1、1,移动通信原理,教师：朱徐来 ZHUXULAI126.COM,2,第三章 电波传播和移动信道 传输特性的研究,无线电波传播特性分析自由空间传播陆地传播机制 移动环境下的信道分析移动无线传播环境概述大尺度多径衰落模型 小尺度路径损耗模型,3,概要,无线电波传播特性分析自由空间传播陆地传播机制 移动环境下的信道分析移动无线传播环境大尺度多径衰落模型 小尺度路径损耗模型,4,相关知识- 无线电波的本质,无线电波属于电磁波，电磁波是变化着的电场和磁场共同产生的 。光也是一定波长的电磁波。所有电磁波在真空 都以一种速度传播 ( 光 速 c = 299792450 米 / 秒 )。 在 真 空 中 電
2、磁 波 的 傳 播 速 度 (c) 、 波 長 和 頻 率 ， 有 以 下 的 简单关系 ： (波 長) x (頻 率) = c 麦克斯韦科学地预言了电磁波的存在，并揭示了光、电、磁现象的本质的统一性赫兹第一次证实了电磁波的存在，且具有与光类似的特性俄国波波夫制作了无线电收发信机，作了用无线电传送莫尔斯电码的表演，当时拍发的报文是“海因里希赫兹”第一次以电磁波传递实际讯息是1897年意大利的马可尼开始的,5,相关知识- 无线频谱,电磁波按频率或波长可划分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线无线电波指从几赫兹到3000GHz范围内的电磁波，而其中30MHz到3GHz之间的频段比较
3、适合移动通信 无线频谱是非常宝贵的资源，在通信中，我们对频率使用有很严格的限制。国际上采用了比较统一的标准，比如移动通信就划分了一定的频率范围，每一个（连续的）频率范围我们称为频段。其他的频段用于卫星通信，微波通信等等。,6,相关知识 - 无线电波的相位,每一频率的电波有其相应的波长，我们把一个波长对应为2的相位，比如有两路相同频率的电波，在传输过程中，有一路电波比另外一路电波快了半个波长那么我们就说该电波比另外一路超前了相位，另外一路就比前面一路滞后了相位,7,自由空间传播（1）,什么叫自由空间？无任何衰减、无 任何阻挡、无任何多径的传播空间。无线电波在自由空间传播时，其单位 面积中的能量会
4、因为扩散而减少。这 种减少，称为自由空间的传播损耗。如图所示，发射功率为PT，发射天线 为各向均匀辐射，则以发射源为中心， d为半径的球面上单位面积的功率为：S PT / 4 d2,PT,d,8,自由空间传播(2),由于天线有方向性（设发射天线增益为GT）,则接收点的电波功率密度设接收天线的有效接收面积为 ，则其中Gr为接收天线增益， 为自由空间波长接收天线处的功率为,9,自由空间传播(3),使用近地距离 的参考距离 在室内环境典型值取为1m，室外环境取为100m或1km自由空间损耗及其分贝数表示 令： Pr / PT = Gr GT / LS 其中LS 定义为自由空间传播损耗 则： LS =
5、 (4 d / )2 = (4 f d / c )2,10,功率单位,无线信号的相对强度用分贝（db）来衡量.分贝是一个用10为底的对数表示的比值的单位，设P为系统中某一点的功率， 为参考点的功率，则用db表示的功率比值由 来计算.由于1db是一个比值或相对单位，db值本身并不确定测量参数的绝对值，而db的导出单位则可表示绝对值。有分贝瓦（dBW，相对于1W的分贝数）和分贝毫瓦（dBm，相对于1mW的分贝数）两个常用单位例如：GSM手机的最大发射功率2W换成分贝值为33dBm；手机接收到的信号强度40dBm为0.0001mW，70dBm为0.0000001mW,11,例：如果发射机发射50瓦的
6、功率，将其换算成(a)dBm和(b)dBW；如果该发射机 为单位增益天线,并且载频为900MHz,求出在自由空间中距天线100m处接受功率 为多少dBm。10km处Pr为多少？假定接收天线为单位增益 解：已知：发射功率，Pt=50W载频，fc=900MHz，则发射功率 (a) (b)100m处接受功率为：则,12,10km处功率为： 使用近地距离公式确定10km处的接收功率（dBm），其中 =100m,d=10km,13,概要,电波传播机制分析自由空间传播陆地传播机制 移动环境下的信道分析移动无线传播环境大尺度多径衰落模型 小尺度路径损耗模型,14,实际空间传播,15,传播路径,若从移动信道中
7、的电磁波传播上看主要可分为： 直射波-视距传播 反射波 绕射波另外，还有穿透建筑物的传播 以及空气中离子受激后二次发射的漫 反射产生的散射波但是它们相对 于直射波、反射波、绕射波都比较弱，,发射天线,接收天线,直射波,反射波,地表面波,16,反射（Reflection）,当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面,17,绕射（Diffraction）,当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射.,18,散射（Scattering）,当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表
