移动通信-第4讲-移动信道2

从频域的观点来看：多径时散将导致频率选择性衰落，即信 道对不同频率有不同的频率响应。这是因为信号带宽大于信 道带宽。
多径时间延迟引起的频率选择性衰落导致符号间干扰，造成 移动系统不可减少的误码率。
这一点要搞清楚
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3.2.4 慢衰落特性和衰落储备
慢衰落（长期衰落）：当信号电平发生快衰落的同时，其局 部中值电平还随地点、时间以及移动台速度作比较平缓的变化， 其衰落周期以秒级计，称为慢衰落或长期衰落。
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3.2.1 传播路径与信号衰落
(1) 接收端的合成场强
直射波
反射波 散射波 绕射波
01
Direct
Wave
02
基移站动天台线天高线度高：度：hhbm>≈320～m3m
直射波传播距离： d 地面反射波传播距离：d1 散射波传播距离： d2
01=02
反射系数：R=－1
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(5) 相关带宽 Bc：
Bc：是指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很 强的幅度相关性。
Bc
2
1 (t)
角度调制信号的相关带宽：
Bc
1
2
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(5) 相关带宽 Bc：
例如：Δ=3μs, Bc=1/(2πΔ)=53kHz。此时传输信号的带宽应小 于Bc=53kHz。
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第三章 移动信道中的电波传播与分集接收
3.1 无线电波传播 3.2 移动信道特征 3.3 陆地移动信道的场强估算 3.4 其它移动信道的传输特点 3.5 分集接收
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3.2 移动信道特征
3.2.1 传播路径与信号衰落 3.2.2 多径效应与瑞利衰落 3.2.3 慢衰落特性和衰落储备 3.2.4 多径时散与相关带宽
(1) 市区传播损耗中值
移动台天线增益 因子 Hm(hm,f)： hm>3m时， Hm(hm,f)>0 dB hm<3m时， Hm(hm,f)<0 dB
图 3-24 天线高度增益因子
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3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中 值
3.3 (1) 市区传播损耗中值
陆
地 影响移动台天线增益的其它因素：高度>5m时，Hm(hm,f)还与
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3.3.1 接收机输入电压、功率与场强的关系
(1) 接收机输入电压
天线上感应的信号电势Us = 接收机的输入电压；？ 接收机输入端的端电压U；
Us = 2U 以分贝计的电压和功率
电压以1μV作基准： [Us]=20lg Us +120 (dBμV)
功率以1mW作基准：
市区：有较密集的建筑物和高层楼房。
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3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中 值
(1) 市区传播损耗中值
基准中值 (基本中值)： 中等起伏地上市区的损 耗中值或场强中值。
测试条件： 基站天线高度 hb=200m 移动台天线高度 hm=3m
图 3-23 中等起伏地上市 区基本损耗中值
Mobile Communication
第四讲
目录
第1章 概论 (2) 第2章 调制解调 第3章 移动信道的传播特性 (3) 第4章 抗衰落技术 (1) 第5章 组网技术 (4) 第6章 频分多址(FDMA)模拟蜂窝网 第7章 时分多址(TDMA)数字蜂窝网 (4) 第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统(一) (4) 第9章 码分多址(CDMA)移动通信系统(二) (1) 第10章移动通信的展望——个人通信 (1)
Us
E
E— V / m， — m，Us 8V
U
s
E
20
lg
源自文库
(dBV )
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3.3.2 地形、地物分类
(1) 地形的分类
中等起伏地形（传播基准）：在传播路径的地形剖面图上， 地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的 水平距离大于起伏高度。
不规则地形：丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等。
(2) 郊区和开阔地损耗的中值
开阔地修正因子Ko： 开阔地场强中值与基 准场强中值之差。
准开阔地修正因子Kr： 准开阔地场强中值与基 准场强中值之差。
P 10lg
U
2 s
30
dBm
4R
信
号 Rs 产
生 器
Us ～
Us/2 Ri=Rs
接
Ri 收 机
图 3.19 接收机输入电压的定义
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3.3.1 接收机输入电压、功率与场强的关系
(2) 接收场强与接收电压的关系
接收场强 E (μV/m)：有效长度为 1 m 的天线感应的电压值。 半波振子天线的有效长度：λ/π 半波振子天线的感应电压：
可通率T：代表通信的可靠性 .
可通率与中断率R的关系：
T=1－R
衰落储备：为防止因衰落引起
的通信中断，在信道设计中必
须使信号的电平留有足够的余
量，以使中断率 R 小于规定
的指标，这种电平余量称为衰
落储备。
图 3.13 衰落储备量
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3.3 陆地移动信道的传输损耗
移动信道电波传播条件十分恶劣 计算场强的方法：分析和统计相结合
3.2.1 传播路径与信号衰落
(2) 典型信号衰落特性
接收信号是多个电波合成的；
直射波、反射波或散射波在接收地点形成干涉场，使信号产
生深度且快速的衰落。
相对于中值的电平/dB
d=vt 变动范围：30～40dB
局部中值：在局部时间中， 信号电平大于或小于它的时 间各为50%。
全局中值：局部中值取平均.
