1、1移動通信第二課移動信道的電波傳播特性 2主 要 內 容研究移動通信信道的意義和方法無線電波傳播特性分析移動信道的特征陸地移動信道的場強估計移動信道的傳播模型噪 聲 與 干 擾3研究移動通信信道的意義和方法研究無線移動信道模型，預測接收信號場強： 衰減、吸收、折射、散射、繞射. 移動環境. 自然和人為無線電環境. 接收信號場強情況如何？ 信號帶寬的增加 GSM的均衡 CDMA的多徑合并 開發時域多徑資源智能天線的引入 開發空域多徑資源4研究移動通信信道的意義和方法無線電發射包括電磁場 電場分量 感應場分量 輻射場分量輻射場具有E和B分量 在距離d處的EB的場強1/d2 以發射機為球心的表面區域

2、影響接收信號強度的兩個因素： 距離 = 路徑衰減 多徑 = 相位差5研究移動通信信道的意義和方法模型是特定的6電磁波傳播理論電波傳播方式及特點三類損耗與四種效應三類主要快衰落多徑信道的統計分析7電波傳播方式及特點 電磁波從發射機發出，傳播到接收天線，可以有不同的傳播方式，主要的傳播方式四種： 無線電波的幾種主要傳播方式 地波傳播：是一種沿著地球表面傳播的電磁波，稱為地面波或表面波傳播，簡稱地表波。天波傳播：電波向天空輻射并經電離層反射回到地面的傳播方式稱為天波傳播，也稱電離層傳播。8直射波傳播：電波從發射天線直射到接收天線的傳播方式，稱為直射波傳播，有時也稱視距傳播或視線傳播。散射傳播：這種傳

3、播主要是由于電磁波投射到大氣層（如對流層）中的不均勻氣團時產生散射，其中一部分電磁波到達接收地點。電波傳播方式及特點 9直射反射折射繞射散射電磁波的基本傳播機制電波傳播方式及特點101. 電波在均勻媒質中沿直線傳播一般輻射到空間的電磁波都是球面波。但是當我們僅考慮離開場源很遠的一小部分空間范圍內的波面時，可以近似地看成均勻平面波。2. 能量的擴散與吸收隨著傳播距離的增加，電磁波能量分布在越來越大的面積上，由于天線輻射的總能量一定，因此分布的面積越大，則通過單位面積上的能量就越小。所以離開天線的距離越遠，空間的電磁場就越來越弱。自由空間直射傳播11無線電的頻率與波長滿足以下關系:其中，是無線電的

4、波長f 是無線電的頻率c 是光速，c = 3108 m/s典型的例子：GSM系統使用900 MHz頻段，其波長是：3108 / 900106 = 0.33m自由空間直射傳播12發射和接收的功率分別是Pt 、Pr發射和接收天線的增益分別是Gt、 Gr定義自由空間傳播損耗：L自由空間直射傳播13自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗的計算公式：結論：自由空間傳播損耗 L 只與工作頻率 f 和傳播距離 d 有關。當 f 或d 增大一倍時，傳播損耗增加 6 dB。移動通信的例子：d = 50 km, f = 2 GHz, 可以計算出L = 132 dB;衛星通信的例子： d = 40000 km, f =

5、6 GHz, 此時的L = 200 dB14自由空間接收電平的計算用分貝表示的接收電平：L例：Pt = 1W =30 dBm, f = 3800 MHz, d = 45 km, Gt = Gr = 39dB,則 Pr = Pt +Gt +Gr L = 30 + 39 + 39 137 = -29 dBm = 1.26 W。15視距LOS的計算發射和接收天線的高度分別是ht和hr，地球的等效半徑為Re=8500 km, O點為地心。則視距傳播的極限距離為：典型例子：發射和接收天線高50m, 則視距d=50 km。自由空間傳播損耗16反射波直射波地面散射波基站天線移動臺天線 反 射17理想介質表面

6、的反射極化特性多徑信號兩徑傳播模型多徑傳播模型 反 射18 理想介質表面的反射如果電磁波傳輸到理想介質表面，則能量都將反射回來反射系數（R） 入射波與反射波的比值 入射角 式中 (垂直極化） （水平極化） 而 其中，為介電常數，為電導率，為波長。19極 化 特 性 極化 電磁波在傳播過程中，其電場矢量的方向和幅度隨時間變化的狀態電磁波的極化形式 線極化、圓極化和橢圓極化線極化的兩種特殊情況 水平極化（電場方向平行于地面） 垂直極化（電場方向垂直于地面）極化反射系數 對于地面反射，當工作頻率高于150MHz（ ）， 時，算得 應用 接收天線的極化方式同被接收的電磁波的極化形式一致時，才能有效地接

