第三章移动信道的传播特性.ppt

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1、1,第三章 移动信道的传播特性,2,主要内容,无线电波的传播特性移动信道的特征陆地移动信道的传输损耗移动信道的传播模型,3,无线电波的传播特性,以VHF/UHF频段传播特性为例VHF：30M300MHzUHF：300M3000MHz电波传播方式发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f30 MHz时，典型的传播通路为,4,无线电波的传播特性（续）,直射波：从发射天线直接到达接收天线的电波，主要传播方式地面反射波：电波经地面反射到达接收天线地表面波：电波沿地球表面传播。损耗随频率升高而急剧增大，在VHF/UHF频段地表面波的传播忽略不计障碍物反射和散射：产生多径衰落,5,直射波

2、,直射波传播可按自由空间传播来考虑。自由空间传播：指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。,6,直射波（续）,自由空间传播不会产生反射、折射、绕射、散射和吸收当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的自由空间传播损耗自由空间传播损耗的计算由电磁场理论可知，若各向同性天线(亦称全

3、向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT瓦时，则距辐射源d米处的电场强度有效值E0为,7,磁场强度有效值H0为,单位面积上的电波功率密度S为,用天线增益为GT的方向性天线取代同向天线,直射波（续）,8,接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即,直射波（续）,9,式中，AR为接收天线的有效面积，它与接收天线增益GR满足下列关系,式中，2/4为各向同性天线的有效面积。,当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，接收天线上获得的功率为,直射波（续）,10,自由空间传播损耗Lfs可定义为,以dB计，得,或,式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。,(3-13),结论

4、：自由空间传播损耗只与工作频率 f 和传播距离d有关,直射波（续）,11,大气中的电波传播,实际移动信道中，电波在低层大气中传播低层大气并不是均匀介质，会发生折射和吸收现象在VHF/UHF频段折射现象尤为突出，直接影响视线传播的极限距离大气折射在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率n与相对介电系数r的关系为,12,大气的相对介电系数与温度、湿度和气压有关。大气高度不同，r也不同，即大气折射率的垂直梯度dn/dh是不同的。根据折射定律，电波传播速度v与大气折射率n成反比，即,式中，c为光速。,当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯

5、曲，弯曲的方向和程度取决于dn/dh。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。,大气折射,13,大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6.37106 m)变成了等效半径Re,Re与R0之间的关系为,式中，k称作地球等效半径系数。,大气折射（续）,14,当dn/dh0时，表示大气折射率n随着高度升高而减少。因而k1,ReR0。在标准大气折射情况下，即当dn/dh-410-8(l/m)，等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8 500km。结论：大气折射有利于超视距的传播在视线距离

6、内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。,大气折射（续）,15,视线传播极限距离,求视线传播距离d1+d2=?,16,自发射天线顶点A到切点C的距离d1为,同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为,在标准大气折射情况下，Re=8 500km,故,式中，ht、hr的单位是m,d的单位是km。,视线传播极限距离（续）,17,障碍物的影响与绕射损耗,实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗障碍物与发射点和接收点的相对位置,菲涅尔余隙x障碍物顶点P至直射线TR的距离负余隙正余隙,18,绕射损耗与菲涅尔余隙的关系X1：第一菲涅尔

7、区在P点横截面的半径,障碍物的影响与绕射损耗（续）,19,结论：当x/x10.5 时，附加损耗约为0dB，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.5x1;当x0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为 6 dB,障碍物的影响与绕射损耗（续）,20,例 设图 3-3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解 先由式(3-13)求出自由空间传播的损耗Lfs为,由式(3-21)求第一菲涅尔区半径x1

8、为,由图 3-4 查得附加损耗(x/x1-1)为17dB,所以电波传播的损耗L为,障碍物的影响与绕射损耗（续）,21,反射波,反射发生的条件：电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面，如果界面尺寸比电波波长大很多，就会产生镜面发射已知直射波场强为E0，求接收场强E（直射波与地面反射波的合成场强）发射波与直射波的路径差d=a+b-c路径差引起的附加相移,22,通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系数R表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，R可表示为,式中，|R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比，代表反射波相对于入射波的

