第二章 信道传输模型 2011_PDF

散射 λ >> D
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无线电波传播方式
典型的无线信道电波传播路径
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自由空间电波传播
自由空间电波传播是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。 只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，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，在这种情况下，电波可视作在自由空间传播。 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，称为自由空间的传播损耗
PR d PT
PT GT PD = 2 4πd
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自由空间电波传播
设接收天线的有效面积为 Aeff，则接收天线所截获 的功率为：
PT
PR d
PT GT PR = Aeff 2 4πd 2 λ Aeff = GR 4π
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自由空间电波传播
代入Pr公式。得到：
PL(dB) = 32.4 + 20lg f ( MHz ) + 20lg d ( km)
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自由空间电波传播
Friis自由空间模型仅当发射天线远场值时适用 远场距离（Fraunhofer距离）
d f = 2D
d f >> D
2
λ
d f >> λ
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D为天线最大尺寸
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绕射损耗
在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传 输损耗及地面反射外，还应考虑各种障碍物对电 波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为绕射 损耗。 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利 的边缘阻挡时发生绕射。 由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻 挡体的背面。
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n
d ≥ d0
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不同环境下路径损耗指数
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对数阴影路径损耗模型
当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植 被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电 磁场的阴影。 移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构 成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落， 称为阴影衰落。 由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。
Fresnel认为：波在传播过程中，波阵面上的每一点都 是产生球面子波的次波源，空间其它点任意时刻的波动 是波阵面上的所有次级波源发射子波的干涉叠加，进一 步 完善了Huygens原理，称为Huygens-Fresnel原理。
绕射损耗
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绕射损耗
p1 T
β α
附加路径长度
h p2
En
无线通信原理与应用
刘 涛
E-mail: ttlyz@sjtu.edu.cn
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En
第二章 无线信道传输模型
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主要内容
无线电波传播介绍 大尺度衰落
• 自由空间传播、反射、绕射、散射、室内外传播模型
小尺度衰落
• 多径衰落、多普勒频移、相干带宽、瑞利和莱斯分布
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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。由阻挡表面产生的二次波散布于空 间，甚至于阻挡体的背面。
绕射 λ ≈ D
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无线电波传播方式
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。
自由空间电波传播
大尺度传播模型使用近地距离d0作为接受功率的参考点
以分贝表示
d0 Pr (d ) = Pr (d 0 ) d
2
d ≥ d0 ≥ d f
Pr ( d 0 ) d0 P = 10lg + 20lg d ≥ d ≥ d 0 r ( d )(dBm) f 0.001W d
Distance d (km)
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地面反射(双线)模型
ELOS d1 ht Ei d11 Er=Eg θi θo hr
d
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地面反射(双线)模型
当 d ht hr
地面反射模型接受功率
ht2 hr2 Pr = Pt Gt Gr 4 d
PL(dB) = 40 log d − (10 log Gt + 10 log Gr + 20 log ht + 20 log hr )
无线电波传播概述
无线电波传播研究结果一般以两种方式给出
• 对移动环境中电波传播特性的某种统计描述，为研究 移动信道抗衰落技术提供了基本依据 • 建立电波传输模型，包括图表和计算公式等。应用电 波传播模型可对无线电波在传播过程中的损耗进行预 测，直接为系统工程设计服务
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无线电波传播概述
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无线电波传播概述
快衰落
慢衰落
信号强度（dB）
路径损耗
距离
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En
大尺度衰落
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无线电波传播方式
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、建筑物和墙壁表面。
反射 λ << D
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无线电波传播方式
φ = ν2
2
π
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绕射损耗
费涅尔区表示从发射机到接 受机次级波路径比LOS路径 长 nλ / 2 的连续区域。费 涅尔同心圆半径为
n ∆= λ ⇒ 2 nλd1d 2 rn = (d1 + d 2 )
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绕射损耗
阴影区的绕射波场强为围绕阻挡物的所有次级波 的矢量和。刃形绕射波场强Ed 为
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散射
在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射 模型预测的要强，这是因为当电波遇到粗糙表面时， 反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供 了额外的能量。 若平面上的最大突起高度h 小于hc，则认为表面光滑 ，反之则认为粗糙。
hc =
λ
8 sin(θ i )
