移动通信原西安交大版本课件

1、第2章移动信道AbisA接口接口MSBSSOMC-R操作维护中心操作维护中心BSC基站基站控制器控制器MSC移动交换中心移动交换中心BTS基站基站收发信机收发信机BTS基站基站收发信机收发信机BTS基站基站收发信机收发信机MSMSUm通过本章学习，着重解决以下问题：通过本章学习，着重解决以下问题：n大尺度传播特性n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n小尺度传播特性n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n统计特性、主要参数n建模与仿真第2章移动信道对移动信道对移动信道有一个全面有一个全面深入的理解深入的理解本次课教学目的：本

2、次课教学目的：n理解移动通信的电波传播特性 n掌握移动信道的衰落特性 n掌握多径衰落特性第2章移动信道概述（1）n为何要研究传播特性为何要研究传播特性 n发射机与接收机之间的传播路径非常复杂n接收天线将接收从多条路径传来的信号接收天线将接收从多条路径传来的信号n移动台的运动移动台的运动n周围环境的变化周围环境的变化n传播特性直接关系到以下因素n天线高度的确定天线高度的确定n预测信号的覆盖范围预测信号的覆盖范围n为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术n概述（2）n研究传播特性的基本方法研究传播特性的基本方法 n理论分析 即用电磁场理论或统计理论分析电波在

3、移动环境中的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。传播特性，并用各种模型来描述移动信道。n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包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。数。n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。移动环境。该方法可弥补前两种方法的不足。 概述（3）n一般的三级模型一般的三级模型 n路径损耗n长程范围内平

4、均信号电平n取决于发射机与接收机之间的距离n阴影n短程范围内平均信号电平n在50 100波长距离内平均得到n由地形或人造障碍引起n多径衰落n来自不同方向不同长度路径信号引起的干扰n信号包络在几个波长间距内的变化幅度可达30dBn据信道特性参数随时间变化的快慢，通常据信道特性参数随时间变化的快慢，通常又分为：又分为： n恒参信道：传输特性随时间变化速度极慢，或者说在足够长的时间内，其参数基本不变。n变参信道：传输特性随时间的变化较快。 2.1 电波传播特性n2.1.1 2.1.1 无线电波的传播机制无线电波的传播机制 n自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight) (li

5、ne-of-sight)n存在阻挡物（多条路径）:n反射：反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反射射n绕射：绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，会发生绕射阻挡时，会发生绕射n散射：散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位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。体积内阻挡体的个数非常巨大时，会发生散射。2.1 电波传播特性n自由空间传播模型自由空间传播模型 n自由空间n均匀无损耗的无限大空间。均匀无损耗的无限大空间。n各向同性。各向

6、同性。n电导率为电导率为0 0，相对介电常数和相对磁导率为，相对介电常数和相对磁导率为1 1。n传播损耗n本质：本质：球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电波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。能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗。n接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率的很小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部分 。2.1.2 直射波自由空间传播模型 n模型适用范围模型适用范围n接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径LOS LOS 。n仅当视距大于发射天线远场距离时适用。仅当视距

7、大于发射天线远场距离时适用。n远场距离df = 2D2 / （D为天线的最大物理线性尺寸）n距发射机距发射机d d处天线的接收功率处天线的接收功率n数学表达式（ Friis公式）LdGGPdPrttr222)4()(（2.1） 其中，其中，L L是与传播无关的系统损耗因子；是与传播无关的系统损耗因子；为波长。为波长。自由空间传播模型n自由空间传播模型自由空间传播模型 n距发射机d处天线的接收功率n物理意义物理意义 与与d d2 2成反比成反比距离越远，衰减越大。距离越远，衰减越大。 与与2 2成正比（与成正比（与f f2 2成反比）成反比）频率越高，衰减越大。频率越高，衰减越大。 综合损耗综合

