第2章1现代无线通信原理无线信道课件

第二章 无线信道 201403252.1 电磁波传播机制2.2 自由空间传播模型2.3 大尺度衰落模型2.4 小尺度衰落与多径效应2.5 多径信道的统计模型2.1 电磁波传播机制2.1.1 电磁波传播机制概述n移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。n首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。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、几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。反射、散射。n其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，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。引起接收场强的快速波动。n为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。2.1.1 电磁波传播机制概述(1/4)电波传播分为电波传播分为5 5种形式：种形式：1 1.直射：自由空间传播直射：自由空间传播2 2.反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，反射：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、建筑物和墙壁发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面表面。3 3.折射：折射：4 4.绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖绕射：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。锐的边缘阻挡时，发生绕射。2.1.1 电磁波传播机制概述(2/4)5 5.散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物散射：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。散射发生在粗糙表面、小物体或其时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。移动通信中，移动通信中，1 1和和5 5项可以合并考虑，不考虑折射。项可以合并考虑，不考虑折射。电波传播损耗习惯分为：电波传播损耗习惯分为：1 1.传播路径损耗传播路径损耗2 2.阴影衰落阴影衰落3 3.多径衰落多径衰落2.1.1 电磁波传播机制概述(3/4)就电波传播而言，发射机同接收机间最简单就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。的方式是自由空间传播。一种是直射波；另一一种是直射波；另一种方式是地面反射波。直射波和反射波叠加的种方式是地面反射波。直射波和反射波叠加的结果可能使信号加强，也可能使信号减弱，即结果可能使信号加强，也可能使信号减弱，即所谓的多径效应。所谓的多径效应。绕射波是建筑物内部等阴影区域信号的主要绕射波是建筑物内部等阴影区域信号的主要电波来源。绕射波的强度受传播环境影响很大，电波来源。绕射波的强度受传播环境影响很大，且频率越高，绕射信号越弱。且频率越高，绕射信号越弱。2.1.1 电磁波传播机制概述(4/4)对流层反射波产生于对流层。对流层是异类介质，对流层反射波产生于对流层。对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层方式应用于波长小于对流层方式应用于波长小于1010米（即频率大于米（即频率大于3030MHzMHz）的无线通信中。的无线通信中。电离层反射传播：当电波波长小于电离层反射传播：当电波波长小于1 1米（频率大于米（频率大于300300MHzMHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，因此这种传播用于长距波可能有一个或多个跳跃，因此这种传播用于长距离通信。同对流层一样，电离层也具有连续波动的离通信。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性。特性。2.1.2 电磁波传播环境 电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定传播模型的选取。影响环境的传播环境直接决定传播模型的选取。