第二章之一电波传播特性解读课件

1移动通信第二课移动信道的电波传播特性移动信道的电波传播特性 1移动通信移动通信第二课第二课2主主 要要 内内 容容v研究移动通信信道的意义和方法研究移动通信信道的意义和方法v无线电波传播特性分析无线电波传播特性分析v移动信道的特征移动信道的特征v陆地移动信道的场强估计陆地移动信道的场强估计v移动信道的传播模型移动信道的传播模型v噪噪 声声 与与 干干 扰扰2主主 要要 内内 容研究移动通信信道的意义和方法容研究移动通信信道的意义和方法3研究移动通信信道的意义和方法研究移动通信信道的意义和方法v研究无线移动信道模型，预测接收信号场强：研究无线移动信道模型，预测接收信号场强：衰减、吸收、折射、散射、绕射衰减、吸收、折射、散射、绕射.移动环境移动环境.自然和人为无线电环境自然和人为无线电环境.接收信号场强情况如何？接收信号场强情况如何？v信号带宽的增加信号带宽的增加 GSM的均衡的均衡 CDMA的多径合并的多径合并 开发时域多径资源开发时域多径资源v智能天线的引入智能天线的引入 开发空域多径资源开发空域多径资源3研究移动通信信道的意义和方法研究无线移动信道模型，预测接收研究移动通信信道的意义和方法研究无线移动信道模型，预测接收4研究移动通信信道的意义和方法研究移动通信信道的意义和方法无线电发射包括电磁场无线电发射包括电磁场 电场分量电场分量 感应场分量感应场分量 辐射场分量辐射场分量辐射场具有辐射场具有E和和B分量分量 在距离在距离d处的处的EB的场强的场强1/d2 以发射机为球心的表面区域以发射机为球心的表面区域影响接收信号强度的两个因素：影响接收信号强度的两个因素：距离距离 =路径衰减路径衰减 多径多径 =相位差相位差4研究移动通信信道的意义和方法无线电发射包括电磁场研究移动通信信道的意义和方法无线电发射包括电磁场5研究移动通信信道的意义和方法研究移动通信信道的意义和方法v模型是特定的模型是特定的5研究移动通信信道的意义和方法模型是特定的研究移动通信信道的意义和方法模型是特定的6电磁波传播理论电磁波传播理论l电波传播方式及特点电波传播方式及特点l三类损耗与四种效应三类损耗与四种效应l三类主要快衰落三类主要快衰落l多径信道的统计分析多径信道的统计分析6电磁波传播理论电波传播方式及特点电磁波传播理论电波传播方式及特点7电波传播方式及特点电波传播方式及特点 电磁波从发射机发出，传播到接收天线，可以有不同的传播方式，主要的传播方式四种：无线电波的几种主要传播方式 1.地地波波传传播播：是是一一种种沿沿着着地地球球表表面面传传播播的的电电磁磁波波，称为地面波或表面波传播，简称地表波。称为地面波或表面波传播，简称地表波。2.天天波波传传播播：电电波波向向天天空空辐辐射射并并经经电电离离层层反反射射回回到到地面的传播方式称为天波传播，也称电离层传播。地面的传播方式称为天波传播，也称电离层传播。7电波传播方式及特点电波传播方式及特点 电磁波从发射机发出，传播到接收天线，电磁波从发射机发出，传播到接收天线，83.直直射射波波传传播播：电电波波从从发发射射天天线线直直射射到到接接收收天天线线的的传传播播方方式式，称称为为直直射射波波传传播播，有有时时也也称称视视距距传播或视线传播。传播或视线传播。4.散散射射传传播播：这这种种传传播播主主要要是是由由于于电电磁磁波波投投射射到到大大气气层层（如如对对流流层层）中中的的不不均均匀匀气气团团时时产产生生散散射，其中一部分电磁波到达接收地点。射，其中一部分电磁波到达接收地点。电波传播方式及特点电波传播方式及特点 8直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称为直直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称为直9直射直射反射反射折射折射绕射绕射散射散射p电磁波的基本传播机制电磁波的基本传播机制电磁波的基本传播机制电磁波的基本传播机制电波传播方式及特点电波传播方式及特点9直射电磁波的基本传播机制电波传播方式及特点直射电磁波的基本传播机制电波传播方式及特点101.电波在均匀媒质中沿直线传播电波在均匀媒质中沿直线传播一般辐射到空间的电磁波都是球面波。但是当我们仅考虑离开场源很远的一小部分空间范围内的波面时，可以近似地看成均匀平面波。2.能量的扩散与吸收能量的扩散与吸收随着传播距离的增加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐射的总能量一定，因此分布的面积越大，则通过单位面积上的能量就越小。所以离开天线的距离越远，空间的电磁场就越来越弱。自由空间直射传播自由空间直射传播101.电波在均匀媒质中沿直线传播自由空间直射传播电波在均匀媒质中沿直线传播自由空间直射传播11无线电的频率与波长满足以下关系:其中，是无线电的波长f 是无线电的频率c 是光速，c=3108 m/s典型的例子：GSM系统使用900 MHz频段，其波长是：3108 /900106=0.33m自由空间直射传播自由空间直射传播11无线电的频率与波长满足以下关系无线电的频率与波长满足以下关系:其中，其中，是无线电的波长典是无线电的波长典12发射和接收的功率分别是Pt、Pr发射和接收天线的增益分别是Gt、Gr定义自由空间传播损耗：L自由空间直射传播自由空间直射传播12发射和接收的功率分别是发射和接收的功率分别是Pt、Pr定义自由空间传播损耗：定义自由空间传播损耗：13自由空间传播损耗自由空间传播损耗自由空间传播损耗的计算公式：自由空间传播损耗的计算公式：结论：自由空间传播损耗结论：自由空间传播损耗 L 只与工作频率只与工作频率 f 和传播距离和传播距离 d 有有关。当关。当 f 或或d 增大一倍时，传播损耗增加增大一倍时，传播损耗增加 6 dB。