移动通信技术与设计基础信号传播.ppt

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1、第三代移动通信技术第三代移动通信技术2003200320032003年年年年4 4 4 4月月月月1第三代移动通信技术第三代移动通信技术AbisA接口BSSUm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1、研究信道的意、研究信道的意义任任何何一一个个通通信信系系统，信信道道是是比比不不可可少少的的组成成部部分分。信信道道按按传输媒媒质分，可分分，可分为：有有线信道：有信道：有线和光和光纤；无无线信信道道：中中、长地地表表面面波波传播播，短短波波电离离层反反射射传播播，超超短短波和微波直射波和微波直射传播以及各种散射播以及各种散射传播。播。2、信道的基本分、信道的基本分

2、类根根据据信信道道特特性性参参数数随随外外界界各各种种因因素素的的影影响响而而变化化的的快快慢慢，通通常常又分又分为：恒参信道：恒参信道：传输特性的特性的变化量极微且化量极微且变化速度极慢。化速度极慢。变参信道：参信道：传输特性随特性随时间的的变化化较快。移快。移动信道信道为典型的典型的变参信道。参信道。2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、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？恒参信道？变参信道？参信道？恒参信道：恒参信道：传输特性的特性的变化量极微且化量极微且变化速度极慢。化速度极慢。变

3、参信道：参信道：传输特性随特性随时间的的变化化较快。移快。移动信道信道为典型的典型的变参信道。参信道。理想无理想无线信道？非理想无信道？非理想无线信道？信道？理想：无阻理想：无阻挡、无衰落、无、无衰落、无时变、无干、无干扰，自由空，自由空间传播。播。固定无固定无线信道？移信道？移动无无线信道？信道？视距无距无线信道？非信道？非视距无距无线信道？信道？视距，如：地面距，如：地面视距、距、卫星。星。非非视距，如：地面距，如：地面绕射、射、对流流层散射、散射、电离离层折射。折射。有干有干扰无无线信道？无干信道？无干扰无无线信道？信道？干干扰，如：系，如：系统内部的干内部的干扰、系、系统外部的非外部的

4、非敌意干意干扰、敌意干意干扰。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3、移、移动通信的通信的电波波传播的基本特点播的基本特点(1)存在着存在着严重的多径衰落重的多径衰落现象。象。(2)存在着固定通信中没有的阴影衰落。存在着固定通信中没有的阴影衰落。(3)存在有相存在有相对运运动引起的多普勒效引起的多普勒效应。(4)存在有存在有时延散布引起信号波形展延散布引起信号波形展宽。4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、如何研究无、如何研究无线信道信道 无无线通信系通信系统的性能主要受到移的性能主要受到移动无无线信道的制信道的制约。由

5、于。由于发射机与接收机之射机与接收机之间的的传播路径非常复播路径非常复杂，极具有随机性特，极具有随机性特别难以分以分析。无析。无线信道的建模信道的建模历来是移来是移动无无线系系统设计中的中的难点，点，这一一问题的解决的解决办法一般利用法一般利用统计方法。方法。5第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播6四种传播机制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。

6、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、移、移、移动环动环境下的境下的境下的境下的电电波波波波传传播方式播方式播方式播方式 电电波波波波传传播的机理是多种多播的机理是多种多播的机理是多种多播的机理是多种多样样的，但的，但的，但的，但总总体上可以体上可以体上可以体上可以归纳为归纳为直射、反射、绕直射、反射、绕直射、反射、绕直射、反射、绕射和散射射和散射射和散射射和散射。7直射绕射反射散射第第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、移、

7、移、移动环动环境下的境下的境下的境下的电电波波波波传传播方式播方式播方式播方式 电电波波波波传传播的机理是多种多播的机理是多种多播的机理是多种多播的机理是多种多样样的，但的，但的，但的，但总总体上可以体上可以体上可以体上可以归纳为归纳为直射、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。大多数蜂。大多数蜂。大多数蜂窝窝无无无无线线系系系系统统运行在城区，运行在城区，运行在城区，运行在城区，发发射机和接收机之射机和接收机之射机和接收机之射机和接收机之间间无直接无直接无直接无直接视视距路径，而且高距路径，而且高距路径，而且高距路径，而且高层层建筑建筑

