无线传播环境课件

1、第第2 2章章 无线传播环境无线传播环境 无线信道基本传播特性无线信道基本传播特性2.1 无线信号的大尺度传播特性无线信号的大尺度传播特性2.2 无线信号的小尺度传播特性无线信号的小尺度传播特性2.3 小 结 2.4 本章内容本章内容 无线信道基本传播特性无线信道基本传播特性 无线信号的大尺度传播特性无线信号的大尺度传播特性 无线信号的小尺度传播特性无线信号的小尺度传播特性 本章重点本章重点 电磁信号基本传播机制电磁信号基本传播机制 多径传播与多普勒频移多径传播与多普勒频移 统计多径信道模型统计多径信道模型 学习本章目的和要求学习本章目的和要求 了解无线信道基本传播特性了解无线信道基本传播特性

2、 掌握无线信号的大尺度传播特性掌握无线信号的大尺度传播特性 了解多径传播与多普勒频移的基本特了解多径传播与多普勒频移的基本特性性 无线信道定义为基站天线与移动台天无线信道定义为基站天线与移动台天线之间的电磁传播路径，包括发射与接收线之间的电磁传播路径，包括发射与接收天线本身以及两付天线之间的传播介质，天线本身以及两付天线之间的传播介质，在移动通信中传播介质通常为大气。在移动通信中传播介质通常为大气。 总体来讲，无线传播路径分为视距传总体来讲，无线传播路径分为视距传播（播（Line-of-sight，LOS）和非视距传播）和非视距传播（Non-line-of-sight，NLOS）。）。 2.1

3、.1 自由空间传播模型自由空间传播模型 自由空间传播模型通常可以用于预测自由空间传播模型通常可以用于预测传播路径上无任何遮挡与反射物的传播路径上无任何遮挡与反射物的LOS信信号传播条件下的接收信号强度。号传播条件下的接收信号强度。 自由空间传播模型假设发射天线和接自由空间传播模型假设发射天线和接收天线都放置在均匀无限大的传播空间中，收天线都放置在均匀无限大的传播空间中，且接收天线处于发射天线辐射的远场区域，且接收天线处于发射天线辐射的远场区域，即在此远场区域中的任意一点电场方向、即在此远场区域中的任意一点电场方向、磁场方向和电磁波传播方向两两互相垂直。磁场方向和电磁波传播方向两两互相垂直。 设

4、设d为发送天线与接收天线间的距离，为发送天线与接收天线间的距离，那么，接收信号的功率那么，接收信号的功率Pr(d)可以用如下公可以用如下公式表达式表达LdGGPdP222rttr)(4)( 式中：式中：Pt是发射功率；是发射功率；Gt是发射天线增益；是发射天线增益；Gr是接收天线增益；是接收天线增益；L是与无线传播无关的系统是与无线传播无关的系统损耗因子（损耗因子（L1）；）； 是波长。是波长。 发射和接收天线的增益都是天线本身发射和接收天线的增益都是天线本身的设计参数，通常与天线的大小、天线单的设计参数，通常与天线的大小、天线单元的间距与相位设计，以及发送和接收天元的间距与相位设计，以及发送

5、和接收天线之间的连线与天线主瓣之间的夹角有关。线之间的连线与天线主瓣之间的夹角有关。 2.1.2 电磁信号基本传播方式电磁信号基本传播方式 在实际移动通信传播环境中，反射、在实际移动通信传播环境中，反射、绕射和散射是无线信号三种主要的传播方绕射和散射是无线信号三种主要的传播方式。式。 （1）反射：）反射： 当电磁波遇到比波长大得多的物体时当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。和墙壁表面。（2）绕射：）绕射： 当接收机和发射机之间的无线路径被当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。尖利的边缘阻挡时发生