移动通信的例子：移动通信的例子：d=50 km,f=2 GHz,可以计算出可以计算出L=132 dB;卫星通信的例子：卫星通信的例子：d=40000 km,f=6 GHz,此时的此时的L=200 dB13自由空间传播损耗自由空间传播损耗的计算公式：结论：自由空自由空间传播损耗自由空间传播损耗的计算公式：结论：自由空14自由空间接收电平的计算自由空间接收电平的计算用分贝表示的接收电平：L例：例：Pt=1W=30 dBm,f =3800 MHz,d=45 km,Gt=Gr=39dB,则则 Pr=Pt+Gt+Gr L=30+39+39 137=-29 dBm=1.26 W。14自由空间接收电平的计算用分贝表示的接收电平：自由空间接收电平的计算用分贝表示的接收电平：L例：例：Pt 15p视距视距LOS的计算的计算发射和接收天线的高度分别是ht和hr，地球的等效半径为Re=8500 km,O点为地心。则视距传播的极限距离为：典型例子：发射和接收天线高50m,则视距d=50 km。自由空间传播损耗自由空间传播损耗15视距视距LOS的计算发射和接收天线的高度分别是的计算发射和接收天线的高度分别是ht和和hr，则，则16反射波反射波反射波反射波直射波直射波直射波直射波地面散射波地面散射波地面散射波地面散射波基站天线基站天线基站天线基站天线移动台天线移动台天线移动台天线移动台天线 反反 射射16反射波直射波地面散射波基站天线移动台天线反射波直射波地面散射波基站天线移动台天线 17p理想介质表面的反射理想介质表面的反射p极化特性极化特性p多径信号多径信号两径传播模型两径传播模型多径传播模型多径传播模型 反反 射射17理想介质表面的反射理想介质表面的反射 反反 射射18 理想介质表面的反射理想介质表面的反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来反射回来反射系数反射系数（R）入射波与反射波的比值入射波与反射波的比值 入射角 式中式中 (垂直极化）垂直极化）（水平极化）（水平极化）而而 其中，为介电常数，为电导率，为波长。18 理想介质表面的反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量理想介质表面的反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量19极极 化化 特特 性性p 极化极化 电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态p电磁波的极化形式电磁波的极化形式 线极化、圆极化和椭圆极化p线极化的两种特殊情况线极化的两种特殊情况 水平极化（电场方向平行于地面）垂直极化（电场方向垂直于地面）p极化反射系数极化反射系数 对于地面反射，当工作频率高于150MHz（），时，算得 应用应用 接接收收天天线线的的极极化化方方式式同同被被接接收收的的电电磁磁波波的的极极化化形形式式一一致致时时，才才能有效地接收到信号，否则将产生极化失配能有效地接收到信号，否则将产生极化失配 不同极化形式的天线也可以互相配合使用不同极化形式的天线也可以互相配合使用19极极 化化 特特 性性 极化极化20p两径传播模型两径传播模型接收信号功率接收信号功率 简化后：其中，相位差 ，p多径传播模型多径传播模型其中，N为路径数。当N很大时，无法用公式准确计算出接收信号的功 率，必须用统计的方法计算接收信号的功率。地面二次效应可忽略可忽略可忽略可忽略直射波反射波地表面波可忽略可忽略两径传播模型直射波反射波发射天线接收天线多多多多 径径径径 信信信信 号号号号20两径传播模型两径传播模型 地面二次效应直射波反射波地表面波两径传播地面二次效应直射波反射波地表面波两径传播21p折折折折 射射射射无线电波传播特性分析无线电波传播特性分析 当当一一束束电电波波通通过过折折射射率率对对高高度度变变化化的的大大气气层层时时，由由于于不不同同高高度度上上的的电电波波传传播播速速度度不不同同，从从而而使使电电波波射射束束发发生生弯弯曲曲，弯弯曲曲的的方方向向和和程程度度取取决决于于大大气气折折射射率率的的垂垂直直梯梯度度。这这种种由由大大气气折折射射率率引引起起电电波波传传播播方方向向发发生生弯弯曲曲的的现现象象，称称为为大气对电波的折射。大气对电波的折射。21折折 射无线电波传播特性分析射无线电波传播特性分析 当一束电波通过折射率对高度当一束电波通过折射率对高度2222基站天线基站天线基站天线基站天线移动台天线移动台天线移动台天线移动台天线绕射波绕射波绕射波绕射波山峰山峰山峰山峰绕绕绕绕 射射射射22基站天线移动台天线绕射波山峰绕基站天线移动台天线绕射波山峰绕 射射2323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 绕绕绕绕 射射射射23惠更斯菲涅尔菲涅尔区惠更斯菲涅尔菲涅尔区 基尔霍基尔霍2424 惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理p 原理原理原理原理 波波波波在在在在传传传传播播播播过过过过程程程程中中中中，行行行行进进进进中中中中的的的的波波波波前前前前（面面面面）上上上上的的的的每每每每一一一一点点点点，都都都都可可可可作作作作为为为为产产产产生生生生次次次次级级级级波波波波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。绕绕绕绕射射射射由由由由次次次次级级级级波波波波的的的的传传传传播播播播进进进进入入入入阴阴阴阴影影影影区区区区而而而而形形形形成成成成。阴阴阴阴影影影影区区区区绕绕绕绕射射射射波波波波场场场场强强强强为为为为围围围围绕绕绕绕阻阻阻阻挡挡挡挡物物物物所有次级波的矢量和。所有次级波的矢量和。所有次级波的矢量和。所有次级波的矢量和。