影响环境的主要因素：主要因素：自然地形（高山、丘陵、平原、水域）自然地形（高山、丘陵、平原、水域）人工建筑的数量、分布、材料特性人工建筑的数量、分布、材料特性 该区域植被特征该区域植被特征 天气状况天气状况 自然和人为的电磁噪声状况自然和人为的电磁噪声状况2.1.2 电磁波传播环境 无线电波受地形和人为环境的影响很大，高无线电波受地形和人为环境的影响很大，高山、丘陵等自然地形，和人工建筑等都影响电波山、丘陵等自然地形，和人工建筑等都影响电波的传播特性，除此之外天气和时间因素也是影响的传播特性，除此之外天气和时间因素也是影响电波传播的因素。电波传播的因素。例如，晚上电离层相对稳定，所以短波电台例如，晚上电离层相对稳定，所以短波电台收音效果好就是一个示例。收音效果好就是一个示例。2.1.3 地形分类(1/2)准平滑地形准平滑地形 表面起伏平缓，起伏高度小表面起伏平缓，起伏高度小于等于于等于2020米的地形。米的地形。不规则地形不规则地形 除了准平滑地形之外的其余除了准平滑地形之外的其余地形，可按状态分为：丘陵地形、地形，可按状态分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形、水陆混合孤立山岳、倾斜地形、水陆混合地形等。地形等。RTTR2.1.3 地形分类(2/2)“准平滑地形准平滑地形”指表面起伏平缓，起伏高度小于指表面起伏平缓，起伏高度小于等于等于2020米的地形，平均表面高度差别不大。米的地形，平均表面高度差别不大。OkumuraOkumura传播模型将起伏高度定义为距离移动传播模型将起伏高度定义为距离移动台天线前方台天线前方1010公里内地形起伏公里内地形起伏10%10%与与90%90%的差。的差。CCIRCCIR定义为收信机前方定义为收信机前方10105050公里处地形高度公里处地形高度超过超过90%90%与超过与超过10%10%的差。的差。除此以外的其它地形统称为除此以外的其它地形统称为“不规则地形不规则地形”2.1.4 反射(1/3)2.1.4 反射(2/3)2.1.4 反射(3/3)2.1.5 绕射2.1.5 绕射2.2 自由空间传播模型(1/8)n什么叫自由空间？什么叫自由空间？自由空间是指充满均匀、线性、自由空间是指充满均匀、线性、各向同性理想介质的无限大空间，是一种理想情各向同性理想介质的无限大空间，是一种理想情况。如卫星的电波传播就很接近自由空间的传播况。如卫星的电波传播就很接近自由空间的传播条件条件无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。播空间。n无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。的传播损耗。2.2 自由空间传播模型(2/8)PTd球面上的功率流：如图所示，发射功率为如图所示，发射功率为P PT T，发射天线为各向均匀辐射，发射天线为各向均匀辐射，则以发射源为中心，则以发射源为中心，d d为半径为半径的球面上单位面积的功率为：的球面上单位面积的功率为：S S P PT T/4/4 d d2 22.2 自由空间传播模型(3/8)由于天线有方向性（设发射天线增益为由于天线有方向性（设发射天线增益为G GT T），），故在主波束方向通过单位面积的功率为：故在主波束方向通过单位面积的功率为：S=GS=GT TP PT T/4/4 d d2 2 设接收天线的有效面积为设接收天线的有效面积为A A，则接收天线所截则接收天线所截获的功率为：获的功率为：P Pr r=SA=AG=SA=AGT TP PT T/4/4 d d2 2 对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布，则天线的有效面积为：等幅分布，则天线的有效面积为：A=GA=Gr r 2 2/4/4 其中其中G Gr r为接收天线增益，为接收天线增益，为自由空间波长为自由空间波长。2.2 自由空间传播模型(4/8)代入代入P Pr r公式。得到：公式。得到：P Pr r=G=Gr rG GT TP PT T(/4/4 d)d)2 2令：令：P Pr r /P/PT T=G Gr r G GT T/L/LS S 其中其中L LS S定义为自由空间传播损耗。定义为自由空间传播损耗。则：则：L LS S=(4=(4 d d/)2 2 =(4(4 fdfd/c c )2 2以分贝数表示：以分贝数表示：L LS S=92.4+20lg f=92.4+20lg f(GHz)(GHz)+20lgd+20lgd(km)(km)dBdB2.2 自由空间传播模型(5/8)用于预测收发信机之间完全无阻挡的视距路径用于预测收发信机之间完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强：时的接收信号场强：2.2 自由空间传播模型(6/8)从上面的公式可看出，距离每增加一倍，损从上面的公式可看出，距离每增加一倍，损耗增加耗增加6 6dBdB。如果频率每增加一倍，如上面例子所如果频率每增加一倍，如上面例子所以以19001900MHzMHz的损耗也比的损耗也比900900MHzMHz多损耗了多损耗了6 6个个dBdB。