9、相移。,反射波（续）,23,对于水平极化波和垂直极化波的反射系数Rh和Rv分别由下列公式计算：,式中，c是反射媒质的等效复介电常数，它与反射媒质的相对介电常数r、电导率和工作波长有关，即,(3-23),(3-24),反射波（续）,24,对于地面反射，当工作频率高于150MHz(2m)时，1，由式(3-23)和式(3-24)可得,即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为180。,反射波（续）,25,直射线TR与地面反射路径线TOR所经路径不同，路径差为,式中，d=d1+d2。,通常(ht+hr)d,故上式中每个根号均可用二项式定理展开，并且只取展开式中的前两项。,反射波（续）,26,例如

10、：,式中，2/称为传播相移常数。,由路径差d引起的附加相移为,这时接收场强E可表示为,反射波（续）,27,结论：直射波与地面反射波的合成场强随反射系数以及路径差的变化而变化同相相加，反相抵消，造成合成波的衰落现象在固定地址通信中，选择站址时力求减弱地面反射，或调整天线的位置或高度，使地面反射区离开光滑界面。,反射波（续）,28,主要内容,无线电波的传播特性移动信道的特征陆地移动信道的传输损耗移动信道的传播模型,29,移动信道的特征,移动信道是典型的随参信道传播路径与信号衰落移动信道电波传播方式直射波反射波散射波：障碍物界面尺寸比电波波长小很多,30,假设反射系数R=-1(镜面反射)，则合成场强

11、E为,式中，E0是直射波场强，是工作波长，1和2分别是地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数，而,传播路径与信号衰落,31,传播路径与信号衰落（续）,实际接收信号是由多个直射波、反射波和散射波合成的产生信号衰落慢衰落（中值变化）快衰落,32,多径效应与瑞利衰落,多径传播关心接收信号包络服从的分布,33,假设基站发射的信号为,式中，0为载波角频率，0为载波初相。经反射(或散射)到达接收天线的第i个信号为Si(t)，其振幅为i,相移为i。假设Si(t)与移动台运动方向之间的夹角为i,其多普勒频移值为,式中，v为车速，为波长，fm为i=0时的最大多普勒频移，因此S i(t)可写成,多径效应与瑞利衰

12、落（续）,34,假设N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号为,则S(t)可写成,多径效应与瑞利衰落（续）,35,由于x和y都是独立随机变量之和，根据概率的中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋向正态分布，即有概率密度函数为：,式中，x、y分别为随机变量x和y的标准偏差。x、y在区间dx、dy上取值概率分别为p(x)dx、p(y)dy，由于它们相互独立，所以在面积dxdy中的取值概率为,式中，p(x,y)为随机变量x和y的联合概率密度函数。,多径效应与瑞利衰落（续）,36,假设，且p(x)和p(y)均值为零，则,通常，二维分布的概率密度函数使用极坐标系(r,)

13、表示比较方便。此时，接收天线处的信号振幅为r,相位为，对应于直角坐标系为：,在面积drd中的取值概率为,多径效应与瑞利衰落（续）,37,得联合概率密度函数为,对积分，可求得包络概率密度函数p(r)为,同理，对r积分可求得相位概率密度函数p()为,(3-44),多径效应与瑞利衰落（续）,38,多径衰落的信号包络服从瑞利分布，故把这种多径衰落称为瑞利衰落。,均 值,均方值,多径效应与瑞利衰落（续）,39,瑞利分布的概率密度,多径效应与瑞利衰落（续）,40,当 时，有,当r=时，p(r)为最大值，表示r在值出现的可能性最大。由式(3-44)不难求得,多径效应与瑞利衰落（续）,41,上式表明，衰落信号

