1、移動通信-第二課移動環(huán)境下的電波傳播與移動信道內(nèi) 容移動通信中無線電波的傳播特性無線電波傳播方式反射繞射散射自由空間電波傳播模型移動環(huán)境下的信道特點(diǎn)多徑衰落模型三類主要快衰落頻率選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落空間選擇性衰落移動通信系統(tǒng)的信道模型地面反射（雙射線）模型室外傳播的常用模型室內(nèi)對數(shù)距離損耗模型多徑信道模型移動信道仿真實(shí)驗(yàn)方法一. 移動通信中無線電波的傳播特性無線電波傳播方式傳播路徑直射波-視距傳播（LOS）反射波繞射波散射波自由空間電波傳播模型1自由空間功率通量密度（W/m2）： 通過球表面積的輻射功率：式中Gt 發(fā)射機(jī)天線增益。 在此覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，接收機(jī)天線“捕獲”此通量的一小部分。自

2、由空間電波傳播模型Friis自由空間傳播方程式中：L 為系統(tǒng)損耗因子，包括鏈路衰減、濾波器損耗、天線損耗，與傳播無關(guān)。Pt 為發(fā)射機(jī)輸出功率Gt 和Gr 為發(fā)射及接收天線增益 為載波波長d為收發(fā)天線間的距離自由空間電波傳播模型路徑損耗假設(shè)d 處于遠(yuǎn)場（Fraunhofer region）：df D 且df ，其中df D2/ D 為天線最大直線長度 為載波波長電波的反射良導(dǎo)體反射無衰減。絕緣體只反射入射波能量的一部分：反射造成180相移反射系數(shù)天線的極化方式 電場的方向就是天線極化方向。 當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，稱為垂直極化波； 當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，稱為水平極化波。 繞射（衍射）機(jī)

3、理當(dāng)波撞擊在障礙物邊緣時(shí)發(fā)生繞射?！按尾ā?傳播進(jìn)入陰影區(qū)（惠更斯原理）；超出直射路徑的長度導(dǎo)致相移；費(fèi)涅爾區(qū)表達(dá)了相對于障礙物位置的相移。單個(gè)劈尖（Knife-edge)模型衍射增益 ：Gd=20lg|F(v)|多個(gè)劈尖(Multiple Knife-edge)模型散射機(jī)理在實(shí)際移動無線環(huán)境中，接收信號比單獨(dú)繞射和反射模型預(yù)測的要強(qiáng)，這是因?yàn)楫?dāng)電波遇到粗糙表面時(shí)，反射能量由于散射而散布于所有方向，給接收機(jī)提供了額外的能量。散射因子若平面上的最大突起高度h 小于hc，則認(rèn)為表面光滑，反之則認(rèn)為粗糙。二. 移動環(huán)境下的信道特點(diǎn)移動信道的特點(diǎn)傳播的開放性接收環(huán)境的復(fù)雜性市區(qū)近郊區(qū)農(nóng)村通信用戶的隨機(jī)

4、移動性準(zhǔn)靜態(tài)慢速步行高速車載移動信道中的干擾碼間干擾（ISI）滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則采取時(shí)域均衡同信道干擾不能通過提高發(fā)射機(jī)的載波功率加以克服可采用多用戶檢測技術(shù)加以抑制鄰道干擾帶內(nèi)干擾影響較大，帶外干擾影響較小。碼間干擾移動通信中的4種效應(yīng)四種效應(yīng)陰影效應(yīng)：由于大型建筑物或其他物體的阻擋而使接收區(qū)出現(xiàn)半盲區(qū)。遠(yuǎn)近效應(yīng)：移動用戶與基站間距離的變化引起。多徑效應(yīng)：由移動體周圍的局部散射體引起的多徑傳播，表現(xiàn)為快衰落。多普勒效應(yīng)：由于移動體的運(yùn)動速度和方向引起多徑條件下多普勒頻譜展寬。移動通信中的3類損耗三種損耗大尺度空間自由空間傳播路徑損耗（Path loss）。中尺度空間慢衰落損耗：由陰影效應(yīng)引

