1、哈爾濱工業大學（威海）第二章 移動通信電波傳播與傳播預測模型哈爾濱工業大學（威海）目錄目錄 概述概述自由空間的自由空間的電波傳播電波傳播三種基本電波的三種基本電波的傳播機制傳播機制陰影衰落陰影衰落的基本特性的基本特性移動無線信道及移動無線信道及特性參數特性參數電波傳播損耗電波傳播損耗預測模型預測模型哈爾濱工業大學（威海） 電波傳播的基本特性移動通信信道衰落的表現無線電波傳播方式衰落原因復雜的無線復雜的無線電波傳播環境電波傳播環境傳播損耗和傳播損耗和彌散彌散陰影衰落陰影衰落多徑衰落多徑衰落多普勒頻移多普勒頻移基站天線、移基站天線、移動用戶天線和動用戶天線和兩付天線之間兩付天線之間的傳播路徑的傳播

2、路徑直射、反射、直射、反射、繞射和散射繞射和散射以及它們的合成以及它們的合成移動信道移動信道基本特性基本特性衰落特性衰落特性哈爾濱工業大學（威海） v信道的分類信道的分類根據不同距離內信號強度變化的快慢分為根據不同距離內信號強度變化的快慢分為 根據信號與信道變化快慢程度的比較分為根據信號與信道變化快慢程度的比較分為 短期快衰落長期慢衰落小尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多徑）（主要特征是多徑）描述描述長距離上信號長距離上信號強度的緩慢變化強度的緩慢變化短距離上信號強度的快速波動短距離上信號強度的快速波動原因原因信道路徑上信道路徑上固定障礙物的陰影固定障礙物

3、的陰影移動臺運動和地點的變化移動臺運動和地點的變化影響影響業務覆蓋區域業務覆蓋區域信號傳輸質量信號傳輸質量v大尺度衰落與小尺度衰落大尺度衰落與小尺度衰落哈爾濱工業大學（威海）Large-Scale effectsv信道大尺度效應信道大尺度效應用來用來描述接收信號功率的平描述接收信號功率的平均值隨距離的變化情況均值隨距離的變化情況v當接收機與發射機之間當接收機與發射機之間的相對位置變化在若干的相對位置變化在若干個波長范圍內時，接收個波長范圍內時，接收信號功率的本地平均值信號功率的本地平均值將基本保持不變將基本保持不變v當二者間的相對位置變當二者間的相對位置變化遠遠超出以上范圍時化遠遠超出以上范圍

4、時，且信道經歷不同的阻，且信道經歷不同的阻擋物、反射平面式時，擋物、反射平面式時，v接收機的信號功率變化接收機的信號功率變化可高達幾個數量級。因可高達幾個數量級。因此稱為此稱為“大尺度效應。大尺度效應。vSmallScaleeffectsv小尺度效應是指短距離小尺度效應是指短距離（幾個波長內）或短時（幾個波長內）或短時間（秒量級）內接收機間（秒量級）內接收機信號強度經歷的劇烈變信號強度經歷的劇烈變化?；?。哈爾濱工業大學（威海） v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。( (t t) )r rmm( (t t)

5、 )r r( (t t) )0 0大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落小尺度衰落( (t t) )r r0 0mm( (t t) )接收功率圖21 無線信道中的大尺度和小尺度衰落 t哈爾濱工業大學（威海）v考慮問題考慮問題衰落的物理機制衰落的物理機制功率的路徑損耗功率的路徑損耗接收信號的變化和分布特性接收信號的變化和分布特性v應用成果應用成果傳播預測模型的建立傳播預測模型的建立為實現信道仿真提供基礎為實現信道仿真提供基礎v基本方法基本方法 理論分析方法（如射線跟蹤法）理論分析方法（如射線跟蹤法） 應用電磁傳播理論分析電波在移動環境中的傳播特性來建立預測應用電磁傳播理論分析電波在移動環境中的傳播特性來

6、建立預測模型模型 現場測試方法（如沖激響應法）現場測試方法（如沖激響應法） 在不同的傳播環境中做電波實測實驗，通過對測試數據進行統計在不同的傳播環境中做電波實測實驗，通過對測試數據進行統計分析，來建立預測模型分析，來建立預測模型 電波傳播特性的研究電波傳播特性的研究哈爾濱工業大學（威海） 自由空間的電波傳播自由空間的電波傳播v自由空間的傳播損耗（自由空間的傳播損耗（大氣空間近為自由空間大氣空間近為自由空間） 在理想的、均勻的、各向同性的介質中傳播，只存在電在理想的、均勻的、各向同性的介質中傳播，只存在電磁波能量擴散而引起的傳播損耗磁波能量擴散而引起的傳播損耗 （自由空間帶來的損自由空間帶來的損

7、耗又叫路徑損耗耗又叫路徑損耗）v接收功率接收功率 式中，式中，Pt為發射功率，以球面波輻射為發射功率，以球面波輻射 , ,為為射頻載波波長，射頻載波波長，Gt，Gr分別表示發射天線和接收天線增分別表示發射天線和接收天線增益，益，d為發射天線和接收天線間的距離（發端到收端距為發射天線和接收天線間的距離（發端到收端距離）。離）。 4GAr2r ttrrGPdAP24哈爾濱工業大學（威海） 自由空間的電波傳播自由空間的電波傳播v接收換算接收換算v自由空間的傳播損耗自由空間的傳播損耗 當當Gt=Gr=1時，時， 分貝式分貝式rtPPL24dL 32.4520log()20log ()Lf Mhzd k

8、m()10 log()rrP dBmP mW()10log()rrP dBWP W哈爾濱工業大學（威海）自由空間（無障礙物）的損耗為何與自由空間（無障礙物）的損耗為何與f有關？有關？vv哈爾濱工業大學（威海）路徑傳輸損耗模型路徑傳輸損耗模型（實際的路徑傳輸模型）（實際的路徑傳輸模型）v路徑損耗的模型路徑損耗的模型：Okumura、Hata、Okumura模型模型：到到的基本損耗（單位：的基本損耗（單位：dB）公式如下：）公式如下：v哈爾濱工業大學（威海）路徑損耗的模型路徑損耗的模型v式中：式中：v Fc是載波頻率（是載波頻率（1501 500 MHz）；）；v hte是基站天線有效高度（是基站