14、的包络有50%概率大于1.177。这里的概率即是指任意一个足够长的观察时间内，有50%时间信号包络大于1.177。因此，1.177常称为包络r的中值，记作rmid。信号包络低于的概率为,同理，信号包络r低于某一指定值k的概率为,多径效应与瑞利衰落（续）,42,慢衰落特性和衰落储备,信号衰落发生瑞利衰落（快衰落）的同时，其局部中值电平也随地点、时间以及移动台速度作比较平缓的变化，即发生慢衰落慢衰落近似服从对数正态分布对数正态分布：以分贝数表示的信号电平为正态分布由于大气折射率平缓变化引起的慢衰落变化更缓慢，常忽略不计研究慢衰落规律，通常把同一类地形、地物中的某一段距离（12km）作为样本区间，每

15、隔20m左右观察信号电平的中值变化，以统计分析信号在各小区间的累积分布和标准差,43,市区和郊区的慢衰落分布曲线市区：图(a)中，基站天线高度为220m,移动台天线高度为3m;郊区：图(b)中，基站天线高度为60m,移动台天线高度为3m。,慢衰落特性和衰落储备（续）,44,结论：不管是市区还是郊区，慢衰落均接近虚线所示的对数正态分布标准偏差取决于地形、地物和工作频率等因素，郊区比市区大，也随工作频率升高而增大。,慢衰落特性和衰落储备（续）,45,衰落储备：为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为

16、衰落储备衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称作可通率，并用T表示，它与中断率的关系是T=1-R。,慢衰落特性和衰落储备（续）,46,多径时散与相关带宽,多径传播不同时延的多径信号叠加时域:信号时间扩散多径时散（时延扩展）码间串扰频域:频率选择性衰落相关带宽信号畸变,47,多径时散,多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽发射端：基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(t)，接收端：经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散。,48,多径时散（续）,多径性质是随时间变化的进行多

17、次发送脉冲试验，接收到的脉冲序列是变化的脉冲数目N脉冲大小脉冲延时差,49,多径时散（续）,发送信号：Si(t)接收信号：为N个不同路径传来的信号之和，即实际情况要复杂得很多各个脉冲幅度随机变化时间上可以重叠，可以交叠随移动台周围散射体数目的增加，接收到的一串离散脉冲将会变为有一定宽度的连续信号脉冲,式中，ai是第i条路径的衰减系数；i(t)为第i条路径的相对延时差。,50,多径时散（续）,根据统计测试结果，移动通信中接收机接收到多径的时延信号强度为t为相对时延E(t)为归一化的时延强度曲线由不同时延信号强度构成的时延谱多径散布谱,51,多径时散（续）,t=0E（t）的前沿t=E（t）的一阶矩

18、平均多径时延t=E（T）的均方根时延扩展表示多径时延散布的程度，越大，时延扩展越严重；越小，时延扩展越轻。,52,多径时散（续）,t=maxmax为最大时延包络电平下降30dB时测定的时延值多径时散参数典型值,53,多径时散（续）,结论：时延大小取决于地形、地物的影响一般情况下，市区的时延要比郊区的大从多径时散考虑，市区传播条件更为恶劣时延扩展与码间串扰在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰为避免码间串扰，要求码元周期大于信号的传输速率低于1/,54,相关带宽,频域角度多径时散现象将导致频率选择性衰落频率选择性衰落不同频率成分有不同的衰落特性不

19、同频率衰落幅度不一样在频率上很接近的分量，衰落也很接近在频率上相隔很远的分量，衰落相差也很大发送带宽足够窄，发送信号的所有频率分量几乎经历相同的衰落，不会发生频率选择性衰落足够窄？相关带宽,55,相关带宽（续）,两径（两条射线）情况接收信号为两者之和,为分析简便，不计信道的固定衰减，用“1”表示第一条射线，信号为Si(t);用“2”表示另一条射线，其信号为rSi(t)ej(t)，这里r为一比例常数，(t)为相对多径时延差,56,相关带宽（续）,传递函数：双射线信道等效网络,信道的幅频特性为,57,相关带宽（续）,幅频特性曲线出现峰点：当 时，双径信号同相叠加出现谷点：当 时，双径信号反相相消,

