第二章 移动通信信道(一)
移动通信信道1
移动通信信道1移动通信信道11. 信道的概念在移动通信系统中，信道是指无线电波传输时承载信号的介质。
信号在无线传输过程中通过信道进行传输，信道的好坏直接影响着通信质量和传输速率。
移动通信信道是指在移动通信系统中用于传输信号的通道。
2. 移动通信信道的分类移动通信信道根据信号传输的方式和用途的不同可以进行分类。
常见的移动通信信道有以下几种：2.1 控制信道控制信道用于传输通信系统的控制信息，包括建立连接、维护连接、释放连接等过程中需要交换的信息。
控制信道保证了通信系统的正常运行，并确保用户能够正常进行通信。
2.2 数据信道数据信道主要用于传输用户数据，包括语音、视频、文字等信息。
数据信道的传输速率和稳定性直接影响着通信系统的性能。
2.3 广播信道广播信道用于向广域范围内的用户发送广播信息，例如天气预报、紧急通知等。
广播信道通常采用单向传输，不需要进行双向通信。
2.4 分集信道分集信道常用于抵抗多径衰落和干扰，提高信道的可靠性和传输速率。
常见的分集技术包括时分复用（TDM）、频分复用（FDM）和码分复用（CDMA）等。
3. 移动通信信道的特点移动通信信道具有以下几个特点：3.1 多径效应由于移动通信中信号在传输过程中会经历反射、折射、散射等多种路径，导致信号在接收端产生多次接收到的副本，即多径效应。
多径效应会导致信号叠加和衰落，影响通信系统的可靠性和传输质量。
3.2 多用户接入移动通信系统中存在大量的用户，不同用户的信号需要通过同一个信道进行传输。
因此，移动通信信道需要具备多用户接入的能力，以实现同时传输多个用户的数据和控制信息。
3.3 带宽限制移动通信信道的带宽是有限的，需要合理分配给不同的用户。
带宽限制需要保证用户间的公平竞争和满足用户需求。
3.4 时变性移动通信信道的传输性能会随着时间的变化而变化，主要受到多径效应、干扰和衰落等因素的影响。
时变信道需要通过信道估计和调整发送和接收参数以适应信道的变化。
2第二章移动通信信道
2第二章移动通信信道在我们日常生活中，移动通信已经成为不可或缺的一部分。
无论是与亲朋好友通话、浏览网页，还是使用各种移动应用，都离不开移动通信的支持。
而在这背后，移动通信信道起着至关重要的作用。
移动通信信道，简单来说，就是信息从发送端到接收端所经过的路径。
这个路径可不简单，它充满了各种复杂的情况和挑战。
想象一下，当您在繁华的街头打电话，周围有车辆的嘈杂声、人群的交谈声，还有各种建筑物对信号的反射和遮挡。
这就是移动通信信道所面临的现实环境。
首先，多径传播是移动通信信道的一个重要特点。
信号从发射端发出后，可能会通过多条不同的路径到达接收端。
这些路径的长度和传播条件各不相同，导致信号到达接收端的时间和强度也有所差异。
这就像是一群人同时从不同的路线跑步到终点，有的跑得快，有的跑得慢，有的路线顺畅，有的路线曲折。
这种多径传播会引起信号的衰落和失真，影响通信质量。
信号的衰落可以分为大尺度衰落和小尺度衰落。
大尺度衰落主要是由于距离、地形等因素引起的信号强度的缓慢变化。
比如，您离基站越远，信号通常就越弱。
而小尺度衰落则是在短距离或短时间内信号强度的快速变化，这可能是由于信号的多径传播导致的相位变化等原因引起的。
除了衰落，噪声也是移动通信信道中的一个“捣乱分子”。
噪声可以来自各种来源，比如电子设备内部的热噪声、外界的电磁干扰等。
噪声会使接收到的信号变得模糊不清，就像在一幅精美的画作上撒上了一些污点。
在移动通信信道中，多普勒效应也不容忽视。
当移动终端（比如您手中的手机）和基站之间存在相对运动时，接收信号的频率会发生变化。
这就好比一辆行驶中的汽车听到的警笛声的音调会发生变化一样。
多普勒效应会导致信号的扩展和失真，对通信造成影响。
为了应对移动通信信道中的这些挑战，通信工程师们想出了各种各样的办法。
比如，采用多种调制解调技术，让信号在复杂的信道环境中能够更稳定地传输；通过编码技术增加信号的冗余度，提高纠错能力；利用分集接收技术，从多个路径接收信号，降低衰落的影响。
第2章 移动通信信道的电波传播 2.1 VHF、UHF频段的电波传播特性2.2 阴 影 效 应2.3 移动信道的多径传播
