第2章 移动通信信道

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第2章 移动通信信道
移动多径信道参数
相干带宽 相干带宽Bc表示一特定频率范围，在该范围内，两个频 率分量有很强的幅度相关性。 当两个频率分量的频率相隔小于相干带宽Bc时，它们具 有很强的幅度相关性；反之，当两个频率分量的频率相隔 大于相干带宽Bc时，它们幅度相关性很小。 相干带宽Bc可以由均方根时延扩展 来定义。如果相干 带宽定义为频率相关函数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽 约为： 1
图 2-3 在路径损耗、阴影效应和多径传播与距离的关系 25
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2.2 衰落
2.2.1 大尺度衰落 2.2.2 小尺度衰落
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第2章 移动通信信道
2.2.2 小尺度衰落
小尺度衰落是指无线电信号在短时间或短距离传 播后其幅度、相位或多径时延快速变化，以至于大尺 度路径损耗的影响可以忽略不计。 1．影响小尺度衰落的因素
第2章 移动通信信道
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2.1
2.2 2.3
移动信道基本特性 衰落
噪声和干扰
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2.1 移动信道基本特性
2.1.1 移动通信信道的主要特点
2.1.2 电波传播方式
2.1.3 接收信号中的四种效应
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第2章 移动通信信道
2.1.1 移动通信信道的主要特点
L50 (urban) 69.55 26.16 lg( f c ) 13.82 lg( hb ) (hm ) (44.9 6.55 lg( hb )) lg( d ) K
式中， Ｌ50为市区路径平均损耗(dB); d为移动台和基站间的距离 (km); fc为载波频率(MHz); hb和hm分别为基站和移动台天线有效高度; α(hm)为移动台天线高度修正因子; K为使用地区环境修正因子(dB)。
0dB 对于中等城市和郊区 CM 3dB 对于市中心繁华区
③ 对于其它地形，修正因子与Hata模型相同
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第2章 移动通信信道
2.2.1 大尺度衰落
2．阴影衰落
在路径损耗模型中一般认为对于相同的收发距离，路径
损耗也是相同的。然而实际情况是，与同一发射机等距离但 位于不同地理位臵上的接收机，由于传播路径所经过的地理
哈塔模型的COST231扩展
是欧洲科技合作组织将哈塔模型扩展到2GHz，以便适合PCS 系统。
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路径损耗
（1）Hata模型 由于使用Okumura模型，需要查找其给出的各种曲线，
不利于计算机预测。 Hata将Okumura模型中的经验曲线
与图表提炼成更加便于工程上使用的经验公式，即Hata 模型 。 Hata在提出这个模型时作了下列三点假设，以求简化：
1．路径损耗
大多数移动通信系统运行在复杂的传播环境中，路径损 耗除了受频率、距离等确定因素的影响，还会受到地形、地 貌、建筑物分布及街道分布等不确定因素的影响。这里我们 主要介绍在工程上普遍应用的电波传播损耗预测模型。
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第2章 移动通信信道
路径损耗
电波传播损耗预测模型是基于大量实测数据而得到的经验模型， 常用的模型包括： 奥村模型（Okumura Model）
4. 多普勒效应
由于用户处于高速移动中，从而引起传播频率的扩散，由
此引起的附加频移称为多普勒频移（多普勒扩散）。 这一现象 只产生在大于等于70Km/h时，而对于慢速移动的步行和准静
态的室内通信则不予考虑。
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第2章 移动通信信道
2.1.3 接收信号中的四种效应
当移动台以恒定速率v在长度 为d、端点为X和Y的路径上运 动时，受到自远方S点发出的 信号，如图所示。
Bc 50
如果将定义放宽至相关函数值大于0.5，则相干带宽约为：
Bc 1 5
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第2章 移动通信信道
移动多径信道参数
（2）多普勒扩展和相干时间
当发送端和接收端有相对运动的时候，信号便有多普勒
1．传播的开放性
这区别于有线信道，有线信道中，电磁波被限定在导线内，
而移动通信的信道是一个开放的空间。
2．接收环境的复杂性
是指接收点地理环境的复杂性与多样性。可将接收点地理环 境划分为三种典型区域: 高楼林立的城市繁华区; 以一般性建筑物为主体的近郊区; 以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。
是城市宏小区中信号预测最常用的模型之一，其适用的距离范 围是1Km～100Km、频率范围是150MHz～1500MHz，该模型 除了公式外，还包括一些经验曲线和图表。
哈塔模型（Hata Model）
将奥村模型中的经验曲线与图表拟合成更加便于工程上使用的 经验公式，其适用的频率范围也基本是150MHz～1500MHz。
2．反射波
当障碍物的尺寸大于电磁波的波长时，电磁波就会在障 碍物的前方发生反射。
3．绕射波
也称衍射波，电磁波绕过障碍物，在障碍物后方形成场 强。
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第2章 移动通信信道
2.1.2 电波传播方式
4．散射波
当电磁波遇到粗糙的表面时，反射能量会散布于所有方向, 这样就形成了散射波。
型扩展至2GHz频段。所以该模型称为Hata模型扩展。
① 适用条件 频率范围： 1500～2000 MHz; 基站的天线有效高度hb ：30～200 m; 移动台天线高度hm ：1~10m； 覆盖距离：1～20 km。
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Hata模型扩展
② 传播损耗公式
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Hata模型
③ 对于其它地形，相应的修正因子K 讨论如下： 市区
K 0 郊区校正因子
K mr 2(lg( f / 28))2 5.4
开阔地校正因子（农村地区）
Qo 4.78[lg f ]2 18.33lg f 40.94
S
无线电波从源点S出发，在X点 和Y点分别被移动台接收时所 走的路程差为
Δxi＝ dcosθi ＝ v Δt cosθi
由于源端点距离很远，可假设 在X点和Y点处的θi 是相同的， 所以，由路程差造成的接收信 号相位变化值为
2xi