20、58,由图可见，其相邻两个谷点的相位差为,则,或,由此可见，两相邻场强为最小值的频率间隔是与多径时延(t)成反比的，通常称Bc为多径时散的相关带宽。,相关带宽（续）,59,相关带宽（续）,总结：相关带宽与衰落的关系衰落信号中的两个频率分量，当其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性；当频率间隔大于相关带宽时，它们就不相关了，其衰落具有不一致性。相关带宽与传输信号带宽的关系若所传输的信号带宽较宽，以至与Bc可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变。实际中，信道的传递函数呈现复杂情况，很难准确地分析相关带宽的大小移动信道中的传播路径通常不止两条，而是多条移动台处于运动状态，相对多径

21、时延差(t)也是随时间变化的合成信号幅度的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间变化,60,工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算：,式中，为时延扩展。,例如，=3s,Bc=1/(2)=53kHz。此时传输信号的带宽应小于Bc=53kHz。,相关带宽（续）,61,主要内容,无线电波的传播特性移动信道的特征陆地移动信道的传输损耗移动信道的传播模型,62,陆地移动信道的传输损耗,如何衡量信道的传播损耗（信号场强）？移动信道电波传播条件十分恶劣和复杂，计算传播损耗困难采用分析和统计相结合的方法分析：了解各因素的影响统计：通过大量实验，找出各种地形和地物下的传播损耗与距离、频率、天线高度之间的关

22、系移动信道场强中值的估算自由空间传播为基础考虑各种地形、地物对电波传播的实际影响必要的修正,63,接收机输入电压、功率与场强的关系,接收机输入电压端电压电势,将电势为Us和内阻为Rs的信号源(如天线)接到接收机的输入端，若接收机的输入电阻为Ri且Ri=Rs，则接收机输入端的端电压U=Us/2，相应的输入功率。由于Ri=Rs=R是接收机和信号源满足功率匹配的条件，因此 是接收机输入功率的最大值，常称为额定输入功率。,64,接收机输入电压,感应电势Us：并不等于接收机输入端的端电压U。实际中，采用线天线的接收机常常用天线上感应的信号电势Us作为接收机的输入电压。下面的分析，将以电势Us作为接收机的

23、输入电压,为了计算方便，电压或功率常以分贝计。其中，电压常以1V作基准，功率常以1mW作基准，因而有：,式中，Us以V计。,65,接收场强与接收电压的关系,在采用线天线时，接收场强E是指有效长度为1m的天线所感应的电压值，常以V/m作单位。以基本天线（半波振子）为例：有效长度的计算,66,接收场强与接收电压的关系（续）,感应电压的计算实际中，接收机的输入电路与接收天线之间并不一定满足匹配条件（Ri=Rs=R）为了保持匹配，在接收机的输入端加入一阻抗匹配网络和天线连接,式中，E的单位为V/m，以m为单位，Us的单位为V。若场强用dBV/m计，则,67,接收场强与接收电压的关系（续）,阻抗匹配网络

24、,假定天线阻抗为 73.12，接收机的输入阻抗为50。接收机输入端的端电压U与天线上的感应电势Us有以下关系：,68,地形、地物分类,地形：丘陵、山坡、地物：高大树木、建筑物地形的分类中等起伏地形：传播基准，指在传播径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。不规则地形：如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。,69,天线有效高度,天线有效高度：天线通常架设在高度不同的地形上把20m的天线架设在地面上和架设在几十层的高楼顶上，通信效果不同基站天线的有效高度,70,天线有效高度（续）,移动台天线的有效高度hm指天线在当地地面上的高

25、度,若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga，则定义基站天线的有效高度为,若传播距离不到15km,hga是3km到实际距离之间的平均海拔高度。,71,地物(或地区)分类,不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：开阔地在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；郊区在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等；市区有较密集的建筑物和高层楼房。,72,不同地形、地物传播损耗的中值,不同地形、地物传播损耗的中值中等起伏地形