• 2.1 VHF、UHF频段的电波传播特性 • 2.2 阴 影 效 应 • 2.3 移动信道的多径传播特性 • 2.4 多径衰落的时域特征和频域特征 • 2.5 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗
预测
2.1 VHF、UHF频段 的电波传播特性
2.1.1 自由空间电波传播方式 2.1.2 视距传播的极限距离 2.1.3 绕射损耗 2.1.4 反射波
d0 3.57( hR (m) hT (m)) (km)
即视距取决于收、发天线的高度。天线架设越高，
视线距离越远。考虑空气不均匀性对电波传播轨迹的
影响，在标准大气折射情况下，等效地球半径
R=8500 km，可得修正后的视距传播的实际极限距
离 重点2
d0 4.12( hR (m) hT (m)) (km)
通过电场实测可以得到慢衰落的统计规 律。统计分析表明，接收信号的局部均值rlm 近似服从对数正态分布，其概率密度函数为
P(rlm )
1
e
rlm rlm
2 2
2π
式中， rlm 为整个测试区的平均值，即
rlm的期望值，取决于发射机功率、发射和接
收天线高度以及移动台与基站的距离。σ为标
准偏差，取决于测试区的地形地物、工作频率
慢衰落速率主要决定于传播环境，即移 动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分 布与高度，街道走向，基站天线的位置与高 度，移动台行进速度等，而与频率无关。
慢衰落的深度，即接收信号电平变化的 幅度取决于信号频率与障碍物状况。频率较 高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物， 而频率较低的信号比频率较高的信号更具有 较强的绕射能力。
作业
W2-1，简述移动通信中电波传播的方式
21第二章移动通信基础信道传播共46页文档
Eθ=Hr=Hθ=0
r θ
lO
y
φ
16
电基本振子辐射
• 电基本振子的电磁场分为三个不同区域：
① 感应场占主导的近场区。这一区域电磁场的分布与静
电场相似，场强随距离的3次方成正比地快速衰减。 并且感应场的电Байду номын сангаас和磁场相位相差90度，坡印廷矢量 为虚数，没有能量向外辐射。
同的两点之间的距离，就是该电磁波的波长λ。
➢电场（或磁场）强度方向每秒钟变化的次数就是该
电磁波的频率 f。
➢c 、λ、 f 三者之间的关系满足
c/ f
20
电磁波谱
无线电波
可见光 X射线 伽马射线
频率（Hz）
100
103
106
109
1012
1015
1018
1021 1024
波长
3km 3m 300 mm 300 m 0.3m 3104 m
发射
天线
接收
地球表面
天线
23
1. 地球表面波传播
➢地球表面波传播是超视距传播。 ➢优点：
1）可用来在地球上两点之间建立长距离通信； 2）传播比较稳定，基本不受大气条件影响。
以将这样的线型辐射体看作是构成线天线 的基本构成部分，即构成线天线的电流元。
辐射体长度 l«λ，由于非常小，上面载有的
传导电流I可以看成振幅均匀分布且相位处 处相同。
15
Eri02 Lc0c o sd 12j ccd3 ejc(td/c)
E i0L 4 scin jdcd c2jcc 2 d3 ejc(t d/c)z
移动通信(第二章)
空间选择性衰落用相干距离描述。相干距离定义为两根天 线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短， 角度扩展越大，反之，相干距离越长，角度扩展越小。 典型的角度扩展值为：室内环境 360，城市环境为 20 ，平坦 的农村为 1。
传播损耗模型
❖ Okumura模型（奥村模型） ❖ Okumura-Hata模型 ❖ Hata模型扩展 ❖ COST-231模型 ❖ COST-231-Walfish-Ikegami模型
四种主要的效应
❖ 远近效应 由于接收用户的移动性，移动用户与基站之 间的距离也在随机变化，若各移动用户发射 信号的功率一样，那么到达基站时信号的强 弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者 信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重 信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的 现象，即为远近效应。
