第11章 无线信道的特性与电波传播,本章主要内容,11.1 概述 11.2 无线信号的传播大尺度信道损耗 11.3 信道损耗模型 11.4 无线信道的特性小尺度衰落与多径 11.5 移动信道中的干扰,11.1 概述,物理信道可分为： 有线信道（恒参信道） 无线信道 （随参信道） 无线信道对信号传输的影响： 1. 自由空间的传输损耗（或称路径损耗） 它是收发信机之间距离的函数，描述的是大尺度区间（数百或数千米）内接收信号强度随收发距离变化的特性。 2. 阴影衰落 由传输环境中的地形起伏、建筑物及障碍物对电磁波的阻挡和遮蔽引起的衰落，它描述的是中等尺度区间（数百个波长）内信号电平中值的慢变化特性。所谓中值是指信号包络的瞬时取值的累积概率达到50%所对应的包络值。 3.多径衰落 移动环境中多径传输引起的衰落，它描述的是小尺度区间（数个或数十个波长）内接收信号场强的瞬时值的快速变化特性。,11.2 无线信号的传播大尺度信道损耗,11.2.1 自由空间无线信号的传播 1. Friis自由空间传播方程,2. 路径损耗PL 实际接收机收到的功率为,式中，n不同环境的路径损耗指数,自由空间的路径损耗可表示为,不考虑天线增益PL,11.2.2 反射、衍射与散射,反射、衍射与散射是无线信道中最基本的三种电磁波传播方式,反射在电磁波传播过程中，如果遇到了障碍物，并且此障碍物的大小与波长相比很大，那么电磁波就会发生反射，反射主要来自于地表面、建筑物和墙面等。 衍射（绕射）如果发射机与接收机之间的障碍物有比较尖锐的断面，电磁波会发生衍射，由于电磁波衍射，即便在收发天线之间没有直达路径时，电磁波仍然可以绕过障碍物到达接收天线，在无线信道中频率较高，衍射的特性取决于障碍物的几何形状、衍射点电磁波的振幅、相位以及极化状态。 散射在电磁波传播的介质中，如果分布有很多几何尺寸与波长相比很小的障碍物，电磁波就会发生散射。无线信道中粗糙的物体表面、树叶、街头标志牌以及电线杆等都可能发生散射。,1. 电波的反射,(1)电介质表面的反射,式中， j（j=1，2）为介质的波阻抗,Fresnel公式,且：,Snell定律：,(11-14),(2) 良导体反射,平面波入射到良导体表面时，电磁波会全部反射回来,对于垂直极化波,对于水平极化波,即：,2.绕射（衍射） （惠更斯原理 ）,（1）单个劈尖（Knife-edge）模型,衍射波的电场强度Ed,可定义衍射增益Gd,式中v为Fresnel 衍射参数:,（2）多个劈尖（Multiple Knife-edge）模型,Bullington建议可将多个障碍物等效为单个障碍物,3.散射,介质表面的隆起高度hc时,认为介质表面粗糙。,从微观上看，散射实际上就是反射，只不过反射面很小，并且各个散射面的方向随机分布 。 从宏观上看，如果介质表面很光滑，并且其尺寸比波长大很多，就会发生反射。如果介质表面很粗糙，就会发生散射。介质表面的粗糙程度hc通常用Rayleigh准则来描述：,其中，s为散射损耗因子：,或：,散射导致损耗，此时反射系数修正为,电波的散射种类, 本地到移动终端的散射，这种散射是由行驶车辆(移动终端)附近几十米范围内的建筑物或其它散射体(如树、路灯杆)引起的。移动终端到本地散射产生多普勒扩展，造成时间选择性衰落。对于一辆时速约105km的汽车，在1900MHz载波频率处产生的多普勒频率扩展约为200Hz。虽然本地散射体产生多普勒扩展，但它们产生的时延扩展并不明显，因为它们的散射半径很小，角度扩展也很小。 远程散射，由本地散射点形成的电波或者直达基站，或者由远程的强散射体散射到基站，从而产生镜面多径。这些远程散射体既可以是地形特征(如山岭)，也可以是高层建筑群。远程散射会引起明显的时延扩展和角度扩展。 本地到基站的散射，移动终端的本地散射体和远程散射体散射的多个电波到达基站后，会被基站附近的本地结构(如建筑物等)进一步散射。这类散射对于低于屋顶的天线更明显。本地到基站的散射会引起严重的角度扩展，同样会引起空间选择性衰落。