9、天線有效高度（30200 m），定義為基站天線實際海），定義為基站天線實際海拔高度與基站沿傳播方向實際距離拔高度與基站沿傳播方向實際距離內的平均地面海拔高度之差；內的平均地面海拔高度之差；v hre是移動臺有效天線高度（是移動臺有效天線高度（110 m），定義為移動臺天線高出），定義為移動臺天線高出地表的高度；地表的高度；d是基站天線和移動是基站天線和移動臺天線之間的水平距離（臺天線之間的水平距離（120 km）；）；v (hre)是有效天線修正因子，是是有效天線修正因子，是覆蓋區大小的函數，對于不同的區覆蓋區大小的函數，對于不同的區域，域，a（hre）具有不同的表示形式）具有不同的表示形式。

10、大城市、郊區或開闊地哈爾濱工業大學（威海）電波的電波的3種種基本基本傳播機制傳播機制基本電波基本電波的傳播機制的傳播機制反射阻擋體比傳輸波阻擋體比傳輸波長長 大的多的物體大的多的物體產生多徑衰落的產生多徑衰落的主主 要因素要因素繞射散射阻擋體為尖利邊阻擋體為尖利邊緣緣產生于粗糙表面、產生于粗糙表面、小物體或其它不規小物體或其它不規則物體則物體哈爾濱工業大學（威海）復習：波的衍射（繞設）復習：波的衍射（繞設）哈爾濱工業大學（威海）波的衍射實驗波的衍射實驗哈爾濱工業大學（威海）衍射圖案衍射圖案哈爾濱工業大學（威海）波的散射波的散射哈爾濱工業大學（威海）波的干涉波的干涉哈爾濱工業大學（威海）波的色散

11、波的色散哈爾濱工業大學（威海）光的色散現象光的色散現象哈爾濱工業大學（威海）電磁波的反射電磁波的反射理想介質表面的反射理想介質表面的反射極化特性極化特性多徑信號多徑信號哈爾濱工業大學（威海） 理想介質表面的反射理想介質表面的反射zzRsinsinv如果電磁波傳輸到理想介質表面，如果電磁波傳輸到理想介質表面， 則能量都將反射回來則能量都將反射回來v反射系數反射系數（R）入射波與反射波的比值12112表面光滑的反射入射角入射角12020cosz20cosz(垂直極化）(水平極化）600j其中，為介電常數，為電導率，為波長。哈爾濱工業大學（威海） 極極 化化 特特 性性v極化極化 電磁波在傳播過程中

12、，其電場矢量的方向和幅度隨時間變化電磁波在傳播過程中，其電場矢量的方向和幅度隨時間變化的狀態叫做的狀態叫做極化極化 電磁波的極化形式：電磁波的極化形式： 線極化線極化、圓極化圓極化和和橢圓極化橢圓極化三種形式三種形式v線極化的兩種特殊情況線極化的兩種特殊情況 水平極化（電場方向平行于地面）水平極化（電場方向平行于地面） 由于由于電磁感應電磁感應：水平極化的電磁波在貼近地面時，會產：水平極化的電磁波在貼近地面時，會產生感應電而生感應電而消耗掉消耗掉一部分能量，而垂直極化不，因而消一部分能量，而垂直極化不，因而消耗少！耗少！ 垂直極化（電場方向垂直于地面）垂直極化（電場方向垂直于地面）哈爾濱工業大

13、學（威海） 極極 化化 特特 性性m21()()1vhRR 垂直極化反射系數水平極化反射系數v極化反射系數極化反射系數 對于地面反射，當工作頻率高于對于地面反射，當工作頻率高于150MHz（ ）時，）時， ，算得，算得 v應用應用 接收天線的極化方式同被接收的電磁波的極化形式一致接收天線的極化方式同被接收的電磁波的極化形式一致 時，接收機才能有效地接收到信號，否則將產生極化失時，接收機才能有效地接收到信號，否則將產生極化失配，接收機的得到最差的接受效果。配，接收機的得到最差的接受效果。垂直極化的天垂直極化的天線發出垂直極化的電磁波；線發出垂直極化的電磁波；水平極化的水平極化的天線發出天線發出水

14、平極化的電磁波。水平極化的電磁波。半波對稱天線采用垂直極化半波對稱天線采用垂直極化。 不同極化形式的天線也可以不同極化形式的天線也可以互相配合互相配合使用使用哈爾濱工業大學（威海）哈爾濱工業大學（威海）哈爾濱工業大學（威海）2tr2tr.Ae)R1(Re1GGd4PP 地面二次效應地面二次效應直射波直射波反射波反射波地表面波地表面波可忽略可忽略2tr2trRe1GGd4PP l2 ()lACCBAB 圖2-2 兩徑傳播模型 多多 徑徑 信信 號號直射波反射波發射天線接收天線CmhbhABdv兩徑傳播模型兩徑傳播模型 接收信號功率接收信號功率哈爾濱工業大學（威海）2i1N1iitr2tr)jex

15、p(R1GGd4PP 多多 徑徑 信信 號號v多徑傳播模型多徑傳播模型 哈爾濱工業大學（威海） 繞繞 射射哈爾濱工業大學（威海）惠更斯菲涅爾原理惠更斯菲涅爾原理TP R圖圖2-3 對惠更斯菲涅爾原理說明對惠更斯菲涅爾原理說明v原理原理波在傳播過程中，行進中的波前（面）上的每一點，都可作為產生次波在傳播過程中，行進中的波前（面）上的每一點，都可作為產生次級波的點源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前（面）。級波的點源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前（面）。繞射由次級波的傳播進入陰影區而形成。繞射由次級波的傳播進入陰影區而形成。陰影區繞射波場強為圍繞阻擋物所有次級波的矢量和。陰影區