四种主要的效应
✓若频率管理或系统设计不当,就会造成同
频干扰；
✓在移动通信系统中，为了提高频率利用
✓农村：K 4 .7 8 lg f2 1 8 .3 3 lg f 4 0 .9 4
传播损耗模型
❖ Hata模型扩展（适合于个人通信系统）
适用条件： 频率：1500MHz-2000MHz 距离：1km-20km 基站天线高度：30m-200m 移动台天线高度：1m-10m
传播损耗公式 ：
L 5 0 ( u r b a n ) 4 6 . 3 3 3 . 9 l g ( f c ) 1 3 . 8 2 l g ( h b ) ( h m ) ( 4 4 . 9 6 . 5 5 l g ( h b ) ) l g ( d ) C M
信号损耗
❖ 多径传播引起的损耗（快衰落）： 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时 值呈现快速变化的特征，这是由多径传播引 起的，称作快衰落，又称作小尺度衰落。其 电平分布一般服从瑞利（Rayleigh）分布或 莱斯（Rice）分布。
移动通信信道1
移动通信信道1移动通信信道1移动通信信道是指在移动通信系统中，用于传输数据和信号的特定物理介质。
移动通信信道承载着方式信号的传输和通话过程中的数据传送。
通常，移动通信信道可以分为下行信道和上行信道。
下行信道下行信道是指从基站（基站可以理解为移动通信系统中的信号发射和接收设备）向方式发送信号和数据的信道。
下行信道用于实现方式接收呼叫、短信、数据等服务。
它是从基站到方式的单向通信信道。
下行信道一般有以下几种类型：1. 广播信道（Broadcast Channel）：用于向所有方式广播公告、系统信息等。
2. 公告信道（Paging Channel）：用于向特定方式发送来电通知、短信等。
3. 共享信道（Shared Channel）：多个方式共享使用的信道，用于传输语音、数据等。
4. 寻呼信道（Pilot Channel）：用于基站向方式发送信号，帮助方式进行寻呼监听。
5. 同步信道（Sync Channel）：用于同步方式时钟和基站时钟。
6. 邻区信道（Neighbour Channel）：用于与周边基站进行通信。
上行信道上行信道是指从方式向基站发送信号和数据的信道。
上行信道用于实现方式发出呼叫、发送短信、数据等服务。
它是从方式到基站的单向通信信道。
上行信道也有多种类型，包括但不限于以下几种：1. 接入信道（Access Channel）：用于方式与基站建立连接和发送呼叫等。
2. 数据信道（Traffic Channel）：传输方式发出的语音、数据等。
3. 控制信道（Control Channel）：传输方式与基站之间的控制信息，如网络注册、身份验证等。
4. 反馈信道（Feedback Channel）：用于方式向基站发送接收质量反馈信息。
移动通信信道的特点移动通信信道具有以下几个特点：1. 随机接入：移动通信系统要支持大量的用户接入，信道必须具备随机接入的能力，以确保用户可以随时接入网络。
2. 可靠传输：信道要具备传输信号和数据的可靠性，在无线环境中，信道受到噪声、多径效应等环境因素的干扰，通信系统需要采用相应的纠错技术，提高信道的可靠性。
移动通信信道1简版
移动通信信道1移动通信信道11. 引言移动通信是指通过无线电波传输信息的方式进行通信。
在移动通信系统中，信道是指信息传输的通道，在信道上进行的数据传输决定了通信系统的性能和效果。
本文将介绍移动通信中的信道类型、特点及其在通信系统中的应用。
2. 信道类型在移动通信系统中，根据不同的传输特点，信道可以分为以下几种类型：2.1. 控制信道控制信道主要用于移动通信系统中的控制信息传输，包括呼叫建立、保持、释放等过程中的信令传输。
控制信道的传输过程对通信系统的性能和稳定性起着重要的作用。
2.2. 物理信道物理信道是移动通信系统中的主要信道类型，用于传输用户的语音、数据和视频等信息。
物理信道的特点是传输速率较高，同时信道容量也较大，能够满足用户对通信质量和数据传输速率的需求。
2.3. 广播信道广播信道是用于向移动通信系统中的所有用户广播信息的信道。
广播信道的传输距离较远，覆盖范围较大，能够实现对广大用户的信息传输。
