移动通信系统中的信道特性
移动通信第三章移动信道的传播特性
移动通信第三章移动信道的传播特性在我们的日常生活中，移动通信已经成为了不可或缺的一部分。
无论是打电话、发短信，还是上网浏览、在线视频，都离不开移动通信的支持。
而要实现稳定、高效的移动通信，就必须深入了解移动信道的传播特性。
这一章，咱们就来好好聊聊这个话题。
移动信道的传播特性是相当复杂的。
想象一下，当您在移动中打电话时，信号会受到各种各样的影响。
比如建筑物的阻挡、地形的起伏、天气条件的变化，甚至是人群的干扰等等。
首先，我们来谈谈多径传播。
这就好比您在一个充满镜子的房间里说话，声音会从不同的方向反射回来，形成多个路径到达接收点。
在移动通信中，信号也会通过多条不同的路径从发射端到达接收端。
这些路径的长度和传播条件各不相同，导致信号到达的时间、强度和相位都有所差异。
这就会引起信号的衰落和失真。
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的增加和障碍物的遮挡导致信号强度的大幅下降。
比如说，您在远离基站的地方，或者身处高楼大厦密集的区域，信号可能就会变得很弱。
小尺度衰落则是由于多径传播引起的信号快速波动。
这种衰落可能在很短的时间内发生，甚至在几分之一秒内，让您的通话出现断断续续的情况。
接下来，说说多普勒效应。
当移动台相对于信号源运动时，接收到的信号频率会发生变化。
这就好比一辆鸣笛的汽车从您身边驶过，您会听到声音的音调发生变化。
在移动通信中，如果您在快速移动，比如在高铁上，多普勒效应就会比较明显，可能会影响信号的质量。
除了这些，移动信道还受到阴影衰落的影响。
这通常是由于大型障碍物，如山脉、高楼等阻挡了信号的传播，造成某些区域的信号强度明显低于其他区域，形成了所谓的“阴影区”。
再来说说传播损耗。
信号在传播过程中会不断损耗能量，这包括自由空间传播损耗、反射损耗、绕射损耗等等。
自由空间传播损耗是指信号在没有任何障碍物的理想空间中传播时，随着距离的增加而逐渐减弱。
反射损耗则是当信号遇到光滑的表面时，一部分能量被反射回去，导致接收端接收到的信号强度降低。
移动通信的信道是指基站天线
1.移动通信的信道是指基站天线，移动用户天线和两副天线之间的传播路径。
2 3G技术标准主要有3G WCDMA CDMA2000 TC-SCDMA.2.移动信道的基本特性是衰落特性。
3.移动信道是一种时变信道。
四种衰落特性：随信号传播距离变化而导致的传播损耗和弥散，由于传播坏境中的地形起伏，建筑物及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的衰落，称为阴影衰落无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的做用产生反射绕射和散射，使得其到达接收机时是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播所引起的信号在接收端幅度，相位和到达时间的随机变化导致严重的衰落，是多径衰落大尺度衰落是由移动通信信道路径上的固定障碍物的阴影引起的，衰落特性一般服从d-n 律。
小尺度衰落由移动台运动和地点的变化而产生的，主要特征是多径。
4.一般认为，在移动通信系统中影响传播的3中基本机制为反射绕射和散射6.根据衰落与频率的关系，将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落。
频率选择性衰落是指传输信道对信号不同的频率成分有不同的随机响应，信号中不同频率的分量衰落不一致，引起信号波形失真。
非频率选择性衰落，指信号经过传输信道后，各频率分量的衰落是相关的具有一致性，衰落波形不失真。
7.微观分集的类型时间分集频率分集空间分集8.分集的合并方式选择合并，在所接受的多路信号中，合并器选择信噪比最高的一路输出，这相当于在M个系数ak(t)，只有一个等于1.其余的为0最大比值合并，在选择合并中，只选择其中一个信号，其余信号被抛弃。
等增益合并，等增益合并器的各个加权系数均为19.为什么扩频信号能够有效抑制窄带干扰？扩频信号对窄带干扰的抑制作用在于接收机对信号的解扩的同时，对干扰信号的扩频，这降低了干扰信号的功率谱密度。
扩频后的干扰和载波相乘，积分（相当于低通滤波）大大地削弱了他对信号的干扰，因此在采样器的输出信号受干扰的影响就大为减少，输出的采样值比较稳定10跳频系统的抗干扰性能和在GSM系统的应用：跳频系统对抗单频或窄带干扰是很有特色的。
移动通信信道-2
N 4
a0
t
五、时延扩展和相关带宽
2、时延扩展的描述
时延功率谱：由不同时延信号分量的平均功率构成
P(τ) 归一化时延谱 P( )
0dB
时延扩展， P(τ )的均方根
P()
30dB
0
m 平均时延
Tm
相对时延值
最大多径时延， P(τ )下 降到-30dB时的时延差
2、多径传播对接收信号产生的影响 典型实例 800MHz室内环境中典型传播时延扩展为
1μs，符号速率200kbps，符号宽度？重叠率？
符号宽度5μs，重叠覆盖率20%
2.2 移动通信信道的多径传播特性
2.2.1 移动通信信道中的电波传播损耗特性 2.2.2 移动环境下的多径传播 2.2.3 多普勒频移 2.2.4 多径接收信号的统计特性（自学） 2.2.5 衰落信号幅度的特征量
2.2.5 衰落信号幅度的特征量
2.2.4 多径接收信号的统计特性（提示）
