移动通信技术ch2.

1、2Mobile Communication Theory目录目录概述概述1自由空间的电波传输自由空间的电波传输234563Mobile Communication Theory基站天线、移基站天线、移动用户天线和动用户天线和两付天线之间两付天线之间的传播路径的传播路径传播损耗和传播损耗和弥散弥散阴影衰落阴影衰落多径衰落多径衰落多普勒频移多普勒频移直射、反射、直射、反射、绕射和散射以绕射和散射以及它们的合成及它们的合成复杂的无线复杂的无线电波传播环电波传播环境境移动通信移动通信信道信道衰落的衰落的原因原因无线电无线电波传播波传播方式方式衰落的衰落的表现表现移动信道的移动信道的基本特性基本特性 衰

2、落特性衰落特性4Mobile Communication Theoryv 大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落5Mobile Communication Theoryv衰落特性的算式描述衰落特性的算式描述式中，r(t)表示信道的衰落因子；m(t)表示尺度衰落；r0(t)表示小尺度衰落。( (t t) )r rmm( (t t) )r r( (t t) )0 0大尺度衰落小尺度衰落6Mobile Communication Theory基本方法基本方法理论分析方法理论分析方法（如射线跟踪法）现场测试方法现场测试方法（如冲激响应法） 应用成果应用成果传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础

3、考虑问题考虑问题衰落的物理机制功率的路径损耗接收信号的变化和分布特性7Mobile Communication Theory传播传播损耗损耗接收接收功率功率传播传播损耗损耗接收接收换算换算ttrrGPdAP24自由空间自由空间电波传播电波传播分贝表示分贝表示 dfLlog20log2045.32() 10log ()rrP dBmP mW() 10log ( )rrP dBWP W8Mobile Communication Theory 反射反射散射散射绕射绕射9Mobile Communication Theory10Mobile Communication Theory 020cosz z

4、zRsinsin20cosz11Mobile Communication Theory 12Mobile Communication Theory 2tr2tr.Ae)R1(Re1GGd4PP 2tr2trRe1GGd4PP 直射波反射波地表面波可忽略可忽略地面二次效应 l2 ()lACCBAB 2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PP 13Mobile Communication Theory惠更斯菲涅尔惠更斯菲涅尔原理原理菲涅尔区菲涅尔区基尔霍夫公式基尔霍夫公式14Mobile Communication TheoryTP R15Mobile Communication The

5、ory1212nn d drddsEn14jkrjkrsRssEeeEEdsnrrn16Mobile Communication Theory粗糙表面，反射能量于所有方向粗糙表面，反射能量于所有方向表面光滑度的判定表面光滑度的判定粗糙表面下的反射场强粗糙表面下的反射场强17Mobile Communication Theory10( , )10ml rr10log ( , )10logl rmr18Mobile Communication Theory19Mobile Communication Theory2.5.1 多径衰落的基本特性20Mobile Communication Theor

6、y2.5.1 多径衰落的基本特性21Mobile Communication Theorycosvfdmfv22Mobile Communication Theory23Mobile Communication Theory24Mobile Communication Theory25Mobile Communication Theory传输信号假设第i径的路径长度为xi、衰落系数（或反射系数）为接收信号式中，c为光速； 为波长。又因为 所以 式中 为时延。 实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时 延都不同的各个路径的总和。 ( )Re( )exp( 2)cx ts tjf t( )R

7、eexp2Reexp2iiiiiciiiiicixxxy ta x tas tjftcccxxa s tjf tcia( )Re( )exp( 2)cy tr tjf t ( )exp2exp2iiiiciiiixxr tajs tajfs tc iixc( )r t26Mobile Communication Theory 考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为路径的变化量输出复包络简化得 （）其中， 为最大多普勒频移。icosiixvt ( )exp2cosexp2exp2cosiiiiiiiiiiiixxxxr tajs tcxxvtvajj

8、ts tcc ( )exp2cosexp2cosexp2cos2exp22cosiiiiiiimiiiimiciiiiicimiixxvr tajts tcxajf ts tajf tfs ta s tjff t 在相位中不可忽略不可忽略数量级小可忽略可忽略mf27Mobile Communication Theory多径和多普勒效应对传输信号的影响 令 式中 代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟（实际迟延减去所有分量取平均的迟延），它随时间变化 在任何时刻t，随机相位 都可产生对 的影响，引起多径衰落。冲击响应 由（）式得 冲击响应 式中， 、 表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相

