第二章 信道模型

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国家重点实验室 第二章预读文献(2)
2. A. F. Molisch, Wideband Wireless Digital Communications, 电子工业出版社。 第3章：无线移动信道
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国家重点实验室
2.1 信道模型
• 信道是指以传输媒质为基础的信号通道
输入 编 码 器
调 制 器
发 转 换 器
媒 质
收 转 换 器
解 调 器
译 输出 码 器
调制信道 编码信道
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2.1 信道模型
• 调制信道模型
si(t)
线性时变网络
so(t)
r(t) = so (t ) + n (t ) = f ⎡⎣si (t )⎤⎦ + n (t ) 加性白噪声
调制信道对输入信号的响 输入的已调信号 应输出波形
• 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预 测。信号的中值是指长区间中值。
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国家重点实验室 Okumura（奥村）模型
Okumura（奥村）模型提供的数据较齐全，应用较广泛， 适用于VHF和UHF频段。
Okumura模型的特点是：
¾ 以准平坦地形大城市地区的场强中值或路径损耗作为基准， ¾ 对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。
2.多普勒频移（Doppler Shift）
发射台或接收台和/或信道中其他物体的运动造成
信号的行程差Æ 相位差Æ频移
Δφ = 2π Δd = 2π vΔt cosθ
λ
λ
fD
=
1
2π
Δφ
Δt
=
v cosθ λ
=fm cosθ
例如：f0=900MHz, λ=1/3 m Case 1: v=54km/h=15m/s;
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信道基本特性
β=2 π / λ
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国家重点实验室
信道基本特性
多径的多少取决于基站的高 度和周围的环境
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信道基本特性
地面环境传输效应 （对数正态分布） 平均值的慢变化
快变化 （瑞利分布）
微观衰落：几 个波长内平均
宏观衰落：几十 个波长内平均
平均路径损耗
接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的 特征，这就是多径衰落引起的，又称为 快衰落，或小尺度衰落。
μF , σ F 是ln(F)的均值和方差，其均值主要由基站和移动台之间的
路径损耗决定，方差通常在4~8dB之间。
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二、传播预测模型
• 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算 出接收信号的场强，或接收信号中值。这样，才能进一步 设计系统或设备的其他参数或指标。
• 给定条件：发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线 高度及收发信机之间距离等。
m=
莱斯分布
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2k +1
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一、信道基本特性
大范围内的幅度均值分布
• 瑞利衰落和莱斯衰落被称为小尺度衰落，描述的是大约10
个波长范围内幅度的变化。
• 大尺度上，实验表明小尺度平均幅度F服从对数正态分布
pdf (F ) =
σF
1
2π
•
exp[−
(ln(
F)−
2σ F
μ
2
F
)
2
]
平均值的慢变化： （F＝σ2 信号的功率）
称为快衰落。
天波传播
直射波传播
地面波传播
地面反射波 8
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一、信道基本特性
1. 多径(Multiple Paths)
￭ 直射波 ￭ 大物体的反射(Reflect)和电磁波的绕射(Diffract) ￭ 信号的散射（Scattering）
点到点的传输
R 灯柱 S
D
D
R
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一、信道基本特性
• 而且信号经过多点反射还会从多条路径到达接收点，这样，多径信号 的幅度、相位和到达时间不同，相互叠加会产生电平快衰落和时延扩 展；
• 另外，移动通信由于快速移动，不仅引起多普勒频移产生随机调频， 而且会使电波传播特性发生快速的随机起伏。
• 因此，无线移动通信环境是一种随时间、环境和其他外部因素变化而 变化的传播环境。
L50 (urban)(dB) = 69.55 + 26.16 log fc −13.82 log hte −a(hre ) + (44.9 − 6.55log hte ) log d
其中，fc 是载波频率(MHz，150MHz －1500MHz)，hte是发端(基站)天线有 效高度(m，30m－200m)，hre是收端 (移动台)天线有效高度(m，1m－ 10m)，d是收发端距离(km，1km－ 20km)，a(hre)是移动台天线的校正参 数，是覆盖面积的函数。
线性时变 滤波器
+ r(t) = c(t,τ )∗si (t) + n(t)
器c(t)
n(t)
n(t)
c(t,τ)
n(t)
加性高斯噪声信道模型
带有加性噪声的线性滤 波器信道模型
带有加性噪声的线性时 5 变滤波器信道模型
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2.1 信道模型
• 在无线移动通信工作环境中，电波不仅随着传播距离增加会发生弥散 损耗，并且受地形、建筑物的遮蔽影响将产生“阴影效应”；
fmax= v /λ=45Hz Case 2:v=360km/h=100m/s;
fmax= v /λ=300Hz
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一、信道基本特性
简单两径反射信道
R是地面反射系数，忽略反射面的衰耗。
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时延扩展
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一、信道基本特性
如果发射信号相对时延扩展是窄带的 有： 窄带接收信号的功率为：
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第二章 信道模型
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第二章预读文献
1. Richard B. Ertel， et al, Overview of Spatial Channel Models for Antenna Array Communication Systems, IEEE Personal Communications, February 1998, pp: 10-22.
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课程回顾
• 信道基本特性-多径和 多普勒频移
• 信道基本特性-平坦衰 落信道，包络分布函
fD
=
1
2π
Δφ
Δt
=
v cosθ λ
=fm cosθ
fD = 21π计Δ算Δφt两=径v接cλo收sθ功=率fm，co临sθ界距离？
数 • 传播预测模型
地面环境传输效应
（对数正态分布） 平均值的慢变化
LM = Lbs + Am ( f , d ) − H b (hb , d ) − H m (hm , f )
快变化 （瑞利分布）
宏观衰落： 几十个波长 内平均
微观衰落：
平均路径损耗
几个波长
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内平均
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二、传播预测模型
• Hata模型
Hata模型是由Okumura提出的一个图解的平均路径损耗经验公式，适用 于150MHz到1500MHz。Hata将城市地区传播损耗表示为一个标准公式， 并给出了在其他情况下应用的校正公式。城市地区中值路径损耗标准公式 如下式：
在该波长范围内，信号的短区间中
心值也出现缓慢变化的特征，这是
阴影衰落，或大尺度衰落。
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国家一重点实、验室 信道基本特性--平坦衰落信道
y(t) = a(t)x(t) + n(t)
α (t ) 可服从以下分布
时变的衰减，即衰落
1）当存在大量统计独立的散射体，并且没有一个散射体占主导地位
pdf (α ) = α • exp[− α 2 ]
However, if we used a cell size of 800 m under these system parameters, signal power would fall off as d2 inside the cell, and interference from neighboring cells would fall off as d4, and thus would be greatly reduced.
Similarly, 160 m is quite large for the cell radius of an indoor system, as there would typically be many walls the signal would have to go through for an indoor cell radius of that size. So an indoor system would typically have a smaller cell radius, on the order of 10-20 m.
σ2
2σ 2
0≤α <∞
瑞利分布， Rayleigh
2）有一个散射体占主导地位（通常称为视距LOS分量） 占主导地位信号分量的幅度
pdf (α ) = α • exp[− σ2
A → 0, K → −∞ (dB )
A
2+
2σ
α
2
2
]
•
I
0
αA
(
σ2
)
0≤α <∞
第一类零阶贝塞尔函数
莱斯分布，Rice
莱斯参数 K