5、起，表現(xiàn)為信號電平中值的慢變化。小尺度空間快衰落損耗：由多徑效應(yīng)引起的，反映波長量級上接收信號電平中值的快速變化。移動通信中的3類損耗慢衰落正態(tài)（高斯）分布移動環(huán)境下的快（多徑）衰落多徑信道的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性瑞利（Rayleigh）分布多徑衰落模型萊斯（Rice）分布多徑衰落模型Nakagami 分布從實(shí)際測量中總結(jié)出來的，與Rice分布非常相似。三類主要快衰落產(chǎn)生的原因： 多徑效應(yīng) 多普勒效應(yīng)三類主要快衰落空間選擇性衰落角度擴(kuò)展頻率選擇性衰落時(shí)延擴(kuò)展時(shí)間選擇性衰落頻率擴(kuò)展空間選擇性衰落角度擴(kuò)展信道輸入：射頻：單頻等幅載波角度域：脈沖式點(diǎn)波束信道輸出：時(shí)空域：同一時(shí)間、不同地點(diǎn)的衰落不同角度域：點(diǎn)

6、波束產(chǎn)生擴(kuò)散角度擴(kuò)展與相關(guān)距離相關(guān)距離：定義為兩副天線的信道響應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)的最大空間距離。相關(guān)距離越短，角度擴(kuò)展越大；反之相關(guān)距離越長，角度擴(kuò)展越小。典型的角度擴(kuò)展值：室內(nèi)360，城市20，平坦的農(nóng)村1。頻率選擇性衰落時(shí)延擴(kuò)展信道輸入：頻域：白色等幅頻譜時(shí)域：t時(shí)刻的一個(gè)沖激信道輸出：頻域：衰落起伏的有色譜時(shí)域：沖激信號在時(shí)域產(chǎn)生了擴(kuò)散時(shí)延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬相關(guān)帶寬的意義在相關(guān)帶寬內(nèi)信號傳輸失真??；若信號帶寬超過相關(guān)帶寬，將產(chǎn)生較大失真和符號間串?dāng)_。其中，Tm 為信道的多徑擴(kuò)展時(shí)間選擇性衰落多普勒頻移信道輸入：時(shí)域：單頻等幅載波頻域：單一頻率f上的單根譜線（沖激）信道輸出：時(shí)域：包絡(luò)起伏不平頻域：

7、以f為中心產(chǎn)生頻率擴(kuò)展，擴(kuò)展寬度為絕對多普勒頻移多普勒擴(kuò)展與相關(guān)時(shí)間相關(guān)時(shí)間的意義一般情況下，TsTc，則會產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落其中，Bd為多普勒展寬實(shí)際移動通信中3類選擇性衰落典型環(huán)境下的典型擴(kuò)散值三. 移動通信系統(tǒng)的信道模型地面反射（雙射線）模型地面反射（雙射線）模型室外傳播的常用模型Hata 模型Walfisch-Ikegami 模型快速模型微蜂窩Cost231 Hata 模型微蜂窩Bertoni 模型Hata 模型Hata 模型源自O(shè)kumura（奧村）模型與Hata 公式。適用于頻率1001500MHz，傳播距離在120km 的城市場強(qiáng)預(yù)測。修正因子Walfisch-Ikegami（W

8、IM） 模型適合高樓林立地區(qū)的中到大型蜂窩的場強(qiáng)確定，首先在歐洲用于GSM 建模。模型包含3個(gè)部分：直射波的自由空間損耗屋脊到街道的饒射和散射損耗多次屏蔽穿透損耗因?yàn)榭紤]了街道寬度、街道饒射和散射的影響，Walfisch-Ikegami 模型比Hata模型更精確，也更復(fù)雜。Walfisch-Ikegami 模型注：有時(shí)還要考慮加上樹木造成的衰落校正因子Lt，例如有無樹葉時(shí)損耗相差35dBWalfisch-Ikegami 模型自由空間損耗的計(jì)算Walfisch-Ikegami 模型屋脊到街道的饒射和散射損耗的計(jì)算Walfisch-Ikegami 模型多次屏蔽穿透損耗的計(jì)算快速模型 快速模型是較低