移动通信信道统计分析：对接收信号的功率或 电压包络进行定量描述。 以瑞利分布为例，接收信号的包络和相位(σ为方差)：
– 包络概率密度函数（瑞利分布）：
r 2 2 p(r ) 2 e
1 2
r2
r0
– 相位概率密度函数（均匀分布）： p( )
深度衰落发生的次数较少，浅度衰落发生得相当频繁。 衰减20dB概率为1%，衰减30dB和40dB的概率分别为 0.1%和0.01%。
正斜率 负斜率
t1
t2
t3
t4
A
1
2
3
4
NA 4 /T
移动通信复习题,第四版。
第 1 章移动通信是指通信双方至少有一方处在移动情况下(或临时静止)的相互信息传输和交换.移动通信的特点：1.必须利用无线电波进行信息的传输2.是在复杂的干扰环境中运行的3.可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信的业务量的需求却是与日俱增4.移动通信系统的网络结构是多样化的，网络管理和控制必须有效5.移动通信设备必须适于在移动环境中使用数字移动通信系统的优点：1. 频谱利用率高，有利于提高系统容量2. 能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性3. 抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强4. 能实现更有效、灵活的网络管理和控制5. 便于实现通信的安全保密6. 课降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量第2章1. 移动通信信道的基本特征：第一，带宽有限，取决于使用的频率资源和信道的传播特征；第二，干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境决定的；第三，存在着多径衰落。
要求：已调信号应具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力。
恒定包络调制：可采用限幅器、低成本的非线性高效功率放大器件非恒定包络调制：需要采用成本相对较高的线性功率放大器件2. GSM中，尽管MSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能，但仍不能满足功率谱在相邻频道取值低于主瓣峰值60db以上的要求。
这就要求在保持MSK基本特性的基础上，对MSK的带外频谱特性进行改进，使其衰减速度加快。
3.π/4 - DQPSK的相位跳变规则决定了再码元转换时刻的相位跳变量只有+-π/4和+-3π/4四种取值。
4.. 扩频调制扩频通信的定义：一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，是信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。
扩频系统的处理增益 Gp = 10 lg B/Bm 各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号带宽B与信息带宽Bm之比成正比。
扩频通信抗干扰性能强，唯一能工作在负信噪比之下。
移动通信电子课件教案-第3章_移动信道的传播特性
第3章 移动信道的传播特性
3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗
P
x T
d1 h1
x 为菲涅尔余隙
T d1
d2
R d2
h2
x
h1
P
R h2
(a)
(b)
图 3 - 3 障碍物与余隙
(a) 负余隙； (b) 正余隙
第3章 移动信道的传播特性
t ＝ t0 t＝ t0＋
t1 t1＋ 1 1 t1＋ 1 2 (a)
t2 t2＋ 2 2t2＋ 2 3 t2＋ 2 1 (b)
t＝ t0＋
t3
(c)
图 3 - 11 时变多径信道响应例如 (a) N=3; (b) N=4; (c) N=5
t3＋ 3 4
第3章 移动信道的传播特性
第3章 移动信道的传播特性
3.2.4 多径时散与相关带宽 ——续
时延扩展Δ：最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后 一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值， 实际上就是脉冲展宽的时间。
表示时延扩展的程度。
归一化时延信号的包络E(t)：将移动通信中接收机接收 到的多径的时延信号强度进行归一化。
第3章 移动信道的传播特性
第3章 移动信道的传播特性
3.1 无线电波传播特性 3.2 移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的传输损耗 3.4 移动信道的传播模型 思考题与习题
第3章 移动信道的传播特性
引言
三种研究无线移动通信信道的根本方法： 理论分析：用电磁场理论和统计理论分析电波在移动
环境中的传播特性，并用数学模型来描述移动信道。 现场电波实测：在不同的传播环境中，做电波实测实
a第7章 移动通信传输信道的特性
16
7.1.1 移动通信系统结构及传输特点
图7-3 我国大陆陆地移动通信2G频谱使用和3G新增频谱输特点