9、位 包含了在第i个增量延迟内一个多径分量所有的相移； 为单位冲击函数。如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离具有不变性，信道冲击响应可以简化为此冲击响应完全描述了信道特性，相位 服从 的均匀分布,( )22cosicimiciD itff tt ( )( )( )( , )ijtiiir tas tes th t( )( , )ijtiiih ta e 多径延迟影响多普勒效应影响i( )it( )r tiai( )it ( )( )ijtiiiha e i0,228Mobile Communication Theory功率延迟分布功率延迟分布PDP时间色散时间色散多普勒功率谱密度多普勒

10、功率谱密度DPSD角度谱角度谱PAP频率色散频率色散角度色散角度色散29Mobile Communication Theory30Mobile Communication Theory 1TPeT22kkkkkkkkkkaPaP 22E22222kkkkkkkkkkaPEaP 0dB -XdB 31Mobile Communication Theory( )0( )( )(1)jtir tx tre( )0( )(, )1( )jteir tHjtrex t ( , ) 1cos( )sin( )Atrtjrt ( )2tn( )(21)tn r 2 )(t ( )ix t 0( )r t (

11、, )cHjt 12( )cBt)(t)(t( ) t( ) t r1r1)(2tn )() 12(tn 32Mobile Communication Theory1222221122(, )(, )rrRfrrfrrrr 121 212120(, ),( ,)rRfr rrr p r r drdr2022(2)(, )1(2)mrJfff221()1(2)rff1( )r t2( )r t12fff 0()J mf0()0.5rf12f12cB33Mobile Communication Theory分类 不同频率分量的衰落 信号波形频率选择性衰落 不一致 失真失真非频率选择性衰落（平坦衰落

12、） 相关的 一致的 不失真不失真数字通信系统信号带宽小于信道相关带宽信号带宽小于信道相关带宽BsBc平坦衰落平坦衰落频选衰落频选衰落码间干扰码间干扰34Mobile Communication Theory35Mobile Communication Theory假设接收信号由N个经过多普勒频移的平面波合成， b为平均功率 表示在角度 内的入射功率， 表示接收天线增益，用 表示功率谱，则典型的多普勒功率谱 由图可见，由于多普勒效应，接收信号的功率谱展宽到 和 范围平坦的多普勒功率谱 dpd G d)(Gp)(GpbdffS fSmccmfffffffS22)(1)(mcff mcff fcfc

13、 + fmfc - fmS ( f )mffS21)(cmfff36Mobile Communication Theory=0.511cDmTff2022(2)(, )1 (2)mrJfff()( )RS fDfDB0f 20(0, )(2)rmJf 916cmTf37Mobile Communication Theory时间选择性衰落码元间隔大于信道相关时间码元间隔大于信道相关时间TsTc时选衰落时选衰落误码误码290.42316mcmTff38Mobile Communication Theory39Mobile Communication Theory200()( )( )pdpd 00

14、( )( )pdpd0,36040Mobile Communication Theory空选衰落空选衰落:天线空间距离大于相关距离天线空间距离大于相关距离Dc非空选衰落非空选衰落:天线空间距离远小于相关距离天线空间距离远小于相关距离Dc41Mobile Communication Theory42Mobile Communication Theory43Mobile Communication TheoryNnnnnctCEtT10)(cos)(NnncnztCEE10cosnnnt tsintTtcostTEcsccz 2z2s2s2cE2ETT = 0 zEn n csTT 2zEnn,

15、NnnnnstCEtT10)sin()(bxebxp2221)(2222221)()(),(csTTcscseTpTpTTp44Mobile Communication Theory 2c2sTTr cs1TTtg coscTrsinsTrcossin( ,)sincos( , )csrT TJrrr2222( , )(,)2rcsrp rp T TJe 2533. 12dr)r(rprER0meanr 222022220.4292222 drrERrEr222022220.4292222drrERrEr5 . 0)rr(Pm 777.1mr RrRpexpdrrpRr022)2(1)()(P