8、面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等.,19,概要,无线电波传播特性分析自由空间传播陆地传播机制 移动环境下的信道分析移动无线传播环境大尺度模型分析小尺度模型分析,20,复杂的移动通信信道,首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强的快速波动。因此，接收信号中存在三类损耗和四种效应,21,接收信号中的三类损耗与四种效应,具有三类不同层次的损耗路径传播损耗慢衰落（损耗）快衰落（损耗） 四种主要效应阴影效应多径效应多普勒效应远近效应,22,传播信号的表示,由前面的定性
9、分析可得到传播的总损耗分别由大范围(大尺度、公里量级)的路径衰耗、中范围(中尺度、数百波长量级)的阴影效应和小范围(小尺度、数十波长以下)的快衰落共同决定。它可表示为：其中： 表示大范围的路径衰耗， ， 表示中范围的阴影效应损耗， 表示小范围内的快衰落损耗。 通常，使用大尺度模型和小尺度模型来分析移动信道传播特性,23,两种传播模型：大尺度模型和小尺度模型,24,二种传播模型（续）,大尺度路径损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。小尺度多径衰落传播模型描述移动台在极小范围内移动时，短距离或短时间上接收场强的快速变化，用于确定移动通信系统应
10、该采取的技术措施。,25,概要,无线电波传播特性分析自由空间传播陆地传播机制 移动环境下的信道分析移动无线传播环境大尺度模型分析小尺度模型分析,26,大尺度模型,描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的 变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。,27,对数距离路径衰减规律,基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外信道，平均接收信号的功率（dB）随距离的对数衰减。这种模型已被广泛地使用。对任意T-R距离，平均大尺度路径损耗表示为：其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗距离增长的速率。 n在不同环境下的取值如下表所示：,28,不同环境下路径损耗指数,29,阴影衰落,产生的原因 阴影效应：由位于
11、电波传播路经上的障碍物的阻挡而产生的损耗。特点：衰落速率与与地形地貌、用户移动的速度有关，而与工作频率无关大气折射，大气介电常数的变化，时变 统计特性 分布特性-对数正态分布其中， 为0均值，标准差为 的高斯分布随机变量 位置函数 时间函数 联合分布,30,无线传播模型,传播模型是小区规划的基础根据具体的使用环境，选用对应的传播模型传播模型校正CW测试利用数字地图等进行校正,31,大尺度模型：室外模型,Okumura(奥村)模型 适用频率范围150MHz-3GHz，距离1100km，基站天线高度30200m。 预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经成为系统规划的标准。 开发了一套在特定条件
12、下自由空间中值损耗的曲线。 缺点：对城区和郊区的快速变化反应较慢，和实际情况偏差约1014dB。,32,大尺度模型：室外模型（续）,Hata模型 适用频率范围150MHz -1.5GHz 根据Okumura曲线图所作的经验公式，以市区传播损耗为标准，并对其它地区进行修正。 市区路径损耗的标准公式。在1km以上的情况下，预测结果和Okumura模型非常接近。 缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半径为1km的个人通信系统。,其它模型 Hata模型的PCS扩展 WalfishBertoni模型 LEE微蜂窝模型,33,Okumura模型：其中： 和 由预测曲线查得Okumura -Hata 模
13、型公式：,34,COST-231-Hata模型公式：,35,大尺度模型：室内模型,一般说明 室内传播特点：覆盖距离更小，环境变化更大 受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放置的位置？人员的分布情况？ 室内信道可以分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种。,分隔损耗 同楼层的分隔损耗给出不同频段、不同材料不同分隔方式的损耗值。如：混凝土墙在1300MHz的损耗为815dB。 楼层间的分隔损耗和建筑物的材料、类型、层数、窗户及频段有关。一层的衰减要大，而五、六层以上的衰减很小。,36,室内路径损耗公式：对数距离路径损耗模型,37,例：使用Okumura模型求解d=50km, =100m, =