• （1）移动性 • 移动性包括设备移动性（Equipment Mobility）和用 户移动性（User Mobility）。设备移动性是用户移动 性的基础，它使得移动设备能够不受位置限制地保持 原有的通信；用户移动性则允许移动用户在任何地点 使用任何形式的终端设备实现通信。为了支持移动终 端和移动用户的移动性，移动通信网络需要建立一套 有效的移动性管理（Mobility Management）机制。 移动台发送信息的过程比较简单，它首先向网络请求 一定的资源，然后就能够与网络实现信息交互了。
711移动通信系统结构及传输特点图71陆地移动通信系统的组成bts设有无线收发信机和天馈线等设备每个bts都有一个可靠通信的服务范围称为无线小区简称小区cell移动网络就是由若干个这样的小区所构成通过分析可以知道如果采用正六边形的小区对服务范围进行覆盖往往可以在频谱利用率网络规划等方面取得较好的效果因此进行移动网络覆盖分析的时候经常采用正六边形小区覆盖其结构非常类似蜂窝所以又可以把小区制移动通信系统称为蜂窝移动通信系统
• （1）新增第三代公众移动通信系统的工作频段 • ① 核心工作频段 • 频分双工（FDD）方式：1920～1980MHz/2110～2170MHz ，共120MHz。 • 时分双工（TDD）方式：1880～1920MHz/2010～2025MHz ，共55MHz。
14
7.1.1 移动通信系统结构及传输特点
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7.1.1 移动通信系统结构及传输特点
• （5）移动终端要求高 • 移动终端作为用户接入移动通信网络的设备，必须具 有普通电话终端的基本特性，以及无线收发的能力， 除此之外，考虑到移动性的特点，还会有不同的要求 。对面向个人用户的手机终端，主要要求是体积小、 质量轻、省电、操作简单和携带方便，当然，随着技 术的进步，人们已经不满足于手机仅仅具备通话功能 ，而在娱乐、文档处理、多媒体应用等方面都提出了 新的要求，因此智能手机已经逐渐取代普通手机，成 为市场的主流终端。车载台和机载台除要求操作简单 和维修方便外，还应保证在振动、冲击、高低温变化 等恶劣环境中正常工作。
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。
信道种类及其特点
信道分类及其特点根据通信的概念，信号必须依靠传输介质传输，所以传输介质被定义为狭义信道。
另一方面，信号还必须经过很多设备(发送机、接收机、调制器、解调器、放大器等)进行各种处理，这些设备显然也是信号经过的途径，因此，把传输介质(狭义信道)和信号必须经过的各种通信设备统称为广义信道。
我们这里研究的是狭义上的信道，即信号的传输介质。
信道可分为两大类：一类是电磁波的空间传播渠道，如短波信道、超短波信道、微波信道、光波信道等；它们具有各种传播特性的自由空间，习惯上称为无线信道；另一类是电磁波的导引传播渠道。
如明线信道、电缆信道、波导信道、光纤信道等。
它们具有各种传输能力的导引体，习惯上就称为有线信道。
一、有线信道：1、架空明线，即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸线，它是一种在20世纪初就已经大量使用的通信介质。
架空明线安装简单，传输损耗比电缆低，但通信质量差，受气候环境等影响较大并且对外界噪声干扰比较敏感，因此，在发达国家中早已被淘汰，在许多发展中国家中也已基本停止了架设，但目前在我国一些农村和边远地区受条件限制的地方仍有不少架空明线在工作着2、双绞线电缆(TP)：将一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中，为了降低信号的干扰程度，电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，也因此把它称为双绞线。
双绞线分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。
目前市面上出售的UTP分为3类，4类，5类和超5类四种：3类：传输速率支持10Mbps，外层保护胶皮较薄，皮上注有“cat3”4类：网络中不常用5类（超5类）：传输速率支持100Mbps或10Mbps，外层保护胶皮较厚，皮上注有“cat5”超5类双绞线在传送信号时比普通5类双绞线的衰减更小，抗干扰能力更强，在100M网络中，受干扰程度只有普通5类线的1/4，目前较少应用。
STP分为3类和5类两种，STP的内部与UTP相同，外包铝箔，抗干扰能力强、传输速率高但价格昂贵。
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无线传播特性
传播的开放性 接收点地理环境的复杂性与多样性 通信用户的随机移动性
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无线传播特性
1、传播的开放性 一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播 的。
小尺度衰落和多径效应
无线传播的特性 无线信道的特性 大尺度路径损耗 小尺度衰落和多径效应 无线信道抗衰落技术 移动通信系统中信号传播的效应
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小尺度衰落和多径效应
小尺度衰落：简称衰落，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。
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小尺度衰落和多径效应