不过，这种衰落在穿越基站天线时是不随时间变化的，它与远程散射引起的随时间变化的空间选择性衰落不同。,11.3 信道损耗模型,接收天线处的电场强度：,直达波（传播路径长度为d ）有,一次反射波 （传播路径长度为d ）有,11.3.1 地面反射（双射线2-ray ）模型FIG,地面为全反射，即= 1及Et=0，则接收端R点的总场强ETOT为,11.3.1 地面反射（双射线）模型（C1）,直达波和一次反射波路径长度之差为,当dhr+ht时，利用Talor级数展开式，上式可近似为,直达波和一次反射波之间的相位差为,两者之间的到达时延差为,当d很大时，d和d，E(d,t)和E(d,t)的振幅相近，但相位不同，即,11.3.1 地面反射（双射线）模型（C2）,当t=d/c时，由式(11.34)可得,ETOT(d)振幅的进一步可近似为：,可得接收信号的功率为：,双射线发射模型的路径损耗PL为,11.3.2 室外传播模型,1. Longley-Rice 模型 该模型适用于40MHz-100GHz的点对点通信系统，要求知道收发两点之间的地形情况。 在计算电磁波的功率时使用双射线大地反射模型。 如果在传播路径中存在独立的障碍物，则要考虑衍射损失，衍射损失可用劈尖衍射模型来计算。这种模型的优点是比较简单，但是没有考虑多径衰落。,2. Okumura模型,Okumura模型完全建立在试验数据基础上，并没有理论方面的解释。对于大多数情况来说，如果其中的一些参数超过了Okumura模型适用的范围，可以采用插值方法来解决。Okumura模型的最大缺点是不太适合于地形变化剧烈的地区,常用的预测市区电波传播情况的模型 频率范围是150MHz-1920MHz 适用的距离是1km-100km 基站的天线高度为30m-1000m。 其路径损耗的中值 L50为,3. Hata模型,a(hre)是移动终端天线的校正因子（单位为dB）。对于小城镇和中等规模城市，a(hre)为,将Okumura模型中用曲线表示的数据归纳为公式 频率范围为150MHz - 1500MHz， 可以应用于市区 其公式为 （fC单位为MHz）,a(hre)是移动终端天线的校正因子（单位为dB）。对于小城镇和中等规模城市，a(hre)为,fc 300MHz fc 300MHz,对于大城市，a(hre)为,对于开阔的农村地区，可修正为,对于郊区，可修正为,4.适用于小蜂窝的个人通信系统的Hata模型/COST-231,当接收距离为1km左右时，应用于市区的Hata模型可修正为,5. Walfisch-Bertoni模型,在预测街道上的平均场强时，充分考虑了屋顶和建筑物衍射的影响。,5. Walfisch-Bertoni模型(C1),式中，Q2表示由建筑物阻挡造成产生的接收信号衰减，P1是由衍射导致的从屋顶到街道信号的损耗。 P0表示自由空间的路径损耗：,其路径损耗PL可表示为,式中，L0表示自由空间的传播损耗； Lrts表示屋顶到街道（Rooftop To Street）的衍射和散射损耗； Lms表示数排建筑物的多孔（MultiScreen）衍射。,其路径损耗PL用分贝表示，可表示为,11.3.3 室内传播模型,同一楼层的隔断损耗，建筑物的内外结构有很多的隔断和墙壁，居室内的墙壁通常用木制框架加上塑料板构成，而楼层之间的地板一般用木板或水泥构成。 楼层之间的隔断损耗，建筑内楼层之间的损耗主要取决于其整体结构的大小、建筑材料、楼板的结构及外部环境。,2.对数距离路径损失模型,d0为参考点，PL(d0)是参考点处的自由空间路径损耗，单位为dB；n是平均路径损耗指数，与周围环境和建筑物类型有关；X为正态分布的随机变量，其均值为0，标准偏差为，,1. 隔断损耗,多个楼层之间,对(11.3.29)进行修正,室内路径损耗=自由空间的损耗加上一个额外的相对于收发距离呈指数衰减的因子 。,3. 衰减因子模型,11.3.4 其它信道的损耗特性,透射损耗的大小与下列因素有关： (1) 建筑物的材料。