自由空间传播模型适用于具有各向同性传播自由空间传播模型适用于具有各向同性传播介质（如真空）的无线环境，是理论模型。该环介质（如真空）的无线环境，是理论模型。该环境在现实中并不存在，但空气介质近似于各向同境在现实中并不存在，但空气介质近似于各向同性介质性介质。2.2 自由空间传播模型(7/8)d处自由空间中处自由空间中接收功率为：接收功率为：2.2 自由空间传播模型(8/8)2.3 大尺度衰落模型2.3.1 大尺度衰落模型概述发射机发射机tn,1接收机接收机tk,1t or dtn,3tn,2tk,2tk,3tk,4一条子路径LOSpath k路径 nd(t)V m R(t)qn2.3.1 大尺度衰落模型概述大尺度衰落模型大尺度衰落模型:T-R T-R 之间大距离之间大距离主要传播机制主要传播机制:反射反射信号强度衰减随传播信号强度衰减随传播距离而成阴影分布距离而成阴影分布对数正态阴影模型对数正态阴影模型围绕一均值缓慢变化围绕一均值缓慢变化2.3.2 大尺度衰落模型分类u自由空间传播自由空间传播u地面反射地面反射(双线双线)u刃形绕射刃形绕射u室外传播模型室外传播模型u室内传播模型室内传播模型2.3.3 地面反射(双线)模型(1/2)地面双射反射模型地面双射反射模型T（发送机）发送机）R（接收机）接收机）hththrht-hrht+hrElosEgd2.3.3 地面反射(双线)模型(2/2)2.3.4 刃形绕射模型模型(1/6)电磁波在绕射点四电磁波在绕射点四处扩散处扩散绕射波覆盖除障碍绕射波覆盖除障碍物外的所有方向物外的所有方向扩散损耗最为严重扩散损耗最为严重计算公式复杂，随计算公式复杂，随不同绕射常数变化不同绕射常数变化绕射损耗TR2.3.4 刃形绕射模型模型(2/6)在分析山区或者城市中摩天大楼密布的密集市区的在分析山区或者城市中摩天大楼密布的密集市区的传输损耗时，通常还要分析绕射损耗和穿透损耗。传输损耗时，通常还要分析绕射损耗和穿透损耗。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种测量。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种测量。障碍物高度必须同传播波长比较。同一障碍物高度障碍物高度必须同传播波长比较。同一障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。对长波长产生的绕射损耗小于短波长。绕射损耗是电磁波在绕射点四处扩散，绕射波覆盖绕射损耗是电磁波在绕射点四处扩散，绕射波覆盖除障碍物外的所有方向，这种扩散损耗最为严重，除障碍物外的所有方向，这种扩散损耗最为严重，其计算公式复杂，随不同绕射常数变化。其计算公式复杂，随不同绕射常数变化。2.3.4 刃形绕射模型模型(3/6)2.3.4 刃形绕射模型模型(4/6)ABhd1d2负高度模式正高度模式ABhd1d22.3.4 刃形绕射模型模型(5/6)Figure 4.12 Illustration of Fresnel zones for different knife-edge diffraction scenarios.2.3.4 刃形绕射模型模型(/)2.3.5 多重刃形绕射模型模型阻档体B等效于单个刃形的布灵顿结构2.3.6 运用路损模型进行链路预算设计1/2平均大尺度路径损耗平均大尺度路径损耗:对数正态阴影分布对数正态阴影分布:X为0均均值,标准偏差准偏差为的高斯分布随机的高斯分布随机变量量接收功率接收功率:2.3.6 运用路损模型进行链路预算设计2/2接收信号电平超过某一特定值的概率：接收信号电平超过某一特定值的概率：2.3.7 常用室外传播模型概述 20140401自由空间传播模型平坦地形传播模型Okumura(奥村)/Hata模型COST231-Hata模型LEE模型COST231 Walfish-Ikegami模型2.3.8 平坦地形传播模型(1/2)n=4 路径损耗斜率路径损耗斜率hb：基站天线高度基站天线高度hm：移动台高度移动台高度L0：与频率有关的参数与频率有关的参数基站天线高度增加一倍，可基站天线高度增加一倍，可补偿补偿6 6dBdB的路径损耗的路径损耗RTPloss=L0+10nlgd-20lghb-20lghm2.3.8 平坦地形传播模型(2/2)平坦地形传播模型，除考虑平坦地形传播模型，除考虑频率频率和和距离距离因素因素外，还把移动台和基站的外，还把移动台和基站的高度因素高度因素考虑在内。考虑在内。2.3.9 Okumura-Hata模型(1/3)适用范围：适用范围：频率范围频率范围 f:f:1501501500MHz1500MHz基站天线高度基站天线高度 H Hb b:3030200m200m移动台高度移动台高度 H Hm m:1 1 10m10m距离距离 d:d:1 1 20km20km宏蜂窝模型宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物基站天线高度高于周围建筑物1 1kmkm以内预测不适用以内预测不适用频率超过频率超过15001500MHzMHz以上时不适用以上时不适用2.3.9 Okumura-Hata模型(2/3)OkumuraOkumuraHataHata模型是规划软件通常采用的传模型是规划软件通常采用的传播模型，适用于播模型，适用于15001500MHzMHz以下的大于以下的大于1 1公里范围的宏公里范围的宏小区。