14、10m,郊区环境下的路径损耗。已知发射机的发射功率 为1kW,载频为900MHz,求接收功率（假定接收机天线为单位增益）。 解：自由空间路径损耗 可由公式计算：由Okumura曲线可得：和,38,而可得：,则可得总的中值路径损耗为：=125.5dB+43dB-(-6)dB-10.46dB-9dB=155.04dB 因此，接受功率中值为：=60dBm-155.04dB+0dB=-95.04dBm,39,概要,无线电波传播特性分析自由空间传播陆地传播机制 移动环境下的信道分析移动无线传播环境大尺度多径衰落模型 小尺度路径损耗模型,40,小尺度衰落模型,小尺度传播的主要效应：多径效应 多普勒效应,小
15、尺度衰落模型分析 存在的衰落及统计分布 时延扩展及相干带宽 多普勒频移及相干时间 移动信道分类,41,多径效应,定义： 由于移动信道中直射、反射和折射现象的同时存在，使得发射信号通过不同的传播路径，形成幅度、相位及到达时间相互区别的多个信号而到达接收台。并且不同多径成分的相位、幅度等都是随机、独立变化的多径效应引起的问题：额外的路径损耗、突发性误码、严重的码间干扰,42,小尺度衰落及分布, Rayleigh衰落 Rice衰落,43,Ricean分布与Rayleigh分布的关系,44,瑞利(Rayleigh)衰落（1）,设无直射波的N个路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且统计独立发送信
16、号为：接收信号为：令：则：x 和 y是独立随机变量之和，根据中心极限定律， x 和y 趋于正态分布。,45,瑞利(Rayleigh)衰落（2）,x和y是高斯过程，即其概率密度公式为：式中， 为信号的平均功率；tx或y。r(t)的包络为 而 由于x和y是统计独立的，则x和y的联合概率密度为把p(x,y)变成p(r, ），则,46,瑞利(Rayleigh)衰落（3）,从而，角度的分布为即 在0 内均匀分布。信号包络的分布密度为即信号包络服从瑞利分布。其中 是包络检波之前所接收的电压信号的均方根值；r是幅度值。,47,莱斯(Rician)衰落,指含有一个强直射波(LOS)的N个路径传播时，若每条路径
17、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。,48,移动多径信道的参数：,时延扩展和相干带宽，描述信道时间弥散特性多普勒扩展和相干时间，描述信道时变（频率扩展）特性发送信号特性（如带宽、符号间隔等）和信道特性（rms时延、多普勒扩展）决定了信号将经历不同类型的衰落,49,时延扩展（多径时散）,在多径传播条件下，当发射端发送一个极窄的脉冲信号 时，经过多条不同的传播路径后，接收端信号则为一串脉冲组成（可能是离散的，也可能联成一片），即其中，N和I都是随机变化的。这样，信号在时间轴上被“展宽”了，因此称这种现象为时延扩展（time delay spread）,50,描
18、述多径时延的统计参数：,最大时延扩展平均时延时延扩展.,51,典型的时延谱 典型的归一化时延谱 通常功率延迟分布来源于本地连续冲激响应的测量值取短时或空间平均,52,最大时延扩展 ( dB)归一化时延曲线比直达功率下降XdB （通常取30dB)时所对应的时延差(相对第一个到达的信号时间)，在不存在直达信号的情况下，可以将多径信号中具有最强功率的那一径作为比较基准平均时延 其中，t为相对时延值，p(t)为归一化的时延强度，它是不同时延信号分量具有的平均功率,53,rms(Root Mean Square)时延扩展,其中, 是多径信道时延特性的统计描述，表示时延扩展的严重程度。值越大，时延扩展越严
19、重；反之，时延扩展越轻微,54, P(t)多径时延谱:即信道输出的平均功率关于时延 的函数 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中的一个码元波形会扩展到其他码元周期中去，即造成码间干扰（ISI）. 为了避免码间干扰，如无抗干扰措施（如均衡等），应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展,即T ，或者等效地说码元速率小于1/ .,55,例：计算下图所给出的多径分布的平均附加时延，rms时延扩展及最大附加时延（10dB）。设信道相干带宽对应的相关系数取50%，则该系统在不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适？,解：可得给信号的平均附加时延为：,56,而：所以rms时延扩展为:而最大时延 （