8、损耗L(L=1)L(L=1)通常归因于传输线衰减、滤波损耗和通常归因于传输线衰减、滤波损耗和 天线损耗，天线损耗，L L1 1则表明系统硬件中无损耗。则表明系统硬件中无损耗。自由空间传播模型n自由空间传播模型自由空间传播模型 n路径损耗n表示信号衰减，单位为dB的正值。n为有效发射功率和接收功率之间的差值，如下表示：)4(log10log10log10log10)(222dGGPPPPdBPLrtrtrt2.1.3 大气中的电波传播1 1、大气折射、大气折射 n低层大气并不是均匀介质折射与吸收n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。n实际半径是6370km,等效地球半

9、径为8500km。2.1.3 大气中的电波传播2 2、视线传播极限距离、视线传播极限距离 12etdR h22erdR h122etrdddRhh4.12trdhh2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗n绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后面。后面。n绕射可用惠更斯原理解释绕射可用惠更斯原理解释n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波前。n当电波到达阻挡物的边缘时，由次级波的传播进入阴影区。nx x表示障碍物顶点至直射线的距离，称为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，无菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为

10、负，无阻挡时余隙为正。阻挡时余隙为正。 n菲涅尔区菲涅尔区n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n/2n/2的连续区域（即图中的圆环）。的连续区域（即图中的圆环）。n菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为/2/2，则两条路径的则两条路径的相位差为相位差为 。n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加和减小合成信号的作用。 n第第n n个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示:

11、 :2121ddddnrn2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗nx/r1x/r10.50.5时附加损耗为时附加损耗为0dB0dB。nX0X0时损耗急剧增加。时损耗急剧增加。nX=0X=0时时TRTR射线从障碍物射线从障碍物顶点擦过，损耗为顶点擦过，损耗为6dB6dBn在选择天线高度时，根在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔区余隙内各处的菲涅尔区余隙x/r1x/r10.50.52.1.5 反射波n反射波：反射波：2.1.5 反射波（2 2）地面反射模型（双线或两径传播模型）：）地面反射模型（双线或两径传播模型）： 视距和地面反

12、射的路径差为： 2222 )()(dhhdhhddrtrt当TR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： dhhddrt2 2.1.5 反射波接收功率为：接收功率为： )log20log20loglog10(log40422trrtrtrttrhhGGddhhGGPpl适用条件：适用条件：l当距离很大时，接收功率随距离成当距离很大时，接收功率随距离成4 4次方衰减。次方衰减。l对较大的对较大的d d值，接收功率和路径损耗与频率无关。值，接收功率和路径损耗与频率无关。rthhd 2.1.6 散射n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

13、面时，发生散射作用，这就给接收机提供了额外的能量。n预测接收点的信号场强是研究传播模型的主要目的，通过以上的学习，同学们可以对预测接收点的信号场强有定性（非定量）的分析。2.2 移动信道的衰落特性2.2.1 2.2.1 概述概述移动信信道的时变特性移动信信道的时变特性 n自由空间传播损耗与弥散自由空间传播损耗与弥散n阴影衰落阴影衰落n系统设计n多径衰落多径衰落n抗衰落技术( )( )( )nP ddS dR dn阴影衰落：阴影衰落：起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）的阻挡，移动台通过阴影区时会引起阴影衰落n特点:长期衰落（大尺度衰落）, 与无线电传播地形和地物的分布、高度有关n慢衰落的衰落速

14、率与频率无关慢衰落的衰落速率与频率无关，这一点与快衰落，这一点与快衰落不同不同 n慢衰落的深度，取决于信号频率与障碍物的状况。慢衰落的深度，取决于信号频率与障碍物的状况。 2.2.1 2.2.1 移动信道的移动信道的衰落特性衰落特性n慢衰落的局部均值近似服从对数正态分布。n其标准偏差郊区比市区大；且随着工作频率的升高而增大。2.2.1 移动信道的衰落特性移动信道的衰落特性n多普勒频移多普勒频移 n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。n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。n数学推导cos22tvlcos21vtfd2.2.2 2