基站天线 1
2
图 3-14 多径时散示例
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3 4
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(4) 多径时散
t = t0
（a）
t1 t1+τ11 t1+τ12
t=t0+α
（b）
t2
t2+τ22 t2+τ23
t2+τ21
t=t0+β
t3
（c）
t3+τ34
图 3-15 时变多径信道响应示例
(a) N=3; (b) N=4; (c) N=5
Kal—纵向路线修正值 Kac—横向路线修正值
图 3-25 街道走向修正曲线
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3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中 值
(2) 郊区和开阔地损耗的中值
郊区修正因子 Kmr： 郊区场强中值与基准 场强中值之差。
图 3-26 郊区修正因子
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3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中 值
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3.2.1 传播路径与信号衰落
(1) 接收端的合成场强
合成场强E为：
E
E 0
j 2
(11e
d1
2e
j 2
d 2
)
E0—直射波场强 λ —是工作波长
α1 —地面反射波相对于直射波的衰减系数 α2 —散射波相对于直射波的衰减系数
d1 d1 d d2 d2 d
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调制； 多径传播时延引起的时延扩展。
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(3) 多普勒效应
移动台以速率 v 在长度为 d 的路径上运动，信号电波从源 S 出发，在 x 点和 y 点分别被移动台接收时的路径差为：
Δl=dcosθ= vΔtcosθ
S
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l
x vd
y
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(3) 多普勒效应
多普勒频移：由图看出由路程差造成的接收信号相位变化为：
2l 2vt cos 由此可得出频率变化值 , 即多普勒频移：
i
fi
与移动台速度
fi
v
,及2运1动 方t向与v入射co波s夹i 角
θi
有关。
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
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3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中 值
(1) 市区传播损耗中值
基站天线增益 因子 Hb(hb,d)： hb>200m时， Hb(hb,d)>0dB hb<200m时， Hb(hb,d)<0dB
图 3.24 天线高度增益因子
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3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中 值
(3) 多普勒效应
多普勒频移使接收频率变为： fR= f0+ fi 若移动台 入射波方向， 则 fi 为正，fR 若移动台 入射波方向，则 fi 为负， fR
信号经不同方向传播，多径分量造成接收信号多普勒扩散， 因而造成频率调制。
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(4) 多径时散：多径效应在时域上造成信号时间扩散的现象 。
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(4) 多径时散
假定 E(τ) 为 不同时延信号构成的时延谱。
① 平均时延 ：是E(τ) 的 一阶矩： tE(t)dt 0
② 多径时延扩展Δ：是E(τ) 二阶矩的均方根（rms)。
Δ t 2E(t)dt 2 0
Δ表明了多径时散扩展的程度：Δ↑，时延扩展越严重； Δ↓，时延扩展 越轻。
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3.2.2 多径效应与瑞利衰落
多径衰落信号包络服从瑞利分布，其概率密度函数为：
p(r)
1
2 r 2
re 2 2 d
2 2 0
r
2
e
r2 2 2
(r 0)
(3 44)
由式（3-44）可知，多径衰落信号服从瑞利分布，故称为瑞 利衰落( Rayleight ) 。
瑞利分布和正态分布比较
衰落速率：每秒钟信号包络经过中值电平次数的一半。
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3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(1) 小尺度衰落（快衰落）
d2
hb
d
¦È
d1
¦È
图 3-6 移动信道的传播路径
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hm 2020/4/4
3.2.3 小尺度衰落（快衰落）
(2) 快衰落的三个主要效应表现
经过短距离或短时间传播的信号幅度急速变化； 不同多径信号存在时变多普勒（Doppler）引 起的随机频率
❖ 分析：了解各因素的影响，以自由空间传播为基础； ❖ 统计：大量实验，各种地形、地物下传播损耗、频率、天 线高度之间的关系； ❖ 修正
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3.3 陆地移动信道的场强估算
3.3.1 接收机输入电压、功率与场强的关系 3.3.2 地形、地物分类 3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中值 3.3.4 不规则地形上传播损耗的中值 3.3.5 任意地形地区的传播损耗中值
慢衰落产生的原因：由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、 地物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变化造成的衰落比 多经效应引起的快衰落要慢的多，所以称作慢衰落。
慢衰落特性：近似服从对数正态分布。
对数正态分布：以分贝数表示的信号电平为正态分布。
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3.2.4 慢衰落特性和衰落储备
离不到15km）
hb = hts － hga
移动台的有效高度hm：天线在当地地面上的高度。
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3.3.2 地形、地物分类
(2) 地物（地区）分类
开阔地：在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物， 呈开阔状地面，如农田、 荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；
郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少 量的低层房屋或小树林等；
移
环境条件有关。例如大城市和中小城市的差别。
动
信
道
的
场
强
估
算
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3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中 值
(1) 市区传播损耗中值
影响市区场强中值的 其它因素：街道走向
（相对于电波传播方向 ）。纵向路线（与电波 传播方向平行）明显小 于横向路线（与传播方 向垂直）的损耗中值。
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3.3.2 地形、地物分类
(1) 地形的分类
天线的有效高度
基站天线的有效高度hb ：
hts：基站天线顶点的海拔高度
hga平均地面高度：
图 3.22 基站天线有效高度(hb)
hga=沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度
hga=沿着电波传播方向的3km到实际距离之间的平均海拔高度（传播距
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3.2.2 多径效应与瑞利衰落
图 3.9 瑞利分布的概率密度
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3.2.2 多径效应与瑞利衰落
包络 r 的中值：
1
rmid
2
p(r)dr
0
得到 r 的中值：rmedian=1.177σ
而 r 的平均值： rmean=1.532σ
power
因此，瑞利衰落信号的平均
值与中值仅相差0.55dB。
这一点要搞明白
short term fading
long term fading
t
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3.2.2 多径效应与瑞利衰落
上述分析和大量实测表明：多径效应使接收信号包络变化接 近瑞利分布。在典型移动信道中：
衰落深度达30dB 左右； 衰落速率约30-40次/秒。