p 说明说明说明说明在在在在P P 点处的次级波前中，点处的次级波前中，点处的次级波前中，点处的次级波前中，只有夹角为只有夹角为只有夹角为只有夹角为（即（即（即（即 ）的次级波前能到达接收点的次级波前能到达接收点的次级波前能到达接收点的次级波前能到达接收点R R每个点均有其每个点均有其每个点均有其每个点均有其对应对应的的的的 角，角，角，角，将在将在将在将在0 0 到到到到180180180180之间变化之间变化之间变化之间变化 越大，越大，越大，越大，到达接收点辐射能量越大到达接收点辐射能量越大到达接收点辐射能量越大到达接收点辐射能量越大图图图图2-3 2-3 对惠更斯菲涅尔原理说明对惠更斯菲涅尔原理说明对惠更斯菲涅尔原理说明对惠更斯菲涅尔原理说明24 惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理 原理图原理图2-3 对惠更斯菲涅尔对惠更斯菲涅尔2525 菲涅尔区菲涅尔区菲涅尔区菲涅尔区菲涅尔区菲涅尔区菲涅尔区菲涅尔区 从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大n/2n/2的连续区域的连续区域的连续区域的连续区域接收点信号的合成接收点信号的合成接收点信号的合成接收点信号的合成 n n为奇数时，两信号抵消为奇数时，两信号抵消 n n为偶数时，两信号叠加为偶数时，两信号叠加菲涅尔区同心半径菲涅尔区同心半径菲涅尔区同心半径菲涅尔区同心半径 第一菲涅尔区半径（第一菲涅尔区半径（第一菲涅尔区半径（第一菲涅尔区半径（n=1n=1）特点）特点）特点）特点 在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半 发发发发射射射射机机机机和和和和接接接接收收收收机机机机的的的的距距距距离离离离略略略略大大大大于于于于第第第第一一一一菲菲菲菲涅涅涅涅尔尔尔尔区区区区，则则则则大大大大部部部部分分分分能能能能量量量量可可可可以以以以达达达达到到到到接收机。接收机。接收机。接收机。图图 菲涅尔区截面菲涅尔区截面 25 菲涅尔区菲涅尔区图菲涅尔区菲涅尔区图 菲涅尔区截面菲涅尔区截面 2626p多重刃形绕射多重刃形绕射多重刃形绕射多重刃形绕射1 1）连续两个障碍物绕射损耗连续两个障碍物绕射损耗连续两个障碍物绕射损耗连续两个障碍物绕射损耗 2 2）多于两个障碍物情况多于两个障碍物情况多于两个障碍物情况多于两个障碍物情况绕绕绕绕 射射射射26多重刃形绕射绕多重刃形绕射绕 射射2727pp如如如如果果果果在在在在电电电电磁磁磁磁波波波波的的的的直直直直射射射射路路路路径径径径上上上上存存存存在在在在障障障障碍碍碍碍物物物物，则则则则对对对对接接接接收收收收的的的的电电电电磁波产生附加损耗。磁波产生附加损耗。磁波产生附加损耗。磁波产生附加损耗。pp根根根根据据据据障障障障碍碍碍碍物物物物与与与与收收收收发发发发天天天天线线线线的的的的关关关关系，分为正余隙和负余隙。系，分为正余隙和负余隙。系，分为正余隙和负余隙。系，分为正余隙和负余隙。绕绕绕绕 射射射射27如果在电磁波的直射路径上存在障碍物，则对接收的电磁波产生如果在电磁波的直射路径上存在障碍物，则对接收的电磁波产生2828 p在在实实际际移移动动无无线线环环境境中中，接接收收信信号号比比单单独独绕绕射射和和反反射射模模型型预预测测的的要要强强，这这是是因因为为当当电电波波遇遇到到粗粗糙糙表表面面时时，反反射射能能量量由由于于散散射射而而散散布布于于所所有有方方向向，给给接接收收机提供了额外的能量。机提供了额外的能量。p临近金属物体（街头标志等）：通常采用统计模型临近金属物体（街头标志等）：通常采用统计模型散散散散 射射射射28 在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射2929起因起因 无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向表面光滑度的判定表面光滑度的判定 表面平整度的参数高度表面平整度的参数高度表面平整度的参数高度表面平整度的参数高度 平面上最大的突起高度平面上最大的突起高度平面上最大的突起高度平面上最大的突起高度 h h 粗糙表面下的反射场强粗糙表面下的反射场强 散射损耗系数散射损耗系数散射损耗系数散射损耗系数 式中，式中，式中，式中，为表面高度为表面高度为表面高度为表面高度h h的标准差，的标准差，的标准差，的标准差，h h是具有局部平均值的是具有局部平均值的是具有局部平均值的是具有局部平均值的高斯分布的随机变量。高斯分布的随机变量。高斯分布的随机变量。高斯分布的随机变量。用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强 散散散散 射射射射29起因散起因散 射射30电磁波传播理论电磁波传播理论l电波传播方式及特点电波传播方式及特点l三类损耗与四种效应三类损耗与四种效应l三类主要快衰落三类主要快衰落l多径信道的统计分析多径信道的统计分析30电磁波传播理论电波传播方式及特点电磁波传播理论电波传播方式及特点311.路径传播损耗路径传播损耗2.慢衰落损耗慢衰落损耗3.快衰落快衰落空间选择性快衰落频率选择性快衰落时间选择性快衰落接收信号中的三类损耗与四种效应接收信号中的三类损耗与四种效应31路径传播损耗接收信号中的三类损耗与四种效应路径传播损耗接收信号中的三类损耗与四种效应321.阴影效应阴影效应由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中 产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与专用仪表可以测试出来。接收信号中的三类损耗与四种效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应四种主要效应2.远近效应远近效应由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。32阴影效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应远近效阴影效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应远近效333.多径效应多径效应由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。