6、绕射。（3）散射：）散射： 当波穿行的介质中存在小于波长的物当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。时，发生散射。 1信号的反射信号的反射 2信号的绕射信号的绕射 3信号的散射信号的散射 在无线通信中，将由发射与接收天线在无线通信中，将由发射与接收天线间距、收发天线之间的地形、建筑物、植间距、收发天线之间的地形、建筑物、植被等导致的信号功率衰减称为无线信号的被等导致的信号功率衰减称为无线信号的大尺度传播特性。大尺度传播特性。 大尺度传播特性主要包括路径损耗和大尺度传播特性主要包括路径损耗和阴影衰落。路径损耗主要是由收

7、发天线间阴影衰落。路径损耗主要是由收发天线间距、传播信号载频和地形因素导致；而阴距、传播信号载频和地形因素导致；而阴影衰落主要是由于建筑物或地形遮挡导致影衰落主要是由于建筑物或地形遮挡导致某些区域接收信号突然下降。某些区域接收信号突然下降。 确定某一特定地区的大尺度传播环境确定某一特定地区的大尺度传播环境的主要因素有：的主要因素有：（1）自然地形（高山、丘陵、平原、）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；水域等）；（2）人工建筑的数量、高度、分布）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；和材料特性；（3）该地区的植被特征；）该地区的植被特征；（4）天气状况；）天气状况；（5）自然和人为的电磁噪声

8、状况。）自然和人为的电磁噪声状况。 通常，在无线网络规划中对大尺度传通常，在无线网络规划中对大尺度传播特性采取经验模型与确定模型相结合的播特性采取经验模型与确定模型相结合的方法。方法。 所谓经验模型就是根据大量实地测试所谓经验模型就是根据大量实地测试的结果进行统计建模分析得到的近似计算的结果进行统计建模分析得到的近似计算公式，而确定模型是在获得网络规划场景公式，而确定模型是在获得网络规划场景中具体传播环境参数后直接用电磁传播理中具体传播环境参数后直接用电磁传播理论对大尺度传播特性进行计算，常用的计论对大尺度传播特性进行计算，常用的计算方法有射线跟踪法、几何绕射法等。算方法有射线跟踪法、几何绕射

9、法等。 以下是本书中所用到的主要参数的定以下是本书中所用到的主要参数的定义：义： hm移动台天线高度；移动台天线高度； rm移动台到最近的建筑物之间的距移动台到最近的建筑物之间的距离；离； h0建筑物的典型高度（一般取平均建筑物的典型高度（一般取平均高度）；高度）； hb基站天线高度；基站天线高度； d 基站到移动台之间的距离（基站到移动台之间的距离（m）；）； D = d 10 3 基站到移动台之间的距基站到移动台之间的距离（离（km）；）； f 载波频率（载波频率（Hz）；）； fc = f 10 6 载波频率（载波频率（MHz）；）； 自由空间中波长（自由空间中波长（m）。）。 2.2.

10、1 路径损耗与阴影衰落路径损耗与阴影衰落 1路径损耗路径损耗 路径损耗（单位路径损耗（单位dB）通常可以表达为）通常可以表达为00log10)()(ddndPLdPLn:路径损耗指数；路径损耗指数；d0是离基站足够近是离基站足够近的路径参考点。的路径参考点。 2阴影衰落阴影衰落 在实际传播环境中，即使两个移动台在实际传播环境中，即使两个移动台与基站之间的路径损耗相同，其各自的能与基站之间的路径损耗相同，其各自的能量衰减也可能有很大差异，而这一差异就量衰减也可能有很大差异，而这一差异就是由阴影衰落引起的。是由阴影衰落引起的。 XddndPLdPL00log10)()( 式中：式中：X 服从均值为

11、服从均值为0、方差为、方差为 的正的正态分布，态分布， 根据系统所处的不同传播环境根据系统所处的不同传播环境而不同，多是根据实地测量数据而确定，而不同，多是根据实地测量数据而确定，其典型值为其典型值为5dB10dB。 2.2.2 常用室外传播预测模型常用室外传播预测模型 1宏蜂窝的传播模型宏蜂窝的传播模型 宏蜂窝小区（宏蜂窝小区（macro cell）的覆盖半径）的覆盖半径大多为大多为1km25km，多用于解决大面积的，多用于解决大面积的覆盖问题。覆盖问题。 （1）奥村模型（）奥村模型（Okumura-Hata Model） Okumura模型为预测城区信号时使用模型为预测城区信号时使用最广泛