8、建筑建筑产产生生生生强强烈的烈的烈的烈的绕绕射射射射损损耗。耗。耗。耗。此外，由于不同物体的多径反射，此外，由于不同物体的多径反射，此外，由于不同物体的多径反射，此外，由于不同物体的多径反射，经过经过不同不同不同不同长长度度度度路径的路径的路径的路径的电电磁波的相互作用引起多径磁波的相互作用引起多径磁波的相互作用引起多径磁波的相互作用引起多径损损耗。同耗。同耗。同耗。同时发时发射机和接收机之射机和接收机之射机和接收机之射机和接收机之间间距离的不断距离的不断距离的不断距离的不断变变化而引起化而引起化而引起化而引起电电磁波磁波磁波磁波强强度的衰减。度的衰减。度的衰减。度的衰减。8无线传输的开放性导

9、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9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、两、两、两类类基本基本基本基本传传播模型播模型播模型播模型 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：用用用用于于于于预预测测平平平平均均均均场场强强并并并并用用用用于于于于估估估估计计无无无无线线覆覆覆覆盖盖盖盖范范范范围围的的的的传传播播播播模模模模型型型型，它它它它们们描描描描述述述述的的的的是是是是发发射射射射机机机机与与与与接接接接收收收收机机机机之之之之

10、间间距距距距离离离离的的的的长长距距距距离离离离（几几几几百百百百米米米米与与与与几几几几千千千千米米米米）上的上的上的上的场强变场强变化。化。化。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（几个波描述短距离（几个波描述短距离（几个波描述短距离（几个波长长）或）或）或）或短短短短时间时间（秒（秒（秒（秒级级）内的接收）内的接收）内的接收）内的接收场强场强的快速波的快速波的快速波的快速波动动的的的的传传播播播播模型。模型。模型。模型。1011第3章 移动无线电传播第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播12距离场强02468806040200几百个波长几十

11、个波长第第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自由空自由空间损耗耗1、什么是自由空、什么是自由空间l l均匀无均匀无损耗的无限大空耗的无限大空间l l各向同性各向同性l l电导率率为0 0，相，相对介介电常数和相常数和相对磁磁导率率为1 1l l不不存存在在电波波的的反反射射、折折射射、绕射射、色色散散和和吸吸收收等等现象，象，电波的波的传播速率等于真空中光速播速率等于真空中光速C C 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 自由空自由空间损耗耗2、自由空自由空间损耗耗 球

12、球面面波波在在传播播过程程中中，随随着着传播播距距离离增增大大，电波波能能量量在在扩散散过程程中中所所引引起起的的球球面面波波扩散散损耗耗。接接收收天天线所所捕捕获的的信信号号功功率率是是发射射天天线辐射射功功率率的很小部分，的很小部分，这是自由空是自由空间损耗的本耗的本质。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 模型适用范模型适用范围预测接接收收机机和和发射射机机之之间是是完完全全无无阻阻隔隔的的视距距路路径。径。卫星通信和微波是典型的自由空星通信和微波是典型的自由空间传播。播。现实环境境中中，适适用用于于传播播介介质与与障障碍碍物物

13、对电波波传播影响的程度小到可以忽略的条件下。播影响的程度小到可以忽略的条件下。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 Friis公式公式传输功率功率损耗：耗：发送功率和接收功率的比送功率和接收功率的比值注：天注：天线增益是以全向天增益是以全向天线为参考的定向增益。参考的定向增益。16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 Friis公式公式 适用范适用范围：d为发射天射天线的的远场值时适用。适用。天天线的的远场定定义为超超过Fraunhorer距距离离df的的地地区区，df发射天射天

14、线截面的最大截面的最大线形尺寸和形尺寸和载波波长有关。有关。dfD;df17第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 Friis公式公式 结论：1、自由空、自由空间损耗模型中接收功率与距离的平耗模型中接收功率与距离的平方成反比，也与方成反比，也与频率的平方成反比。率的平方成反比。2、现实环境境中中，系系统不不大大可可能能工工作作于于理理想想的的自自由由空空间，实际传输损耗要比耗要比1/d1/d2 2计算的算的结果大果大许多。多。一般有一般有 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