多径衰落
多径衰落
当接收机在可引起反射、绕射的复杂环境下移动时， 当接收机在可引起反射、绕射的复杂环境下移动时， 在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电平变化和激烈的相位摆动
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小尺度衰落和多径效应
莱斯衰落
当移动台与基站间存在直射波信号时， 当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路 径，通过主路径传输过来被接收的信号为一个稳定幅度 Ak和相位 ，或者在媒质中，除了随机运动散射分量外， 和相位φk，或者在媒质中，除了随机运动散射分量外， 还存在固定散射或信号反射分量， 还存在固定散射或信号反射分量，但其余多径传输过来 的信号仍如上面“瑞利衰落概率模型”所述。 的信号仍如上面“瑞利衰落概率模型”所述。这种情况 其包络的值A的概率分布不再具有零均值 的概率分布不再具有零均值， 下，其包络的值 的概率分布不再具有零均值，包络具有 莱斯分布 。
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小尺度衰落和多径效应
时间选择性衰落 用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散。 用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散。 频率扩散引起时间选择性衰落。 。
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小尺度衰落和多径效应
移动无线信道统计分析 瑞利分布 莱斯分布 对数正态分布
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小尺度衰落和多径效应
瑞利分布 瑞利分布一般用来描述平衰落信号的接收包络或者多个多 径分量包络的统计时变特性。 径分量包络的统计时变特性。
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小尺度衰落和多径效应
快衰落 空间选择性衰落 频率选择性衰落 时间选择性衰落
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小尺度衰落和多径效应
空间选择性衰落 不同的地点，不同的传输路径衰落特性不一样。 不同的地点，不同的传输路径衰落特性不一样。多径 信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展。 信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展。角 度扩展给出信号的主要能量的角度范围，产生空间选择 给出信号的主要能量的角度范围， 给出信号的主要能量的角度范围 性衰落。 。
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小尺度衰落和多径效应
小尺度衰落产生的损耗 慢衰落（阴影衰落）损耗 快衰落（多径衰落）损耗
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小尺度衰落和多径效应
慢衰落（阴影衰落）损耗 它是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻 挡所产生的阴影效应而产生的损耗。 挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围 内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗， 内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其 变化率较慢故又称为慢衰落， 变化率较慢故又称为慢衰落，由于慢衰落表示接收信号 的长期变化，所以又称长期衰落（ 的长期变化，所以又称长期衰落（long-term-fading）。 ）。 慢衰落符合对数正态分布
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小尺度衰落和多径效应
对数正态分布 由于建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的衰落，在 时域上表现为慢速扰动，即称长期衰落（long-term fading）。近似服从对数正态分布，其概率密度函数 为
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பைடு நூலகம்
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小尺度衰落和多径效应
频率选择性衰落 如果在时变多径信道上发射端发射的是一个时间宽度 极窄的脉冲信号（理想情况下为一个冲激）， ），经过多径 极窄的脉冲信号（理想情况下为一个冲激），经过多径 信道后，由于各信道时延的不同， 信道后，由于各信道时延的不同，接收端接收到的信号 表现为一串脉冲，即接收信号的波形比原脉冲展宽了。 表现为一串脉冲，即接收信号的波形比原脉冲展宽了。 这种由于信道时延引起的信号波形的展宽称为时延扩展。 这种由于信道时延引起的信号波形的展宽称为时延扩展。 时延扩展产生频率选择性衰落。 。