16、繞射波場強為圍繞阻擋物所有次級波的矢量和。v說明說明 在在P點處的次級波前中，點處的次級波前中， 只有夾角為只有夾角為（即（即 ） 的次級波前能到達接收點的次級波前能到達接收點R每個點均有其對應的每個點均有其對應的角，角， 將在將在0 到到180180之間變化之間變化越大，越大，到達接收點輻射能量越大到達接收點輻射能量越大 TRP” PPd擴展波前次級波前3 / 2d哈爾濱工業大學（威海）菲涅爾區菲涅爾區 基爾霍夫公式基爾霍夫公式 v菲涅爾區菲涅爾區 從發射點到接收點次級波路徑長度比直接路徑長度大 的連續區域接收點信號的合成接收點信號的合成 n為奇數時，兩信號抵消為奇數時，兩信號抵消 n為偶數

17、時，兩信號疊加為偶數時，兩信號疊加菲涅爾區同心半徑菲涅爾區同心半徑1212nn d drdd圖2-4 菲涅爾區截面 TRP” PPd次級波前3 / 2d2/ 2d/ 2d1r2r/ 2n哈爾濱工業大學（威海）菲涅爾區的進一步解釋菲涅爾區的進一步解釋v滿足以下條件的所有點滿足以下條件的所有點Q的集合稱為第的集合稱為第n菲涅爾區：菲涅爾區：2TRQRTQnTRd1d2dnFPQ哈爾濱工業大學（威海）第第n菲涅爾區半徑菲涅爾區半徑v第第n菲涅爾區邊界上的某個點菲涅爾區邊界上的某個點P到到TR連線的距離叫第連線的距離叫第n菲涅爾區半徑菲涅爾區半徑 nF211221211TPdFdFdnn2222222

18、11PRdFdFdnnTPRTR2nP121FndddnFn哈爾濱工業大學（威海）菲涅爾區菲涅爾區 基爾霍夫公式基爾霍夫公式 第一菲涅爾區半徑（第一菲涅爾區半徑（n=1）特點）特點 在接收點處第一菲涅爾區的場強是全部場強的一半在接收點處第一菲涅爾區的場強是全部場強的一半 發射機和接收機的距離略大于第一菲涅爾區，則大部發射機和接收機的距離略大于第一菲涅爾區，則大部分能量可以達到接收機。分能量可以達到接收機。 v基爾霍夫公式基爾霍夫公式 從波前點到空間任何一點的場強從波前點到空間任何一點的場強 式中，式中，E是波面場強，是波面場強， 是與波面正交的場強導數。是與波面正交的場強導數。14jkrjkr

19、sRssEeeEEdsnrrnsEn哈爾濱工業大學（威海）散散 射射散射散射無線電波遇到粗糙表面無線電波遇到粗糙表面時，反射能量散布于所時，反射能量散布于所有方向有方向表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8 sincih表面光滑度的判定表面光滑度的判定表面平整度的參數高度平面上最大的突起高度 h2sinexp8hisroughsh 哈爾濱工業大學（威海）陰影衰落的基本特性陰影衰落的基本特性10( ,)10ml rr10log ( ,)10logl rmrv陰影衰落陰影衰落（又稱為：（又稱為：慢衰落慢衰落） 移動無線通信信道傳播環境中的地形起伏、建筑物及其它障移動無線通信信道傳播環境中的地形起伏、建

20、筑物及其它障礙物對電波傳播路徑的阻擋而形成的電磁場陰影效應礙物對電波傳播路徑的阻擋而形成的電磁場陰影效應v特點特點 衰落與傳播地形和衰落與傳播地形和 地物分布、高度有關地物分布、高度有關v表達式表達式傳播路徑損耗和陰影衰落傳播路徑損耗和陰影衰落 分貝式分貝式 式中式中, r 移動用戶和基站之間的距離移動用戶和基站之間的距離 ， 由于陰影產生的對數損耗由于陰影產生的對數損耗（dB），服從零平均和標準偏差），服從零平均和標準偏差dB的對數正態分布的對數正態分布 m 路徑損耗指數路徑損耗指數實驗數據表明實驗數據表明m4，標準差，標準差8dB，是合理的，是合理的哈爾濱工業大學（威海）移動無線信道及特性

21、參數移動無線信道及特性參數描述多徑信道的主要參數描述多徑信道的主要參數Text多徑信道的統計分析多徑信道的統計分析多徑衰落信道的分類多徑衰落信道的分類Text多普勒頻移多普勒頻移多徑信道的信道模型多徑信道的信道模型衰落特性的特征量衰落特性的特征量衰落信道的建模與仿真衰落信道的建模與仿真無線信道無線信道無線信道無線信道哈爾濱工業大學（威海）多徑衰落的基本特性多徑衰落的基本特性v幅度衰落接收信號的幅度將隨著移動臺移動距離的變動而衰落接收信號的幅度將隨著移動臺移動距離的變動而衰落 空間角度空間角度模擬通信系統的主要考慮對象模擬通信系統的主要考慮對象原因原因 本地反射物所引起的多徑效應表現為快衰落本地

22、反射物所引起的多徑效應表現為快衰落 地形變化引起的衰落以及空間擴散損耗表現為慢衰落地形變化引起的衰落以及空間擴散損耗表現為慢衰落慢衰落產生的原因：（慢衰落產生的原因：（1）路徑損耗，這是慢衰落的主要原因）路徑損耗，這是慢衰落的主要原因。（。（2）障礙物）障礙物阻擋電磁波產生的陰影區，因此慢衰落也被阻擋電磁波產生的陰影區，因此慢衰落也被稱為陰影衰落。（稱為陰影衰落。（3）天氣變化、障礙物和移動臺的相對速）天氣變化、障礙物和移動臺的相對速度、電磁波的工作頻率等有關。度、電磁波的工作頻率等有關。哈爾濱工業大學（威海）快衰落快衰落哈爾濱工業大學（威海）快衰落的原因快衰落的原因哈爾濱工業大學（威海）多徑