9、等級的模型，用來粗略估計(jì)覆蓋區(qū)域的總的傳播期望值。 優(yōu)點(diǎn)：快速估算。 缺點(diǎn)：不精確。 兩個(gè)快速模型： 800MHz：PL12136lgd 1900MHz：PL13040lgd微蜂窩Cost231 Hata 模型室內(nèi)傳播特點(diǎn)室內(nèi)模型研究較少，是移動無線信道新的研究領(lǐng)域。室內(nèi)傳播的主要特征： 覆蓋距離更小，環(huán)境相對變動更大； 距離短，更接近“近場”； 門的開關(guān)和天線安裝等對室內(nèi)信號場強(qiáng)的影響非常大； 更“混亂”，散射波更多，LOS （視線）更少。室內(nèi)傳播中的主要問題信號盲區(qū)：電梯間、地下室、地下停車場、超過基站高度的高層建筑“乒乓效應(yīng)”：由于收到多個(gè)基站信號，且其強(qiáng)度相差不大，手機(jī)會在幾個(gè)不同小區(qū)

10、間來回切換，語音質(zhì)量很差。“孤島”效應(yīng)：小區(qū)用戶無法正常切換而形成“孤島”。建筑物的隔離損耗1 隔離損耗與樓層的關(guān)系： 樓層越高，損耗越小。 隔離損耗與建筑材料的關(guān)系： 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損耗大于磚石和土木結(jié)構(gòu)； 損耗隨穿透深度而增大。 隔離損耗與頻率的關(guān)系： 頻率低的損耗大，頻率高的損耗相對小。建筑物的隔離損耗2 隔離損耗：同樓層 墻，家具，設(shè)備 高度依賴于材料類型和頻率 硬隔離vs 軟隔離： 硬隔離隨建筑而成 軟隔離不到天花板 “框架” 建筑建筑物的隔離損耗3 隔離損耗：樓層間 取決于建筑結(jié)構(gòu)和頻率 “樓層損耗因子” 隨著樓層增高而減小 典型值：1 樓：15 dB/層 2-5 樓：6-10

11、dB/層5 樓以上：1-2 dB/層其他信道的損耗特性建筑物的透射損耗建筑物的材料窗戶開口面積、窗戶數(shù)量信號頻率接收機(jī)在建筑物內(nèi)的位置隧道的損耗室內(nèi)對數(shù)距離損耗模型傳統(tǒng)鏡像法的射線跟蹤技術(shù)鏡像法原理二次反射多徑信道模型基本思想：假設(shè)相對于信號傳輸速率信道是慢時(shí)變系統(tǒng)，因而可以把信道在一段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)“Snapshot”看成是一個(gè)線性時(shí)不變?yōu)V波器。將多徑干擾效應(yīng)用一個(gè)濾波器來表示。測量或計(jì)算信道的沖擊響應(yīng)（響應(yīng)頻率為fc窄脈沖），可看作一個(gè)復(fù)高斯隨機(jī)過程。統(tǒng)計(jì)衰落模型是發(fā)生在特定位置（小尺度）的信號衰落概率模型：通常是沖擊響應(yīng)模型；固定無線信道慢速時(shí)變；移動信道快速時(shí)變。最簡單的模型是基于廣義平穩(wěn)非相干散射（WSSUS）準(zhǔn)則，通常認(rèn)為是一個(gè)頻率選擇性瑞利衰落信道 。WSSUS廣義平穩(wěn)（WSS）： 統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立于時(shí)間和位置的小抖動，即固定節(jié)