12、的模型。应用频率在最广泛的模型。应用频率在150MHz1920MHz之间（可扩展到之间（可扩展到3000MHz），），距离为距离为1km100km之间，天线高度在之间，天线高度在30m1000m之间。之间。 该种模型的主要缺点是对城区和郊区该种模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反应较慢。预测和测试的路径快速变化的反应较慢。预测和测试的路径损耗偏差为损耗偏差为10dB14dB。 这种方法包括按照地形地貌将预测区这种方法包括按照地形地貌将预测区域分为不同的类别：即开阔地、郊区和城域分为不同的类别：即开阔地、郊区和城区。区。 （2）COST 231-Hata模型模型 该模型是针对中小城市的，适用

13、于工该模型是针对中小城市的，适用于工作频率在作频率在1500MHz2000MHz之间，之间，hb在在30m200m之间，之间，hm在在1m10m之间，之间，d在在1km20km之间。之间。 2微蜂窝的传播模型微蜂窝的传播模型 微蜂窝小区（微蜂窝小区（micro cell）是在宏蜂窝）是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的一门技术，它的小区的基础上发展起来的一门技术，它的覆盖半径大约为覆盖半径大约为30m300m。在微蜂窝中，。在微蜂窝中，基站天线的高度通常与街道的灯柱等高，基站天线的高度通常与街道的灯柱等高，一般在地平面以上一般在地平面以上3m6m。 此时，其主要传播机制是自由空间传此时，其主要传播

14、机制是自由空间传播加上小区覆盖范围内的多次反射和散射，播加上小区覆盖范围内的多次反射和散射，以及建筑物的侧面和屋顶的绕射影响。以及建筑物的侧面和屋顶的绕射影响。经验模型经验模型双斜率经验模型（双斜率经验模型（Dual-Slope Empirical Model） 2.2.3 常用室内传播预测模型常用室内传播预测模型 研究室内电波传播，建立有实用意义研究室内电波传播，建立有实用意义的室内电波传播模型，可以为室内无线通的室内电波传播模型，可以为室内无线通信系统的设计提供最佳网站配置的依据。信系统的设计提供最佳网站配置的依据。 室内无线信道有两个方面不同于传统室内无线信道有两个方面不同于传统的移动无

15、线信道的移动无线信道覆盖距离更小，环境覆盖距离更小，环境的变动更大。室内的电波传播不受气候因的变动更大。室内的电波传播不受气候因素（如雨、雪和云等）的影响，但要受建素（如雨、雪和云等）的影响，但要受建筑物的大小、形态、结构、房间布局及室筑物的大小、形态、结构、房间布局及室内陈设的影响，最重要的是建筑材料的影内陈设的影响，最重要的是建筑材料的影响。响。 室内无线传播同室外具有同样的方式：室内无线传播同室外具有同样的方式：反射、绕射和散射。反射、绕射和散射。 一般来说，室内信道分为视距（一般来说，室内信道分为视距（LOS）或阻挡（或阻挡（OBS）两种，并随着环境杂乱程）两种，并随着环境杂乱程度而变

16、化。度而变化。 1分隔损耗（同楼层）分隔损耗（同楼层） 2楼层间分隔损耗楼层间分隔损耗 3对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型 4Ericsson多重断点模型多重断点模型距离（距离（m m）路径损耗下限路径损耗下限(dB)(dB)路径损耗上限路径损耗上限(dB)(dB)1 1r r101030+20log30+20logr r30+40log30+40logr r1010r r202020+30log20+30logr r40+30log40+30logr r2020r r4040 19+60log19+60logr r1+60log1+60logr r4040r r 115+120log

