移动通信-第3章-移动信道传播特性

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33.0.1 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43.0.2 为什么研究无线信道 研

2、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53.0.3 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 反映某种特定信道的详细特性 计算机模拟 能快速

3、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73.1.1 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，传播距离迅速减小，因此，在VHF/UHF频段，地表面波的传播可

4、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83.1.2 多径传输信道模型dd1d2hmhb 产生多径的原因：直射、反射、散射、绕射93.1.3 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、绕射为影响电波传播的三种机制103.1.4 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

5、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。 113.1.5 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 传播损耗： 自由空间损耗TTRRGPdAP24RRGA42)()4(22WGGPPRTTR)()(lg20)(lg

6、2044.32dBMHzfkmdLfs24dPPLRT（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6dB123.1.6 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TaobcRhrd1d2htzzRsinsinccz2cos2coscz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)

7、时，Tc，则会产生时间选择性衰落； 一般情况下 T167bps253.2.6 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222)(exp21)(mrrp26 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

8、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)(01tfjAtsNii)cos(2exp)(0tvfjAtscos2exp2exp)(01iNiivtjtfjAts273.2.8 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(21)(2222222022rerdrrerrr均 值：均方值：0253. 12)()(drrrrEm20222)()(drrrrE为随机变

9、量的标准偏差，(r)为包络概率密度函数21exp1)( 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. 1021)(drr衰落信号的包络有50%概率大于1.177，称为包络r的中值283.2.9 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202222raI2arrrexp)(r/a-直达波振幅012345678900.10.20.30.4

10、0.50.60.7P(r)K=6dBK222lg10)(adBK293.2.10 衰落储备量 为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)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。303.2.11 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；

11、 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313.2.12 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323.2.13 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

12、析 研究多径中每径幅度的分布 研究每径的到达角和分布 研究每径的时延特性及分布 从模型的角度333.2.14 多径时散基站天线3421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 )()(10ttSatSiiNii )()(0tatSiT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

13、均时延： E(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2020)()( dttEtdtttE353.2.16 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最大时延最大时延 （

14、s）5.012.03.07.0工作频段为450MHz或900MHZmax36 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80m483.3.8 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 中等稠密建筑区：多为28层，间或40层高楼

15、中小建筑区：多为25层，间或20层高楼 平房建筑区：多为24层493.3.9 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503.3.10 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，则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb(hb, d)表示。 图中给

16、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msdrtsbLLLL0)(lg20)(lg204 .320MHzfkmdLorimrtsLhfwLlg20lg10lg109 .169055)35(114. 00 . 45535)35(075. 05 . 2350354. 010Lori=bfKdKKLLfdabshm

17、sdlg9lglg703.4.8 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713.4.9 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723.4.10 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。733

18、.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fbnnwiwicfsLnLkLLL)12()46. 012(3 .18lg3037nnndL743.4.12 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 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753.4.13 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

19、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/km76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

20、 1010、无线资源参数设计、无线资源参数设计导频强度7778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79Level 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 1A1B1C输入：均匀分布的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80Level1: 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