26、市区郊区开阔地不规则地形丘陵地孤立山岳斜坡水陆混合,73,中等起伏地形上传播损耗的中值,市区传播损耗的中值在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。由电波传播理论可知，传播损耗取决于传播距离d工作频率f基站天线高度hb移动台天线高度hm通过大量实验、统计分析，作出传播损耗中值的预测曲线,74,中等起伏地市区基本损耗中值,中等起伏地市区基本损耗中值,75,中等起伏地市区基本损耗中值（续）,纵坐标：自由空间传播损耗的相对值基本损耗中值大于自由空间传播损耗的数值结论：随着频率升高和距离增大，市区传播基本损耗中值增加基站天线的

27、高度不是200m，移动台天线高度不是3m时，做相应修正,76,基站天线高度增益因子,如果基站天线的高度不是200m,则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb(hb,d)表示。当hb200m时，Hb(hb,d)0dB；反之，当hb 200m时，Hb(hb,d)0 dB。,77,移动台天线高度增益因子,当移动台天线高度不是3m时，需用移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)加以修正当hm3m时，Hm(hm,f)0dB；反之，当hm3m时，Hm(hm,f)0dB。,78,移动台天线高度增益因子（续）,当移动台天线高度大于5m以上时高度增益因子不仅与天线高度、频率有关，而且还与环境有关市区的场强中值还

28、与街道走向有关街道走向：相对与电波传播方向纵向路线：与电波传播方向平行横向路线：与电波传播方向垂直沟道效应：沿建筑物形成的沟道有利于无线电波的传播，使得纵向路线上的场强中值高于基准场强中值，横向路线上的场强中值低于基准场强中值,79,街道走向修正曲线,街道走向修正曲线,80,郊区损耗的中值,郊区的建筑物一般是分散、低矮的，电波传播条件优于市区郊区场强中值大于市区场强中值郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小郊区修正因子=郊区场强中值-基准场强中值,81,开阔地、准开阔地损耗的中值,准开阔地：开阔地与郊区间的过渡区开阔地的传播条件优于市区、郊区及准开阔地相同条件下，开阔地的场强中值比市区高近2

29、0dB,82,不规则地形上传播损耗的中值,不规则地形：丘陵地、孤立山岳、斜坡、水陆混合同样采用基准场强中值修正的方法丘陵地的修正因子地形起伏高度h表征丘陵地的地形参数定义：自接收点向发射点延伸10km的范围内，地形起伏的90%与10%的高度差,83,丘陵地场强修正因子,丘陵地场强修正因子分为两项丘陵地平均修正因子Kh丘陵地微小修正因子Khf场强中值在丘陵地的顶部和谷部必然有较大差异，可进一步修正,84,丘陵地场强修正因子（续）,微小修正微小修正因子Khf,85,孤立山岳修正因子,当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时山背后的电场强度=自由空间场强-刃峰绕射损耗对于天线高度较低的陆地移动台来说,

30、必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗.由于附加损耗不易计算,仍采用传统方法给出修正因子孤立山岳典型地形,86,孤立山岳修正因子（续）,孤立山岳修正因子Kjs适用于工作频段为450900MHz、山岳高度在110350m范围当山岳高度H=200m时，,如果实际的山岳高度不为200m时，上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数，计算的经验公式为,87,斜波地形修正因子,斜坡地形：指在510km范围内的倾斜地形正斜坡:在电波传播方向上，地形逐渐升高，倾角为+m负斜坡:在电波传播方向上，地形逐渐降低，倾角为-m,88,斜波地形修正因子（续）,斜波地形修正因子Ksp若斜坡地形处于丘陵地形，还必须增加由

