第二章移动通信电波传播环境与传播预测模型

码间干扰
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
频率色散
用多普勒扩展来描述，相关时间是与多普勒扩展相对应的参数
v 时变特性 § 原因 移动台运动或信道路径中的物体运动 § 用多普勒扩展和相关时间来描述
v 多普勒扩展 （功率谱） v 相关时间
§ 信道冲激响应应维持不变的时间间隔的统计平均值 § 表征了时变信道对信号的衰落节拍
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
时间色散参数
❖ 功率延迟分布（PDP）
基于固定时延参考的附加时延的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布 取平均得到 市区环境中近似为指数分布
式中，T是常数，为多径时延的平均值
❖ 时间色散特性参数
▪ 平均附加延时
▪ rms时延扩展
其中
0 dB
D
▪ 最大附加延时扩展(XdB)
信道的幅频特性
▪当
时，信号同相叠加，出现峰点
当
时，信号反相相减，出现谷点
▪ 相邻两个谷点的
,两相邻场强
为最小值的频率间隔与两径时延 成反比 1+r
❖ 多径情况
▪
应为rms时延扩展
1-r
2n p (2n +1) p
w
D(t )
D(t )
▪
是随时间变化的，可由大量实测数据经过统计处理计算出来
▪ 说明相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关
接收 功率
分贝表示
传播 损耗
接收 换算
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2.3 三种基本电波传播机制
反射
阻挡体比传输波 长大的多的物体
产生多径衰落的 主要因素
基本电波传播机制
绕射 阻挡体为尖利边缘
散射
产生于粗糙表面、小物体或其 它不规则物体
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
服从
的均匀分布
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2.5.4 描述多径信道的主要参数
v 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。
v 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
功率延迟分布 PDP
多普勒功率谱密度 DPSD
角度谱 PAP
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2.5.2 多普勒频移
v 原因 移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移
v 表达式 多普勒频移
最大多普勒(Doppler)频移
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2.5.2 多普勒频移
v 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：
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多普勒扩展
❖ 典型(CLASS)多普勒扩展（适用于室外传播信道）
假设接收信号由N个经过多普勒频移的平面波合成， b为平均功率
表示在角度
内的入射功率，
益，用 表示功率谱，则
表示接收天线增
典型的多普勒功率谱
由图可见，由于多普勒效应，
S(f)
接收信号的功率谱展宽
• 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）
§ 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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2.5.3 多径信道的信道模型
到
和
范围
fc - fm
fc
fc + fm
❖ 平坦(FLAT)多普勒扩展（适用于室内传播信道）
平坦的多普勒功率谱
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推导相关时间
❖从多普勒扩展角度
时间相关函数与多普勒功率谱之间是傅立叶变换关系
所以多普勒扩展的倒数就是对信道相关时间的度量，即 此时入射波与移动台移动方向之间的夹角α=0 式中 为多普勒扩展（有时也用 表示），即多普勒频移。
衰落特性的算式描述 ❖ 衰落特性的算式描述
式中，r(t)表示信道的衰落因子；m(t)表示大尺度衰落； r0(t)表示小尺度衰落。
小尺度衰落
大尺度衰落
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2.1.2 电波传播特性的研究方法
电波传播 特性的研究
考虑问题 •衰落的物理机制 •功率的路径损耗 •接收信号的变化和分布特性
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
❖ 大尺度衰落与小尺度衰落
大尺度衰落
小尺度衰落（主要特征是多径）
描述 长距离上信号强度的缓慢变化 短距离上信号强度的快速波动
原因 信道路径上固定障碍物的阴影 移动台运动和地点的变化
影响
业务覆盖区域
信号传输质量
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设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为 路径的变化量 输出复包络
简化得
其中， 为最大多普勒频移。
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பைடு நூலகம்
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 令
多普勒效应影响
式中 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
时间色散 频率色散 角度色散
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时间色散
v 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)
v 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
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
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2.5 多径传播模型
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
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
在任何时刻t，随机相位
都可产生对 的影响，引起多径衰落。
冲击响应
由上式得
冲击响应 式中， 、 表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位 包含了在第i 个增量延迟内一个多径分量所有的相移； 为单位冲击函数。 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
此冲击响应完全描述了信道特性，相位
应用成果 •传播预测模型的建立 •为实现信道仿真提供基础