接收信号中的三类损耗与四种效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应四种主要效应33多径效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应多径效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应直射波直射波直射波直射波光滑地面反射波光滑地面反射波光滑地面反射波光滑地面反射波基站天线基站天线基站天线基站天线34多径对信号的影响多径对信号的影响直射波光滑地面反射波基站天线直射波光滑地面反射波基站天线34多径对信号的影响多径对信号的影响354.多普勒效应它是由于接收用户处于高速移动中（比如车载通信时）传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。接收信号中的三类损耗与四种效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应四种主要效应35多普勒效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应多普勒效应接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应3636pp衰落衰落：电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起：电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。pp衰落根据其时间特性可分为慢衰落和快衰落两种衰落根据其时间特性可分为慢衰落和快衰落两种。信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落；信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落（虽然它们的产生原因不同），快快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落（虽然它们的产生原因不同），快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。pp衰落根据其频率特性可分为非频率选择性衰落（平衰落）和频率选择性衰落衰落根据其频率特性可分为非频率选择性衰落（平衰落）和频率选择性衰落两种。两种。什么叫衰落什么叫衰落36衰落：电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的衰落：电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的3737pp衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。pp衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。pp衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。pp衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。所以，需要对衰落进行研究，以解决如何对抗衰落的问题。所以，需要对衰落进行研究，以解决如何对抗衰落的问题。衰落有什么影响衰落有什么影响37衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。衰落有什么衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。衰落有什么3838pp慢衰落：由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因慢衰落：由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的这种而局部中值也是不断变化的这种接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变化称为慢衰落化称为慢衰落化称为慢衰落化称为慢衰落 ，比多径效应引起的快衰落要慢得多。，比多径效应引起的快衰落要慢得多。中值：在局部时间（或地点）中，信号电平大于或小于它的时间各为中值：在局部时间（或地点）中，信号电平大于或小于它的时间各为50%50%。移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性-慢衰落慢衰落38慢衰落：由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断慢衰落：由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断3939pp阴影效应阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上半盲：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上半盲区，表现为慢衰落。区，表现为慢衰落。移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性-慢衰落慢衰落39阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收4040pp产生原因产生原因产生原因产生原因:慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大气条件的变化慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大气条件的变化而引起的，主要与气象条件、电路长度、地形等因素有关。