7、收到信號，否則將產生極化失配 不同極化形式的天線也可以互相配合使用20兩徑傳播模型接收信號功率 簡化后： 其中，相位差 ，多徑傳播模型其中，N為路徑數。當N很大時，無法用公式準確計算出接收信號的功 率，必須用統計的方法計算接收信號的功率。 地面二次效應可忽略直射波反射波地表面波可忽略兩徑傳播模型直射波反射波發射天線接收天線多 徑 信 號21折 射無線電波傳播特性分析 當一束電波通過折射率對高度變化的大氣層時，由于不同高度上的電波傳播速度不同，從而使電波射束發生彎曲，彎曲的方向和程度取決于大氣折射率的垂直梯度。這種由大氣折射率引起電波傳播方向發生彎曲的現象，稱為大氣對電波的折射。22基站天線移動

8、臺天線繞射波山峰繞 射23惠更斯菲涅爾原理菲涅爾區 基爾霍夫公式 繞 射24 惠更斯菲涅爾原理 原理波在傳播過程中，行進中的波前（面）上的每一點，都可作為產生次級波的點源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前（面）。繞射由次級波的傳播進入陰影區而形成。陰影區繞射波場強為圍繞阻擋物所有次級波的矢量和。 說明在P點處的次級波前中， 只有夾角為（即 ） 的次級波前能到達接收點R每個點均有其對應的角， 將在0到180之間變化越大，到達接收點輻射能量越大圖2-3 對惠更斯菲涅爾原理說明25 菲涅爾區菲涅爾區 從發射點到接收點次級波路徑長度直接路徑長度大n/2的連續區域接收點信號的合成n為奇數時，兩信

9、號抵消n為偶數時，兩信號疊加菲涅爾區同心半徑 第一菲涅爾區半徑（n=1）特點在接收點處第一菲涅爾區的場強是全部場強的一半發射機和接收機的距離略大于第一菲涅爾區，則大部分能量可以達到接收機。 圖 菲涅爾區截面 26多重刃形繞射1）連續兩個障礙物繞射損耗 2）多于兩個障礙物情況繞 射27如果在電磁波的直射路徑上存在障礙物，則對接收的電磁波產生附加損耗。根據障礙物與收發天線的關系，分為正余隙和負余隙。繞 射28 在實際移動無線環境中，接收信號比單獨繞射和反射模型預測的要強，這是因為當電波遇到粗糙表面時，反射能量由于散射而散布于所有方向，給接收機提供了額外的能量。 臨近金屬物體（街頭標志等）：通常采用

10、統計模型散 射29起因 無線電波遇到粗糙表面時，反射能量散布于所有方向表面光滑度的判定 表面平整度的參數高度 平面上最大的突起高度 h粗糙表面下的反射場強 散射損耗系數 式中， 為表面高度h的標準差，h是具有局部平均值的高斯分布的隨機變量。 用粗糙表面的修正反射系數表示反射場強 散 射30電磁波傳播理論電波傳播方式及特點三類損耗與四種效應三類主要快衰落多徑信道的統計分析31路徑傳播損耗慢衰落損耗快衰落空間選擇性快衰落頻率選擇性快衰落時間選擇性快衰落接收信號中的三類損耗與四種效應32陰影效應由大型建筑物和其它物體的阻擋，在電波傳播的接收區域中 產生傳播半盲區。它類似于太陽光受阻擋后可產生的陰影，

11、光波的波長較短，因此陰影可見，電磁波波長較長，陰影不可見，但是接收終端(如手機)與專用儀表可以測試出來。接收信號中的三類損耗與四種效應四種主要效應遠近效應由于接收用戶的隨機移動性，移動用戶與基站之間的距離也是在隨機變化，若各移動用戶發射信號功率一樣，到達基站時信號的強弱將不同，離基站近者信號強，離基站遠者信號弱。通信系統中的非線性將進一步加重信號強弱的不平衡性，甚至出現以強壓弱的現象，并使弱者，即離基站較遠的用戶產生掉話(通信中斷)現象，通常稱這一現象為遠近效應。33多徑效應由于接收者所處地理環境的復雜性，使得接收到的信號不僅有直射波的主徑信號，還有從不同建筑物反射過來以及繞射過來的多條不同路

