移动通信-第3章-移动信道的传播特性

1、1 移动通信 通信工程学院 2 第3章 移动信道的传播特性 3.0 研究无线信道的意义和方法 3.1 VHF/UHF电波传播特性分析 3.2 移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的场强估算 3.4 移动信道的传播模型 3 3.0.1 信道的分类 任何一个通信系统，信道是必不可少的组成部分 按传输媒质分 有线信道：如架空明线、电缆和光纤 无线信道：有中、长地表面波传播，短波电离层的反射传播， 超短波和微波直射传播及各种散射传播 按信道特性参数分 恒参信道：传输特性的变化量极微且变化速度极慢，大多数固 定无线信道都属于恒参信道 变参信道：传输特性随时间的变化较快，移动信道为典型的变 参信道 4 3

2、.0.2 为什么研究无线信道 研究无线移动信道模型，预测接收信号场强 电波在无线信道中传播时会发生：衰减、吸收、折射、散射、 绕射. 电波传播特性与环境密切相关 以上特性直接关系到无线通信设备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 信号带宽的增加（数据速率的提高） GSM的均衡 CDMA的多载波传输技术 智能天线的引入 开发空域多径资源 5 3.0.3 研究移动信道的基本方法 理论分析 用电磁场理论和统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用 数学模型来描述移动信道 对移动信道起指导作用 现场电波传播实测 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 反映

3、某种特定信道的详细特性 计算机模拟 能快速灵活地模拟各种移动环境 实际研究中采用两种方式： 对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述 建立不同的传播模型（适用于不同的传播环境） 6 第3章 移动信道的传播特性 3.0 研究无线信道的意义和方法 3.1 VHF/UHF电波传播特性分析 3.2 移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的场强估算 3.4 移动信道的传播模型 7 3.1.1 电波传播-传播方式 直射波 从发射天线直接到达接收天线的电波，它是VHF/UHF频段电波传播 的主要方式 反射波 经过地面反射到达接收机的电波 地表面波 沿地球表面传播的电波，由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大

4、，传播距离迅速减小，因此，在VHF/UHF频段，地表面波的传播可 以忽略不计 在移动信道中： 电波遇到各种障碍物时会发生 反射和散射现象，它对直射波 会引起干涉，即产生多径衰落 发射天线 接收天线 直射波 反射波 地表面波 8 3.1.2 多径传输信道模型 d d1 d2 hm hb 产生多径的原因：直射、反射、散射、绕射 9 3.1.3 产生多径的原因 直射：自由空间传播（LOS） 反射：当电波信号传播碰撞到大大于信号波长的障碍物时发生反射 散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物且障碍物的个数 非常大时发生散射 绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射 费涅尔区 反射、散射、绕射为影

5、响电波传播的三种机制 10 3.1.4 自由空间传播（LOS） 自由空间传播 指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电 波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产 生反射或散射 无干扰，无阻挡 实际情况 只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数 和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收 天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波 可视作在自由空间传播。 11 3.1.5 直射波-视距传播 自由空间传播（由于辐射能量的扩散而引起能量衰减） 接收点的电波功率（式3-9）： 有效接收面积 ，GT，GR分别为发射和接收天线增益

6、 传播损耗： 自由空间损耗 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） 电波在自由空间中的损耗只与工作频率电波在自由空间中的损耗只与工作频率 f 和传播距离和传播距离 d 有关。有关。 当当 f 或或d 增大一倍时，损耗将分别增加增大一倍时，损耗将分别增加6dB 12 3.1.6 反射波 概念 反射系数R：定义为反射波场强与入射波场强的比值，可表示为 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 水平极化波 垂直极化波 式中， c是反射媒质的等效复介电常数，它与反射媒质的相对介电常数r 、电 导率和工作波长有关: c = r j60 对于地面反射波：当 f 150MHz (2m)时，Tc，则会产生时间选择性衰落； 一般情况下 T167bps 25 3.2.6 慢衰落（大尺度衰落） 概念：在信号电平发生快衰落的同时，其局部中值电平还随地点、时间、 以及移动台速度作比较平缓的变化，称为慢衰落。它反映了中等范围内(数百 波长量级)接收电平的均值变化，又称为大尺度衰落。 产生的原因 阴影效应：衰落速率与工作频率无关，主要决定于传播环境及移 动台

8、速度 大气折射：大气介电常数的变化，衰落速度更慢，常忽略 慢衰落近似地服从对数正态分布 r为接收信号的局部均值；m为r的期望值；为标准偏差 2 2 2 )( exp 2 1 )( mr rp 26 概念：移动台在运动时，接收场强出现快速、大幅度的周期变化，这 种变化称为多径快衰落 产生的原因 多径效应 多普勒效应 三种典型情况 只有多径效应： 只有多普勒效应： 多径 + 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-快衰落包络统计特性 指在无直射波的N个路径传播时，若每条路径的信号幅度 为高斯分布、相位在02为均匀分布，则合成信号包络分 布为瑞利分布： )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 为随机变量的标准偏差，(r)为包络概率密度函数 2 1 exp 1 )( 当r=时 r/ (r)为最大值， r在 值出现的可能性最大 当r=1.177时 177. 1 0 2 1 )(drr 衰落信号的包络有50%概率大于 1.