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β α
h
p2
γ
由于
R
α = β +γ
tan x ≈ x
d1
d2
且当x较小时，有 可求得：
d1 + d 2 α = h dd 1 2
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ht
hr
绕射损耗
定义Frensnel-Kirchoff 绕射参数
2(d1 + d 2 ) 2d1d 2 =α ν =h λd1d 2 λ (d1 + d 2 )
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9wenku.baidu.com
无线电波传播概述
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无线电波传播概述
移动通信环境的几个效应
• 空间传播损耗---Path loss • 阴影效应：由地形结构引起，表现为慢衰落 • 多径效应：由移动体周围的局部散射体引起的多径传 播，表现为快衰落 • 多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引起多径 条件下多普勒频谱展宽
其中：E0 为自由空间场强，F (v) 为费涅尔积分。 对比自由空间，刃形绕射增益为：
Gd = 20 log F (ν )
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绕射损耗
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绕射损耗
上图的近似解由Lee给出：
Gd (dB) 0 v ≤ −1 −1 ≤ v ≤ 0 0 ≤ v ≤1 1 ≤ v ≤ 2.4 v > 2.4
对数距离路径损耗模型
计入其它环境因素的对数距离路径损耗模型：
d PL(d )[dB] = PL(d 0 ) + 10n log d d ≥ d0 0
在远场选择d0
宏小区d0的典型值：1km 室外微小区d0的典型值：100m 室内微微小区d0的典型值：1m
d PL(d ) ∝ d , 0
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无线电波传播概述
对无线电波传播进行研究的三种基本方法：
• 理论分析：用电磁场理论和统计理论分析电波在移动 环境中的传播特性，并用数学模型来描述无线信道 • 现场电波实测：在不同的传播环境中，做电波实测实 验，验证和校正理论分析结果 • 计算机模拟：灵活快速地模拟各种移动环境
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绕射损耗
当v < -0.5时，障碍物对直射波的传播基本上没有 影响 当v = 0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕 射损耗约6dB 当v > 0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧 增加。
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绕射损耗
超出直射路径的长度导致相移，费涅尔区表达了 相对于障碍物位置的相移。 一般来说，当阻挡体不阻挡第一费涅尔区时绕射 损耗最小，绕射的影响可以忽略不计。经验表面 ，在视距微波链路设计时，只要55％ 的第一费涅 尔区无阻挡，其它费涅尔区的情况基本不影响绕 射损耗。
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对数阴影路径损耗模型
慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。 慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围 地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街 道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速 度等，而与频率无关。 慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的 幅度取决于信号频率与障碍物状况。
研究无线电波传播的目的
• 估计接受信号场强，预测无线覆盖范围 • 计算网络设计参数，如发送功率，天线类型 • 研究无线接收技术，开发时域空域多径资源
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无线电波传播概述
影响无线电波传输的主要因素：
• 自然地形（高山、丘陵、平原或水域等） • 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性 • 天气状况 • 自然和人为的电磁噪声状况 • 系统工作频率和终端的运动状况
传播模型的建立：
• 集中于给定范围内平均接收场强的预测，和特定位置 附近场强的变化。 • 分为大尺度传播模型和小尺度传播模型：
• 大尺度传播模型：描述发射机和接收机之间（T-R）长距离 （几百米或几千米）上的场强变化的模型。 • 描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内的接收场强的 快速波动的传播模型。
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G = 20log(0.5 − 0.62v ) d (dB) = Gd (dB) 20log(0.5exp( −0.95v ))
2 G = − − − v (dB) 20log 0.4 0.1184 (0.38 0.1 ) d
(
)
Gd (dB)
0.225 20log v
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自由空间电波传播
发射功率为PT，发射天 线为各向均匀辐射，则 以发射源为中心，d为半 径的球面上单位面积的 功率为：
PR d PT
PT 2 W /m PDi = 2 4πd
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自由空间电波传播
由于天线有方向性（ 设发射天线增益为GT ），故在主波束方向 通过单位面积的功率 为：
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无线电波传播概述
对移动无线电波传播的研究在某种意义上来说就是对无 线移动信道的研究 基站天线和移动终端天线之间或两付天线之间的传播路 径，称为无线移动信道 无线电波传播环境直接关系到无线通信设备要采用的无 线传输技术，关系到无线通信系统的通信能力和服务质 量
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无线电波传播概述
γ
∆ = ( p1 + p2 ) − (d1 + d 2 )
R
d1
d2
ht
hr
h 2 (d1 + d 2 ) ≈ 2d1d 2 相应的相位差：
πh 2 (d1 + d 2 ) ≈ φ= λ λd1d 2
2π∆
直接视距路径和绕射路径的相位差是阻挡物高度和位置的 函数
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绕射损耗
p1 T
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对数阴影路径损耗模型
慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电场实 测的方法找出其统计规律。 对实测数据的统计分析表明，接收信号的局部均值近 似服从对数正态分布 可用一简单的统计模型说明不可预测的“阴影”。 在对数距离路径损耗 公式中，增加一个0-均值高斯 随机变量
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自由空间电波传播
Path Loss in Free-space
130
Path Loss Lf (dB)
120 110 100 90 80 70 0 5 10 15 20 25 30
fc=150MHz fc=200MHz fc=400MHz fc=800MHz fc=1000MHz fc=1500MHz
λ PR = PT GT GR 4πd
路径损耗以分贝表示
2
2 Pt GT GR λ PL(dB) = 10 log = −10 log 2 Pr (4πd )
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自由空间电波传播 若不考虑天线增益
2 Pt λ PL(dB) = 10 log = −10 log 2 Pr (4πd ) 以 λ = c / f 代入