20、10dB）由图中得到,为对应相干系数相干带宽为：因为Bc大于30kHz，所以AMPS不需均衡器就能正常工作。而GSM所需的200kHz 带宽超过了Bc，所以GSM需要均衡器才能正常工作。,57,时延统计特性,多径信号到达时刻的分布 指数分布-对于有近距离散射体，中距离高大建筑和远山的环境等间隔分布-简化模型，GSM 05.05建议多径信号到达数目的分布-泊松分布,58,典型时延,f=450/800MHz,59,频率选择性衰落与平坦衰落,实际测量数据表明，信号通过移动信道时，不同频率分量上的场强有较大的变化差异，即遭受的衰落可能有所不同。根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落与非
21、频率选择性衰落（平坦衰落）。相应地，可将信道分为频率选择性衰落信道与平坦衰落信道信号会发生哪种衰落，要由信号和信道两方面因素决定,60,平坦衰落信道特性,信号中各频率分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真,61,频率选择性衰落信道特性,传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机的响应，使不同频率的信号分量的衰落不一致，所以衰落信号波形将失真,62,相关带宽(1),就移动信道而言，存在一个相关带宽 ：当信号带宽远小于信道相关带宽时，为平坦衰落信道;当信号带宽大于信道相关带宽时，为频率选择性衰落信道 相关带宽 表征的是信号中两
22、个频率分量基本相关的频率间隔。它是信道本身的特性参数，与信号无关相关带宽 的取值视系统实际要求而定，通常都是根据特定多径系统而得到的统计测量值,63,相关带宽(2),这里我们考虑频率分别为 和 的两个信号的包络的相关性， 即由两信号的相关系数得出。设这两个信号的包络为 和 ，频率 差为 ，则其包络相关系数为：若信号服从瑞利分布，且由于这里讨论的是频率域的相关性，可设 ，则可得到由上式可知，当信号频率间隔增加时，相关系数减小，也就是信 号的不一致性增加。,64,如定义为频率相关函数大于0.5的某特定带宽，则 相关带宽近似为：如定义为频率相关函数大于0.9的某特定带宽，则 相关带宽近似为,65,多
23、普勒频移,当移动台以恒定速率v ，沿着与入射波成 角的方向 运动时，形成的接收信号相位变化值为：由此可得出频率变化值，即多普勒频移为：其中， 为最大多普勒频移 假设发射频率为 ，则接收频率变化为,66,x Y,67,68,例：若一发射机发射载频为1850MHz,一辆汽车以每小时60英里（60mph）速度运动,计算在以下情况下接收机载波频率： （a）汽车沿直线朝向发射机运动 （b）汽车沿直线背向发射机运动 （c）汽车运动方向与入射波方向成直角 解：已知载频fc=1850MHz 所以，波长车速 v=60mph=26.82m/s （a）汽车沿直线朝向发射机运动时， ， 多普勒频移为正 由公式 得：,
24、69,（b）汽车沿直线背向发射机运动时， 多普勒频移为负 由公式 得：（c）汽车运动方向与入射波方向成直角时，所以没有多普勒频移，接收信号频率与发射频率相同，为 1850MHz.,70,多径信号-典型多普勒扩展,单位：kHz,71,载频为2GHz时，移动台速度为50km/h的功率谱密度图,72,载频为2GHz时，移动台速度为1km/h的功率谱密度图,73,相干时间,相干时间TC 定义为Doppler频谱扩展宽度 的倒数TC是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值，即在TC间隔内到达的信号有很强的幅度相关性。TC 表示由Doppler效应导致的信号的衰落速度当发送信号周期大于相干时间时，为快
25、衰落信道当发送信号周期小于相干时间时，为慢衰落信道,74,基于多径时延扩散,平坦衰落 信号带宽相干带宽 时延扩散符号周期,频率选择性衰落 信号带宽相干带宽 时延扩散符号周期,基于多普勒扩散,快衰落 多普勒频移大 相干时间符号周期 信道变化快于基带信号的变化,慢衰落 多普勒频移小 相干时间符号周期 信道变化慢于基带信号的变化,衰落信道的分类,75,移动环境信道分析-信道分类,根据相关带宽Bc，相关时间Tc，信号带宽Bs，信号持续时间Ts的相对关系分类,76,理论仿真中的信道类型,我们主要讨论的信道类型有： 1.快衰落信道：信道响应在每个符号周期内保持不变，而符号之间随机变化；2.块衰落信道：信道响应固定数目的符号周期内保持不变，且持续时间远小于整个发送时间，3.慢衰落或准静态衰落信道：信道响应在整个发送时间都保持不变,