10、177，称为包络r的中值 28 3.2.9 莱斯(Rician)分布 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 当a0时，莱斯分布趋近于瑞利分布，此时主信号减弱到与其它 多径信号分量的功率一样 K - dB时，莱斯 分布转变为瑞利分布 2 0 2 22 2 ra I 2 arr r exp)( r/ a-直达波振幅 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 衰落储备量 为了防止因衰落(包括快

11、衰落和慢衰 落)引起的通信中断，在信道设计中 ，必须使信号的电平留有足够的余 量，以使中断率R小于规定指标。 这种电平余量称为 衰落储备的大小决定于地形、地物 、工作频率和要求的通信可靠性指 标。通信可靠性也称作，并 用T表示，它与中断率的关系是 T=1-R。 如f=450MHz，T=99%，则衰落储 备量约为：22.5dB。 30 3.2.11 快衰落瞬时幅度特性 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，如图中电平通过率为4/T； 衰落速率: : 指单位时间内信号以正斜率通过中值电平的次数； 衰落深度: : 指信号的有效

12、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。可以判定 语音受影响的程度，以 及在数字通信中是否会 发生突发性错误和突发 性错误的长度 31 3.2.12 结 论 多径效应和多普勒效应使接收信号包络变化接近瑞利分 布。 在典型移动信道中，衰落深度达到3030dBdB左右，衰落速率( 最大衰落率为2v/)约30403040次/ /秒 32 3.2.13 如何研究多径？ 从接收信号的角度进行统计分析 接收信号的幅度变化及分布 接收信号的到达角分布 从多径的数学表达式角度分析 研究多径中每径幅度的分布 研究每径的到达角和分布 研究每径的时

13、延特性及分布 从模型的角度 33 3.2.14 多径时散 基站天线 3 4 2 1 实际上，各个脉冲幅度是随机变化的，他们 在时间上可以互不交叠，也可以相互交叠， 甚至随移动台周围散射体数目的增加，移动 台所接收到的一串脉冲将会变成有一定宽度 的连续脉冲信号。引起码间干扰 )()( 1 0 ttSatS i i N i i )()( 0 tatSiT 式中，ai是第i条路径的衰减系数；i(t)为 第i条路径的相对延时差。 多径的性质是随 时间而变化的 34 时延扩展可以用实测信号的统计平均的方法来定义. 时延谱（多径散布谱）（多径散布谱）：不同时延信号强度所构成根据统计测试结果 平均时延： E

14、(t)的一阶矩，数学期望、均值 时延扩展： E(t)的均方根值，表征时延扩展对平均时延的偏离程度。越大，时延 扩展越严重；越小，时延扩展越轻。 最大时延max ：是以信号强度下降30dB时测定的时延值 3.2.15 多径时延谱 2 0 2 0 )( )( dttEt dtttE 35 3.2.16 不同环境下的时延扩展 不同环境下，平均时延扩展是不一样的：一般情况下，市区的时 延要比郊区大，市区传播条件更为恶劣。如无抗多径措施，要求码元周期 T，即数字信号的传输速率Rb1/ 参数市区郊区 平均时延平均时延 （ s）1.52.50.1.2.0 时延扩展时延扩展 （ s）1.03.00.22.0

15、最大时延最大时延 （ s）5.012.03.07.0 工作频段为450MHz或900MHZ max 36 目的：研究信号中不同频率分量通过多径衰落信道后的衰落是否相同 Bc为多径时散的相关带宽 对于调角信号，工程上估算： 例：=3s，Bc=1/(2)=53kHz， 此时传输信号的带宽应80m 48 3.3.8 电波传播路径的环境分类 按照地物的密集程度分为按照地物的密集程度分为 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 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12层楼房 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

16、建筑区：多为28层，间或40层高楼 中小建筑区：多为25层，间或20层高楼 平房建筑区：多为24层 49 3.3.9 中等起伏地形上传播损耗的中值 -市区基本损耗中值 基本中值：在计算各种地形、地 物上的传播损耗时，均以中等起伏 地上市区的损耗中值或场强中值作 为基准，因而把它称作基准中值或 基本中值。 纵坐标是以自由空间的传播损 耗为0dB的相对值。且： 基站天线的高度hb=200m， 移动台天线高度hm=3m 频率升高距离增大，市区传 播基本损耗中值都将增加 中等起伏地上市区基本损耗中值 50 3.3.10 基站天线高度增益因子Hb(hb, d) 如果基站天线的高度不是 200m，则损耗中

