第二章移动通信信道(一)

2.1 概述

无线信道对传输信号作用的三级模型

路径损耗
长程范围(公里)内平均信号电平 取决于发射机与接收机之间的距离


阴影效应
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

小 尺 度 衰 落
大 尺 度 衰 落

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
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
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。
预测接收点的信号场强，即预测无线信号的覆盖 范围，是研究传播模型的主要目的
接收信号的概率密度函数呈对数正态分布
第二章
2.1 概述
移动通信信道
2.2 大尺度传播特性 2.3 小尺度传播特性
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
2.3.1 概述
1、移动信道的时变特性
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。
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
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
由此可得出频率变化值，即多普勒频移fd为：
1 v fd cos 2 t

S(源)
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。
（2-9）
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 大尺度传播模型 –自由空间
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。
2.2
大尺度传播模型 –大气折射
d1 d2
2、视线传播极限距离
d1 2 Re ht
d 2 2 Re hr
A
C
B
d d1 d 2 2 Re
d 4.12

ht hr

Re
o

ht hr

2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
非自由空间下，收发信机之间有障碍物，到 达接收机的信号将受到反射、绕射、散射等多 种因素影响，则信号的传播模型随不同环境而 不一样。 绕射——需附加绕射损耗(p.17-18) 反射、散射——最简单的例子双线模型

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：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反射 绕射：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：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。
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
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
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：描述无线信号在短时间或短距离传
播时幅度的瞬时变化，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）。
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
第二章
2.1 概述
移动通信信道
2.2 大尺度传播特性 2.3 小尺度传播特性
2.1 概述

无线电波的传播机制
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
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。
d
l
d
ht hr

接收功率随T-R之间距离的4次方而衰减。
l
接收信号的强度可以通过增加天线高度而增加。
路径损耗为：
PL(dB) = 40logd – (10logGt+10logGr+20loghr+20loght)
PL(dB) = 40logd – K
2.5
大尺度传播模型 –特点
实际移动环境中，接收信号比单独反射和绕射模 型预测的要复杂，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。不同环境传播模型 不同(p36-44)
非自由空间传播模型（有阻挡—反射波、
绕射波、散射波）
2. 2 大尺度传播模型 –自由空间

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。
大尺度传播模型
何为传播模型？
电波传播损耗预测模型
作用——预测接收信号的中值场强(信号覆盖范围) 影响因素
地形环境特征（地形地貌、建筑物高度和密度、街道分布） 信号传播参数（信号频率、天线高度等）
2.2
大尺度传播模型
传播模型类型
自由空间传播模型（视距传播—直射波，
介电系数为1的均匀无吸收媒质）

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 。

2. 2 大尺度传播模型 –自由空间
–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。
–距发射机d处天线的接收功率
数学表达式（ Friis公式）
2 P G G Pr (d ) t t 2 r 2 (4 ) d L
) r (r A Ar 2 2 e I0 ( 2 ) Pr 2 0
2 2
( A 0，r 0)
(r 0)
3、Nakagami-m分布
由Nakagami在20世纪60年代提出的。他通过基于现场测试 的实验方法，用曲线拟合得到近似分布的经验公式。 研究表明，Nakagami-m分布对于无线信道的描述有很好的 适应性。 当m＝1时， Nakagami-m分布成为瑞利分布。
d '' d ' (ht hr ) 2 d 2 (ht hr ) 2 d 2
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
'' '
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
接收功率近似公式：
2 2
pr Pt G t G r ht hr = K Pt 4 d4
2.1 概述
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。
–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。
自由空间传播损耗： [Ls]=32.44+20lgd+20lgf
2.2
大尺度传播模型 –大气中
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。
—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。
2. 2 大尺度传播模型 –自由空间
自由空间传播模型
–路径损耗
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
x / x1
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
1 2
d1 d 2
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
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:

rn
nd1 d 2 d1 d 2
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
-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
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
莱斯分布 - 当存在一个主要的静态(非衰落)信号分量 时，如视距传播，小尺度衰落的包络分布服从Ricean分 布。当主要分量减弱后，Ricean分布就转变为Rayleigh 分布。
2.2
2.2.1 绕射
大尺度传播模型 –非自由空间
P
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
– 波前上的所有点可作为产生次级波的点源， 这些次级波组合起来形成传播方向上新的 h1 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。
T
x
d1
d2
R h2
( a)

移动信道中无线传播分类
大尺度路径损耗
描述收发信机之间长距离上的场强变化，其传 播模型用于预测无线覆盖范围。 不同环境使用不同的传播模型。
小尺度衰落
描述收发信机之间短距离或短时间 内接收信号快速波动的传播模型
第二章
移动通信信道
2.1 概述 2.2 大尺度传播特性 2.3 小尺度传播特性
2.2

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。
h1
d1
d2
R h2
x
P
( b)
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
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）。
反射波：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面
时，如果尺寸比电波波大大得多时会产生镜面反射。
l
T(发射机 ) Ei ELOS ETOT=ELOS +Eg R( 接收机 ) Er=Eg θi θ
0
ht
l
hr
d
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
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：
瑞利分布
图 6 示意了 Rayleigh 概率密度函数。相应的 Rayleigh 累 积分布函数(CDF)如图所示。
0.6065/σ
P(r)
0
σBiblioteka Baidu
2σ
3σ
4σ
5σ
接收信号包络电压 r(V) Rayleigh 概率密度函数 ( Pdf)
2、莱斯分布 （Ricean）
当存在一个主要的静态(非衰落)信号分量时，如视距传 播，小尺度衰落的包络分布服从Ricean分布。当主要分 量减弱后，Ricean分布就转变为Rayleigh分布。 Ricean分布为：