而引起的，主要与气象条件、电路长度、地形等因素有关。阴影效应：阴影效应：由障碍物阻挡造成阴影效应，由障碍物阻挡造成阴影效应，衰落速率与工作频率无关衰落速率与工作频率无关 大气折射：大气介电常数的变换，时变大气折射：大气介电常数的变换，时变pp特点特点特点特点:衰落与传播地形和地物分布、高度有关衰落与传播地形和地物分布、高度有关衰落与传播地形和地物分布、高度有关衰落与传播地形和地物分布、高度有关移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性-慢衰落慢衰落40产生原因产生原因:慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大4141慢衰落一般服从对数正态分布慢衰落一般服从对数正态分布慢衰落一般服从对数正态分布慢衰落一般服从对数正态分布式中，式中，为信号中值的分贝值为信号中值的分贝值为信号中值的均值（分贝）为信号中值的均值（分贝）移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性-慢衰落慢衰落对数正态分布对数正态分布对数正态分布对数正态分布：如果一个变量可以看作是许多很如果一个变量可以看作是许多很小独立因子的乘积，则这个变量小独立因子的乘积，则这个变量可以看作是对数正态分布。可以看作是对数正态分布。一个典型的例子是股票投资的长一个典型的例子是股票投资的长期收益率，它可以看作是每天收期收益率，它可以看作是每天收益率的乘积。益率的乘积。41 慢衰落一般服从对数正态分布式中，慢衰落一般服从对数正态分布式中，为信为信42电磁波传播理论电磁波传播理论l电波传播方式及特点电波传播方式及特点l三类损耗与四种效应三类损耗与四种效应l三类主要快衰落三类主要快衰落l多径信道的统计分析多径信道的统计分析42电磁波传播理论电波传播方式及特点电磁波传播理论电波传播方式及特点43移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象叫快衰落。起伏的现象叫快衰落。起伏的现象叫快衰落。起伏的现象叫快衰落。p产生原因产生原因产生原因产生原因多径效应：同一信号沿着两个或多个路径传播多普勒频移：移动台与基站之间的相对运动，随机频率调制环境物体相对于基站和移动台在运动，时变p对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影响 场强信号随机快速起伏 时延扩展随机调频移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性-快衰落快衰落43移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播44p多径时散：因多径效应在时域上造成（数字）信号多径时散：因多径效应在时域上造成（数字）信号的展宽的展宽假设基站发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，移动台接收信号呈现假设基站发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，脉冲宽带被展宽了。为一串脉冲，脉冲宽带被展宽了。多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽44多径时散：因多径效应在时域上造成（数字）信号的展宽多径时多径时散：因多径效应在时域上造成（数字）信号的展宽多径时45相关带宽：相关带宽：是描述时延扩展的，是表征多径信道特性的一个重要参数。多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，可使两个信号变得相关。这一频率间隔称为“相干”或“相关”带宽（Bc）。它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。相关带宽就是信道保持恒定的最大频率差范围。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数。Bc=1/(2)(Hz)Bc=1/(2)(Hz)（工程估算）（工程估算）相关带宽相关带宽意义：意义：在相关带宽内，信号可以顺利传输，无大的失在相关带宽内，信号可以顺利传输，无大的失真；若信号带宽超过相关带宽，将有大的失真。真；若信号带宽超过相关带宽，将有大的失真。45相关带宽：相关带宽意义：在相关带宽内，信号可以顺利传输，相关带宽：相关带宽意义：在相关带宽内，信号可以顺利传输，46三类主要快衰落三类主要快衰落1.频率选择性衰落频率选择性衰落不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散2.空间选择性衰落空间选择性衰落不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样3.时间选择性衰落时间选择性衰落快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散46三类主要快衰落频率选择性衰落三类主要快衰落频率选择性衰落47频率选择性衰落频率选择性衰落p频频率率选选择择性性衰衰落落是是指指在在不不同同频频段段上上衰衰落落特特性性不不一样。一样。当频率超过相干带宽时发生频率选择性衰落。如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略,那么当多路信号迭加时,不同时间的符号就会重迭在一起，造成符号间的干扰。这种衰落称为频率选择性衰落。47频率选择性衰落频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不一频率选择性衰落频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不一48时时 间间 色色 散散时间色散：是指到达接收机的直射信号和其他多径信号由于空间传输的时间差异而带来的彼此干扰问题。