23、衰落的基本特性多徑衰落的基本特性v時延擴展時延擴展 接收信號中脈沖的寬度擴展時間角度時間角度數字通信系統的主要考慮對象數字通信系統的主要考慮對象原因原因 信號的傳播路徑不同，所以到達接收端的時間也就不同，信號的傳播路徑不同，所以到達接收端的時間也就不同，導致接收信號包含發送脈沖及其各個延時信號導致接收信號包含發送脈沖及其各個延時信號哈爾濱工業大學（威海）多多 普普 勒勒 頻頻 移移cosdvfmvf入射電波v原因原因移動時會引起多普勒（Doppler）頻率漂移v表達式表達式多普勒頻移最大多普勒(Doppler)頻移哈爾濱工業大學（威海）多多 普普 勒勒 頻頻 移移v說明說明 多普勒頻移與移動臺

24、運動的方向、速度以及無線電波多普勒頻移與移動臺運動的方向、速度以及無線電波入射方向之間的夾角有關：入射方向之間的夾角有關： 若移動臺朝向入射波方向運動，則多普勒頻移為正（接收信號頻率上升）；反之若移動臺背向入射波方向運動，則多普勒頻移為負（接收信號頻率下降）。 信號經過不同方向傳播，其多徑分量造成接收機信號信號經過不同方向傳播，其多徑分量造成接收機信號的多普勒擴散，因而增加了信號帶寬。的多普勒擴散，因而增加了信號帶寬。哈爾濱工業大學（威海）多徑信道的信道模型多徑信道的信道模型v原理原理多徑信道對無線信號的影響表現為多徑衰落特性。多徑信道對無線信號的影響表現為多徑衰落特性。將信道看成作用于信號上

25、的一個濾波器，可通過分析將信道看成作用于信號上的一個濾波器，可通過分析濾波器的沖擊相應和傳遞函數得到多徑信道的特性濾波器的沖擊相應和傳遞函數得到多徑信道的特性v推導沖擊響應推導沖擊響應只考慮多徑效應只考慮多徑效應再考慮多普勒效應再考慮多普勒效應多徑和多普勒效應對傳輸信號的影響多徑和多普勒效應對傳輸信號的影響多徑信道的沖擊響應多徑信道的沖擊響應哈爾濱工業大學（威海）只考慮多徑效應只考慮多徑效應傳輸信號傳輸信號假設第假設第i徑的路徑長度為徑的路徑長度為xi、衰落系數（或反射系數）為、衰落系數（或反射系數）為接收信號接收信號式中，式中，c為光速；為光速； 為波長。為波長。( )Re( )exp( 2

26、)cx ts tjf t( )Reexp2Reexp2iiiiiciiiiicixxxy ta x tas tjftcccxxa s tjf tcia哈爾濱工業大學（威海）只考慮多徑效應只考慮多徑效應設設則則 式中式中 為時延。為時延。 實質上是接收信號的復包絡模型，是衰落、相移和實質上是接收信號的復包絡模型，是衰落、相移和時延都不同的各個路徑的總和。時延都不同的各個路徑的總和。 ( )Re( )exp( 2)cy tr tjf t ( )exp2exp2iiiiciiiixxr tajs tajfs tc iixc( )r t哈爾濱工業大學（威海） 再考慮多普勒效應再考慮多普勒效應考慮移動臺

27、移動時，導致各徑產生多普勒效應考慮移動臺移動時，導致各徑產生多普勒效應( )exp2iiiiiixxxxr tajs tc 在相位中在相位中不可忽略不可忽略數量級小數量級小可忽略可忽略i設路徑的到達方向和移動臺運動方向之間的夾角為設路徑的到達方向和移動臺運動方向之間的夾角為cosiixvt 路徑的變化量路徑的變化量輸出復包絡輸出復包絡cosexp2exp2cosiiiiiixxvtvajjts tcc哈爾濱工業大學（威海） 再考慮多普勒效應再考慮多普勒效應簡化得簡化得 其中，其中， 為最大多普勒頻移。為最大多普勒頻移。( )exp2cosexp2cosexp2cos2exp22cosiiiii

28、iimiiiimiciiiiicimiixxvr tajts tcxajf ts tajf tfs ta s tjff t mf哈爾濱工業大學（威海）多徑信道的沖擊響應多徑信道的沖擊響應v多徑和多普勒效應對傳輸信號的影響多徑和多普勒效應對傳輸信號的影響令令 式中式中 代表第代表第i條路徑到達接收機的信號分量的增量延遲條路徑到達接收機的信號分量的增量延遲（實際遲延減去所有分量取平均的遲延），它隨時間變化（實際遲延減去所有分量取平均的遲延），它隨時間變化 在任何時刻在任何時刻t，隨機相位，隨機相位 都可產生對都可產生對 的影響，引起的影響，引起多徑衰落。多徑衰落。,( )22cosicimiciD

29、 itff tt 多徑延遲多徑延遲影響影響多普勒效應影響多普勒效應影響( )it( )r ti哈爾濱工業大學（威海）多徑信道的沖擊響應多徑信道的沖擊響應v 沖擊響應沖擊響應 由（）式得由（）式得 ( )( )( )( , )ijtiiir tas tes th t( )( , )ijtiiih ta e ( )( )ijtiiiha e 沖擊響應沖擊響應iai( )it 式中，式中， 、 表示第表示第i個分量的實際幅度和增量延遲；相位個分量的實際幅度和增量延遲；相位 包包含了在第含了在第i個增量延遲內一個多徑分量所有的相移；個增量延遲內一個多徑分量所有的相移； 為單位為單位沖擊函數。沖擊函數。

30、如果假設信道沖激響應至少在一小段時間間隔或距離具有不如果假設信道沖激響應至少在一小段時間間隔或距離具有不變性，信道沖擊響應可以簡化為變性，信道沖擊響應可以簡化為i0,2哈爾濱工業大學（威海）描述多徑信道的主要參數描述多徑信道的主要參數v 由于多徑環境和移動臺運動等影響因素，使得移動信由于多徑環境和移動臺運動等影響因素，使得移動信道對傳輸信號在時間、頻率和角度上造成了色散。道對傳輸信號在時間、頻率和角度上造成了色散。v 通常用功率在時間、頻率以及角度上的分布來描述這通常用功率在時間、頻率以及角度上的分布來描述這種色散種色散功率延遲分布功率延遲分布PDP時間色散時間色散多普勒功率譜密度多普勒功率譜

