第三代移动通信技术与设计基础.pptx

1第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播2、信道的基本分类根据信道特性参数随外界各种因素的影响，通常分为：恒参信道？变参信道？恒参信道：传输特性的变化量极微且变化速度极慢。变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型的变参信道。理想无线信道？非理想无线信道？理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。固定无线信道？移动无线信道？视距无线信道？非视距无线信道？视距，如：地面视距、卫星。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。有干扰无线信道？无干扰无线信道？干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。第1页/共55页2第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.1 3.1 概述概述3、移动通信的电波传播的基本特点(1)存在着严重的多径衰落现象。(2)存在着固定通信中没有的阴影衰落。(3)存在有相对运动引起的多普勒效应。(4)存在有时延散布引起信号波形展宽。第2页/共55页3第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.1 3.1 概述概述4 4 4 4、如何研究无线信道、如何研究无线信道 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。由于发射机与接收机之无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。由于发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，极具有随机性特别难以分析。无线信道的建模历来是移间的传播路径非常复杂，极具有随机性特别难以分析。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决办法一般利用统计方法。动无线系统设计中的难点，这一问题的解决办法一般利用统计方法。第3页/共55页4第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播四种传播机制4直射：自由空间传播4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。4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。4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。第4页/共55页5第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.1 3.1 概述概述5 5 5 5、移动环境下的电波传播方式、移动环境下的电波传播方式 电波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归纳为电波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归纳为直射、反直射、反直射、反直射、反射、绕射和散射射、绕射和散射射、绕射和散射射、绕射和散射。直射绕射反射散射第5页/共55页6第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.1 3.1 概述概述5 5 5 5、移动环境下的电波传播方式、移动环境下的电波传播方式 电波传播的机理是多种多样的，但总体上可电波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归纳为以归纳为直射、反射、绕射和散射直射、反射、绕射和散射直射、反射、绕射和散射直射、反射、绕射和散射。大多数蜂窝。大多数蜂窝无线系统运行在城区，发射机和接收机之间无直无线系统运行在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生强烈的绕射损耗。接视距路径，而且高层建筑产生强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多径反射，经过不同长度此外，由于不同物体的多径反射，经过不同长度路径的电磁波的相互作用引起多径损耗。同时发路径的电磁波的相互作用引起多径损耗。同时发射机和接收机之间距离的不断变化而引起电磁波射机和接收机之间距离的不断变化而引起电磁波强度的衰减。强度的衰减。第6页/共55页7无线传输的开放性导致信号的衰落与干扰无线传输的开放性导致信号的衰落与干扰无线传输的开放性导致信号的衰落与干扰无线传输的开放性导致信号的衰落与干扰第7页/共55页8第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.1 3.1 概述概述6 6 6 6、两类基本传播模型、两类基本传播模型 大大大大尺尺尺尺度度度度传传传传播播播播模模模模型型型型：用用于于预预测测平平均均场场强强并并用用于于估估计计无无线线覆覆盖盖范范围围的的传传播播模模型型，它它们们描描述述的的是是发发射射机机与与接接收收机机之之间间距距离离的的长长距距离离（几几百百米米与与几几千千米）上的场强变化。