第二章无线电波传播原理2

Mobile Communication Theory
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多径衰落的基本特性

时延扩展
脉冲宽度扩展 时间角度 数字系统主要考虑 原因 信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导 致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号
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多普勒频移


原因
移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移 表达式 多普勒频移
i 1
exp( j i )
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
6
两径传播模型

双射线传播模型
E 0
2
功率通量密度与场强E(V/m)之间的关系
ht
假设电场是由一个传输频率为f 的连续波（CW）产生 E(t) 2 E0 cos(2 ft ) 2 Re E0e j (2 ft ) 式中场强E0和相位由空间位置决定， Re 表示取实部 定义复相量 E E 0e j 在单射线情况下，设E d 和E r 分别表示入射波和反射波电场 E r E d e j 式中 表示电场的衰减， 表示由反射引起的相位变化
~ ~
E E d 1 exp( j )
2 2 E Ed 1 cos 2 cos sin ~ 1/ 2
E d 2 2 cos ) 2 ~ 2 ht hr 2 E d sin( ) d
~
~
1/ 2
2 E d sin(
解:
pr' ( d ) ht' 2 ( ) pr ( d ) ht pr' (d ) ht' 10 lg 20 lg pr ( d ) ht ht' 10 20 lg 30.5 ht' 30.5 100.5 96.4m h 96.4 30.5 65.9m
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2.阴影衰落的基本特性
8
两径传播模型
E E 合成波场强 E d r
~ ~ ~
E d (1 exp( j ) exp( j )) 假设地球表面光滑坦反射线与入射线相切，即 exp( j ) 1, 则总的接收电场为 E (1 exp( j )) E d 联合电场幅度为

x y (t ) ai x t i c i
xi a Re s t i c i
xi exp j 2 f t c c

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多径信道的信道模型

推导冲击响应

只考虑多径效应 再考虑多普勒效应 多径和多普勒效应对传输信号的影响 多径信道的冲击响应



Mobile Communication Theory
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只考虑多径效应
传输信号 x(t ) Re s(t )exp( j 2 f ct ) 假设第i径的路径长度为 xi 、衰落系数（或反射系数）为ai 接收信号
式中，r(t)表示信道的衰落因子；m(t)表示尺度衰落； r0(t)表示小尺度衰落。
小尺度衰落 大尺度衰落
5
多径信号
A

两径传播模型 接收信号功率
2
效应 地面二次
d
可忽略
反射波

B hm
hb C
2 Pr Pt G G 1 Re ( 1 R ) Ae .... r t 4d
r(t ) ai s t i e ji (t ) s(t ) h(t, )
h ( ) ai e
i
i
此冲击响应完全描述了信道特性，相位 i 服从 0, 2 的均匀分布
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描述多径信道的主要参数

由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对 传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。 通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色 散
冲击响应
ai 、 i表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位 i (t )包含了在第i 式中， 为单位冲击函数。 个增量延迟内一个多径分量所有的相移；
如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离具有不变性，信道冲 击响应可以简化为 j ( t )
由（＊）式得 i j i ( t ) i 冲击响应 h (t , ) ai e

阴影衰落（慢衰落）
地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成
特点
与传播地形和地物分布、高度有关

表达式
m l ( r , ) r 10 传播路径损耗和阴影衰落 10 log l ( r , ) 10m log r 分贝式 式中 r 移动用户和基站的距离 ζ 由阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏 差σdB的对数正态分布 m 路径损耗指数 实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB是合理的
Ae是通过直射路径的接收功率，它等效于 PG t t Gr
L
。
上式表明ht增加一倍,可补偿6dB损耗;d增加一倍,接收功率减少12dB
10
例题
假定接收到的信号是-110dBm,BS天线高度30.5 m,若接收信号要 从-110dBm增加到-100dBm,其他条件不变的情况下,BS天线高 度必须提高多少米?
第二章无线电波传播原理
-----移动通信电波传播
内容

