移动通信电波传播和传播预测模型介绍

1、2目录目录概述概述1自由空间的电波传输自由空间的电波传输23456Mobile Communication Theory3基站天线、移基站天线、移动用户天线和动用户天线和两付天线之间两付天线之间的传播路径的传播路径传播损耗和传播损耗和弥散弥散阴影衰落阴影衰落多径衰落多径衰落多普勒频移多普勒频移直射、反射、直射、反射、绕射和散射以绕射和散射以及它们的合成及它们的合成复杂的无线复杂的无线电波传播环电波传播环境境移动通信移动通信信道信道衰落的衰落的原因原因无线电无线电波传播波传播方式方式衰落的衰落的表现表现移动信道的移动信道的基本特性基本特性 衰落特性衰落特性Mobile Communication

2、 Theory4v 大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落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论分析方法理论分析方法（如射线跟踪法）现场测试方法现场测试方法（如冲激响应法） 应用成果应用成果传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础考虑问题考虑问题衰落的物理机制功率的路径损耗接收信号的

3、变化和分布特性Mobile Communication Theory7传播传播损耗损耗接收接收功率功率传播传播损耗损耗接收接收换算换算ttrrGPdAP24自由空间自由空间电波传播电波传播分贝表示分贝表示 dfLlog20log2045.32() 10log ()rrP dBmP mW() 10log ( )rrP dBWP WMobile Communication Theory8 反射反射散射散射绕射绕射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应 l2 ()lACCBAB 2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PP Mobile Communication Theory13惠更斯菲涅尔惠更斯菲涅尔原理原理菲涅尔区菲涅尔区基尔霍夫公式基尔霍夫公式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场强粗糙表面下的反射场强Mobile Communication Theory1710( , )10ml rr10log ( , )10logl rmrMobile Communication Theory18Mobile Communication Theory192.5.1 多径衰落的基本特性Mobile Communication Theory202.5.1 多径衰落的基本特性Mobile Comm

6、unication Theory21cosvfdmfvMobile Communication Theory22Mobile Communication Theory23Mobile Communication Theory24Mobile Communication Theory25传输信号假设第i径的路径长度为xi、衰落系数（或反射系数）为接收信号式中，c为光速； 为波长。又因为 所以 式中 为时延。 实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时 延都不同的各个路径的总和。 ( )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 考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为路径的变化量输出复包络简化得 （）其中， 为最大多普勒频移。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数量级小可忽略可忽略mfMobile Communication Theory27多径和多普勒效应对传输信号的影响 令 式中 代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟（实际迟延减去所有分量取平均的迟延），它随时间变化 在任何时刻t，随机相位 都可产生对 的影响，引起多径衰落。冲击响应 由（）式得 冲击响应 式中， 、 表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位 包含了在第i个增量延迟内一个多径分量所有的相移；

9、为单位冲击函数。如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离具有不变性，信道冲击响应可以简化为此冲击响应完全描述了信道特性，相位 服从 的均匀分布,( )22cosicimiciD itff tt ( )( )( )( , )ijtiiir tas tes th t( )( , )ijtiiih ta e 多径延迟影响多普勒效应影响i( )it( )r tiai( )it ( )( )ijtiiiha e i0,2Mobile Communication Theory28功率延迟分布功率延迟分布PDP时间色散时间色散多普勒功率谱密度多普勒功率谱密度DPSD角度谱角度谱PAP频率色散频率色散角

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分类 不同频率分量的衰落 信号波形频率选择性衰落 不一致 失真失真非频率选择性衰落（平坦衰落） 相关的 一致的 不失真不失真数字通信系统信号带宽小

12、于信道相关带宽信号带宽小于信道相关带宽BsBc平坦衰落平坦衰落频选衰落频选衰落码间干扰码间干扰Mobile Communication Theory34Mobile Communication Theory35假设接收信号由N个经过多普勒频移的平面波合成， b为平均功率 表示在角度 内的入射功率， 表示接收天线增益，用 表示功率谱，则典型的多普勒功率谱 由图可见，由于多普勒效应，接收信号的功率谱展宽到 和 范围平坦的多普勒功率谱 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时间选择性衰落码元间隔大于信道相关时间码元间隔大于信道相关时间TsTc时选衰落时选衰落误码误码290.42316mcmTffMobile Communication Theory38Mobile Communication Theory39200()( )( )pdpd 00( )( )pdpd0,360Mobile Commu

14、nication Theory40空选衰落空选衰落:天线空间距离大于相关距离天线空间距离大于相关距离Dc非空选衰落非空选衰落:天线空间距离远小于相关距离天线空间距离远小于相关距离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图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 莱斯分布莱斯分布 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依据 分类时间色散频率选择性衰落信道平坦衰落信道频率色散快衰落信道慢衰落信道是否考虑角度色散标量信道（时，频）矢量信道（时、频、空）Mobile Communication Theory50频率选择性衰落平坦衰落 原因信道具有恒定增益和相位的带宽范围小于发送信号带宽 时间色散 码间干扰信道具有恒定增益和相位的带宽范围大于发送信号带宽频谱特性不同频率获得不同增益在接收端保持不变 条件 Bs Bc Ts

18、Bs 10sTMobile Communication Theory51快衰落慢衰落原因冲激响应变化快于基带信号变化信道冲激响应变化比不上基带信号变化条件TsTc BsBd TsBdMobile Communication Theory52衰落深度衰落深度衰落速率衰落速率电平电平通过率通过率衰落持续时间衰落持续时间Mobile Communication Theory53 衰落率 信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数，即包络衰落的速率与与发射频率发射频率，移动台行进，移动台行进速度和方向速度和方向以及多径传播以及多径传播的的路径数路径数有关有关平均衰落率平均衰落率衰落深度 信号有效值

19、与该次衰落的信号最小值的差值。31.85 102Af Mobile Communication Theory54单位时间内信号包络以正斜率通过某一规定电平值R的平均次数意义 描述衰落次数的统计规律： 深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁表达式 式中 为信号包络r对时间的导函数平均电平通过率 由于电平通过率是随机变量，通常用平均电平通过率来描述。 对于瑞利分布可得 式中 fm为最大多谱勒频率， 其中信号平均功率 ， 为信号有效值 0rd)r,R(pr)R(Nr 22)(efRNmrmsRR2R 02222dr)r(pr)r(E 2Rrms Mobile Communication T

20、heory55信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比v表达式v意义 描述了衰落次数的统计规律v平均衰落持续时间 衰落是随机发生的，只能给出平均衰落持续时间 对于瑞利衰落，可得 RRNRrP )1e(f212mR Mobile Communication Theory56 负斜率 T 正斜率 t1 t2 t3 t4 1 2 3 4 R TRn/4)( 414/)(itRt T 0 图图211 电平通过率和平均衰落持续时间电平通过率和平均衰落持续时间Mobile Communication Theory57Mobile Communication Theory58Mobile Communication Theory59terra