3. 信道特点不同类型的信道具有不同的特点，下面将分别介绍各个类型信道的特点：3.1. 控制信道特点- 控制信道具有较低的传输速率，主要传输控制信息和信令。
- 控制信道对通信系统的性能和稳定性起着重要的作用，传输过程要求高可靠性和低延迟。
- 控制信道的容量通常较小，需要严格控制通信量。
3.2. 物理信道特点- 物理信道具有较高的传输速率和较大的信道容量。
- 物理信道的传输质量直接影响通信的语音、数据和视频传输质量。
- 物理信道需要通过调制解调、编解码等技术来实现信号的传输和解析。
3.3. 广播信道特点- 广播信道具有较远的传输距离和较大的覆盖范围。
- 广播信道能够实现一对多的信息传输，适用于向大量用户广播信息。
- 广播信道的信号传输需要考虑信号衰减、干扰等因素。
4. 信道在移动通信系统中的应用不同类型的信道在移动通信系统中扮演着不同的角色，下面将介绍信道在移动通信系统中的应用：4.1. 控制信道应用- 控制信道主要用于移动通信系统中的呼叫建立、保持、释放等过程中的信令传输。
移动通信信道1
移动通信信道1在当今高度互联的世界中，移动通信已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
从简单的语音通话到高清视频流，从即时消息传递到复杂的移动应用，我们依赖移动通信来保持联系、获取信息和进行各种日常活动。
而在这一切的背后，移动通信信道起着至关重要的作用。
移动通信信道，简单来说，就是信息在移动设备（如手机）和基站之间传输的路径。
它并非是一条稳定、固定不变的通道，而是充满了各种变化和挑战。
想象一下，当您在移动中打电话时，信号可能会因为您穿过建筑物、进入山区或者处于人群密集的区域而发生变化，这就是移动通信信道的特性所导致的。
移动通信信道具有多种特性。
首先是多径传播。
信号从发射端到接收端往往不是沿着一条直线传播的，而是会通过多条不同的路径到达。
这就像是一束光在通过不均匀的介质时会发生折射和反射一样。
这些不同路径的信号到达接收端的时间和强度可能不同，从而导致信号的叠加和干扰，影响通信质量。
其次是衰落。
衰落可以分为大尺度衰落和小尺度衰落。
大尺度衰落主要是由于距离、障碍物等因素导致的信号强度的整体下降。
比如，您离基站越远，信号可能就越弱。
小尺度衰落则是在短距离或短时间内信号强度的快速变化，这可能是由于多径传播导致的相位变化等引起的。
再者是多普勒效应。
当移动设备相对于基站有相对运动时，接收信号的频率会发生变化。
这就好比一辆鸣笛的汽车向您驶来时，声音的音调会变高，而远离您时，音调会变低。
多普勒效应在高速移动的场景中，如高铁上，对通信质量的影响尤为明显。
为了应对移动通信信道的这些特性，工程师们采取了一系列的技术手段。
比如，分集技术就是一种常见的方法。
它通过在发射端或接收端使用多个天线，接收或发送多个副本的信号，从而降低衰落的影响。
当其中一条路径的信号衰落严重时，其他路径的信号可能仍然良好，从而提高通信的可靠性。
还有均衡技术，用于补偿多径传播引起的信号失真。
通过对接收信号进行处理，消除或减少多径带来的干扰，恢复原始的信号。
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绕射（衍射Diffraction）：当接收机和发射机之间的无
线路径被尖利的边缘阻挡时，会发生绕射
散射（scattering）：当波穿行的介质中存在小于波长的物
体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，会发生散射。
概述（3）
研究传播特性的基本方法 理论分析
即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的 传播特性，并用各种模型来描述移动信道。
2.2.2、多普勒频移
影响小尺度衰落的因素
多径传播 移动台的运动速度 环境物体的运动速度 信号的站天线
多普勒频移
成因：路程差造成的接收信号相位变化值，进而产生 多普勒频移。 后果：信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机 信号的多普勒扩展，进而增加信号带宽。
自由空间传播模型
模型适用范围