不同材料的介质特性不同，对电磁波的反射和吸收也不相同，建筑材料包括金属、水泥、木材、塑料及各种墙面涂料等，均会对电磁波损耗产生影响。 (2) 窗户开口面积、窗户数量。通常窗户的数量越多，开口面积越大，接收机接收的信号电平越大，实测显示：有窗户建筑物的透射损耗比没有窗户建筑物小6dB左右。 (3) 信号频率。透射损耗随着频率值的增加而减小。如在某建筑物的一层经过实测得到：在441MHz、896.5MHz和1400MHz三个频率的透射损耗分别为16.4dB、11.6 dB和7.6dB。 (4) 接收机在建筑物内的位置。其位置包括：楼层的高低、离窗户的远近等。楼层越低，离窗户越远，损耗越大。通过对某一建筑物内的实测表明：由第1层到第15层的穿透损耗按每层2.75dB的规律递减，大约在第10层楼内的信号电平和室外地面上的信号电平相同。,1. 建筑物的透射损耗隧道的损耗,2. 隧道的损耗,(1) 隧道主要包括：矿井巷道、地铁、地下通道 损耗极大。 当传播路径上出现障碍物(如车辆)或通道弯曲时，损耗还会增大 (2) 解决：导波线传输方式 平行双导线 漏泄(泄漏)同轴电缆,参考文献： 上海市无线电协会. 移动通信多系统室内综合覆盖. 上海：上海科学技术出版社,2007.,11.4无线信道的特性小尺度衰落与多径,衰落:由于多径波的强度、传输时延等不同，导致在很短的时间内或很短的移动距离内，在接收信号上叠加了一个相位、包络随时间快速变化的信号，引起接收信号的畸变和小尺度衰落现象。,此时大尺度信道损耗的影响可以忽略,多径衰落效应主要表现在三个方面： 近传输距离或较短的时间间隔中信号强度的快速变化。 不同路径信号的多普勒频移的变化会产生随机频率调制。 多径传播时延引起的时延扩散。,11.4.1 多径传播,大量的传播路径接收天线接收到很多电磁波多径波衰落,1、影响小尺度衰落的因素,四个因素： (1)多径传播。无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线组成了一个不断变化的传播环境，使信号在幅度、相位和传播时延上发生弥散。多径分量的随机幅值和相位引起接收信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落、信号畸变或二者兼有。多径传播通常会使信号到达接收端所需要的时间加长，造成码间干扰。 (2)移动终端的速度。基站与移动终端之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移，从而引起接收信号的随机频率调制。多普勒频移有可能为正，也可能为负，取决于移动终端相对基站移动的方向。 (3)周围物体的速度。如果信道中的物体处于运动中，它们就会对多径分量产生时间变化的多普勒频移。若周围物体以明显快于移动终端的速度运动，这种效应就会压倒小尺度衰落，否则，周围物体的运动可以忽略，只需要考虑移动终端与基站之间的径向速度。 (4)信号的发射带宽。如果信号的带宽大于多径信道的带宽(多径信道可以看成是一个时变系统，它的带宽可以用相干带宽表示)，那么接收信号就会失真，但是接收信号的能量在很小的范围内变化不是很大(也就是衰落现象并不严重)。如果发射信号的带宽与信道相比是窄带的，那么信号的包络变化会加快，产生严重的小尺度衰落，但信号的畸变不大。所以信号的衰落特性及畸变的严重程度与信道的幅频特性、时延以及发射信号的带宽有关。,2、多径信道的模型,x(t)基站的发射信号， y(d,t)处于d点移动终端的接收信号 h(d,t)多径信道单位冲激响应,为了满足因果性，上式改写为：,设移动终端以速度沿地面运动，则其位置d可表示为：d= t,设是常数，上式可进一步写成,设d=d0+，表示移动终端的移动时间，则上式表示为：,h(t,)可看成是线性时变系统，现设x(t)、y(t)分别为带通信号，故可以把x(t)、y(t)、h(t, )用复信号形式表示，即,设