小区。20 20世纪世纪6060年代，奥村等人在东京近郊利用宽范年代，奥村等人在东京近郊利用宽范围的频率，几种固定台高度，几种移动台高度，以围的频率，几种固定台高度，几种移动台高度，以及在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信及在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信号强度，形成一系列曲线，然后对这些曲线进行拟号强度，形成一系列曲线，然后对这些曲线进行拟合建立模型，从而得到了传播模型的经验公式。该合建立模型，从而得到了传播模型的经验公式。该模型已经在世界范围内广泛使用，利用修正因子可模型已经在世界范围内广泛使用，利用修正因子可使它适用于东京以外的地区。使它适用于东京以外的地区。2.3.9 Okumura-Hata模型(3/3)Lu=69.55+26.16logf-13.82loghb+(44.9-6.55loghb)logd-a(Hm)市区（中、小城市）：市区（中、小城市）：a(Hm)=1.1*log(f)-0.7*Hm-1.56*log(f)-0.8市区（大城市）：市区（大城市）：a(Hm)=8.29*log(1.54*Hm)2-1.1（f300MHz）a(Hm)=3.2*log(11.75*Hm)2-4.97（f300MHz）郊区：郊区：Lsu(dB)=Lu-2*log(f/28)2-5.4农村农村(准开阔地准开阔地)：Lrqo(dB)=Lu-4.78*log(f)2+18.33*log(f)-35.9农村农村(开阔地开阔地)：Lro(dB)=Lu-4.78*log(f)2+18.33*log(f)-40.942.3.10 COST 231-Hata模型(1/3)适用范围：适用范围：频率范围 f：15002000MHz基站天线高度 Hb：30200m移动台高度 Hm：110m距离 d：120kmCOST231-HataCOST231-Hata模型是根据奥村模型是根据奥村hatahata模型进行一模型进行一定的修改得到的。定的修改得到的。2.3.10 COST 231-Hata模型(2/3)宏蜂窝模型宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物基站天线高度高于周围建筑物1 1kmkm以内预测不适用以内预测不适用频率超过频率超过20002000MHzMHz或低于或低于15001500MHzMHz时不适用时不适用COST231COST231模型适用于模型适用于1500150020002000MHzMHz，在在1 1kmkm以内以内预测不准。预测不准。COST231-hataCOST231-hata模型也是奥村等人的模型也是奥村等人的测试结果作为依据，通过对较高频段的传播曲测试结果作为依据，通过对较高频段的传播曲线进行分析，得到所建议的公式。线进行分析，得到所建议的公式。2.3.10 COST 231-Hata模型(3/3)Lu(dB)=46.3+33.9*log(f)13.82*log(Hb)a(Hm)+44.96.55*log(Hb)*log(d)+Cm中等城市和郊区中心区：中等城市和郊区中心区：Cm=0dB大城市：大城市：Cm=3dB农村农村(准开阔地准开阔地)：Lrqo(dB)=Lu-4.78*log(f)2+18.33*log(f)-35.94农村农村(开阔地开阔地)：Lro(dB)=Lu-4.78*log(f)2+18.33*log(f)-40.94hb：基站天线高度基站天线高度；hm：移动台天线高度移动台天线高度2.3.11 LEE模型(1/3)n参数易根据测量值调整，路径损耗预测算法简参数易根据测量值调整，路径损耗预测算法简单，计算速度快准确性高。单，计算速度快准确性高。n宏蜂窝模型宏蜂窝模型 无阻挡情况无阻挡情况 有阻挡情况有阻挡情况n微蜂窝模型微蜂窝模型2.3.11 LEE模型(2/3)1 1、LEELEE模型模型-宏蜂窝模型宏蜂窝模型无阻挡时无阻挡时(考虑地形的影响考虑地形的影响,采用有效天线高度进行计算采用有效天线高度进行计算)式中式中,r0为为1英里或英里或1千米千米;f0=850MHz;有阻挡时有阻挡时2.3.11 LEE模型(3/3)2 2、LEE模型模型-微蜂窝模型微蜂窝模型式中式中,Llos(dA,ht)为基站天线有效高度为基站天线有效高度h ht t、距离基站距离基站dA处的直射波处的直射波路径损耗，是一个双斜率模型。路径损耗，是一个双斜率模型。Llos(dA,ht)的理论值为：的理论值为：式中式中,为断点距离，其中为断点距离，其中h hr r为接收天线的高度。为接收天线的高度。