接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径LOS 。 仅当视距大于发射天线远场距离时适用。 数学表达式（ Friis公式） Pt Gt Gr 2 Pr (d ) (4 ) 2 d 2 L
距发射机d处天线的接收功率
（3.1）
其中，Pt为发射功率，亦称有效发射功率； Pr(d)是接收功 率，为T-R距离的幂函数；Gt是发射天线增益；Gr是接收天线增益； d是T-R间距离；L是与传播无关的系统损耗因子；λ为波长。
第2章 移动信道
现代移动通信
BSS
MS Um OMC-R 操作维护中心 BTS 基站 BTS 收发信机 BTS基站 收发信机 基站 收发信机
MS
BSC 基站 控制器
A接口
MSC 移动交换中心
MS
Abis
第2章 移动信道
通过本章学习，着重解决以下问题：
大尺度传播特性
大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之间(T-R) 长距离(几百米或几千米)上的场强变化
概述（5）
一般的三级模型
路径损耗
长程范围内平均信号电平 取决于发射机与接收机之间的距离
阴影
短程范围内平均信号电平 在50 100波长距离内平均得到 由地形或人造障碍引起
多径衰落
来自不同方向不同长度路径信号引起的干扰 信号包络在几个波长间距内的变化幅度可达30dB
2.1 电波传播特性
R2 p(r )dr 1 exp( ) 2 2
Rayleigh分布的平均值为：
rmean E[r ] rp(r )dr
0
2
1.2533
1、瑞利分布
Rayleigh分布的均方值，它表示信号包络的功率。表 示为：
E[r ] r 2 p(r )dr 2 2
1、大气折射
低层大气并不是均匀介质－折射与吸收
当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于 不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发 生弯曲。 大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球 等效半径”来表征，也就是认为电波依然按直线方向 行进，只是地球的实际半径变成了等效半径。 实际半径是6370km,等效地球半径为8500km。
自由空间传播模型
自由空间传播模型
距发射机d处天线的接收功率
物理意义
—与d2成反比→距离越远，衰减越大。
—与λ2成正比（与f2成反比）→频率越高，衰减越大。
—综合损耗L(L>=1)通常归因于传输线衰减、滤波损耗和
天线损耗，L＝1则表明系统硬件中无损耗。
自由空间传播模型
自由空间传播模型
路径损耗
r r2 exp( 2 ) P(r ) 2 2 0 0r r0
其中，r表示包络信号电平，σ是包络检波之前所接收 的信号功率的rms值，是包络检波之前的接收信号的时 间平均功率。不超过某特定值R的接收信号的包络的概 率。
p( R) Pr (r R)
R 0
适用条件： d ht hr
2 2
2.1.6 散射
实际移动环境中，接收信号比单独绕射和反射 模型预测的要强，这是因为当电波遇到粗糙表 面时，发生散射作用，这就给接收机提供了额 外的能量。 大多数情况都是空间传播损耗、反射、绕射、 散射等多种因素的综合。
2.2 移动信道的多径传播特性
2.2.1 概述
接收天线将接收从多条路径传来的信号 移动台的运动 周围环境的变化
天线高度的确定 预测信号的覆盖范围 为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术 ……
传播特性直接关系到以下因素
概述（2）
无线电波的传播机制
自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight) 存在阻挡物（多条路径）: 反射（Reflection）：当电磁波遇到比波长大得多的物体
2.1.1 电波传播方式：
直射波
自由空间传播
反射波
绕射 散射
2.1.2 直射波
自由空间传播模型
自由空间
均匀无损耗的无限大空间。 各向同性。
电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1。
传播损耗