31、密度DPSD角度譜角度譜PAP頻率色散頻率色散角度色散角度色散PDP，Power-Delay-ProfileDPSP，Doppler-Power-Spectral-DensityPAP，Power-Azimuth-Spectrum哈爾濱工業大學（威海）時時 間間 色色 散散v 時間色散參數時間色散參數 平均附加延時平均附加延時 rms時延擴展時延擴展 最大附加延時擴展最大附加延時擴展(XdB) v 相關帶寬相關帶寬 多徑衰落下，頻率間隔靠得很近的兩個衰落信號存在不同時延，多徑衰落下，頻率間隔靠得很近的兩個衰落信號存在不同時延，可使兩個信號變得相關。這一頻率間隔稱為可使兩個信號變得相關。這一頻率

32、間隔稱為“相干相干” 或或“相關相關”帶寬（帶寬（Bc）從時延擴展角度說明從時延擴展角度說明從包絡相關性角度說明從包絡相關性角度說明多徑衰落的分類及判定多徑衰落的分類及判定哈爾濱工業大學（威海）v功率延遲分布功率延遲分布（PDP） 基于固定時延參考基于固定時延參考 的附加時延的附加時延 的函數，通的函數，通過對本地瞬時功率延遲分布取平均得到過對本地瞬時功率延遲分布取平均得到市區環境中近似為指數分布市區環境中近似為指數分布式中，式中，T是常數，為多徑時延的平均值是常數，為多徑時延的平均值 1TPeT0時間色散參數時間色散參數哈爾濱工業大學（威海）v時間色散特性參數時間色散特性參數平均附加延時平均

33、附加延時 rms時延擴展時延擴展其中其中22kkkkkkkkkkPaPa 22E22222kkkkkkkkkkPaEPa時間色散參數時間色散參數 0dB -XdB m P典型的歸一化時延擴展譜mTmTm最大附加延時擴展最大附加延時擴展(XdB) 多徑能量從初值衰落到低于最大能量(XdB)處的時延，圖中， 為歸一化的最大附加延時擴展(XdB)； 為歸一化平均附加延時； 為歸一化rms時延擴展。哈爾濱工業大學（威海）從時延擴展角度從時延擴展角度說明說明相關帶寬相關帶寬v兩徑情況 接收信號 等效網絡傳遞函數 信道的幅頻特性( )0( )( )(1)jtir tx tre( , )1cos( )sin

34、( )Atrtjrt 通過兩徑信道的接收信號幅頻特性通過兩徑信道的接收信號幅頻特性(, )eHjt r )(t S 0( )r t( )ix t( )0( )(, )1( )jteir tHjtrex t ( )2tn( )(21)tn 當 時，信號同相疊加，出現峰點 當 時，信號反相相減，出現谷點 12( )cBt)(t 相鄰兩個谷點的 ,兩相鄰場強為最小值的頻率間隔與兩徑時延 成反比 r1r1)(2tn )()12(tn A(,t)哈爾濱工業大學（威海）從時延擴展角度從時延擴展角度說明說明相關帶寬相關帶寬v多徑情況 應為rms時延擴展 是隨時間變化的，可由大量實測數據經過統計處理計算出來

35、說明相關帶寬是信道本身的特性參數，與信號無關)(t( ) t( ) t哈爾濱工業大學（威海）從包絡相關性角度從包絡相關性角度 推導推導相關帶寬相關帶寬設兩個信號的包絡為設兩個信號的包絡為 和和 ，頻率差為，頻率差為 ，則，則包絡相關系數包絡相關系數 此處，相關函數此處，相關函數 若若信號衰落符合瑞利分布信號衰落符合瑞利分布，則則 式中，式中， 為零階為零階Bessel函數，函數， 為最大多普勒頻移。為最大多普勒頻移。不失一般性，可令不失一般性，可令 ，簡化后，簡化后通常，根據包絡的相關系數通常，根據包絡的相關系數 來測度相關帶寬來測度相關帶寬代入得代入得 相關帶寬相關帶寬 ()12222211

36、22(, )(, )rrRfrrfrrrr 121 212120(,),(,)rRfr rr r p r rdr dr2022(2)(, )1(2)mrJfff221()1(2)rff1( )r t2( )r t12fff 0()J mf0()0.5rf12cB 12f哈爾濱工業大學（威海）衰落的分類及判定衰落的分類及判定v v判定判定 由信道和信號兩方面決定由信道和信號兩方面決定分類分類 不同頻率分量的衰落不同頻率分量的衰落 信號波形信號波形頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落 不一致不一致 失真失真非頻率選擇性衰落非頻率選擇性衰落（平坦衰落）（平坦衰落） 相關的相關的 一致的一致的 不失真不失真數

37、字通信系統信號帶寬小于信道相關帶寬信號帶寬小于信道相關帶寬BsBc平坦衰落平坦衰落頻選衰落頻選衰落碼間干擾碼間干擾哈爾濱工業大學（威海）頻頻 率率 色色 散散頻率色散參數是用多普勒擴展來描述的，而相關時間頻率色散參數是用多普勒擴展來描述的，而相關時間是與多普勒擴展相對應的參數是與多普勒擴展相對應的參數v時變特性時變特性原因原因 移動臺運動或信道路徑中的物體運動移動臺運動或信道路徑中的物體運動用多普勒擴展和相關時間來描述用多普勒擴展和相關時間來描述v多普勒擴展多普勒擴展 （功率譜）（功率譜）v相關時間相關時間 相關時間是信道沖激響應維持不變的時間間隔的統計平均相關時間是信道沖激響應維持不變的時間