12、徑信號。而且它們到達時的信號強度，到達時間以及到達時的載波相位都是不一樣的。所接收到的信號是上述各路徑信號的矢量和，也就是說各徑之間可能產生自干擾，稱這類自干擾為多徑干擾或多徑效應。這類多徑干擾是非常復雜的，有時根本收不到主徑直射波，收到的是一些連續反射波等。 接收信號中的三類損耗與四種效應四種主要效應直射波光滑地面反射波基站天線34多徑對信號的影響35多普勒效應它是由于接收用戶處于高速移動中（比如車載通信時）傳播頻率的擴散而引起的，其擴散程度與用戶運動速度成正比。這一現象只產生在高速(70km/h)車載通信時，而對于通常慢速移動的步行和準靜態的室內通信，則不予考慮。接收信號中的三類損耗與四種

13、效應四種主要效應36衰落：電磁波在傳播過程中，由于傳播媒介及傳播途徑隨時間的變化而引起的接收信號強弱變化的現象叫作衰落。衰落根據其時間特性可分為慢衰落和快衰落兩種。信號強度曲線的中值呈現慢速變化，稱為慢衰落；曲線的瞬時值呈快速變化，稱快衰落。快衰落與慢衰落并不是兩個獨立的衰落（雖然它們的產生原因不同），快衰落反映的是瞬時值，慢衰落反映的是瞬時值加權平均后的中值。衰落根據其頻率特性可分為非頻率選擇性衰落（平衰落）和頻率選擇性衰落兩種。什么叫衰落37衰落影響之一：接收電平降低，無法保證正常通信。衰落影響之二：接收波形畸變，產生嚴重的誤碼。衰落影響之三：傳播延時變化，破壞與時延有關的同步。衰落影響之

14、四：在快衰落情況下，由于電平變化迅速，影響某些跟蹤過程。所以，需要對衰落進行研究，以解決如何對抗衰落的問題。衰落有什么影響38慢衰落：由于移動臺的不斷運動，電波傳播路徑地形地貌是不斷變化的，因而局部中值也是不斷變化的這種接收信號的場強中值在長時間內的緩慢變化稱為慢衰落 ，比多徑效應引起的快衰落要慢得多。中值：在局部時間（或地點）中，信號電平大于或小于它的時間各為50%。移動環境的衰落特性-慢衰落39陰影效應：由于大型建筑物和其他物體的阻擋而形成在傳播接收區域上半盲區，表現為慢衰落。移動環境的衰落特性-慢衰落40產生原因:慢衰落是由大氣折射、大氣湍流、大氣層結等平均大氣條件的變化而引起的，主要與

15、氣象條件、電路長度、地形等因素有關。陰影效應：由障礙物阻擋造成陰影效應，衰落速率與工作頻率無關 大氣折射：大氣介電常數的變換，時變特點: 衰落與傳播地形和地物分布、高度有關移動環境的衰落特性-慢衰落41慢衰落一般服從對數正態分布式中， 為信號中值的分貝值為信號中值的均值（分貝） 移動環境的衰落特性-慢衰落對數正態分布：如果一個變量可以看作是許多很小獨立因子的乘積，則這個變量可以看作是對數正態分布。一個典型的例子是股票投資的長期收益率，它可以看作是每天收益率的乘積。42電磁波傳播理論電波傳播方式及特點三類損耗與四種效應三類主要快衰落多徑信道的統計分析43移動臺附近的散射體（地形，地物和移動體等）

16、引起的多徑傳播信號在接收點相疊加，造成接收信號快速起伏的現象叫快衰落。產生原因多徑效應：同一信號沿著兩個或多個路徑傳播多普勒頻移：移動臺與基站之間的相對運動，隨機頻率調制環境物體相對于基站和移動臺在運動，時變對系統性能的影響 場強信號隨機快速起伏 時延擴展隨機調頻移動環境的衰落特性-快衰落44多徑時散：因多徑效應在時域上造成（數字）信號的展寬假設基站發射一個極短的脈沖信號，經過多徑信道后，移動臺接收信號呈現為一串脈沖，脈沖寬帶被展寬了。多徑時散與相關帶寬45相關帶寬：是描述時延擴展的，是表征多徑信道特性的一個重要參數。多徑衰落下，頻率間隔靠得很近的兩個衰落信號存在不同時延，可使兩個信號變得相關