16、(R) mr图29 瑞利分布的概率分布密度 0222121)(22drrepr222222202221)(rrerdrerp45Mobile Communication Theory46Mobile Communication Theory47Mobile Communication Theory 222Alog10dBK dBK,0A 12A2 瑞利分布瑞利分布 莱斯分布莱斯分布 高斯分布高斯分布)0, 0()(2202)(222rAAIerrpAr222AK 48Mobile Communication TheoryNakagami-m分布222()var()Ermr122()E r 10

17、()mxmxedx1( )exp( )mmmsmsp smss 2sE s22rs 2222( )expexprrrrp rss2122( )exp( )mmmm rmrp rm2121KmK49Mobile Communication Theory依据 分类时间色散频率选择性衰落信道平坦衰落信道频率色散快衰落信道慢衰落信道是否考虑角度色散标量信道（时，频）矢量信道（时、频、空）50Mobile Communication Theory频率选择性衰落平坦衰落 原因信道具有恒定增益和相位的带宽范围小于发送信号带宽 时间色散 码间干扰信道具有恒定增益和相位的带宽范围大于发送信号带宽频谱特性不同频率

18、获得不同增益在接收端保持不变 条件 Bs Bc Ts Bs 10sT51Mobile Communication Theory快衰落慢衰落原因冲激响应变化快于基带信号变化信道冲激响应变化比不上基带信号变化条件TsTc BsBd TsBd52Mobile Communication Theory衰落深度衰落深度衰落速率衰落速率电平电平通过率通过率衰落持续时间衰落持续时间53Mobile Communication Theory 衰落率 信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数，即包络衰落的速率与与发射频率发射频率，移动台行进，移动台行进速度和方向速度和方向以及多径传播以及多径传播的的路径数

19、路径数有关有关平均衰落率平均衰落率衰落深度 信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值。31.85 102Af 54Mobile Communication Theory单位时间内信号包络以正斜率通过某一规定电平值R的平均次数意义 描述衰落次数的统计规律： 深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁表达式 式中 为信号包络r对时间的导函数平均电平通过率 由于电平通过率是随机变量，通常用平均电平通过率来描述。 对于瑞利分布可得 式中 fm为最大多谱勒频率， 其中信号平均功率 ， 为信号有效值 0rd)r,R(pr)R(Nr 22)(efRNmrmsRR2R 02222dr)r(pr)r(E 2

20、Rrms 55Mobile Communication Theory信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比v表达式v意义 描述了衰落次数的统计规律v平均衰落持续时间 衰落是随机发生的，只能给出平均衰落持续时间 对于瑞利衰落，可得 RRNRrP )1e(f212mR 56Mobile Communication Theory 负斜率 T 正斜率 t1 t2 t3 t4 1 2 3 4 R TRn/4)( 414/)(itRt T 0 图图211 电平通过率和平均衰落持续时间电平通过率和平均衰落持续时间57Mobile Communication Theory58Mobil

21、e Communication TheoryClarke信道模型 说明了基于散射时移动台接收信号的场强的统计特性： 包络服从瑞利分布，相位服从（ 0，2的均匀分布环境假设环境假设 有一台具有垂直极化的固定发射机，入射到移动天线的电磁场由有一台具有垂直极化的固定发射机，入射到移动天线的电磁场由N个具有个具有任意载频相位、入射方位角和相等的平均幅度任意载频相位、入射方位角和相等的平均幅度的平面波组的平面波组成成推导推导统计特性统计特性Jakes仿真 模拟均匀介质散射环境中平坦衰落信道的复低通包络。方法方法 用有限个（10个）低频振荡器近似构建一种可分析模型推导推导接收波形表达式及仿真模型接收波形表

22、达式及仿真模型59Mobile Communication Theoryn图图215 入射角到达平面示意图入射角到达平面示意图 cosnnvf01cos(2)NzncnnEECf t01sincos(2)NxnncnnEHCf t 01coscos(2)NynncnnEHCf t nC0E3372nnnf t211NnnC60Mobile Communication Theory(0,2 2nnnf t()cos(2)sin(2)zccscET tftTft01( )cos(2)NcnnnnT tECf t01( )sin(2)NsnnnnT tECf t,2z2s2s2cE2ETT 22(

