第2课电波传播与信道

1、第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信移动通信移动通信-第二课第二课移动环境下的电波传播移动环境下的电波传播与移动信道与移动信道第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信内内 容容 移动通信中无线电波的传播特性 无线电波传播方式 反射 绕射 散射 自由空间电波传播模型 移动环境下的信道特点 多径衰落模型 三类主要快衰落 频率选择性衰落 时间选择性衰落 空间选择性衰落 移动通信系统的信道模型 地面反射（双射线）模型 室外传播的常用模型 室内对数距离损耗模型 多径信道模型 移动信道仿真实验方法第第2 2章章 移

2、动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信一. 移动通信中无线电波的传播特性第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信无线电波传播方式无线电波传播方式 传播路径直射波-视距传播（LOS）反射波绕射波散射波第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信自由空间电波传播模型自由空间电波传播模型1 自由空间功率通量密度（W/m2）： 通过球表面积的辐射功率：式中Gt 发射机天线增益。 在此覆盖区域范围内，接收机天线“捕获”此通量的一小部分。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的

3、电波传播与移动信道移动通信自由空间电波传播模型自由空间电波传播模型Friis自由空间传播方程 式中：L 为系统损耗因子，包括链路衰减、滤波器损耗、天线损耗，与传播无关。Pt 为发射机输出功率Gt 和Gr 为发射及接收天线增益 为载波波长d为收发天线间的距离200)()(dddPdPrr第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信自由空间电波传播模型自由空间电波传播模型 路径损耗假设d 处于远场（Fraunhofer region）：df D 且df ，其中df D2/ D 为天线最大直线长度 为载波波长fdd 第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信

4、道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信电波的反射电波的反射 良导体反射无衰减。 绝缘体只反射入射波能量的一部分： 反射造成180相移第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信反射系数反射系数第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信天线的极化方式天线的极化方式 电场的方向就是天线极化方向。 当电场强度方向垂直于地面时，称为垂直极化波； 当电场强度方向平行于地面时，称为水平极化波。 第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信绕射（衍射）机理绕射（衍射）机理 当波撞击在障

5、碍物边缘时发生绕射。“次波” 传播进入阴影区（惠更斯原理）；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。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信单个劈尖（Knife-edge)模型衍射增益 ：Gd=20lg|F(v)|第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信多个劈尖(Multiple Knife-edge)模型第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信散射机理散射机理 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

6、遇到粗糙表面时，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。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信散射因子散射因子 若平面上的最大突起高度h 小于hc，则认为表面光滑，反之则认为粗糙。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信二二. . 移动环境下的信道特点移动环境下的信道特点第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信移动信道的特点 传播的开放性 接收环境的复杂性市区近郊区农村 通信用户的随机移动性准静态慢速步行高速车载第第2 2章章 移动环境下的电

7、波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信移动信道中的干扰 码间干扰（ISI）满足奈奎斯特第一准则采取时域均衡 同信道干扰不能通过提高发射机的载波功率加以克服可采用多用户检测技术加以抑制 邻道干扰带内干扰影响较大，带外干扰影响较小。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信码间干扰S()OTsTsTs(a)s(t)S0O4Ts3Ts2Ts TsTs2Ts3Ts4Tst(b)第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信移动通信中的4种效应 四种效应阴影效应：由于大型建筑物或其他物体的阻挡而使接收区出现半

8、盲区。远近效应：移动用户与基站间距离的变化引起。多径效应：由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落。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。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信移动通信中的3类损耗 三种损耗大尺度空间自由空间传播路径损耗（Path loss）。中尺度空间慢衰落损耗：由阴影效应引起，表现为信号电平中值的慢变化。小尺度空间快衰落损耗：由多径效应引起的，反映波长量级上接收信号电平中值的快速变化。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信移动通信中的3类损耗

9、第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信慢衰落慢衰落第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信正态（高斯）分布正态（高斯）分布第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信移动环境下的快（多径）衰落移动环境下的快（多径）衰落第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信多径信道的包络统计特性多径信道的包络统计特性第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移

10、动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信瑞利（Rayleigh）分布第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信多径衰落模型莱斯（Rice）分布第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信多径衰落模型Nakagami 分布 从实际测量中总结出来的，与Rice分布非常相似。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信三类主要快衰落三类主要快衰落 产生的原因： 多径效应 多普勒效应 三类主要快

11、衰落空间选择性衰落角度扩展频率选择性衰落时延扩展时间选择性衰落频率扩展第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信空间选择性衰落角度扩展信道输入： 射频：单频等幅载波 角度域：脉冲式点波束信道输出： 时空域：同一时间、不同地点的衰落不同 角度域：点波束产生扩散第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信角度扩展与相关距离角度扩展与相关距离 相关距离：定义为两副天线的信道响应保持强相关的最大空间距离。 相关距离越短，角度扩展越大；反之相关距离越长，角度扩展越小。 典型的角度扩展值：室内360，城市20，平坦的农村1。