米）上的场强变化。小尺度衰减模型：小尺度衰减模型：小尺度衰减模型：小尺度衰减模型：描述短距离（几个波长）或描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内的接收场强的快速波动的传播短时间（秒级）内的接收场强的快速波动的传播模型。模型。第8页/共55页9第3章 移动无线电传播第9页/共55页10第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播距离场强02468806040200几百个波长几十个波长第10页/共55页11第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.1自由空间损耗1、什么是自由空间l l均匀无损耗的无限大空间l l各向同性l l电导率为0 0，相对介电常数和相对磁导率为1 1l l不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，电波的传播速率等于真空中光速C C 第11页/共55页12第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.1自由空间损耗2、自由空间损耗 球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电波能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗。接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率的很小部分，这是自由空间损耗的本质。第12页/共55页13第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.2模型适用范围预测接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径。卫星通信和微波是典型的自由空间传播。现实环境中，适用于传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略的条件下。第13页/共55页14第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.3Friis公式传输功率损耗：发送功率和接收功率的比值注：天线增益是以全向天线为参考的定向增益。第14页/共55页15第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.3Friis公式 适用范围：d为发射天线的远场值时适用。天线的远场定义为超过Fraunhorer距离df的地区，df发射天线截面的最大线形尺寸和载波长有关。dfD;df第15页/共55页16第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.2.3Friis公式 结论：1、自由空间损耗模型中接收功率与距离的平方成反比，也与频率的平方成反比。2、现实环境中，系统不大可能工作于理想的自由空间，实际传输损耗要比1/d1/d2 2计算的结果大许多。一般有 不同的传播环境，不同的传播环境，n n取取3 3或或4 4，甚至更高。实测结果有，甚至更高。实测结果有，d d小于小于15km15km时，时，n n取取3 34 4，d d大于大于15km15km时，时，n n取取5 56 6。第16页/共55页17第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.4计算 当使用公式FriisFriis公式，求得d d。处接收功率时，在距离大于d d。时，自由空间中接收功率为工程设计中，常采用dBm或dBW来表示接收电平，分别是以1mw和1w为参考电平的对数单位。第17页/共55页183.3 电波传播路径损耗的预测（1 1）电波传播路径损耗的预测的基本方法）电波传播路径损耗的预测的基本方法 为了掌握在各种地形地物条件下，对不同工作频率的电波传播特性，通常需要作大量的电波传播试验，得到大量的实测数据，研究统计规律，从而得到各种地形地物条件下的传播衰耗和工作频率、距离、天线高度之间的关系，绘出电波传播特性的计算图表或得到计算电波传播衰耗的计算模型以便用它来予测移动通信中接收信号强度(或传播衰耗)。第18页/共55页193.3 电波传播路径损耗的预测 在无线通信系统中，电波传播经常在不规则地区。大量的传播模型可用来预测不规则地区的路径损耗。地形分为两大类：中等起伏地形和不规则地形。中等起伏地形：指在传播路径地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢。不规则地形：如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等。