17、115+120logr r 95+120log95+120logr r表表2-12-1EricssonEricsson室内传播模型室内传播模型 5衰减因子模型衰减因子模型 6建筑物信号穿透损耗建筑物信号穿透损耗 2.2.4 传播模型的校准传播模型的校准 较准确的传播模型使得对基站的覆盖较准确的传播模型使得对基站的覆盖范围和网络的覆盖状况的预测变得更加精范围和网络的覆盖状况的预测变得更加精准有效。通常情况下的传播模型都是在经准有效。通常情况下的传播模型都是在经验模型基础上根据实测数据进行矫正得出验模型基础上根据实测数据进行矫正得出的结果。的结果。 1实地传播损耗的测量实地传播损耗的测量 2测量数

18、据的处理与传播模型的测量数据的处理与传播模型的矫正矫正 由于无线信号反射、绕射和散射特性由于无线信号反射、绕射和散射特性的综合作用，从发射天线到接收天线的传的综合作用，从发射天线到接收天线的传播路径不只一条，即一个发送信号经过传播路径不只一条，即一个发送信号经过传播环境会在接收端产生多个不同接收信号，播环境会在接收端产生多个不同接收信号，这些信号以不同的到达强度、不同的到达这些信号以不同的到达强度、不同的到达时间到达接收天线。时间到达接收天线。 这种现象成为无线信号的多径传播，这种现象成为无线信号的多径传播，每一条传播路径成为多径信号的一径。每一条传播路径成为多径信号的一径。 多径传播往往导致

19、以下现象的出现：多径传播往往导致以下现象的出现：（1）移动台的接收信号在一小段时）移动台的接收信号在一小段时间内快速变化，这一变化通常成为多间内快速变化，这一变化通常成为多径衰落；径衰落；（2）由每条径上信号多普勒频移导）由每条径上信号多普勒频移导致的对接收信号的随机调频；致的对接收信号的随机调频；（3）由于多径信号先后到达导致的）由于多径信号先后到达导致的接收信号在时间上的扩展。接收信号在时间上的扩展。 2.3.1 多径传播与多普勒频移多径传播与多普勒频移 在移动环境中，由于移动台的运动接在移动环境中，由于移动台的运动接收信号会发生频率偏移，称为多普勒频移。收信号会发生频率偏移，称为多普勒频

20、移。 图图2-1 瑞利衰落信号的功率谱（车速瑞利衰落信号的功率谱（车速50km/h）图图2-2 瑞利衰落信号的功率谱（车速瑞利衰落信号的功率谱（车速1km/h） 2.3.2 无线多径信道的主要技无线多径信道的主要技术参数与分类术参数与分类 1无线多径信道的主要技术参数无线多径信道的主要技术参数（1）时延扩展）时延扩展 在多径传播环境下，由于传播路径的在多径传播环境下，由于传播路径的差异将导致多径信号以不同的时间到达接差异将导致多径信号以不同的时间到达接收端。收端。 如果发射端发送的只是一个单脉冲信如果发射端发送的只是一个单脉冲信号，那么，接收端收到的将是多个具有不号，那么，接收端收到的将是多个

21、具有不同时延的脉冲的叠加。显而易见，从时间同时延的脉冲的叠加。显而易见，从时间域来看，接收信号出现了所谓的时延扩展。域来看，接收信号出现了所谓的时延扩展。 时延扩展对数字信号的传输有重要影时延扩展对数字信号的传输有重要影响。时延扩展与信道的电波传播环境密切响。时延扩展与信道的电波传播环境密切相关，不同时间、地域和用户情况的信道，相关，不同时间、地域和用户情况的信道，其时延扩展量有着显著的差异。其时延扩展量有着显著的差异。 图图2-3 典型的时延谱典型的时延谱（2）相关带宽和频率选择性衰落）相关带宽和频率选择性衰落 从频域来看，时延扩展可以导致频率从频域来看，时延扩展可以导致频率选择性衰落。选择