23、)( )( )zcsETtTtr t202E222222202221)(rrerdrerp61Mobile Communication Theory1( )2cos(cos)( )cos( )sinNncmnnnccscR tCttXttXtt01( )cos()NDncnnnRtECtt1( )2cos(cos)NcnmnnnX tCt1( )2sin(cos)NsnmnnnXtCt 2nnN2112nnCpddNcosnmn122( )cos(cos)NcmnnR tttnNNn(0,2 ()DR t(0,2 Nd22( n = 1,2,. .,N ) nnNNCNCnn1,1262Mob

24、ile Communication Theory图图2-12 Jakes仿真器模型仿真器模型 nCnn63Mobile Communication Theory64Mobile Communication TheoryHata模型模型CCIR模型模型LEE模型模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型模型65Mobile Communication TheoryterraincellteretecpCCdhhhfdBLloglog55. 69 .44log82.13log16.2655.69cftehreh rehMHzfhMHzfhfhfhcrecrecrecre30097

25、. 475.11log2 . 33001 . 154. 1log29. 8大城市、郊区、乡城8 . 0log56. 17 . 0log11. 1中小城市22cellC乡村98.40log33.18log78.4郊区4.528log2城市022ccccellfffCterrainCd66Mobile Communication TheoryMterraincellteretecCCCdhhhfdBLloglog55. 69 .44log82.13log9 .333 .4650MC市中心大城3中等城市和郊区0dBdBCM67Mobile Communication TheoryBdhhhfdBLt

26、eretecloglog55. 69 .44log82.13log16.2655.6950百分比被建筑物覆盖的区域的log2530 B68Mobile Communication Theory69Mobile Communication Theory70Mobile Communication Theory)(log2011dBhhG 1h1h11hh 11hh GG011001loglog20logffnhhrrPPrr公里1英里或1:0rMHzf8500003020ffffn71Mobile Communication Theory 0001loglogffnLrrPPrr vL1r2rp

27、h21112rrhvpphv50.F phv500.F 2r1rphvLr 100 1062050201 vv.logLr 015.0log2095.02 veLvr 14 .238.01 .01184.04 .0log2023 vvLr4 . 2225. 0log204 vvLr图214 山坡等地形阻挡物引起的衍射损耗72Mobile Communication Theory水面反射水面反射204dPpRtPtGmG010ttmPPGG73Mobile Communication TheoryBtAlosLhdLdBL,tAloshdL,thAdtAloshdL,fAfAffAAtAlosD

28、dDdDDddhdLlog4log20自由空间由空间传播(4log20, rtfhhD474Mobile Communication TheoryBL(dA)A建筑物abc(dA)B = a+b+c75Mobile Communication TheoryfdLlog20log266 .42210LLLL111log20log10log109 .16LhhfwLmRbfkdkkLLfdalog9loglog21276Mobile Communication TheoryCOST 231 Walfisch-Ikegami模型各参数意义111log20log10log109 .16LhhfwLmR

29、bfkdkkLLfdalog9loglog212 9055551114.04553535075.05 .23503571.01011LRBRBRBhhhhhhL, 0,1log1821kmdhhhhdkmdhhhhhhkRBRBRBRBRBa5 . 0并且,4 . 0545 . 0并且,8 . 054,54RBRRBRBdhhhhhhhk,1518,18大城市,19255 . 1中等城市和郊区,19257 . 04ffkf77Mobile Communication Theory12378Mobile Communication Theory适用范围适用范围传播模型传播模型宏蜂窝（宏蜂窝（1k

30、m）微蜂窝（微蜂窝（1km）频率（频率（MHz）天线高度天线高度（m）城区城区/郊区郊区/乡乡村村HataOkumura-Hata宏蜂窝宏蜂窝1501500基站：基站：30200移动台：移动台：110城区、郊区、乡城区、郊区、乡村村 COST-231 Hata宏蜂窝宏蜂窝1500 2000基站：基站：30200移移动台：动台：110城区、郊区、乡城区、郊区、乡村村 CCIR宏蜂窝宏蜂窝150 2000基站：基站：30200移移动台：动台：110城区、郊区城区、郊区LEE宏蜂窝宏蜂窝450 2000城区、郊区、乡城区、郊区、乡村村 微蜂窝微蜂窝分分LOS和和NLOS450 2000城区、郊区城区