无线电波从发射端到接收端会经过直射、反射等很多传播途径，从发射端辐射出的波经过反射路径到达接收端用的时间要比走直射路径长一些。从接收端看，先后收到了来自同一信源的两列波；这两列波走的路径不同，传播环境不同，受到的干扰也不同。时间色散是指到达接收机的直射信号和其他多径信号由于空间传输的时间差异而带来的彼此干扰问题。假若发射机发送了一个“1”，由于多径效应，接收机先收到“1”这个数据，又收到“0”这个数据，接收机不知道究竟是“0”还是“1”了，所以解码就可能出现错误。48时时 间间 色色 散时间色散：是指到达接收机的直射信号和散时间色散：是指到达接收机的直射信号和49时时 间间 色色 散散p 时间色散参数时间色散参数 平均附加延时平均附加延时 rms时延扩展时延扩展 最大附加延时扩展最大附加延时扩展(XdB)类比：几个同学出去玩，在森林里看到远处有一个动物（类似信息发射端），A说：“那是一只鹿！”，B说：“是一匹马。”在后面的C说：“你们俩谁说的对，我无法判断了。”（接收机解调问题），在这种情况下，同样一个动物从不同角度（传播路径）看印象差别这么大，大家无法判断到底是鹿还是马了（无法解调了）49时时 间间 色色 散散 时间色散参数类比：几个同学出去玩，时间色散参数类比：几个同学出去玩，50平坦衰落：信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时延。如果这些相对时延远小于一个符号的时间，则可认为多路信号几乎是同时到达接收机的。这种情况下多径不会造成符号间的干扰。这种衰落称为平坦衰落，因为这种信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。平平 坦坦 衰衰 落落50平坦衰落：信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。平平坦衰落：信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。平 坦坦 51 判定判定：由信道和信号两方面决定分类分类 不同频率分量的衰落不同频率分量的衰落 信号波形信号波形频率选择性衰落频率选择性衰落 不一致不一致 失真非频率选择性衰落非频率选择性衰落（平坦衰落）（平坦衰落）相关的相关的 一致的一致的 不失真数字通信系统信号带宽小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相关带宽与频率选择性衰落相关带宽与频率选择性衰落51 分类分类 不同频率分量的衰落不同频率分量的衰落 信号波形频率选择信号波形频率选择52空间选择性衰落空间选择性衰落p空空间间选选择择性性衰衰落落是是指指在在不不同同的的地地点点与与空空间间位位置置衰落特性不一样衰落特性不一样。52空间选择性衰落空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰空间选择性衰落空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰53角角 度度 色色 散散原因原因 移动台和基站周围的散射环境不同，使得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同。参数参数角度扩展角度扩展相关距离相关距离 空间选择性衰落空间选择性衰落53角角 度度 色色 散原因散原因54角角 度度 扩扩 展展角度功率角度功率谱（PAS）信号功率谱密度在角度上的分布。一般为均匀分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布角度扩展角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即 式中式中意义意义描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在 之间分布。角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度越高。54角角 度度 扩扩 展角度功率谱（展角度功率谱（PAS）55相关距离与空间选择性衰落相关距离与空间选择性衰落相关距离相关距离Dc 信道冲激响应保证一定相关度的空间距离空间选择性衰落空间选择性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 Tc时选衰落时选衰落误码误码59相关时间与时间选择性衰落时间选择性衰落是由多普勒效应引起相关时间与时间选择性衰落时间选择性衰落是由多普勒效应引起60三类主要快衰落三类主要快衰落p实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件 在实际移动通信中，三类选择性衰落都存在，根据其产生的条件大致可以划分为以下三类。第一类多径干扰：由快速移动用户附近的物体发射而形成的。其特点是在信号频域产生多普勒扩散而引起时间选择性衰落。第二类多径干扰：由远处山丘或高大建筑物反射而形成的。其特点是信号在时域上产生扩散，引起频率选择性衰落。第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其他物体发射而形成的干扰信号。引起空间选择性衰落。60三类主要快衰落实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件三类主要快衰落实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件 61如何对抗衰落如何对抗衰落p减少通信距离，增加发送功率，调整天线高度，选择合适路由。p在移动通信中采用微蜂窝、直放站。p采用分集技术、均衡技术、编码技术等。