15、取3 34 4，d d大于大于15km15km时，时，n n取取5 56 6。18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 计算算 当使用公式当使用公式FriisFriis公式，求得公式，求得d d。处接收功率接收功率时，在距离大于在距离大于d d。时，自由空，自由空间中接收功率中接收功率为工工程程设计中中，常常采采用用dBm或或dBW来来表表示示接接收收电平，分平，分别是以是以1mw和和1w为参考参考电平的平的对数数单位。位。19203.3 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

16、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)。213.3 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

17、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 223.3 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）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&传播播损耗采用耗采用实验图表表计算法算法23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。奥村模型奥村模型&基站有效天基站有效天线高高度度为200m，

18、移，移动天天线高度高度为3m的的中等起伏地区基中等起伏地区基中等起伏地区基中等起伏地区基本衰耗中值本衰耗中值本衰耗中值本衰耗中值(A(A(A(Am m m m)曲曲线24奥村模型奥村模型&基站天基站天线高高度不是度不是200m，其，其变化的化的大小用基站大小用基站天天线高度增高度增益因子益因子25奥村模型奥村模型&移移动台天台天线高度不是高度不是3m，其，其变化的化的大小用移大小用移动台天台天线高度高度增益因子增益因子Hm26奥村模型奥村模型&天天线高度增益因子高度增益因子27奥村模型奥村模型&移移动台天台天线高度不是高度不是3m，其，其变化的化的大小用移大小用移动台天台天线高度高度增益因子增

19、益因子Hm28奥村模型奥村模型&郊区修郊区修正因子正因子29奥村模型奥村模型&开开阔地修地修正因子正因子30奥村模型奥村模型&丘陵地修丘陵地修正因子正因子31奥村模型奥村模型&孤立山峰孤立山峰修正因子修正因子32奥村模型奥村模型&斜坡地形斜坡地形修正因子修正因子33奥村模型奥村模型&水水陆混合混合修正因子修正因子343.10 室外传播模型室外传播模型 Hata模型模型 HataHata模模型型是是根根据据OkumuraOkumura曲曲线图所所作作的的经验公式，公式，频率范率范围为150MHz150MHz到到1500MHz1500MHz。市区路径市区路径损耗的耗的标准公式准公式为 35 3.1

20、0 室外传播模型室外传播模型 Hata模型模型对于中小城市，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36 3.10 室外传播模型室外传播模型 Hata模型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模模型型修修正正为：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：37 3.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.5 3.10.5 Hata模型的模型的PCS扩展展 HataHata模型模型扩展到展到2GHz2GHz的公式的公式为 38 3.11 室内传播模型室内传播模型随着

21、随着PCS PCS 系统的应用，人们越来越关注室内系统的应用，人们越来越关注室内无线电波传播。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筑物物类型等因素的强烈影响。类型等因素的强烈影响。39 3.11 室内传播模型室内传播模型404一般说明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

22、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。3.11 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，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

23、条件难以满足。的传播距离使得天线的远场条件难以满足。41 3.11 室内传播模型室内传播模型 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常广泛，应用通用模型非常困难 间分隔损耗间分隔损耗决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类型、窗口数量。型、窗口数量。42 3.11 室内传播模型室内传播模型对数距离路径数距离路径损耗模型耗模型研究表明，室内路径研究表明，室内路径损耗遵从公式

24、：耗遵从公式：43 3.12 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。仅靠有限的经验很难确定精确的透射模型。仅靠有限的经验很难确定精确的透射模型。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，减减少少了了信信号号的的穿透能力。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入射信号。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

25、及建建筑筑物物高高度度的的函函数数，天线对信号穿透也有重要的影响。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。44 45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46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

26、没有较强分量并存在多个散射分量时服从瑞利分布47移动通信中的电波传播 快衰落快衰落 48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493.4 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

27、由于多径时延使接收信号的波形展宽，在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。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 50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展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，在相应的时域上规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。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

28、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/W51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523.5 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 s s 郊区郊区 s s 最大时延：市区最大时延：市区5-125-12 s s 郊区郊区 s s （2 2）随机）随机 调频调频

29、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 53移动通信场强变化特性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5410M1M100K10K1K1001 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55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56