38、間隔的統計平均值，即在此間隔內信道特性沒有明顯的變化。值，即在此間隔內信道特性沒有明顯的變化。表征了時變信道對信號的衰落節拍表征了時變信道對信號的衰落節拍哈爾濱工業大學（威海）多普勒擴展多普勒擴展v 典型典型(CLASS)多普勒擴展（多普勒擴展（適用于室外傳播信道適用于室外傳播信道） 假設接收信號由假設接收信號由N個經過多普勒頻移的個經過多普勒頻移的平面波合成平面波合成， b為平均功為平均功率率 ， 表示在角度表示在角度 內的入射功率，內的入射功率， 表示接表示接收天線增益，入射波在收天線增益，入射波在 內的功率內的功率2mcfff1sin fcosffffmc b Gpd d)(Gp)(Gp

39、bdffS dpd Gd接收頻率接收頻率 fS用用 表示功率譜，則表示功率譜，則 dsinffdm 式中式中 mc1fffcos dd哈爾濱工業大學（威海）多普勒擴展多普勒擴展功率譜功率譜 2mcmfff1f)(G)(p)(G)(pbdppdfbfS )G(-()G(.)()(mccmfffffffS 22)(1)( mf21)f(S cmffffcS ( f )fc - fm fc + fm 21/p G 對對b歸一化，并設歸一化，并設 =1， ， 得得 典型的多普勒功率譜典型的多普勒功率譜 由圖可見，由于多普勒效應，接收信號由圖可見，由于多普勒效應，接收信號的功率譜展寬到的功率譜展寬到 和

40、和 范圍范圍cmffcmff哈爾濱工業大學（威海）推導相關時間推導相關時間v從多普勒擴展角度從多普勒擴展角度 時間相關函數與多普勒功率譜之間是傅立葉變換關系時間相關函數與多普勒功率譜之間是傅立葉變換關系 所以多普勒擴展的倒數就是對所以多普勒擴展的倒數就是對信道相關時間的度量，即信道相關時間的度量，即 此時入射波與移動臺移動方向之間的夾角此時入射波與移動臺移動方向之間的夾角 式中式中 為多普勒擴展（有時也用為多普勒擴展（有時也用 表示），即多普勒表示），即多普勒頻移。頻移。v從包絡相關性角度從包絡相關性角度 通常將信號包絡相關度為通常將信號包絡相關度為0.5時的時間間隔定義為相關時的時間間隔定義

41、為相關時間，包絡相關系數時間，包絡相關系數 令令 ， =0.5 推出推出2022(2)(, )1 (2)mrJfff()( )RS f1/1/cDmTffDfDB0f 20(0, )(2)rmJf 916cmTf0哈爾濱工業大學（威海） 時間選擇性衰落時間選擇性衰落v 時間選擇性衰落時間選擇性衰落是由多普勒效應引起的，并且發生在傳是由多普勒效應引起的，并且發生在傳輸波形的特定時間段上，即信道在時域具有選擇性輸波形的特定時間段上，即信道在時域具有選擇性v 要保證信號經過信道不會在時間軸上產生失真，就必須要保證信號經過信道不會在時間軸上產生失真，就必須保證傳輸符號速率遠大于相關時間的倒數保證傳輸符

42、號速率遠大于相關時間的倒數v 在現代數字通信中，常規定在現代數字通信中，常規定cT290.42316mcmTff碼元間隔大于信道相關時間碼元間隔大于信道相關時間TsTc時選衰落時選衰落誤碼誤碼哈爾濱工業大學（威海）角角 度度 色色 散散v原因原因 移動臺和基站周圍的散射環境不同，使得多天移動臺和基站周圍的散射環境不同，使得多天線系統中不同位置的天線經歷的衰落不同線系統中不同位置的天線經歷的衰落不同v參數參數角度擴展角度擴展相關距離相關距離 v空間選擇性衰落空間選擇性衰落哈爾濱工業大學（威海）v角度功率譜（角度功率譜（PAS） 信號功率譜密度在角度上的分布。一般為均勻分布、截信號功率譜密度在角度

43、上的分布。一般為均勻分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布短高斯分布和截短拉普拉斯分布v角度擴展等于功率角度譜的二階中心矩的平方根，角度擴展等于功率角度譜的二階中心矩的平方根，即即 式中式中v意義意義描述了功率譜在空間上的色散程度，角度擴展在描述了功率譜在空間上的色散程度，角度擴展在 之間分布。之間分布。角度擴展越大，表明散射環境越強，信號在空間的色散度越高 200()( )( )pdpd 00( )( )pdpd0,360哈爾濱工業大學（威海）相關距離與空間選擇性衰落相關距離與空間選擇性衰落v相關距離相關距離Dc 信道沖激響應保證一定相關度的空間距離信道沖激響應保證一定相關度的空間距離v空間選

44、擇性衰落空間選擇性衰落天線空間距離大于相關距離天線空間距離大于相關距離 DccxD天線空間距離遠小于相關距離天線空間距離遠小于相關距離 1，近似為萊斯分布。，近似為萊斯分布。21,121KmmK2222( )expexprrrrp rss哈爾濱工業大學（威海）多徑衰落信道的分類多徑衰落信道的分類 依據時間色散、頻率色散依據時間色散、頻率色散還是角度色散進行分類還是角度色散進行分類時間色散時間色散頻率選擇頻率選擇性衰落信道性衰落信道平坦衰落平坦衰落信道信道快衰落信快衰落信道道慢衰落信慢衰落信道道頻率色散頻率色散角度色散角度色散標量信道標量信道（時，頻（時，頻)矢量信道矢量信道（時、頻、（時、頻、

45、空）空）哈爾濱工業大學（威海）平坦衰落和頻率選擇性衰落平坦衰落和頻率選擇性衰落v Ts為信號周期（信號帶寬為信號周期（信號帶寬Bs的倒數）的倒數） 是信道的時延擴展；是信道的時延擴展； Bc為相關帶寬為相關帶寬v 通常若通常若 ，可認為該信道是頻率選擇性的，可認為該信道是頻率選擇性的 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落平坦衰落平坦衰落 原因原因信道具有恒定增益和相位的帶寬范信道具有恒定增益和相位的帶寬范圍小于發送信號帶寬圍小于發送信號帶寬 時間色散時間色散 碼間干擾碼間干擾信道具有恒定增益和相信道具有恒定增益和相位的帶寬范圍大于發送位的帶寬范圍大于發送信號帶寬信號帶寬頻譜特性頻譜特性不同頻率獲得不同