电磁波传播机制概述 微波通信系统中的电波传播 移动通信系统中的电波传播

移动信道的基本特性 阴影衰落的基本特性 多径衰落的基本特性 移动无线信道及特性参数 电波传播损耗预测模型




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1.移动信道的基本特性
基站天线、移 移动通信 动用户天线和 信道 两付天线之间 的传播路径 移动信道的 基本特性 衰落特性 直射、反射、 绕射和散射以 及它们的合成 无线电 波传播 方式
Mobile Communication Theory
（＊）
i
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多径信道的冲击响应
多径和多普勒效应对传输信号的影响
多径延迟影响 多普勒效应影响
令
i (t ) 2 f c i 2 f m t cos i c i D ,i t
式中 i 代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟（实际迟延减去所 有分量取平均的迟延），它随时间变化 在任何时刻t，随机相位 i (t ) 都可产生对 r (t ) 的影响，引起多径衰落。
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两径传播模型
接收功率 pr 为
~ 2
E pr Ae
0
~
Ae
2
Ed 4
0
Ae sin 2 (
2 ht hr ) d
ht 2 hr 2 PG t t Gr d4
~ 2
Ed 式中
0 pL ( dB ) 40 log d (10 log Gt 10 log Gr 20 log ht 20 log hr )
功率延迟分布 PDP
多普勒功率谱密度 DPSD
时间色散
频率色散
角度谱 PAP
角度色散
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时间色散


时间色散参数 平均附加延时 rms时延扩展 最大附加延时扩展(XdB) 相关带宽 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） 从时延扩展角度说明 从包络相关性角度说明 多径衰落的分类及判定

信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号 的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。
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多径信道的信道模型

原理

多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特 性。 将信道看成作用于信号上的一个滤波器，可通 过分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径 信道的特性

Mobile Communication Theory
x Re ai s t i c i 式中，c为光速； 为波长。 又因为
xi exp j 2 f t c
y ( t ) R e r ( t ) exp( j 2 f c t ) 所以 r (t ) a exp j 2 xi s t xi a exp j 2 f s t i i c i i c i i
10
12
3.多径传播模型
多径衰落的基本特性 多普勒频移 多径信道的信道模型 描述多径信道的主要参数
Βιβλιοθήκη Baidu
多径信道的统计分析 多径衰落信道的分类 衰落特性的特征量
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多径衰落的基本特性

幅度衰落
幅度随移动台移动距离的变动而衰落 空间角度 模拟系统主要考虑 原因 • 本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落 • 地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰 落
ai exp j 2 f m t cos i 2 f c i s t i
i
ai s t i exp j 2 f c i 2 f m t cos i
其中， f m 为最大多普勒频移。
v f d cos
最大多普勒(Doppler)频移
v fm
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多普勒频移

说明 多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波 入射方向之间的夹角有关：
• 若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正 （接收信号频率上升） • 若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接 收信号频率下降）
~ ~ ~
hr
7
两径传播模型
T（发送机） Ed ht-hr d， R（接收机） ht Er d” hr
ht
h t+ h r
d
地面双射反射模型
反射与直射的路径差为 d '' d ' (ht hr ) 2 d 2 (ht hr ) 2 d 2 相位差为 2 4 ht hr d 2ht hr d
衰落的 原因
复杂的无线 电波传播环 境
衰落的 表现
传播损耗和弥散 阴影衰落 多径衰落 多普勒频移
Mobile Communication Theory
3
移动信道的分类

信道的分类
大尺度衰落

根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{ 小尺度衰落 长期慢衰落

根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{ 短期快衰落
式中 i xi c 为时延。
延都不同的各个路径的总和。
r (t ) 实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时
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再考虑多普勒效应

考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应
设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为 i xi vt cos i 路径的变化量 输出复包络 x xi xi xi r (t ) ai exp j 2 i s t c i x v x vt cos i ai exp j 2 i exp j 2 t cos i s t i c c i 简化得 xi xi v r (t ) ai exp j 2 t cos i s t c i 数量级小 中 位 相 在 x 可忽略 ai exp j 2 f m t cos i i s t i 不可忽略 i

简化后
直射波
2 2
地表面波

相位差 多径传播模型
2
Pr Pt G r G t 1 Re 4 d 2r
可忽略
r ( AC CB ) AB
N 1 2 i
Pr Pt GrGt 1 4 d
R
大尺度衰落与小尺度衰落
大尺度衰落 描述 原因 影响 长距离上信号强度的缓慢变化 信道路径上固定障碍物的阴影 业务覆盖区域 小尺度衰落（主要特征是多径） 短距离上信号强度的快速波动 移动台运动和地点的变化 信号传输质量
4
衰落特性的算式描述

衰落特性的算式描述 r(t) m(t) r0 (t)