22、性衰落。 在图在图2-4中，根据知道的矢量相加的三中，根据知道的矢量相加的三角形法则，容易理解，粗黑线代表的矢量角形法则，容易理解，粗黑线代表的矢量正是反映信道特性的矢量正是反映信道特性的矢量K(t)，其长度正，其长度正反映了信道的衰减特性。反映了信道的衰减特性。 图图2-4 多径接收信号的矢量示意图多径接收信号的矢量示意图 图图2-5 多径信道的频域响应示意图多径信道的频域响应示意图（3）相干时间和时间选择性衰落）相干时间和时间选择性衰落 在前面已经指出，当移动台在传播径在前面已经指出，当移动台在传播径向移动时将使接收到的信号产生多普勒频向移动时将使接收到的信号产生多普勒频移，从而使接收信号

23、的功率谱展宽。移，从而使接收信号的功率谱展宽。 当运动方向与径向一致时，有最大的当运动方向与径向一致时，有最大的多普勒频移多普勒频移fm。而相干时间。而相干时间Tc定义为多普定义为多普勒频谱扩展宽度勒频谱扩展宽度FD的倒数，即的倒数，即Tc=1/FD。该参数表示由多普勒效应导致的信号衰落该参数表示由多普勒效应导致的信号衰落的衰落速度。这类衰落是在特定时间段发的衰落速度。这类衰落是在特定时间段发生的，因而被称为时间选择性衰落。生的，因而被称为时间选择性衰落。 2无线多径信道的分类无线多径信道的分类 上面详细讨论了多径传播产生的时域上面详细讨论了多径传播产生的时域扩展和多普勒效应导致的频域扩展。无

24、论扩展和多普勒效应导致的频域扩展。无论时域或频域中的扩展都意味着弥散，即本时域或频域中的扩展都意味着弥散，即本来分开的波形或频谱出现了交叠。来分开的波形或频谱出现了交叠。 出现了交叠的信道成为弥散信道。根出现了交叠的信道成为弥散信道。根据数字信号的码速率、带宽和多谱勒频展、据数字信号的码速率、带宽和多谱勒频展、时延扩展的关系，衰落信道可以分为以下时延扩展的关系，衰落信道可以分为以下四类。四类。（1）非弥散信道，即平坦衰落）非弥散信道，即平坦衰落(Flat Fading)。 （2）时间弥散信道，即频率选择性）时间弥散信道，即频率选择性衰落。衰落。 （3）频率弥散信道，即时间选择性）频率弥散信道，

25、即时间选择性衰落。衰落。 （4）时间频率弥散信道，即时间）时间频率弥散信道，即时间选择性衰落和频率选择性衰落同时存选择性衰落和频率选择性衰落同时存在。在。 图图2-6 发送符号周期发送符号周期图图2-7 发送基带信号带宽发送基带信号带宽 2.3.3 统计多径信道模型统计多径信道模型 1Rayleigh信道模型信道模型 多径衰落乃是移动台收到不同传播路多径衰落乃是移动台收到不同传播路径来的同一信号源的电波产生合成信号所径来的同一信号源的电波产生合成信号所造成的结果。通过下面的推导可得到多径造成的结果。通过下面的推导可得到多径信号的分布。信号的分布。 图图2-8和图和图2-9所示为车速分别为所示为

26、车速分别为20km/h和和50km/h下的下的Rayleigh衰落情况。衰落情况。由图可见，移动台移动得愈快，快衰落愈由图可见，移动台移动得愈快，快衰落愈剧烈。剧烈。 因此，由于通信范围的不断扩展，从因此，由于通信范围的不断扩展，从陆地环境到高空飞行时的通信，对移动通陆地环境到高空飞行时的通信，对移动通信技术提出了越来越高的要求。信技术提出了越来越高的要求。图图2-8 车速车速20km/h的瑞利衰落信号包络（经典谱）的瑞利衰落信号包络（经典谱）图图2-9 车速车速50km/h的瑞利衰落信号包络（经典谱）的瑞利衰落信号包络（经典谱） 2Rician信道模型信道模型 当到达接收机的信号中含有一个明显