31、地形起伏高度h引起的修正因子Kh,89,水陆混合路径修正因子,水陆混合路径传播路径除了陆地，还经过湖泊或其它水域水陆混合路径接收信号的场强比全是陆地时高水面位置dSR表水面距离d表全程距离,90,水陆混合路径修正因子（续）,水陆混合路径修正因子取水面距离与全程距离的比值 dSR/d为地形参考若水面位于传播距离中间，应取中间值,在同样dSR/d 的情况下，水面位于移动台一方的修正因子较大,91,任意地形地区的传播损耗的中值,任意地形地区的传播损耗的中值LA=中等起伏地市区的传播损耗的中LT-地形地物修正因子KTKmr郊区修正因子，可由图 3-26 求得；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图

32、 3-27 求得；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 3-28求得；Kjs孤立山岳修正因子，可由图 3-29 求得；Ksp斜坡地形修正因子，可由图 3-30 求得；KS水陆混合路径修正因子，可由图 3-31 求得,地形地区修正因子KT一般可写成,92,任意地形地区的传播损耗的中值（续）,根据地形地区的不同情况，确定KT包含的修正因子传播路径是开阔地上斜坡地形，那么KT=Qo+Ksp，其余各项为零；传播路径是郊区和丘陵地，则KT=Kmr+Kh+Khf。其它情况类推。,93,中等起伏地市区的传播损耗的中值,中等起伏地市区的传播损耗的中值LT=自由空间传播损耗Lfs+中等起伏地市区基本损

33、耗中值-基站天线高度增益因子-移动台天线高度增益因子,Am(f,d)是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由空间损耗为0 dB，基站天线高度为200m,移动台天线高度为3 m的情况下得到的损耗中值，它可由图 3-23 求出。,Hb(hb,d)是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高度200m为基准得到的相对增益，其值可由图3-24(a)求出。Hm(hm,f)是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为基准得到的相对增益，可由图324(b)求得。,94,任意地形地区的接收信号功率中值,任意地形地区的接收信号功率中值PPC=中等起伏地市区的接收信号功率中值PP+地形地物修正因子中等起伏地市

34、区的接收信号功率中值PP=自由空间传播条件下的接收信号功率P0-中等起伏地市区基本损耗中值+基站天线高度增益因子+移动台天线高度增益因子,式中，P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即,95,传播损耗与接收功率计算示例,例：某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为 0dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地，通信距离为 10km。试求：(1)传播路径损耗中值；(2)若基站发射机送至天线的信号功率为 10W，求移动台天线得到的信号功率中值。,96,解:(1)根据已知条件，KT=0,LA=LT，式(3-68)可分别计算如下：由

35、式(3-13)可得自由空间传播损耗,由图 3-23 查得市区基本损耗中值,传播损耗与接收功率计算示例（续）,97,(2)中等起伏地市区中接收信号的功率中值,传播损耗与接收功率计算示例（续）,98,例,若上题改为郊区工作，传播路径是正斜坡，且m=15mrad,其它条件不变。再求传播路径损耗中值及接收信号功率中值。解：,传播损耗与接收功率计算示例（续）,99,主要内容,无线电波的传播特性移动信道的特征陆地移动信道的传输损耗移动信道的传播模型,100,移动信道的传播模型,传播损耗预测模型Hata模型COST-231/Walfish/Ikegami模型室内测试环境路径损耗模型多径信道的冲击响应模型基本

36、径信道的冲击响应模型GSM中的多径信道模型COST-207多径信道模型IMT-2000多径信道模型空时信道的传播模型Lee模型GWSSUS模型,101,传播损耗预测模型,传播损耗预测模型通过大量实测经验公式具有一定的适用范围Hata 模型是根据Okumura曲线图所归纳出来的经验公式Okumura 根据日本大量测试数据统计出的以曲线图表示的传播模型适用频率范围是150MHz 到1500MHz，适用于小区半径大于1 km,小于10 km的宏蜂窝系统，基站有效天线高度在30 m到200 m 之间，移动台有效天线高度在1 m 到10 m 之间。以市区传播损耗为标准，在此基础上对其它地形做了修正。,1