15、.2.2 移动信道的移动信道的衰落特性衰落特性2.2.3 衰落信号幅度的特征量 n工程实用中，常常用一些特征量表示衰落信号的幅度工程实用中，常常用一些特征量表示衰落信号的幅度特点。特点。n衰落率：信号包络在单位时间内以正斜率通过中信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。值电平的次数。n电平通过率：信号包络在单位时间内以正斜率通信号包络在单位时间内以正斜率通过某规定电平过某规定电平R R的平均次数。的平均次数。n衰落持续时间：信号包络低于某个给定电平值的信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平值所对应的电平通过率之比概率与该电平值所对应的电平通过率之比。1、衰落率 n衰落率与发射频率、移

16、动台行进速度、衰落率与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播的路径数有关。方向及多径传播的路径数有关。n测试结果表明，当移动台的行进方向朝测试结果表明，当移动台的行进方向朝着或背着电波传播方向时，衰落最快。着或背着电波传播方向时，衰落最快。n衰落深度与衰落速率密切相关。衰落深度与衰落速率密切相关。n深度衰落发生的次数较少，浅度衰落发深度衰落发生的次数较少，浅度衰落发生得相当频繁。生得相当频繁。31.85 10()/2AvFvf Hz2、电平通过率 n衰减衰减20dB20dB概率为概率为1%1%，衰减，衰减30dB30dB和和40dB40dB的概率分别为的概率分别为0.1%0.1%和和0.01

17、%0.01%。3、衰落持续时间 n由于每次衰落的持续时间也是随机的，所以只能给出平均衰由于每次衰落的持续时间也是随机的，所以只能给出平均衰落持续时间。落持续时间。( (如上图如上图t tA A) )n接收信号电平低于接收机门限电平时，就可能造成语音中断接收信号电平低于接收机门限电平时，就可能造成语音中断或误比特率突然增大。或误比特率突然增大。n移动信道是移动信道是弥散弥散信道。信道。n多径传播是陆地移动通信的主要特征。多径传播是陆地移动通信的主要特征。近端区域对多径影响近端区域对多径影响大大n小尺度衰落小尺度衰落n成因成因：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

18、干涉所引起的。 n效应效应n短距或短时传播后信号强度的急速变化。n不同多径信号上，存在时变的多普勒频移。n多径传播时延引起的扩展（回音）。2.2.4 多径衰落下图示意了Rayleigh概率密度函数。相应的Rayleigh累积分布函数(CDF)如图所示。 2.2.4 多径衰落2.2.4多径衰落n电波通过移动信道后，信号在时域上、频域上和空电波通过移动信道后，信号在时域上、频域上和空间（角度）上都产生弥散，本来分开的波形在时间间（角度）上都产生弥散，本来分开的波形在时间上或频谱上或空间上会产生交叠，使信号产生衰落上或频谱上或空间上会产生交叠，使信号产生衰落失真。失真。 n当信号带宽大于相关带宽时就

19、会发生频率选择性衰落-相关频率。n多普勒效应会导致发送信号在传输过程中，信道特性发生变化，产生所谓的时间选择性衰落相干时间。 n空域上波束的角度扩散造成了同一时间、不同地点的信号衰落起伏不一样，即所谓的空间选择性相干距离。n时延扩展和相关频率、多普勒扩展和相关时间、角时延扩展和相关频率、多普勒扩展和相关时间、角度扩展和相干距离的度扩展和相干距离的关系？关系？ n功率时延分布（功率时延分布（PDPPDP，Power Delay ProfilePower Delay Profile）n描述信道在时间上的色散；n多普勒功率谱密度（多普勒功率谱密度（DPSDDPSD，Doppler Power Spr

20、ead Doppler Power Spread DensityDensity）：）：描述信道在频率上的色散；n功率角度谱（功率角度谱（PASPAS，Power Azimuth SpectrumPower Azimuth Spectrum）：）：描述信道在角度上的色散。2.3多径衰落（描述多径衰落信道的主要参数）2.3.1 时延扩展与相干带宽n时间色散时间色散( (Time Dispersion Parameters)Time Dispersion Parameters) n定义：因多径传播造成信号时间扩散的现象。n成因：发射信号经过不同路径到达接收点的时间各不相同。n例子说明，以发射单脉冲为