61如何对抗衰落减少通信距离，增加发送功率，调整天线高度，选如何对抗衰落减少通信距离，增加发送功率，调整天线高度，选62电磁波传播理论电磁波传播理论l电波传播方式及特点电波传播方式及特点l三类损耗与四种效应三类损耗与四种效应l三类主要快衰落三类主要快衰落l多径信道的统计分析多径信道的统计分析62电磁波传播理论电波传播方式及特点电磁波传播理论电波传播方式及特点6363为什么要进行多径信道的统计分析为什么要进行多径信道的统计分析为什么要进行多径信道的统计分析为什么要进行多径信道的统计分析 pp相关衰落信道模型是进行多天线系统、分集研究的基础。相关衰落信道模型是进行多天线系统、分集研究的基础。相关衰落信道模型是进行多天线系统、分集研究的基础。相关衰落信道模型是进行多天线系统、分集研究的基础。pp通通通通信信信信的的的的应应应应用用用用领领领领域域域域越越越越来来来来越越越越广广广广泛泛泛泛，如如如如深深深深空空空空通通通通信信信信、光光光光通通通通信信信信等等等等，面面面面对对对对越越越越来来来来越越越越复复复复杂杂杂杂的的的的信信信信道道道道环环环环境境境境，传传传传统统统统经经经经典典典典的的的的信信信信道道道道模模模模型型型型在在在在应应应应用用用用上上上上往往往往往往往往受限，或者需要针对具体的环境做出改进以提高精度。受限，或者需要针对具体的环境做出改进以提高精度。受限，或者需要针对具体的环境做出改进以提高精度。受限，或者需要针对具体的环境做出改进以提高精度。63为什么要进行多径信道的统计分析为什么要进行多径信道的统计分析 相关衰落信道模型是进行多相关衰落信道模型是进行多6464多径信道的统计分析多径信道的统计分析多径信道的统计分析多径信道的统计分析 p主要讨论多径信道的主要讨论多径信道的主要讨论多径信道的主要讨论多径信道的包络统计特性。包络统计特性。包络统计特性。包络统计特性。p接收信号的包络根据不同的无线环境一般接收信号的包络根据不同的无线环境一般接收信号的包络根据不同的无线环境一般接收信号的包络根据不同的无线环境一般服从：服从：服从：服从：瑞利分布瑞利分布瑞利分布瑞利分布 莱斯分布莱斯分布莱斯分布莱斯分布 Nakagami-mNakagami-m分布分布分布分布注：注：注：注：包络即随机过程的振幅随着时间变化的曲线。包络即随机过程的振幅随着时间变化的曲线。64多径信道的统计分析多径信道的统计分析 主要讨论多径信道的包络统计特性。主要讨论多径信道的包络统计特性。6565 瑞利分布瑞利分布瑞利分布瑞利分布pp瑞瑞瑞瑞利利利利分分分分布布布布：当当一一个个随随机机二二维维向向量量的的两两个个分分量量呈呈独独立立的的、有有着着相相同的方差的正态分布时，这个向量的模呈瑞利分布。同的方差的正态分布时，这个向量的模呈瑞利分布。瑞瑞利利分分布布是是最最常常见见的的用用于于描描述述平平平平坦坦坦坦衰衰衰衰落落落落信信号号接接收收包包络络或或独独立立多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。瑞利分布是一个均值为瑞利分布是一个均值为0 0，方差为，方差为 2 2的平稳窄带高斯过程。的平稳窄带高斯过程。65 瑞利分布瑞利分布：当一个随机二维向量的两个分量呈瑞利分布瑞利分布：当一个随机二维向量的两个分量呈6666 瑞利衰落瑞利衰落瑞利衰落瑞利衰落pp瑞瑞瑞瑞利利利利衰衰衰衰落落落落：在在无无线线通通信信信信道道中中，由由于于信信号号进进行行多多多多径径径径传传传传播播播播达达到到接接收收点点处处的的场场强强来来自自不不同同传传播播的的路路径径，各各条条路路径径延延时时时时间间是是不不同同的的，而而各各个个方方向向分分量量波波的的叠叠加加，又又产产生生了了驻驻波波场场强强，从从而而形形成成信号快衰落称为瑞利衰落。信号快衰落称为瑞利衰落。瑞瑞利利衰衰落落属属于于小小尺尺度度的的衰衰落落效效应应，它它总总是是叠叠加加于于如如阴阴影影、衰衰减减等等大大尺尺度衰落效应上。度衰落效应上。在在无无线线通通信信信信道道环环境境中中，电电磁磁波波经经过过反反射射折折射射散散射射等等多多条条路路径径传传播播到到达达接接收收机机后后，总总信信号号的的强强度度服服从从瑞利分布。瑞利分布。66 瑞利衰落瑞利衰落：在无线通信信道中，由于信号进行瑞利衰落瑞利衰落：在无线通信信道中，由于信号进行6767 瑞利衰落瑞利衰落瑞利衰落瑞利衰落 瑞瑞瑞瑞利利利利衰衰衰衰落落落落信信信信道道道道是是一一种种无无线线电电信信号号传传播播环环境境的的统统计计模模型型。这这种种模模型型假假设设信信号号通通过过无无线线信信道道之之后后，其其信信号号幅幅度度是是随随机机的的，即即“衰衰落落”，并并且且其其包包络络服服从从瑞瑞利利分分布布。这这一一信信道道模模型型能能够够描描述述由由电电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。瑞瑞利利衰衰落落能能有有效效描描述述存存在在能能够够大大量量散散射射无无线线电电信信号号的的障障碍碍物物的的无无线线传传播播环环境境。若若传传播播环环境境中中存存在在足足够够多多的的散散射射，则则冲冲激激信信号号到到达达接接收收机机后后表表现现为为大大量量统统计计独独立立的的随随机机变变量量的的叠叠加加，根根据据中中心心极极限限定定理理，则则这这一一无无线线信信道道的的冲冲激激响响应应将将是是一一个个高高斯斯过过程程。如如果果这这一一散散射射信信道道中中不不存存在在主主要要的的信信号号分分量量，通通常常这这一一条条件件是是指指不不存存在在直直射射信信号号则则这这一一过过程程的的均均值值为为0 0，且且相相位位服服从从0 0 到到22的均匀分布。即，信道响应的能量或包络服从瑞利分布。的均匀分布。即，信道响应的能量或包络服从瑞利分布。瑞瑞利利衰衰落落只只适适用用于于从从发发射射机机到到接接收收机机不不存存在在直直射射信信号号的的情情况况，否否则则应应使使用用莱斯衰落信道作为信道模型。莱斯衰落信道作为信道模型。