2.3.12 COST 231 Walfish-Ikegami模型(1/7)适用范围：适用范围：频率范围频率范围 f:800f:800 2000MHz2000MHz 基站天线高度基站天线高度 H Hbasebase:4:4 50m50m 移动台高度移动台高度 H Hmobilemobile:1:1 3m3m 距离距离 d d:0.02:0.02 5km5km 建筑物高度建筑物高度 H Hrooroof f(m)(m)路面宽度路面宽度 w(m)w(m)建筑物间距建筑物间距 b(mb(m)相对直射波方向的街道走向相对直射波方向的街道走向 市区环境，宏蜂窝或微蜂窝郊区环境或乡村环境不适用2.3.12 COST 231 Walfish-Ikegami模型(2/7)欧洲研究委员会欧洲研究委员会COST231传播模型小组提出两种建传播模型小组提出两种建议：议：一种是根据一种是根据Hata模型，利用一些修正项使频率覆盖模型，利用一些修正项使频率覆盖范围从范围从1500MHz扩展到扩展到2000MHz频段。但由于测试频段。但由于测试的环境都是基站高于周围建筑物的，因而把它的有的环境都是基站高于周围建筑物的，因而把它的有效使用范围推广到基站天线高度低于周围建筑物的效使用范围推广到基站天线高度低于周围建筑物的情况是不恰当的。这种模型适合在情况是不恰当的。这种模型适合在“大区制宏蜂窝大区制宏蜂窝”使用使用。2.3.12 COST 231 Walfish-Ikegami模型(3/7)在在“微蜂窝微蜂窝“中，基站天线一般比屋顶低，中，基站天线一般比屋顶低，所以委员会根据所以委员会根据Walfish的计算市区环境的结果的计算市区环境的结果和和Ikegami的处理街道走向的修正函数连同试验的处理街道走向的修正函数连同试验数据一起创造了数据一起创造了”COST-WalfishIkegami”模型。模型。该模型在德国城市该模型在德国城市Mannheim进行测试，发现仍进行测试，发现仍需要相当大的改进。需要相当大的改进。2.3.12 COST 231 Walfish-Ikegami模型(4/7)在使用时，需要遇到一些描述市区环境特征的参数，在使用时，需要遇到一些描述市区环境特征的参数，即：即：建筑物高度建筑物高度 Hroof (m)路面宽度路面宽度 w(m)建筑物间距建筑物间距 b(m)相对直射波方向的街道走向相对直射波方向的街道走向 ()2.3.12 COST 231 Walfish-Ikegami模型(5/7)Lb=42.6+26*log(d)+20*log(f)for d=0.020 kmOr:Lb=Lofor d 0.02km其中，Lo为自由空间传播损耗基站与移动台之间有可视路径（基站与移动台之间有可视路径（LOSLOS）对于高楼林立的街道对于高楼林立的街道（StreetCanyon）传播环境传播环境，基基站天线通常低于周围建筑物的屋顶高度。站天线通常低于周围建筑物的屋顶高度。受传播环境受传播环境的影响，无线信号通常只能沿街道走向传播。的影响，无线信号通常只能沿街道走向传播。在街道形成的峡谷中的传播特性和自由空间传播时有差别的。在街道形成的峡谷中的传播特性和自由空间传播时有差别的。上述的公式在上述的公式在Stockholm进行测试的基础上得到的。进行测试的基础上得到的。2.3.12 COST 231 Walfish-Ikegami模型(6/7)基站与移动台之间无可视路径（基站与移动台之间无可视路径（Non-LOSNon-LOS）Lb=LoforLrts+Lmsd=0其中，其中，Lo为自由空间传播损耗为自由空间传播损耗其中Lrts是指最后屋顶到街道的绕射和散射损耗，Lmsd 指多屏绕射损耗，因为公式比较复杂，这里就不展开介绍了。如果感兴趣，可以参看GSM网络优化。2.3.12 COST 231 Walfish-Ikegami模型(7/7)2.3.13 室内传播模型(1/4)20131010止 室内信号取决于建筑物的穿透损耗室内信号取决于建筑物的穿透损耗 室内窗口处与室内中部信号差别较大室内窗口处与室内中部信号差别较大 建筑物材质对穿透损耗影响较大建筑物材质对穿透损耗影响较大 电磁波的入射角对穿透损耗影响较大电磁波的入射角对穿透损耗影响较大穿透损耗2.3.13 室内传播模型(2/4)XdBmWdBm穿透损耗穿透损耗=X-W=BdB电磁波穿透墙体的反射和折射2.3.13 室内传播模型(3/4)穿透损耗代表信号穿透建筑物的能力，不穿透损耗代表信号穿透建筑物的能力，不同结构的建筑物对信号的影响非常大。同结构的建筑物对信号的影响非常大。同一建筑物对长波长产生的穿透损耗大于同一建筑物对长波长产生的穿透损耗大于短波长。短波长。电磁波的入射角也对穿透损耗影响较大。电磁波的入射角也对穿透损耗影响较大。2.3.13 室内传播模型(4/4)常见物体的电波损耗值物体阻挡/穿透损耗为：隔墙阻挡：520dB 楼层阻挡：20dB，室内损耗值是楼层高度的函数，-1.9dB/层 家具和其它障碍物的阻挡：215dB 厚玻璃：610dB 火车车厢的穿透损耗为：1530dB 电梯的穿透损耗：30dB左右 茂密树叶损耗：10dBTR本次课结束