37、02,Hata 模型,市区：d为收发天线之间的距离（km）,fc为工作频率（MHz）,hb为基站天线有效高度（m）；hm为移动台天线高度（m）,a(hm)为移动台天线高度校正因子。,Lurban(dB)=69.55+26.16lgfc-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)lgd,103,Hata 模型（续）,郊区和开阔地的修正公式Hata模型适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统。,Lsuburban(dB)=Lurban-2lg(fc/28)2-5.4Lrural(dB)=Lurban-4.78(lgfc)2+18.33lgfc-40.94,104,COST-

38、231/Walfish/Ikegami模型,在微蜂窝系统中,电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定。即主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中进行，可用COST-231/Walfish/Ikegami模型做微蜂窝系统传播损耗预测。COST-231:EURO-COST(科学和技术研究欧洲协会)组成COST-231 工作委员会，提出将频率扩展到2 GHz 的Hata 模型扩展版本为COST-231。在不少城市的高密度区，经过小区分裂站距已缩小到数百米。而在基站密集的地域使用Hata 模型将出现预测值明显偏高的问题Walfisch-Bertoni 模型:由Walfisch 和Bertoni 合作开

39、发主要用于预测街道的平均信号场强Ikegami模型:适用于建筑物均匀分布和等高度的理想市区环境,105,COST-231/Walfish/Ikegami模型（续）,COST-231/Walfish/Ikegami模型（COST-231/WI）：COST-231工作委员会在Walfishi模型和Ikegami模型的基础上，根据实测数据加以完善提出的。COST-231/WI模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗和移动台周围建筑屋顶之间的损耗。COST 231/WI 模型适用的范围为：800MHz f 2000MHz，0.02km d 5km，4m hb 50m,1m hm 3m。但是，在基

40、站天线高度大致与其附近的屋顶高度同一水平时，屋顶高度的微小变化将引起路径损耗的急剧变化，这时容易造成预测误差。所以，在这种情况下使用COST 231/WI模型要特别小心。,106,室内测试环境路径损耗模型,室内（办公室）路径损耗的基础是COST-231模型，定义如下：式中，Lfs：自由空间传播损耗LC：固定损耗kwi：被穿透的i类墙的数量Lwi：i类墙的损耗n：被穿透楼层数量Lf：相邻层之间的损耗b：经验参数,107,室内测试环境路径损耗模型（续）,损耗分类的加权平均室内路径损耗的简化形式式中，d为传播距离，n为传播路径中楼层的数目,108,多径信道的冲激响应模型,基本多径信道的冲激响应模型随

41、机复杂的多径无线传播信道可以用冲激响应模型来近似,式中，N 表示多径中的径数；、分别表示随机幅度、传播时延、相位序列。,109,基本多径信道的冲激响应模型,多径信道的仿真模型每一条路径的幅度均服从瑞利分布每条路径信号的功率谱典型谱,110,基本多径信道的冲激响应模型（续）,瑞利衰落的产生过程利用窄带高斯过程的特性，振幅服从瑞利分布，即,111,基本多径信道的冲激响应模型（续）,当每一路径信号中有直射分量时，其信号幅度的功率谱由典型谱和一条直射路径谱组成，可以表示为,称为莱斯多普勒谱（简称为莱斯谱）,在COST-207中还用到了两类高斯多普勒谱(GAUS1和GAUS2)，其表达式为,112,典型

42、多径信道模型,GSM标准中的多径信道模型规定了乡村地区、典型市区的多径模型COST-270多径信道模型给出了乡村地区、典型市区、恶劣城市地区、山区地形的多径信道模型以功率时延谱形式给出功率时延谱：不同多径时延下多径功率的取值IMT-2000多径信道模型给出了室内、室内和室外及步行、车载和高天线环境下的多径信道模型,113,空时信道的传播模型,当系统中采用方向性天线或自适应波束形成天线时，模型需要修正使用方向性天线，接收机对不同方向到达的信号具有不同的响应特征天线的主瓣方向内到达的多径信号被正常接收，其它方向上到达的多径信号被大大衰减,114,空时信道的传播模型（续）,以移动台1为例，信道的冲激