17、。這一頻率間隔稱為“相干” 或“相關”帶寬（Bc）。它是指某一特定的頻率范圍，在該頻率范圍內的任意兩個頻率分量都具有很強的幅度相關性，即在相干帶寬范圍內，多徑信道具有恒定的增益和線性相位。相關帶寬就是信道保持恒定的最大頻率差范圍。通常，相干帶寬近似等于最大多徑時延的倒數。 Bc=1/(2)(Hz)（工程估算）相關帶寬意義：在相關帶寬內，信號可以順利傳輸，無大的失真；若信號帶寬超過相關帶寬，將有大的失真。46三類主要快衰落頻率選擇性衰落不同的頻率衰落特性不一樣，引起時延擴散空間選擇性衰落不同的地點、不同的傳輸路徑衰落特性不一樣時間選擇性衰落快速移動在頻域上產生多普勒效應而引起頻率擴散47頻率選擇

18、性衰落頻率選擇性衰落是指在不同頻段上衰落特性不一樣。當頻率超過相干帶寬時發生頻率選擇性衰落。如果多路信號的相對時延與一個符號的時間相比不可忽略, 那么當多路信號迭加時, 不同時間的符號就會重迭在一起，造成符號間的干擾。這種衰落稱為頻率選擇性衰落。48時 間 色 散時間色散：是指到達接收機的直射信號和其他多徑信號由于空間傳輸的時間差異而帶來的彼此干擾問題。無線電波從發射端到接收端會經過直射、反射等很多傳播途徑，從發射端輻射出的波經過反射路徑到達接收端用的時間要比走直射路徑長一些。從接收端看，先后收到了來自同一信源的兩列波；這兩列波走的路徑不同，傳播環境不同，受到的干擾也不同。時間色散是指到達接收

19、機的直射信號和其他多徑信號由于空間傳輸的時間差異而帶來的彼此干擾問題。假若發射機發送了一個“1”，由于多徑效應，接收機先收到“1”這個數據，又收到“0”這個數據，接收機不知道究竟是“0”還是“1”了，所以解碼就可能出現錯誤。49時 間 色 散 時間色散參數 平均附加延時 rms時延擴展 最大附加延時擴展(XdB) 類比：幾個同學出去玩，在森林里看到遠處有一個動物（類似信息發射端），A說：“那是一只鹿！”，B說：“是一匹馬。”在后面的C說：“你們倆誰說的對，我無法判斷了。”（接收機解調問題），在這種情況下，同樣一個動物從不同角度（傳播路徑）看印象差別這么大，大家無法判斷到底是鹿還是馬了（無法解調

20、了）50平坦衰落：信道的頻率響應在所用的頻段內是平坦的。一般來說， 多路信號到達接收機的時間有先有后，即有相對時延。 如果這些相對時延遠小于一個符號的時間， 則可認為多路信號幾乎是同時到達接收機的。 這種情況下多徑不會造成符號間的干擾。 這種衰落稱為平坦衰落， 因為這種信道的頻率響應在所用的頻段內是平坦的。平 坦 衰 落51 判定：由信道和信號兩方面決定分類 不同頻率分量的衰落 信號波形頻率選擇性衰落 不一致 失真非頻率選擇性衰落（平坦衰落） 相關的 一致的 不失真數字通信系統信號帶寬小于信道相關帶寬BsBc平坦衰落頻選衰落碼間干擾相關帶寬與頻率選擇性衰落52空間選擇性衰落空間選擇性衰落是指在

21、不同的地點與空間位置衰落特性不一樣。 53角 度 色 散原因 移動臺和基站周圍的散射環境不同，使得多天線系統中不同位置的天線經歷的衰落不同。參數角度擴展相關距離 空間選擇性衰落54角 度 擴 展角度功率譜（PAS） 信號功率譜密度在角度上的分布。一般為均勻分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布角度擴展等于功率角度譜的二階中心矩的平方根，即 式中意義描述了功率譜在空間上的色散程度，角度擴展在 之間分布。角度擴展越大，表明散射環境越強，信號在空間的色散度越高。 55相關距離與空間選擇性衰落相關距離Dc 信道沖激響應保證一定相關度的空間距離空間選擇性衰落天線空間距離大于相關距離 Dc天線空間距離遠小于

