第3章

传播和信道建模

无线电波传播知识是无线通信发展的基石。传播代表了移动和固定电信两个最重要的区别。

第一个区别是电磁波传播的物理介质不同。固网的传输介质主要是传输线缆，例如光纤和同轴铜电缆。而移动通信则与之相反，介质是包含发射机和接收机在内的整个环境。物质密度越大，吸收和反射的无线电波能量越大，在这些物质之间传播的主要媒介是自由空间。尽管可以通过使用先进的天线技术控制发送信号指向所需的接收机方向，然而由于传播环境无法做到链路之间的完全隔离，因此接收机收到的通常是混合了从不同源发出的信号，从而造成了大量干扰。

移动通信与固网第二个区别是信道随时间和空间的变化剧烈。熟知这些变化的特征在优化传输技术以及进行网络规划时至关重要。

本章全面概述了移动通信中无线传播信道的影响，并对一些关键领域做了详细阐述。章节安排如下，3.1节基于电磁波理论解释无线电波传播的基本原理。3.2节介绍通常用于表征传播信道的特征量，而相应的试验结果在3.3节中进行详解。3.4节介绍3GPP和ITU-R提供的最新的5G信道建模。将重点放在理解模型以及建模的精确度和真实性的程度。并且指出模型组件需要进一步改进的地方。最后，在3.5节中对本章进行了总结，并提出未来的工作方向。

3.1　传播的基本原理

本节介绍了传播的一些基本原理，来帮助理解在移动通信环境中对无线电波信道进行表征和建模。关于电磁波理论的全面描述读者可参考标准教科书如参考文献[3，13]。传播主要关注的是发射天线和接收天线之间的无线电波路径。有时在传播建模中将天线与传播的影响混合在一起会是个问题，我们将会在3.1.2节中解决这个问题。当然在传播研究中也许无法避免涉及天线，虽然研究的主要目的是测量特定空间点或特定传播方向的电磁场。本节阐述了一些无线电波传播的基本方面。3.1.1节解释了什么是电磁波。3.1.2节讨论自由空间传播，3.1.3节介绍了基本的传播机制。

3.1.1　电磁波

麦克斯韦方程组在无源空间区域的解集定义了电磁波的基本定律。解集可以用不同系列的展开来表示。我们将在这里专注于平面波展开，这对理解传播特性非常有用。而且，平面波是标准信道模型中最常见的表现形式。对于平面波，电场E和磁场H是相等的，彼此正交并与Poynting矢量正交：

      S = E×H*     （3-1）

它指向传播方向。定义一个标准正交参考系（e1, e2, e3），平面波的电场由下式给出：

             （3-2）

其中x是空间坐标，t是时间，k=e32/，其中是波长，是波的角频率。相应的磁场由下式给出：

             （3-3）

其中和分别是介电常数和磁导率。图3-1给出了由下面三种电场定义的平面波的三种情况：

             （3-4）

其中1）对应于线性极化；2）对应于圆极化；3）对应于椭圆极化。可以清楚地看到，E场和H场在每个时刻都是正交的并且强度相等。平面波由六个相应的自由度定义：1）极化椭圆轴比；2）极化椭圆主轴旋转角度；3）场幅度；4）波相位；5）Poynting矢量极角；6）Poynting矢量方位角。这些自由度也可以由空间点处的电矢量场和磁矢量场表示。在这种情况下电磁波场被视为一系列平面波的总和，这样就导致磁场和电场是不相关的。然而，对于任何波矢量k，平面波仅支持两个正交极化状态。