46、增益不同頻率獲得不同增益在接收端保持不變在接收端保持不變 條件條件 sT10sTscsBBTscsBBT哈爾濱工業大學（威海）快衰信道和慢衰信道快衰信道和慢衰信道 快衰落快衰落慢衰落慢衰落原因沖激響應變化快于沖激響應變化快于基帶信號變化基帶信號變化信道沖激響應變化比不信道沖激響應變化比不上基帶信號變化上基帶信號變化條件 Tc為信道相關時間Bd為多普勒擴展scsdTTBBscsdTTBB哈爾濱工業大學（威海）衰落特性的特征量衰落特性的特征量衰落深度衰落深度衰落速率衰落速率衰落持衰落持續時間續時間電平通電平通過率過率哈爾濱工業大學（威海）衰落速率和衰落深度衰落速率和衰落深度 31.85 102Af

47、 v衰落速率衰落速率 信號包絡在單位時間內以正斜率通過信號包絡在單位時間內以正斜率通過中值電平中值電平的的次數，即包絡衰落的速率次數，即包絡衰落的速率與與發射頻率發射頻率，移動臺行進，移動臺行進速度和方向速度和方向以及多徑以及多徑傳播的傳播的路徑數路徑數有關有關平均衰落率平均衰落率v衰落深度衰落深度 信號有效值與該次衰落的信號最小值的差值。信號有效值與該次衰落的信號最小值的差值。哈爾濱工業大學（威海）電平通過率電平通過率單位時間內信號包絡以正斜率通過某一規定電平值單位時間內信號包絡以正斜率通過某一規定電平值R的平均次數的平均次數意義意義 描述衰落次數的統計規律：描述衰落次數的統計規律： 深度衰

48、落發生的次數較少，而淺度衰落發生得相當頻繁深度衰落發生的次數較少，而淺度衰落發生得相當頻繁表達式表達式 式中式中 為信號包絡為信號包絡r對時間的導函數對時間的導函數平均電平通過率平均電平通過率 由于電平通過率是隨機變量，通常用平均電平通過率來描述。由于電平通過率是隨機變量，通常用平均電平通過率來描述。 對于瑞利分布可得對于瑞利分布可得 式中式中 fm為最大多譜勒頻率，為最大多譜勒頻率， 其中信號平均功率其中信號平均功率 ， 為信號有效值為信號有效值 0rd)r,R(pr)R(Nr 22)(efRNmrmsRR2R 02222dr)r(pr)r(E 2Rrms 哈爾濱工業大學（威海）衰落持續時間

49、衰落持續時間信號包絡低于信號包絡低于某個給定電平值某個給定電平值的概率與該的概率與該電平所對應的電平通過率之比電平所對應的電平通過率之比v表達式表達式v意義意義 描述了衰落次數的統計規律描述了衰落次數的統計規律v平均衰落持續時間平均衰落持續時間 衰落是隨機發生的，只能給出平均衰落持續時間衰落是隨機發生的，只能給出平均衰落持續時間. 對于瑞利衰落，可得對于瑞利衰落，可得 RRNRrP )1e(f212mR 哈爾濱工業大學（威海）電平通過率和平均衰落持續時間電平通過率和平均衰落持續時間圖圖211 電平通過率和平均衰落持續時間電平通過率和平均衰落持續時間負斜率負斜率正斜率正斜率1234RT02t1t

50、3t4t4( )n RT41( )4iitt RT哈爾濱工業大學（威海）衰落信道的建模與仿真簡介衰落信道的建模與仿真簡介v Clarke信道模型信道模型 說明了基于散射時移動臺接收信號的場強的說明了基于散射時移動臺接收信號的場強的統計特性統計特性： 包絡服從瑞利分布，相位服從包絡服從瑞利分布，相位服從（ 0，2的均勻分布的均勻分布環境假設環境假設 有一臺具有垂直極化的固定發射機，入射到移動天線的電有一臺具有垂直極化的固定發射機，入射到移動天線的電磁場由磁場由N個具有個具有任意載頻相位、入射方位角和相等的平均任意載頻相位、入射方位角和相等的平均幅度幅度的平面波組成的平面波組成推導推導統計特性統計

51、特性v Jakes仿真仿真 模擬均勻介質散射環境中平坦衰落信道的模擬均勻介質散射環境中平坦衰落信道的復低通包絡復低通包絡。方法方法 用有限個（用有限個（10個）低頻振蕩器近似構建一種可分析模型個）低頻振蕩器近似構建一種可分析模型推導推導接收波形表達式及仿真模型接收波形表達式及仿真模型哈爾濱工業大學（威海）Clarke信道模型信道模型v 對于以第對于以第n個以角度個以角度 到達到達x軸的入射波軸的入射波v 多普勒頻移為多普勒頻移為v 到達移動臺的垂直極化平面波存在到達移動臺的垂直極化平面波存在電場電場E和和磁場磁場H的的場強分量，場強分量，即：即：v 其中，其中， 是本地平均是本地平均E場場(假

52、設為恒定值）的實數幅度，假設為恒定值）的實數幅度， 表示不表示不同電波幅度的實數隨機變量，同電波幅度的實數隨機變量， 為自由空間的固定阻抗為自由空間的固定阻抗 ( ) v 第第n個到達分量的隨機相位個到達分量的隨機相位v 對場強歸一化，有對場強歸一化，有n圖圖215 入射角到達平面示意圖入射角到達平面示意圖 cosnnvf01cos(2)NzncnnEECf t01sincos(2)NxnncnnEHCf t 01coscos(2)NynncnnEHCf t nC0E3372nnnf t211NnnC在在x-yx-y平面平面哈爾濱工業大學（威海）Clarke信道模型信道模型(0,2 2nnnf