43、响应可以表示为（3-98）,式中 a(l(t)表示阵列响应矢量（或称为导向矢量）。这是由于在接收端使用了阵列天线，从而在不同的方向上具有不同的增益。在全向天线的情况下，a(l(t)=1。,115,空时信道的传播模型（续）,对于一个任意几何结构的阵列天线，阵列响应矢量的表达式为,式中：l,i(t)=Xicos(l(t)+Yisin(l(t),116,空时信道的传播模型（续）,采用阵列天线后，基站接收到的信号示意图,由于基站天线的主瓣方向是朝向移动台1的第0和1条多径所以它们的信号被增强；而移动台1的第2条多径和移动台2的多径信号，在基站天线的主瓣方向以外，所以它们的信号被明显地减弱或抑制。,11

44、7,空时信道的传播模型（续）,采用阵列天线后，在宏小区情况下的信号传输过程基站天线的主瓣宽度为BW。基站天线通常会高于附近的建筑物和地形，多径的形成主要取决于移动台附近的散射体。,118,Lee模型,两种代表性的移动台和基站周围散射体模型Lee模型 高斯广义平稳不相关散射模型（GWSSUS）Lee模型采用等效的散射体来描述宏小区中移动台附近的多径传播情况给定散射体的模型，就确定了信道冲激响应模型。给定散射体的位置，可以确定收发之间的传输距离，相应的传输时延、路径损耗、电波的到达角度（AOA），AOA对应的天线增益等。给定散射体的个数，可以确定多径的条数。,119,Lee模型（续）,等效散射体假

45、定有N个散射体均匀地分布在移动台附近半径为R的圆上，其中有一个散射体处于移动台与基站的视线传播路径上，各条多径的AOA为,i=0,1,N-1(3-100),式中,D是移动台与基站之间的传输距离。,120,GWSSUS模型,GWSSUS模型假定散射体组成了很多簇，在给定的信号带宽下，每一簇内的多径是不可区分的,121,GWSSUS模型（续）,假定每簇中的平均AOA为0,k，在数据传输的连续b个突发中，每个簇的位置和时延保持不变，则接收信号矢量可以表示为,式中:d表示散射体簇数;vk,b表示在第b个突发中第k个散射体簇的复合导向矢量，它可以表示为,式中:Nk表示第k个散射体簇中散射体的个数；k,i

46、、k,i和k,i表示第k个散射体簇中第i个散射体对应的幅度、相位和到达角度；a()是方向上的阵列响应矢量。,122,GWSSUS模型（续）,当Nk足够大（10）时，可以对 vk,b应用中心极限定理在该条件下，vk,b服从高斯分布，并假定其是广义平稳的，即 vk,b是高斯广义平稳随机过程 其特征由其均值和方差决定，其确定方法如下：在无视线分量的情况下，由于假定相位在0到2内均匀分布，则其均值为0。在有视线分量的情况下，有E vk,b a(0,k)。,第k个散射体簇的协方差矩阵为,123,内容回顾,无线电波的传播特性直射波折射波绕射波反射波移动信道的特征慢衰落：传播路径与信号衰落、慢衰落特性、衰落储备快衰落：多径效应与瑞利衰落、多径时散与相关带宽陆地移动信道的传输损耗不同地形、地物的传播损耗与接收信号功率移动信道的传播模型传播损耗预测模型多径信道冲击响应模型空时信道模型,124,目的和要求：掌握自由空间传播损耗；理解折射、绕射及反射对电波传播的影响掌握慢衰落特性；了解衰落储备掌握瑞利衰落特性、多径时散和相关带宽对多径传播的影响及避免方法掌握任意地形、地物传播损耗和接收功率中值的计算了解典型的移动信道传播模型重点：自由空间传播损耗慢衰落特性瑞利衰落特性及参数传播损耗和接收功率中值难点：多径时散和相关带宽对多径传播的影响及避免方法任意地形、地物传播损耗和接收功率中值的计算,内容回顾,