17、值的差异用 基站天线高度增益因子Hb(hb, d)表示。 图中给出了不同通信距离d时， Hb(hb, d)与hb的关系 当hb200m时，Hb(hb, d)0dB； 当hb200m时，Hb(hb, d)3m时，Hm(hm, f)0dB； 当hm3m时，Hm(hm, f)1km) 微蜂窝微蜂窝(hm， Lrts0) Lmsd多重屏障的绕射损耗 （ Lmsd 0） 3.4.7 WIM模型-非视距传播 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模型参数定义 hROOf：建筑物高度 w：街道宽度 B：建筑物间隔 ：相对于街道平面的直射波 方向 71 3.4.9 室内移动通信系统的多种形式 室内无绳电话 移动台在室内与其他用户进行移动通信(基站建于室外基站建于室外) 室内覆盖系统，供用户在不同楼层之间通话(基站建于室基站建于室 内内) 地铁、隧道、矿井、地下商场内的通信 72 3.4.10 室内传播的主要特征 室内模型研究较少，是移动无线信道新的研究领域 主要特征： 覆盖距离更小，环境相对变动更

19、大； 距离短，更接近“近场”； 门的开关和天线安装等对室内信号场强的影响非常大； 更“混乱”，散射波更多，LOS更少。 73 3.4.11 基于COST231的室内路径损耗耗模型 室内路径衰耗模型 参数定义见教材P122 室内路径衰耗简化模型 L应大于自由空间损耗 f b n n wiwicfs LnLkLLL ) 1 2 ( )46. 0 1 2 ( 3 .18lg3037 n n ndL 74 3.4.12 建筑物的穿透损耗 穿透损耗： 用建筑物附近道路中央的场强与在室内不同楼层中测得的场强 之差表示 穿透损耗与建筑材料的关系 钢筋混凝土结构的损耗大于砖石和土木结构 损耗随穿透深度而增大

20、穿透损耗与楼层的关系 楼层越高损耗越小 穿透损耗与频率的关系 频率低的损耗大；频率高 的损耗相对小 75 3.4.13 隧道内的传输损耗 在限定空间中，电波的传 播损耗很大，通信距离很 短。 当传播路径上出现障碍物 （如汽车）或通道弯曲时 ，损耗还会增大。 频率越低，损耗越大 400MHz的损耗为 4050dB/km。 150MHz的损耗为 100150dB/km 76 无线网络规划设计无线网络规划设计 1 1、现场勘察与基站初始布局、现场勘察与基站初始布局 2 2、电波传播（场强）测试、电波传播（场强）测试 3 3、资料收集与需求分析、资料收集与需求分析 4 4、业务量预测与容量规划、业务量

21、预测与容量规划 5 5、小区规划、小区规划 6 6、场强预测与覆盖分析、场强预测与覆盖分析 7 7、频率规划与干扰分析、频率规划与干扰分析 8 8、参数规划、参数规划 9 9、话务分析、话务分析 1010、无线资源参数设计、无线资源参数设计 导频强度 77 78 无线规划设计流程无线规划设计流程 WCDMA无线设计步骤 无线链路预算 和容量估算 传播覆盖仿真 系统仿真 研究 更高的精度 79 Level 1: Level 1: 链路预算链路预算 根据要求覆盖的面积计算基站的数量根据要求覆盖的面积计算基站的数量 Start链路预算分析链路仿真算基站数量 1 A 1 B 1 C 输入： 均匀分布的

22、基站位置 均匀的手机分布位置和统一的 运动速度 一致的传播模型和多路径模型 均匀话务量 链路级/系统级参数 输出： Eb/No的需求值/ 手机运动速 度/ 业务 输入： Eb/No要求值/ 业务 地理区域划分 覆盖可靠性 相同的小区负荷(75%等于 6 dB 干扰余量I.M) 穿透损耗 系统/手机/基站参数 传播模型 最大业务速率/地理分区 输出: 小区覆盖范围/ 地理分区 输入: 总面积/地理分区 小区覆盖/ 地理分区 输出: 基站数量/ 地理分区 80 Level1: Level1: 容量估算容量估算 根据容量的要求计算基站的数量和配置根据容量的要求计算基站的数量和配置 业务的模型化 输入: 地理分区 用户数量 用户增长预测 话务量/ 用户/ BH/ 地理分区 吞吐量/ 业务/地理分区 业务混合比例/地理分区 输出t: 总的等效话务量（Erl. 或kbps) 基站容量计算 输入: Eb/No要求值/ 业务 承载速率/业务 F因子（I因子和因子） 激活因子 目标干扰