67 瑞利衰落瑞利衰落信道是一种无线电信号传播环境的统瑞利衰落瑞利衰落信道是一种无线电信号传播环境的统6868 瑞利分布的环境条件瑞利分布的环境条件瑞利分布的环境条件瑞利分布的环境条件环环环环境境境境条条条条件件件件：通通通通常常常常在在在在离离离离基基基基站站站站较较较较远远远远、反反反反射射射射物物物物较较较较多多多多的的的的地地地地区区区区，符符符符合合合合发发发发射射射射机和接收机机和接收机机和接收机机和接收机之间没有直射波路径之间没有直射波路径之间没有直射波路径之间没有直射波路径存在大量反射波，到达接收天线的方向角随机且存在大量反射波，到达接收天线的方向角随机且0202 均匀分布均匀分布各反射波的幅度和相位都统计独立各反射波的幅度和相位都统计独立PlayPlay68 瑞利分布的环境条件环境条件：通常在离基站较远、反瑞利分布的环境条件环境条件：通常在离基站较远、反69 非视距传播的瑞利衰落非视距传播的瑞利衰落视距传播：电波沿直线传播的方式称为视距传播。视距传播的距离一般为2050Km。非视距传播：当移动台（MS）与基站（BS）之间的直射路径被障碍物挡住后，无线电波只能在经过反射和衍射后到达接收端，此时测量到的数据，如到达时间、时间差、入射角度等，将不能正确反映发送端与接收端的真实距离，这种现象被称为非视距传播（NLOS）。69 非视距传播的瑞利衰落视距传播：电波沿直线传播的方式称为非视距传播的瑞利衰落视距传播：电波沿直线传播的方式称为70 非视距传播的瑞利衰落非视距传播的瑞利衰落p假定幅度n(t)和相位n(t)对不同路径都相互独立，n(t)在(0,2)上均匀分布，路径数目N为无限大：幅度衰落幅度衰落(t)服从瑞利分布服从瑞利分布相位失真相位失真(t)服从均匀分布服从均匀分布70 非视距传播的瑞利衰落假定幅度非视距传播的瑞利衰落假定幅度n(t)和相位和相位n(t)71 非视距传播的瑞利衰落非视距传播的瑞利衰落p幅度衰落和相位失真是相互独立的，这样的幅度衰落和相位失真是相互独立的，这样的信道称为瑞利衰落信道。信道称为瑞利衰落信道。特点：存在很多径，没有一个特别突出的径。特点：存在很多径，没有一个特别突出的径。城市环境，有较稠密的建筑物和高层楼房。71 非视距传播的瑞利衰落幅度衰落和相位失真是相互独立的，这非视距传播的瑞利衰落幅度衰落和相位失真是相互独立的，这7272 莱斯分布莱斯分布莱斯分布莱斯分布p如如果果收收到到的的信信号号中中除除了了经经反反射射折折射射散散射射等等来来的的信信号号外外，还还有有从从发发射射机机直直接接到到达达接接收收机机 （如如从从卫卫星星直直接接到到达达地地面面接接收收机机）的的信信号号，那那么么总总信信号号的的强强度度服服从从莱斯分布莱斯分布，故称为故称为莱斯衰落莱斯衰落。72 莱斯分布如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外莱斯分布如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外7373 莱斯分布的环境条件莱斯分布的环境条件莱斯分布的环境条件莱斯分布的环境条件直直直直射射射射系系系系统统统统中中中中，接接收收信信号号中中有有视视距距信信号号成成为为主主导导分分量量，同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上。同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上。非非非非直直直直射射射射系系系系统统统统中中中中，源源自自某某一一个个散散射射体体路路径径的的信信号号功功率率特特别强。别强。PlayPlay73 莱斯分布的环境条件直射系统中，接收信号中有视距信号成为莱斯分布的环境条件直射系统中，接收信号中有视距信号成为74 视距传播的莱斯衰落视距传播的莱斯衰落p在前面讨论的无视距传播情况下，加入一条确定的视距路在前面讨论的无视距传播情况下，加入一条确定的视距路径，则信道增益可以表示为：径，则信道增益可以表示为：p幅度衰落的概率密度函数为莱斯分布：幅度衰落的概率密度函数为莱斯分布：p相位失真的概率密度函数：相位失真的概率密度函数：74 视距传播的莱斯衰落在前面讨论的无视距传播情况下，加入一视距传播的莱斯衰落在前面讨论的无视距传播情况下，加入一75 视距传播的莱斯衰落视距传播的莱斯衰落p前面式子中，前面式子中，I0(x)为零阶修正的第一类贝塞尔函为零阶修正的第一类贝塞尔函数，数，erf(x)为误差函数，为误差函数，为视距为视距分量和非视距分量的相对强度。分量和非视距分量的相对强度。瑞利分布及莱斯分布的示意图75 视距传播的莱斯衰落前面式子中，视距传播的莱斯衰落前面式子中，I0(x)为零阶修正的第为零阶修正的第76Nakagami-m衰落分布衰落分布v尽管瑞利和莱斯分布能够在很多情况下对信号通过衰落信道后的包络进行很好的建模，然而，在实际的无线环境测试中，发现Nakagami分布提供了更好的与实际测试的匹配度。分布提供了更好的与实际测试的匹配度。vNakagami分布的提出最初为电离层和同温层的信道快速衰落建模时，发现该分布与实测数据较为温和，后来也发现在适用于陆地移动通信信道建模。v也就是说在在实际的无线环境测试中，在很多情况下，Nakagami分布提供了比瑞利和莱斯信道更好的与实际测试结果的匹配。v与莱斯分布比较，Nakagami分布并不需要假设直射条件。76Nakagami-m衰落分布尽管瑞利和莱斯分布能够在很多衰落分布尽管瑞利和莱斯分布能够在很多77Nakagami-m衰落分布衰落分布m和为Nakagami分布的两个重要参数，其中为平均功率，而m参数定义为”形状因子，表示衰落的严重程度。当当m 较大时，较大时，Nakagami-m分布接近于分布接近于Gaussian分布分布为1/2的实数 在Nakagami衰落下，接收信号包络r的概率密度函数，也称为m分布，表示为：77Nakagami-m衰落分布衰落分布m和和为为Nakagami分布分布78Nakagami分布的m参数：m=1 瑞利分布瑞利分布m1 莱斯分布莱斯分布m1 高斯分布高斯分布移动信道的特征移动信道的特征78Nakagami分布的分布的m参数：参数：m1 莱斯分布莱斯分布m179 感谢您的如期而至！感谢您的如期而至！79 感谢您的如期而至！感谢您的如期而至！