12、第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信频率选择性衰落时延扩展 信道输入： 频域：白色等幅频谱 时域：t时刻的一个冲激 信道输出： 频域：衰落起伏的有色谱 时域：冲激信号在时域产生了扩散第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信时延扩展与相关带宽时延扩展与相关带宽 相关带宽的意义在相关带宽内信号传输失真小；若信号带宽超过相关带宽，将产生较大失真和符号间串扰。其中，其中，Tm 为信道的多径扩展第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信时间选择性衰落多普勒频移信道输入：

13、时域：单频等幅载波 频域：单一频率f上的单根谱线（冲激）信道输出： 时域：包络起伏不平 频域：以f为中心产生频率扩展，扩展宽度为绝对多普勒频移第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信多普勒扩展与相关时间多普勒扩展与相关时间 相关时间的意义一般情况下，TsTc，则会产生时间选择性衰落其中，Bd为多普勒展宽第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信实际移动通信中3类选择性衰落第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信典型环境下的典型扩散值第第2 2章章 移动环境下的电波传

14、播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信三. 移动通信系统的信道模型第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信地面反射（双射线）模型第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信地面反射（双射线）模型)lg20lg20lg10lg10(lg40rtrthhGGdPL第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道

15、移动通信室外传播的常用模型 Hata 模型 Walfisch-Ikegami 模型 快速模型 微蜂窝Cost231 Hata 模型 微蜂窝Bertoni 模型第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信Hata 模型模型 Hata 模型源自Okumura（奥村）模型与Hata 公式。 适用于频率1001500MHz，传播距离在120km 的城市场强预测。修正因子第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信Walfisch-Ikega

16、mi（WIM） 模型模型适合高楼林立地区的中到大型蜂窝的场强确定，首先在欧洲用于GSM 建模。模型包含3个部分： 直射波的自由空间损耗 屋脊到街道的饶射和散射损耗 多次屏蔽穿透损耗因为考虑了街道宽度、街道饶射和散射的影响，Walfisch-Ikegami 模型比Hata模型更精确，也更复杂。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信Walfisch-Ikegami 模型模型注：有时还要考虑加上树木造成的衰落校正因子Lt，例如有无树叶时损耗相差35dB第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信Walfisch-I

17、kegami 模型模型 自由空间损耗的计算第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信Walfisch-Ikegami 模型模型 屋脊到街道的饶射和散射损耗的计算第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信Walfisch-Ikegami 模型模型 多次屏蔽穿透损耗的计算第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信快速模型快速模型 快速模型是较低等级的模型，用来粗略估计覆盖区域的总的传播期望值。 优点：快速估算。 缺点：不精确。 两个快速模型： 800MHz：PL12136l

18、gd 1900MHz：PL13040lgd第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信微蜂窝微蜂窝Cost231 Hata 模型模型第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信室内传播特点室内传播特点 室内模型研究较少，是移动无线信道新的研究领域。 室内传播的主要特征： 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 （视线）更少。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信室内传播

19、中的主要问题 信号盲区：电梯间、地下室、地下停车场、超过基站高度的高层建筑 “乒乓效应”：由于收到多个基站信号，且其强度相差不大，手机会在几个不同小区间来回切换，语音质量很差。 “孤岛”效应：小区用户无法正常切换而形成“孤岛”。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信建筑物的隔离损耗建筑物的隔离损耗1 隔离损耗与楼层的关系： 楼层越高，损耗越小。 隔离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。 隔离损耗与频率的关系： 频率低的损耗大，频率高的损耗相对小。第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环

20、境下的电波传播与移动信道移动通信建筑物的隔离损耗建筑物的隔离损耗2 隔离损耗：同楼层 墙，家具，设备 高度依赖于材料类型和频率 硬隔离vs 软隔离： 硬隔离随建筑而成 软隔离不到天花板 “框架” 建筑第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信建筑物的隔离损耗建筑物的隔离损耗3 隔离损耗：楼层间 取决于建筑结构和频率 “楼层损耗因子” 随着楼层增高而减小 典型值：1 楼：15 dB/层 2-5 楼：6-10 dB/层5 楼以上：1-2 dB/层第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信其他信道的损耗特性其他信道的损耗特性 建筑物的透射损耗建筑物的材料窗户开口面积、窗户数量信号频率接收机在建筑物内的位置 隧道的损耗第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信室内对数距离损耗模型室内对数距离损耗模型第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信传统镜像法的射线跟踪技术镜像法原理二次反射第第2 2章章 移动环境下的电波传播与移动信道移动环境下的电波传播与移动信道移动通信多径信道