第二章 移动通信信道(一)

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 )
2.2.2、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 信号的传输带宽
y
i
S i(t ) x
基站天线

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。
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
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
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

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。
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。
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

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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、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。
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

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


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：
Pt Gt Gr 2 PL(dB) 10log Pt 10log Pr 10log 10log[ ] 2 2 Pr (4 ) d


自由空间传播损耗：
[Ls]=32.44+20lgd+20lgf
2.1.3 大气中的电波传播
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


2.1.3 大气中的电波传播
2、视线传播极限距离
d1 2 Re ht
d 2 2 Re hr
A d1
C
d2
B
d d1 d 2 2 Re
d 4.12

ht hr

Re

ht hr

o
2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗


绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物 后面。 绕射可用惠更斯原理解释
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
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：
当T－R距离d远远大于ht+hr时，上式可使用泰 勒级数进行近似简化：
2ht hr d d d
'' '
2.1.5 反射波
接收功率为：
h h pr Pt Gt Gr t 4r d 40log d (10logGt logGr 20log hr 20log ht )
时，会发生反射

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、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。

T(发射机) ELOS Ei ETOT=ELOS +Eg R( 接收机)

ht
θ i
Er =Eg θ0
hr
d
2.1.5 反射波
（2）地面反射模型（双线或两径传播模型）：
视距和地面反射的路径差Δ为：
d '' d ' (ht hr ) 2 d 2 (ht hr ) 2 d 2

P
x
T
d1
d2
R h2

波前上的所有点可作为产生次级波的点源，h 1 这些次级波组合起来形成传播方向上新的 波前。 当电波到达阻挡物的边缘时，由次级波的 传播进入阴影区。
( a)
T

绕射损耗：在实际情况下，电波的直射 路径上存在各种障碍物，由障碍物引起 的附加传播损耗。
x表示障碍物顶点至直射线的距离，称为 菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无 阻挡时余隙为正。

现场电波传播实测
即在不同的传播环境中，做电波传播试验。测试参数 包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。

计算机模拟
即利用计算机强大的计算能力，快速灵活地模拟各种 移动环境。该方法可弥补前两种方法的不足。
概述（4）


移动通讯中信号传播是非常复杂的， 但其物理过 程只有三类：（1）反射（2）衍射和（3）散射。 由于信号传播中可能经历上述三个过程， 接收信 号一般地讲是一个多径信号。 随着发射机和接收机距离的增大， 接收信号的损 耗是十分明显的。 这种信号损失表现为在某一小 区域内接收信号平均值的下降。 预测这种信号平 均值下降的模型叫做Large - Scale 模型。 而由于 多径信号相干叠加引起的衰落称之为Small-Scale 模型. 其预测模型称为Small-Scale 模型或 Fading 模型。
d1
d2
R h2
x
h1 P

( b)
2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗
T h R

菲涅尔区

指从发射机到接收机的次级波路径长度比总的视距长度大 nλ/2的连续区域（即图中的圆环）。
菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为λ/2，则两条路径的 相位差为。 从连续费涅尔区传播出去的次级波对总的接收信号交替产生增 加和减小合成信号的作用。 第n个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示:
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）。
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
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。