本质：球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电波 能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗。 接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率的很小 部分 。
1、移动信信道的时变特性
无线电信号通过移动信道时会遭 受来自不同途径的衰减损耗。
自由空间传播损耗与弥散
阴影衰落 系统设计
多径衰落 抗衰落技术
P( d ) d
n
S ( d ) R (d )
2.2、移动环境下的多径传播
多径传播是陆地移动通信系统的主要特征。 小尺度衰落的定义：是指无线信号在经过短时间或短距传播后 其幅度快速变化，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计， 小尺度衰落又简称衰落。 小尺度衰落的成因：由同一传输信号沿两个或多个路径传播， 以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。 小尺度衰落效应 短距或短时传播后信号强度的急速变化。 不同多径信号上，存在时变的多普勒频移。 多径传播时延引起的扩展（回音）。
rn nd1 d 2 d1 d 2
2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗
x/x1＞0.5时附加损耗为 0dB。 x/x1<0时 损耗急剧增 加。 x/x1=0时 TR射线从障 碍物顶点擦过，损耗为 6dB。 在选择天线高度时，根 据地形尽可能使服务区 内各处的菲涅尔区余隙 x/x1＞0.5 x1即为r1 r1 d d
小尺度传播特性
小尺度传播模型:描述短距离(几个波长)或短时间 (秒级)内的接收场强的快速波动的传播模型 统计特性 主要参数
对移动信道 有一个全面 深入的理解
建模与仿真
第2章 移动信道
本次课教学目的：
理解移动通信的电波传播特性
初步掌握多径传播特性
概述（1）
为何要研究传播特性 发射机与接收机之间的传播路径非常复杂
Sr (t ) ai cos(ct i )
i 1 N
Tc (t ) cos ct Ts (t )sin ct
Tc (t ) ai cos( i )
i 1 N
Ts (t ) ai sin(i )
i 1
N
1、瑞利分布 （ Rayleigh）
RayIeigh分布的概率密度函数(Pdf)为：
1 2
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
x / x1
d1 d 2
2.1.5 反射波
反射波：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面
时，如果尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射。
l X v Y
2.2.3 多径接收信号的统计特性
瑞利分布－假设条件
在发信机与收信机之间没有直射波通路； 有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的， 相位也是随机的，且在0～2л内均匀分布： 各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。 离基站较远，反射物较多
移动台收到第l条路径的信号可表示为 s(t ) al cos(ct 2 f Dt l )
2.2、移动环境下的多径传播
通常在移动通信系统中，基站用固定的高 天线，移动台用接近地面的低天线。 基站天线通常高30 m，可达90 m；移动台 天线通常为2～3 m以下。 移动台周围的区域称为近端区域，该区域 内的物体造成的反射是造成多径效应的主 要原因。 离移动台较远的区域称为远端区域，在远 端区域，只有高层建筑、较高的山峰等的 反射才能对该移动台构成多径。
2.2.2 多普勒频移
数学公式
由路程差造成的接收信号相位变化值为：
2l
2vt
cos
S(源)
由此可得出频率变化值，即多普勒频移fd为：
1 v fd cos 2 t
含义：多普勒频移与移动台运 动速度及移动台运动方向与无 线电波入射方向之间的夹角有 关。
表示信号衰减，单位为dB的正值。
为有效发射功率和接收功率之间的差值，如下表示：