31、、郊区WIM0.025km分分LOS和和NLOS800 2000基站：基站：450移动台：移动台：13 城区、郊区城区、郊区79Mobile Communication Theory fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空间间传传播播损损耗耗） 宏蜂窝模型宏蜂窝模型d5 d55 有实测数据并得到LEE模型参数和距离衰减因子d1 微蜂窝模型微蜂窝模型有实测数据 LEE模型WIM模型LEE模型WIM模型CCIR模型 fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空间间传传播播损损耗耗）Hata

32、模型 fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空间间传传播播损损耗耗）80Mobile Communication Theory81Mobile Communication Theory82Mobile Communication Theory对数距离路径损耗模型Ericsson多重断点模型dBdBXdddPLPL0100log10图图2.17 多重断点室内路径损耗模型多重断点室内路径损耗模型 83Mobile Communication TheoryMFSF dBSFdBdBFAFdddPLdPL00lg10 00lg10dddPLdPL

33、MFdBdB dBdBdBFAFaddddPLdPL00lg2084Mobile Communication Theory目的 使传播模型适应新的无线传播环境步骤数据准备 设计方案，进行车载路测，并记录收集本地的测试信号的场强数据。路测数据后处理 对车载测试数据进行后处理，得到可用于传播模型校正的本地路径损耗数据。模型校正 根据后处理得到的路径损耗数据，校正原有的传播模型中各个数的系数，使模型的预测值和实测值的误差最小举例说明85Mobile Communication Theory 图2.18 传播模型校正的步骤 实测导频实测导频路径损耗数据路径损耗数据传播模型校正传播模型校正原始传播模型：

34、原始传播模型：系数地物修正系数地物修正校正后传播模型系数校正后传播模型系数(变化变化)地物修正（变化）地物修正（变化）电子地图电子地图基站基站/扇区扇区/天线数据天线数据车载测试车载测试测试数据测试数据GPS调整调整第一步：第一步：数据准备数据准备第二步：第二步：数据后处理数据后处理第三步：传播模型校正第三步：传播模型校正86Mobile Communication Theory 电子地图包括地形高度、地物信息等对电波传播有影响的包括地形高度、地物信息等对电波传播有影响的地理信息地理信息用于确定测试路径，是进行传播模型校正的必备用于确定测试路径，是进行传播模型校正的必备工具工具基站数据 如果路

35、径损耗的采集采取的是现网路测的方 法，还需要得到现网基站数据和天线数据基站数据用于锁定导频基站数据用于锁定导频PN和导频污染分析和导频污染分析天线增益和高度等信息用于路径损耗计算天线增益和高度等信息用于路径损耗计算 87Mobile Communication Theory类型CW测试测试 在典型区域架设发射天线，发射单载波信号，然后在预先设定的路线上在典型区域架设发射天线，发射单载波信号，然后在预先设定的路线上进行车载测试，接收并记录各处的信号场强进行车载测试，接收并记录各处的信号场强 适用于为适用于为网络优化网络优化提供场强预测提供场强预测现网测试现网测试 在已经运营的在已经运营的CDMA

36、网络中，通过车载测试手机收集接收并记录各个基网络中，通过车载测试手机收集接收并记录各个基站导频信号功率数据站导频信号功率数据 适用于为适用于为网络规划网络规划提供较准确的传播预测提供较准确的传播预测测试标准 为了平均快衰落，得到本地接收信号均值的准确估计，对路测车速和设备采样数据具有严格要求 记测试标准C 车速 (m/s)、前台测试设备的采样速率R (个/s)和测试标准C的关系CRv,CvR 或或米米个个米米个个个个接接收收功功率率瞬瞬时时测测量量值值/.65314504050 88Mobile Communication Theory 步骤解析解析数据，得到本地导频接收功率数据，得到本地导频接收功率根据参数根据参数计算计算路径损耗路径损耗对路径损耗实测值进行对路径损耗实测值进行筛