53、 t()cos(2)sin(2)zccscET tftTft01( )cos(2)NcnnnnT tECf t01( )sin(2)NsnnnnT tECf t,v由于多普勒頻移相對于載波很小若由于多普勒頻移相對于載波很小若N足夠大，足夠大， 三種場分量可用窄帶高斯隨機過程表示。三種場分量可用窄帶高斯隨機過程表示。v設相位角設相位角 在在 服從均勻分布，則服從均勻分布，則E場可用同場可用同相和正交分量表示相和正交分量表示 式中：式中： 代表同相分量和正交分量。代表同相分量和正交分量。zxyEHH、 、哈爾濱工業大學（威海）Clarke信道模型信道模型根據中心極限定理，根據中心極限定理， 都是高

54、斯隨機過程。都是高斯隨機過程。 具有具有0平均、等方差、不相關的特點：平均、等方差、不相關的特點： 是關于是關于 的總體平均。的總體平均。接收的接收的E場的包絡為場的包絡為包絡服從瑞利分布包絡服從瑞利分布 式中式中,22( )( )( )zcsETtTtr t22222r2202r2erdre21)r(p 202E,0scTT222202cszETTE2zEnn、哈爾濱工業大學（威海）Jakes仿真仿真推導接收波形表達式推導接收波形表達式 依據依據Clarke模型，接收端波形可表示為經歷了模型，接收端波形可表示為經歷了N條路徑的條路徑的一系列平面波的疊加一系列平面波的疊加 其中其中 ，不同路徑

55、的附加相移，不同路徑的附加相移 是相互獨立的隨是相互獨立的隨機變量，且在機變量，且在 服從均勻分布。服從均勻分布。 將將 標準化，功率歸一化，得：標準化，功率歸一化，得： 式中式中1( )2cos(cos)( )cos( )sinNncmnnnccscR tCttXttXtt01( )cos()NDncnnnRtECtt1( )2cos(cos)NcnmnnnX tCt1( )2sin(cos)NsnmnnnXtCt cosnmnn(0,2 ()DR t哈爾濱工業大學（威海）Jakes仿真仿真推導接收波形表達式推導接收波形表達式 假設平面波的假設平面波的N個入射角個入射角 在在 均勻分布，則模

56、型中均勻分布，則模型中參數參數 代入可得：代入可得：2nnN2112nnCpddN122( )cos(cos)NcmnnR tttnNN(0,2 Nd22,(1,2,.)nn nNNNCNCnn1,12哈爾濱工業大學（威海）Jakes仿真器模型仿真器模型描述平坦衰落的隨機信號可以用描述平坦衰落的隨機信號可以用N個相互獨立的隨機變量個相互獨立的隨機變量（ ， ， ）表示，所以可以用）表示，所以可以用N個低頻振蕩器生成。個低頻振蕩器生成。圖圖2-12 Jakes仿真器模型仿真器模型 nCnn哈爾濱工業大學（威海）v 目的目的 掌握基站周圍所有地點處接收信號的平均強度及變化特點，以便掌握基站周圍所有

57、地點處接收信號的平均強度及變化特點，以便為網絡覆蓋的研究以及整個網絡設計提供基礎。為網絡覆蓋的研究以及整個網絡設計提供基礎。v 方法方法 根據測試數據分析歸納出基于不同環境的經驗模型，在此基礎上根據測試數據分析歸納出基于不同環境的經驗模型，在此基礎上對模型進行校正，使其更加接近實際，更準確對模型進行校正，使其更加接近實際，更準確v 確定傳播環境的主要因素確定傳播環境的主要因素自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）人工建筑的數量、高度、分布和材料特性人工建筑的數量、高度、分布和材料特性該地區的植被特征該地區的植被特征天氣狀況天氣狀況自然和人為的電磁噪聲狀況自然和

58、人為的電磁噪聲狀況系統的工作頻率和移動臺運動等因素系統的工作頻率和移動臺運動等因素v 本節內容本節內容室外傳播模型室外傳播模型室內傳播模型室內傳播模型傳播模型校正傳播模型校正哈爾濱工業大學（威海）室外傳播模型室外傳播模型Hata模型 CCIR模型LEE模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型 Okumura-Hata 模型模型COST 231 Hata模型模型常用的常用的幾種室幾種室外電波外電波傳播損傳播損耗預測耗預測模型模型哈爾濱工業大學（威海）Okumura-Hata 模型模型v 適用頻率范圍適用頻率范圍1501500MHz。v 路徑損耗計算的經驗公式路徑損耗計算的經驗

59、公式式中式中 工作頻率（工作頻率（MHz）。）。 基站天線有效高度（基站天線有效高度（ m ），定義為基站天線實際），定義為基站天線實際海拔高度與基站沿傳播方向實際距離內的平均地面海波高度海拔高度與基站沿傳播方向實際距離內的平均地面海波高度之差。之差。 移動臺天線有效高度（移動臺天線有效高度（m），定義為移動臺天線），定義為移動臺天線高出地表的高度高出地表的高度 d 基站天線和移動臺天線之間的水平距離基站天線和移動臺天線之間的水平距離 （km） 69.55 26.16log13.82log44.9 6.55loglogpcteretecellterrainL dBfhhhd CCcftehre

60、h哈爾濱工業大學（威海）Okumura-Hata 模型模型 有效天線修正因子，是覆蓋區大小的函數有效天線修正因子，是覆蓋區大小的函數 小區類型校正因子小區類型校正因子 地形校正因子，反映一些重要的地形環境因素對路徑地形校正因子，反映一些重要的地形環境因素對路徑損耗的影響損耗的影響 MHz300f97. 4h75.11log2 . 3MHz300f1 . 1h54. 1log29. 88 . 0flog56. 1h7 . 0flog11. 1hc2rec2recrecre大大城城市市、郊郊區區、鄉鄉村村中中小小城城市市 鄉村鄉村郊區郊區城市城市98.40flog33.18flog78. 44 .