地物（或地区）分类按照地物的密集程度不同可分为三类地区:开阔地 郊区 市区 第19页/共55页203.3 电波传播路径损耗的预测（2 2）电波传播路径损耗的预测模型）电波传播路径损耗的预测模型 A、平面大地模型 B、布林顿理论模型 C、Egli模型（经验公式）D、Okumura模型（图表计算模型）第20页/共55页21电波传播路径损耗的预测模型电波传播路径损耗的预测模型&传播损耗采用实验图表计算法自由空间损耗中等起伏地区基本衰耗中值基台天线高度因子移动台天线高度因子地形地物修正因子f：载波频率；hb：基台天线高度；d：传输距离；hm：移动台天线高度。第21页/共55页22奥村模型奥村模型&基站有效天线高度为200m，移动天线高度为3m的中等起伏地区中等起伏地区中等起伏地区中等起伏地区基本衰耗中值基本衰耗中值基本衰耗中值基本衰耗中值(A(A(A(Am m m m)曲线第22页/共55页23奥村模型奥村模型&基站天线高度不是200m，其变化的大小用基站天线高度增益因子第23页/共55页24奥村模型奥村模型&移动台天线高度不是3m，其变化的大小用移动台天线高度增益因子Hm第24页/共55页25奥村模型奥村模型&天线高度增益因子第25页/共55页26奥村模型奥村模型&移动台天线高度不是3m，其变化的大小用移动台天线高度增益因子Hm第26页/共55页27奥村模型奥村模型&郊区修正因子第27页/共55页28奥村模型奥村模型&开阔地修正因子第28页/共55页29奥村模型奥村模型&丘陵地修正因子第29页/共55页30奥村模型奥村模型&孤立山峰修正因子第30页/共55页31奥村模型奥村模型&斜坡地形修正因子第31页/共55页32奥村模型奥村模型&水陆混合修正因子第32页/共55页333.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.4 3.10.4 Hata模型 HataHata模型是根据OkumuraOkumura曲线图所作 的 经 验 公 式，频 率 范 围 为 150MHz150MHz到1500MHz1500MHz。市区路径损耗的标准公式为 第33页/共55页343.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.4 3.10.4 Hata模型对于中小城市，移动天线修正因子为对于中小城市，移动天线修正因子为对于大城市移动天线修正因子为对于大城市移动天线修正因子为第34页/共55页353.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.4 3.10.4 Hata模型对对于于郊郊区区的的路路径径损损耗耗，标标准准HataHata模模型型修修正为：正为：对于农村地区，标准对于农村地区，标准HataHata模型修正为：模型修正为：第35页/共55页363.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.5 3.10.5 Hata模型的PCS扩展 HataHata模型扩展到2GHz2GHz的公式为 第36页/共55页373.11 室内传播模型室内传播模型 随着随着PCS PCS 系统的应用，人们越来越关注室内无线电波传播。系统的应用，人们越来越关注室内无线电波传播。室内无线信道的特别之处：室内无线信道的特别之处：覆盖距离小覆盖距离小环境波动大环境波动大建建筑筑物物内内传传播播受受到到建建筑筑物物的的布布置置、材材料料结结构构和和建建筑物类型等因素的强烈影响。筑物类型等因素的强烈影响。第37页/共55页383.11 室内传播模型室内传播模型4一般说明l室内传播特点：覆盖距离更小，环境变化更大l受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放置的位置？人员的分布情况？l室内信道可以分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种。4分隔损耗l同楼层的分隔损耗 给出不同频段、不同材料不同分隔方式的损耗值。如：混凝土墙在1300MHz的损耗为815dB。l楼层间的分隔损耗 和建筑物的材料、类型、层数、窗户及频段有关。一层的衰减要大，而五、六层以上的衰减很小。第38页/共55页393.11 室内传播模型室内传播模型 室内无线传播同室外具有同样的机理：反射、绕射和散射。但条件却不同。例室内无线传播同室外具有同样的机理：反射、绕射和散射。但条件却不同。例如，信号电平在很大程度上依赖于建筑物内门开还是关。无线装置安装的位置、如，信号电平在很大程度上依赖于建筑物内门开还是关。无线装置安装的位置、天线安装的高度与天花板的情况等。同样，较小的传播距离使得天线的远场条天线安装的高度与天花板的情况等。同样，较小的传播距离使得天线的远场条件难以满足。件难以满足。第39页/共55页403.11 室内传播模型室内传播模型 3.11.13.11.1 分隔损耗（同楼层）分隔损耗（同楼层）建筑物具有大量的分隔和阻挡物。不同的建筑物材料不同。分隔的物理和建筑物具有大量的分隔和阻挡物。不同的建筑物材料不同。分隔的物理和电特性变化范围非常广泛，应用通用模型非常困难电特性变化范围非常广泛，应用通用模型非常困难3.11.23.11.2 间分隔损耗间分隔损耗决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类型、窗口数量。