22、相關距離 Tc時選衰落誤碼60三類主要快衰落實際移動通信中三類選擇性衰落產生的條件 在實際移動通信中，三類選擇性衰落都存在，根據其產生的條件大致可以劃分為以下三類。第一類多徑干擾：由快速移動用戶附近的物體發射而形成的。其特點是在信號頻域產生多普勒擴散而引起時間選擇性衰落。第二類多徑干擾：由遠處山丘或高大建筑物反射而形成的。其特點是信號在時域上產生擴散，引起頻率選擇性衰落。第三類多徑干擾：由基站附近的建筑物和其他物體發射而形成的干擾信號。引起空間選擇性衰落。61如何對抗衰落減少通信距離，增加發送功率，調整天線高度，選擇合適路由。在移動通信中采用微蜂窩、直放站。采用分集技術、均衡技術、編碼技術等。

23、62電磁波傳播理論電波傳播方式及特點三類損耗與四種效應三類主要快衰落多徑信道的統計分析63為什么要進行多徑信道的統計分析 相關衰落信道模型是進行多天線系統、分集研究的基礎。通信的應用領域越來越廣泛，如深空通信、光通信等，面對越來越復雜的信道環境，傳統經典的信道模型在應用上往往受限，或者需要針對具體的環境做出改進以提高精度。64多徑信道的統計分析 主要討論多徑信道的包絡統計特性。接收信號的包絡根據不同的無線環境一般服從： 瑞利分布 萊斯分布 Nakagami-m分布注：包絡即隨機過程的振幅隨著時間變化的曲線。 65 瑞利分布瑞利分布：當一個隨機二維向量的兩個分量呈獨立的、有著相同的方差的正態分布

24、時，這個向量的模呈瑞利分布。 瑞利分布是最常見的用于描述平坦衰落信號接收包絡或獨立多徑分量接收包絡統計時變特性的一種分布類型。瑞利分布是一個均值為0，方差為2的平穩窄帶高斯過程。 66 瑞利衰落瑞利衰落：在無線通信信道中，由于信號進行多徑傳播達到接收點處的場強來自不同傳播的路徑，各條路徑延時時間是不同的，而各個方向分量波的疊加，又產生了駐波場強，從而形成信號快衰落稱為瑞利衰落。瑞利衰落屬于小尺度的衰落效應，它總是疊加于如陰影、衰減等大尺度衰落效應上。在無線通信信道環境中，電磁波經過反射折射散射等多條路徑傳播到達接收機后， 總信號的強度服從瑞利分布。67 瑞利衰落瑞利衰落信道是一種無線電信號傳播

25、環境的統計模型。這種模型假設信號通過無線信道之后，其信號幅度是隨機的，即“衰落”，并且其包絡服從瑞利分布。這一信道模型能夠描述由電離層和對流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環境。瑞利衰落能有效描述存在能夠大量散射無線電信號的障礙物的無線傳播環境。若傳播環境中存在足夠多的散射，則沖激信號到達接收機后表現為大量統計獨立的隨機變量的疊加，根據中心極限定理，則這一無線信道的沖激響應將是一個高斯過程。如果這一散射信道中不存在主要的信號分量，通常這一條件是指不存在直射信號則這一過程的均值為0，且相位服從0 到2的均勻分布。即，信道響應的能量或包絡服從瑞利分布。瑞利衰落只適用于從發射機到接收機不存在直

26、射信號的情況，否則應使用萊斯衰落信道作為信道模型。 68 瑞利分布的環境條件環境條件：通常在離基站較遠、反射物較多的地區，符合發射機和接收機之間沒有直射波路徑存在大量反射波，到達接收天線的方向角隨機且02均勻分布各反射波的幅度和相位都統計獨立Play69 非視距傳播的瑞利衰落視距傳播：電波沿直線傳播的方式稱為視距傳播。視距傳播的距離一般為2050Km。 非視距傳播：當移動臺（MS）與基站（BS）之間的直射路徑被障礙物擋住后，無線電波只能在經過反射和衍射后到達接收端，此時測量到的數據，如到達時間、時間差、入射角度等，將不能正確反映發送端與接收端的真實距離，這種現象被稱為非視距傳播（NLOS）。70 非視距傳播的瑞利衰落假定幅度n(t)和相位n(t)對不同路徑都相互獨立， n(t)在(0,2)上均勻分布，路徑數目N為無限大：幅度衰落(t)服從瑞利分布相位失真(t)服從均勻分布71