2 vt

cos i
θi
X
由此可得出频率变化值，即多 普勒频移fd为
1 v cos i 2 t v 最大多普勒移： f m fd
d
Y

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<例题> 若载波频率fc=900MHz。移动台
速度v =100km/h，求最大多普勒频移
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2.1
2.2 2.3
移动信道基本特性 衰落
噪声和干扰
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作为两个全向天线之间的传播损耗处理； 作为准平滑地形而不是不规则地形处理； 以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校 正公式进行修正。
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第2章 移动通信信道
Hata模型
① 适用条件 频率范围：150~1500MHz； 基站天线有效高度hb ：30~200m； 移动台天线高度hm ：1~10m； 覆盖距离：1~20km。 ② 传播损耗公式
LT 城 46.3 33.9lg f 13.82lg hb a( hm ) (44.9 6.55lg hb )lg d C M
ＬT城为市区路径平均损耗(dB); d为移动台和基站间的距离
(km); f为载波频率(MHz); hb和hm分别为基站和移动台天线有
效高度; α(hm)为移动台天线高度修正因子; CM为使用地区环 境修正因子(dB)。
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2.2 衰落
2.2.1 大尺度衰落 2.2.2 小尺度衰落
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无线信道的传播模型可分为大尺度传播 模型和小尺度传播模型两种
• 大尺度传播模型主要用来描述发射机和接收机 之间长距离（几百或几千米）上的信号强度变化。 • 小尺度传播模型主要用来描述短距离（波长级） 或短时间（秒级）内接收信号的强度变化。
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第2章 移动通信信道
2.2.1 大尺度衰落
在大尺度模型中，一般主要关注由路径损耗（Path loss） 和阴影（shadowing）效应所引起的接收信号功率随距离变 化的规律。路径损耗引起长距离（100~1000米）接收信号功 率的变化，而阴影效应引起障碍物尺度距离上（室外环境是 10~100米，室内更小）接收信号功率的变化。
3．通信用户的随机移动性
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2.1 移动信道基本特性
2.1.1 移动通信信道的主要特点
2.1.2 电波传播方式
2.1.3 接收信号中的四种效应
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第2章 移动通信信道
2.1.2 电波传播方式
一般可归纳为以下波四种基本传播方式：
1．直射波
即没有障碍物的情况下，电磁波在视距范围内直接由基站 到达手机。
环境不同，使得其接收到的信号强度有很大的差异。
通过路径损耗模型所计算的数值是所有可能路径所造成 功率损耗的一个平均值或中间值，接收机实测值与路径损耗 模型预测值之间的偏差则是由阴影衰落引起。
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第2章 移动通信信道
阴影衰落
发射机和接收机之间的障碍物会引起阴影衰落，这些障碍 物通过吸收、反射、散射和绕射等方式使给定距离处接收信号 发生随机衰减。造成信号随机衰减的因素，包括障碍物的位臵、 大小和介电特性及反射面和散射体的情况一般都是未知的，因 此只能用统计模型来表征这种随机衰减。
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<例题> 设基站天线高度为40m，发射频 率为900MHz，移动台天线高度为2m， 通信距离为15km，利用哈塔模型分别求 出城市、郊区和乡村的路径损耗。
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第2章 移动通信信道
ຫໍສະໝຸດ Baidu路径损耗
（2）Hata模型扩展 欧洲科学技术研究协会（EURO-COST）组成cost231工作组开发Hata模型对PCS的扩展，提出将Hata模
散射
直射 反射
绕射
图 2-1 移动信道电波传播类型示意图 7
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2.1 移动信道基本特性
2.1.1 移动通信信道的主要特点
2.1.2 电波传播方式
2.1.3 接收信号中的四种效应
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第2章 移动通信信道
2.1.3 接收信号中的四种效应
1. 阴影效应
当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物等障碍物 的阻挡时，在障碍物的后面产生传播半盲区。
2. 远近效应
由于移动用户距离基站有远有近，这样近处的用户信号 就会对远处的用户信号产生抑制。
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第2章 移动通信信道
2.1.3 接收信号中的四种效应
3. 多径效应
由于用户所处位臵的复杂性，到达移动台天线的信号不是 由单一路径来的，而是包含多条路径。不同路径的信号，它们 到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。 所接收的信号是上述各路信号的矢量和。
(3) 信号的传输带宽 频率选择性衰落和时间选择性衰落在信道中可以同时
存在，至于哪种衰落更明显，则取决于信号的带宽和符 号周期。
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第2章 移动通信信道
2.2.2 小尺度衰落
2．移动多径信道参数
（1） 时延扩展和相干带宽
时延扩展： 由于多径效应的存在，基站发送一个脉冲信号，则接收 信号中不仅含有该信号，还包含有它的各个时延信号。这 种由于多径效应使接收信号脉冲宽度扩展的现象，称为时 延扩展。 时延扩展是用来描述在时域上，由多径传播所造成的信号 波形扩散效应。 常用的时延扩展参数包括： 平均附加时延、均方根时延扩展、附加时延扩展。
无线信道中的许多物理因素都会影响小尺度衰落， 包 括： (1) 多径效应。多径效应使得各条路径信号到达 接收机时有不同的相位、幅度及时延，从而引起时域 的时延扩展，在频域产生频率选择性衰落。
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第2章 移动通信信道
影响小尺度衰落的因素
(2) 多普勒效应
多普勒效应是与物体运动有关的，物体的运动包括基 站和移动台的相对运动以及无线信道中环境物体的运动。 由于移动台或环境物体的高速运动在频移会引起多普 勒频移，在相应的时域产生时间选择性衰落。