决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类型、窗口数量。第40页/共55页413.11 室内传播模型室内传播模型 3.11.33.11.3对数距离路径损耗模型研究表明，室内路径损耗遵从公式：第41页/共55页423.12 建筑物信号穿透建筑物信号穿透 位位于于建建筑筑物物外外的的发发射射机机在在建建筑筑物物内内的的接接收收信信号号，对于无线系统是非常重要的。对于无线系统是非常重要的。仅仅靠靠有有限限的的经经验验很很难难确确定定精精确确的的透透射射模模型型。测测试试报报告告显显示示，随随着着高高度度的的增增加加，接接收收信信号号增增加加。低低楼楼层层的的杂杂散散结结构构引引起起大大的的衰衰减减，减减少了信号的穿透能力。少了信号的穿透能力。在在高高层层，由由于于可可能能存存在在视视距距路路径径使使得得具具有有强强的的入射信号。入射信号。无无线线信信号号的的穿穿透透能能力力是是频频率率及及建建筑筑物物高高度度的的函函数，天线对信号穿透也有重要的影响。数，天线对信号穿透也有重要的影响。频率增加，穿透损耗减小频率增加，穿透损耗减小。第42页/共55页43移动通信中的电波传播电波传播的衰落特性电波传播的衰落特性 慢衰落慢衰落 慢衰落的原因：地形地物对电波传播路径的慢衰落的原因：地形地物对电波传播路径的阻挡。阻挡。慢衰落的统计特性：服从正态分布慢衰落的统计特性：服从正态分布第43页/共55页44移动通信中的电波传播 快衰落快衰落 快衰落的原因：移动台接收的电波除直射波外，还有从各种障碍体(包括大地)反射或散射传播到达接收点电波，相互迭加造成信号包络的快速起伏。快衰落的统计特性：靠近基站有直射分量存在时服从莱斯分布 没有较强分量并存在多个散射分量时服从瑞利分布第44页/共55页45移动通信中的电波传播 快衰落快衰落 第45页/共55页46移动通信中的电波传播衰落幅度统计特性衰落幅度统计特性 电平通过率：以正斜率通过某电平概率电平通过率：以正斜率通过某电平概率 衰落速率：衰落速率：nd=2v/d=2v/衰落深度：可达衰落深度：可达30dB30dB 衰落持续时间：信号低于某电平的持续时间衰落持续时间：信号低于某电平的持续时间第46页/共55页473.4 信道的分类（1 1）恒参信道与变参信道）恒参信道与变参信道 恒参信道网络模型函数与时间无关恒参信道网络模型函数与时间无关 变参信道网络模型函数与时间有关变参信道网络模型函数与时间有关（2 2）相关带宽）相关带宽 由于多径时延使接收信号的波形展宽，由于多径时延使接收信号的波形展宽，在相应的频域上规定了信道的相关带宽。在相应的频域上规定了信道的相关带宽。相关带宽相关带宽=1/=1/信号的最大时延信号的最大时延 第47页/共55页48信道的分类（3 3）相干时间）相干时间 由于收发双方相对运动形成的多谱勒频由于收发双方相对运动形成的多谱勒频展使接收信号的频谱展宽，在相应的时域上展使接收信号的频谱展宽，在相应的时域上规定了信道的相干时间。规定了信道的相干时间。（4 4）信道的分类）信道的分类 1 1、非弥散信道：、非弥散信道：BdBd 1/T 1/T；1/W 1/W 2 2、频率选择性衰落信道：、频率选择性衰落信道：BdBd 1/T 1/T；1/W1/W 3 3、时间选择性衰落信道：、时间选择性衰落信道：Bd Bd 1/T 1/T；1/W 1/W 4 4、混合信道：、混合信道：Bd Bd 1/T 1/T；1/W1/W第48页/共55页49信道的分类基于多径时延扩散平衰落1.信号带宽相干带宽2.时延扩散相干带宽2.时延扩散符号周期基于多普勒扩散 快衰落 1.多普勒频移大2.相干时间符号周期3.信道变化慢于基带信号的变化第49页/共55页503.5 多径与数字信号传输（1 1）时延扩展）时延扩展 平均时延：市区平均时延：市区1.5-2.51.5-2.5 s s 郊区郊区0.1-0.1-2.02.0 s s 最大时延：市区最大时延：市区5-125-12 s s 郊区郊区0.3-7.00.3-7.0 s s （2 2）随机）随机 调频调频 Fc=900MHzFc=900MHz，V=50Km/h -V=50Km/h -Fd=80Hz Fd=80Hz （3 3）对数字信号的影响）对数字信号的影响 多径时延导致信号码元串扰多径时延导致信号码元串扰 随机相位抖动导致相干检测困难随机相位抖动导致相干检测困难 第50页/共55页51移动通信场强变化特性第51页/共55页52传输速率与传输距离的相互制约传输速率与传输距离的相互制约10M1M100K10K1K1001 10 100 1k 10k 100k数据速率bps距 离（m）蜂窝电话DECT PHS PCS2.4GHz扩频寻呼机卫星移动通信红外毫米波第52页/共55页53高速高速步行步行静止静止室内室内移移动动性性10k10k 100k 100k 1M 1M 10M 10M 100M 100M寻呼机蜂窝电话公用无绳电话家用无绳电话无线LAN超高速LAN高速无线接入1995年2001年IMT2000(FPLMTS)第一阶段IMT200第二阶段传输容量传输容量(bps)(bps)传输速率与移动速度的相互制约传输速率与移动速度的相互制约第53页/共55页54传输速率与移动速度的相互制约传输速率与移动速度的相互制约第54页/共55页55感谢您的观看！第55页/共55页