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大尺度路径损耗
路径传播损耗 又称衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映 了传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收 信号电平平均值的变化趋势。
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大尺度路径损耗
五种基本传播机制 直射波（自由空间传播） 反射波 绕射波 散射波 透射波
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五种传播机制
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五种传播机制
1、直射波：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射 ：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播， 波传播的信号最强。 波传播的信号最强。 2、多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到 ： 达接收点的传播信号，其信号强度次之。 达接收点的传播信号，其信号强度次之。 3、绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点 ： 的传播信号，其强度与反射波相当。 的传播信号，其强度与反射波相当。 4、散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的漫 ： 反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。 反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。 5、透射波：当射线到达两种不同介质界面时，有一部 当射线到达两种不同介质界面时， 当射线到达两种不同介质界面时 分能量透射到第二种介质中。 分能量透射到第二种介质中。 透射会使场强产生急剧衰 减。
小尺度衰落和多径效应
链路余量 在使用无线传播模型之前， 在使用无线传播模型之前，需要考虑对所允许的最大路 径损耗进行余量预留， 径损耗进行余量预留，以补偿无线传播模型抽象过程中 未考虑的一些情况。 未考虑的一些情况。
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无线信道的特性
时延扩展 频域扩展
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无线信道的特性
时延扩展——信道的时间弥散性（Time dispersion）
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小尺度衰落和多径效应
快衰落（多径衰落）损耗 它主要由于多径传播而产生的衰落， 它主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围 有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输， 有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使 到达的信号之间相互叠加， 到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度和相位随移 动台的运动表现为快速的起伏变化， 动台的运动表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围 内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗， 内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其 变化率比慢衰落快，故称它为快衰落， 变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示 接收信号的短期变化，所以又称短期衰落(short-term 接收信号的短期变化，所以又称短期衰落 fading）。 ）。
小尺度衰落和多径效应
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
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小尺度衰落和多径效应
多普勒频移
1 ∆ϕ v fd = = cos θ 2π ∆t λ
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小尺度衰落和多径效应
小尺度多径传播表现为： 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机 频率调制。 多样传播时延引起的扩展(回音)。