基本方法 •理论分析方法（如射线跟踪法） •现场测试方法（如冲激响应法）
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2.2 自由空间的电波传播
在理想的、均 匀的、各向同 性的介质中传 播，只存在电 磁波能量扩散 而引起的传播
损耗
传播 损耗
自由空间 电波传播
❖从包络相关性角度
通常将信号包络相关度为0.5时的时间间隔定义为相关时间
推出包络相关系数
令
，
=0.5 推出
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高于某特定门限的多径分量的时间范围，
即多径能量从初值衰落到低于最大能量
(XdB)处的时延图2-8中， 为归一化 -X dB
的最大附加延时扩展(XdB)；为归一化
t
平均附加延时； 为归一化rms时延扩展
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
从时延扩展角度说明相关带宽
❖ 两径情况
接收信号
等效网络传递函数
2.3.3 散射
散射
粗糙表面，反射能量于所有方向 表面光滑度的判定 粗糙表面下的反射场强
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2.4 阴影衰落的基本特性
v 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
v 特点
与传播地形和地物分布、高度有关
v 表达式
传播路径损耗和阴影衰落 分贝式 式中 r 移动用户和基站的距离
v 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
滤波器的冲击响应和传递函数得到多径信道的特性
v 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
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
2.5.1 多径衰落的基本特性
v 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
v 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
移动通信 信道
的传播路径
移动信道的 基本特性 衰落特性
衰落的 复杂的无线电 原因 波传播环境
直射、反射、 绕射和散射以 及它们的合成
无线电 波传播
方式
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
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
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{
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从包络相关性角度推导相关带宽
设两个信号的包络为 和 ，频率差为
，则
包络相关系数 此处，相关函数 若信号衰落符合瑞利分布，则
式中， 为零阶Bessel函数， 为最大多普勒频移。 不失一般性，可令 ，简化后
通常，根据包络的相关系数 代入得 相关带宽
来测度相关带宽
❖ 说明
任一P’点，只有夹角为θ
（即
）的次级波前
能到达接收点R
θ在0º到180º之间变化
到达接收点辐射能量与
θ成正比
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
菲涅尔区和基尔霍夫公式
❖ 菲涅尔区 从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大的连续区域 ▪ 接收点信号的合成
• n为奇数时，两信号抵消 • n为偶数时，两信号叠加
v 电磁波的极化形式 线极化、圆极化和椭圆极化
v 线极化的两种特殊情况 § 水平极化（电场方向平行于地面）
§ 垂直极化（电场方向垂直于地面）
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
2.3.1 多径信号
❖ 两径传播模型 接收信号功率
简化后
直射波
相位差 ❖ 多径传播模型
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
第二章移动通信电波传 播环境与传播预测模型
2020/12/10
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
目录
1
概述
2
自由空间的电波传输
3 三种基本电波的传播机制
4
阴影衰落的基本特性
5
多径传播模型
6 电波传播损耗预测模型
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
2.1.1 电波传播的基本特性
基站天线、移 动用户天线和 两付天线之间
2.3.1 反射
理想介质表面反射
极化特性
多径信号
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
理想介质表面反射
❖ 如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来 ❖ 反射系数（R） 入射波与反射波的比值
（垂直极化） （水平极化）
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
极化特性
v 极化 电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变 化的状态
只考虑多径效应
传输信号 假设第i径的路径长度为xi、衰落系数（或反射系数）为 接收信号
式中，c为光速；λ为波长。 又因为
所以
式中
为时延。
实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时 延都不同的各个路径的总和。
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
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
(＊)
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
衰落的分类及判定
❖ 分类
频率选择性衰落
不同频率分量的衰落 信号波形
不一致
失真
非频率选择性衰落 （平坦衰落）
相关的 一致的
不失真
❖ 判定
由信道和信号两方面决定
信号带宽小于信道相关带宽 Bs<Bc
平坦衰落
信号带宽远大于信道相关带宽 Bs>>Bc
频选衰落
数字通信系统
▪ 菲涅尔区同心半径
▪ 第一菲涅尔区半径（n=1）特点
• 在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半 • 发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以达到
接收机。
❖ 基尔霍夫公式 从波前点到空间任何一点的场强
式中，E是波面场强，
是与波面正交的场强导数。
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
2.3.2 绕射
惠更斯－菲涅尔 原理
菲涅尔区
基尔霍夫公式
第二章移动通信电波传播环境与传播 预测模型
惠更斯－菲涅尔原理
❖ 原理
▪ 波前（面）上每点产生的次级波组合形成传播方向上新的波前（面） ▪ 绕射由次级波的传播进入阴影区而形成 ▪ 场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和