的两个半波振子 以半波振子 为参考的增益 0dBd 3dBd 6dBd 理论辐射图 HE idBG 505022 32000 10 . log)( HE idBG 505022 27000 10 . log)( 一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。 当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示 反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故 连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的 导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传 输信号能量。 因此它应能将天线接收的信号以最小的损

27、耗传送到 接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传 送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂 散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽。 当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长 时就叫做长传输线，简称长线。 天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电 压与信号电流之比，称为天线的特性阻抗。特性阻抗有 电阻分量和电抗分量。特性阻抗的电抗分量会减少从天 线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽 可能为零，使天线的特性阻抗为纯电阻。 馈线的特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介 质的介电常数有关。 天线的特性阻抗与天线的结构和工作波长有关。 通信常用的。 9.5 W80

28、 ohm 50 ohm 朝前朝前: 10W 返回返回: 0.5W 当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有 入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅 度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。 而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻 抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收 部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。 这里的反射损耗为 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是反射损耗的另一种计量 在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠 加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成

29、波腹； 而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。 其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。 反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度 （LO） 反射系数 入射波幅度 （LO） 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻 波比(VSWR) 驻波波腹电压幅度最大值max （1+） 驻波系数 驻波波节电压辐度最小值min （1-） 终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越 接近于，匹配也就越好。 电压驻波比（VSWR）对网络的影响： VSWR 反射功率比 辐射功率减少 覆盖面积减少 3.0 25% 2.15dB 40% 2.0 11

30、% 0.86dB 18% 1.8 8% 0.67dB 14% 1.5 4% 0.36dB 8.0% 1.4 2.8% 0.21dB 4.7% 1.3 1.7% 0.13dB 2.9% 1.2 0.8% 0.07dB 1.1% 按照地物的密集程度分为： n 开阔地环境：在电波传播路径上无高大树木、建筑物 等障碍物，呈开阔状地面。 n 郊区环境平坦地形：在移动台附近有些障碍物，但稠 密建筑物多为13层楼房。 n 城市环境：有较稠密的建筑物和高层楼房。 大都市高楼大厦稠密建筑区 中等稠密建筑区：多为28 层建筑，间或40 层高楼 中小建筑区：多为25 层建筑，间或20 层高楼 平房建筑区：多为24

31、层建筑 计入其它环境因素的对数距离路径损耗模型： PL(d)dB = PL(d0) + 10 n log( d/d0) 在远场选择d0 测量PL( d0) 或计算自由空间损耗 测量并根据经验得到n n 当障碍物阻挡收发信机间的LOS 时发生阴影。 n 可用一简单的统计模型说明不可预测的“阴影”。 n 在对数距离PL 公式中，增加一个0均值的高斯随机变 量： PL(d)dB = PL( d0) + 10 n log( d/d0) + X 式中： X为一零均值高斯随机变量（dB） 和n 根据测量数据，基于线性递归法使测量值与估计 值的均方误差最小计算得到。 n GSM900MHz主要采用CCIR推荐的Okumura电波传播衰减计算模式该模式 是以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考对其他传播环