21、例。 时变多径信道响应示例 (a)N=3 (b)N=4 (c)N=52.3.1 时延扩展与相干带宽n时间色散时间色散( (Time Dispersion Parameters)Time Dispersion Parameters) n不同时间发送的脉冲信号经历不同时延情况如下 n描述时间色散的重要参数描述时间色散的重要参数n平均附加时延nrms时延扩展n最大附加时延(XdB)多径能量从初值衰落到低于最大能量处XdB的时延，即tx-t0kkkkkkkkkkPPaa)()(2222)(（其中（其中 ） kkkkkkkkkkPPaa)()(222221、时延扩展1、时延扩展n室内功率延时分布室内功率

22、延时分布n描述时间色散的重要参数描述时间色散的重要参数n多径时间色散参数典型值（450MHz 900MHz）如下表所示。由表可见：市区的时延要比郊区大市区的时延要比郊区大，也就是说，从多径时间色散考虑，市区传播条件更为恶劣。为了避免码间干扰，如无抗多径措施，则要求信号的传输速率必须比1/低得多。 1、时延扩展2、相干带宽n举例说明：双射线信道举例说明：双射线信道n双射线信道的等效网络框图n接收信号n双射线信道的等效传递函数)1)()(0jiaetXtYjicaetXtYtjH1)()(),(0第一射线信号：Xi(t)，第二射线信号：aXi(t)je2、相干带宽n举例说明：双射线信道举例说明：双

23、射线信道n双射线信道的幅频特性)cos(21sincos1),(2aajaatA 1+a1-aA( ,t)(2n+1)/ 2n/ 附加图附加图3 3 双射线信道的幅频特性双射线信道的幅频特性2、相干带宽n举例说明：双射线信道举例说明：双射线信道n双射线信道的信道的幅频特性由上图可知，两个谷点之间的频率差为：2120B或：可见：两相邻场强为最小的频率间隔，是与多径时延扩展成反比的。可见：两相邻场强为最小的频率间隔，是与多径时延扩展成反比的。例2.11cBn起因：起因：由时间色散引起。n定义：定义：指某一特定频率范围内，在该范围内，任两个频率分量有很强的幅度相关性，即所有频率分量几乎具有相同的增益

24、及线性相位。 n定量表达式定量表达式: :n如果相干带宽定义为频率相关系数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽近似为：n如果将定义放宽至相关函数值大于0.5，则相干带宽近似为：501cB51cB2、相干带宽2、相干带宽信号带宽远远小于相干带宽的情况如图所示，通过图的动态变化我们可以看出：1）在信号带宽范围内，各频在信号带宽范围内，各频点的幅度有基本相同的增益，点的幅度有基本相同的增益，也就是说，发送信号的频谱也就是说，发送信号的频谱基本保持不变；基本保持不变；2）信道的增益是随着时间变信道的增益是随着时间变化的，也就是接收端信号的化的，也就是接收端信号的功率是不断变化的，这种信功率是不断变化的，

25、这种信号忽大忽不小的变化就是衰号忽大忽不小的变化就是衰落。落。2、相干带宽所传输的信号带宽大于相干带宽,则所传输的信号将产生明显的畸变如图所示。通过图的动态变化，我们可以看出：1 1）在信号带宽范围内，对）在信号带宽范围内，对不同的频率成份有了不同的不同的频率成份有了不同的响应，也就是说对信号的频响应，也就是说对信号的频率具有了选择性，信号发生率具有了选择性，信号发生了失真；了失真；2 2）信道的总增益随时间变）信道的总增益随时间变化很小，接收信号的功率基化很小，接收信号的功率基本不变。本不变。 2.3.2 多普勒扩展和相干时间1 1、多普勒扩展、多普勒扩展 n描述信道频率色散的参数。n起因：由移动台与基站间的相对运动或是信道中物体运动引起的。n多普勒扩展n定义：定义：为一个频率范围 BD，在此范围内接收的多普勒谱有非0值。n含义：含义：多普勒扩展BD 是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。1/Tff1f21/Tff1f2FF发发：收收：n相干时间相干时间n定义：信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。n含义：在相干时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。 n与多普勒扩展的关系：是多普勒扩展在