移动通信课件(全)全书教学教程完整版电子教案最全幻灯片

1、移动通信第一章 移动通信概述 Mobile Communication Theory目录移动通信发展简述 1.1移动通信的特点 1.2移动通信的工作频段 1.3移动通信的工作方式1.4移动通信的分类及应用系统1.3移动通信的发展趋势 1.4内容安排1.1Mobile Communication Theory学习重点与要求重点掌握移动通信的概念、特点；理解移动通信的发展历程及发展趋势；了解无线频谱的规划及第三代移动通信的工作频段；掌握移动通信的三种工作方式；了解移动通信的应用系统。社会对通信的需求不断发展20世纪的概念： 五个W，“任何人（Whoever）在任何地方（Wherever）任何时间（

2、Whenever）可以同任何人（Whomever）进行任何形式（Whatever）的通信”。21世纪的目标是实现“任何地方、任何时候、任何人”（anywhere, anytime, anyone)的通信,实现“处处、时时、人人”（everywhere, all-the-time, everyone）的通信现在和未来 IoT (Internet of Things)1.1 移动通信发展简述 通信技术高速发展带来的代价数字芯片的处理能力每个18月就增加1倍（摩尔定律）用户数据速率以指数形式增长5无线通信技术的速率发展速度无线通信的速率每5年增加10倍通信高速发展带来频谱资源紧张能量资源浪费运营商利

3、润降低1.1 移动通信发展简述 Mobile Communication Theory1.1 移动通信发展简述 A/D接入方式 典型代表第一代（1G）模拟蜂窝系统 FDMA美国AMPS系统，欧洲TACS系统第二代（2G）数字蜂窝系统 TDMAGSM系统 CDMAN-CDMA系统 目标典型代表过渡代（2.5G）高速传输GPRS, CDMA20001X系统第三代（3G）IMT-2000全球漫游，高质量多媒体业务，系统容量、管理能力、保密性和服务质量均有很大改善欧洲WCDMA系统，北美CDMA2000系统，中国TD-SCDMA系统第四代（4G）IMT-Advanced高速率，各种数据话音业务，全IP

4、，多协议，新技术4G网络标准(FDD-LTETD-LTE)第五代（5G）实现增强型移动宽带，海量机器通信超高可靠、低时延通信需求2020年完成5G终版本移动通信是指通信双方或至少有一方在运动状态下进行信息交换的通信体制先驱者：1946年第一个推出移动电话AT&TMobile Communication Theory1.2 移动通信的特点 利用无线电波进行信息传输复杂的无线传播环境导致信号衰落需要确保信号传输的质量在强干扰环境下工作外部干扰自身干扰干扰有互调干扰（intermodulation interference）邻道干扰（Adjacent channel interference）共道干

5、扰（Cochannel Interfere）Mobile Communication Theory1.2 移动通信的特点 自 身 干 扰互调干扰两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的组合频率，从而构成干扰邻道干扰相邻或邻近的信道（或频道）之间，由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰同频干扰（蜂窝系统特有）相同载频电台之间的干扰通信容量有限无线频谱资源有限有效利用频率的措施通信系统复杂涉及位置区的变化涉及安全问题终端要求高要求稳定可靠，要求携带方便要求低功耗要求能耐高低温Mobile Communication Theory1.2 移动通信的特点 1.2 移动通信的特

6、点 资源受限无线电频谱是一种资源无线电频谱可以正交分割(时间频率空间)相同时间频率空间上不能同时应用用于通信的无线频谱资源奇缺性能评价传输性能: 误码率、传输速率、频谱效率、时延、QoS、QoE 网络性能：用户数、系统吞吐率、切换成功率、掉线率.Mobile Communication Theory1.3 移动通信频段我国移动通信工作频段Mobile Communication Theory原邮电部根据国家无委会规定现阶段取160MHz频段、450MHz频段、900MHz频段作为移动通信工作频段，即 160 MHz频段：138149.9 MHz 150.05167 MHz 450 MHz频段：

7、403420 MHz 450470 MHz 900 MHz频段：890915 MHz（移动台发、基站收）935960 MHz（基站发、移动台收）另外900MHz频段中的806821MHz和851866MHz分配给集群移动通信；825845MHz和870890MHz分配给部队使用。IS-95CDMA出现后，为其分配的频段为： 800 MHz频段：824849 MHz（移动台发、基站收）869894 MHz（基站发、移动台收）1.3 移动通信频段Mobile Communication Theory第三代移动通信的工作频段我国规定FDD方式固定无线接入系统，工作频段为：终端站发射频段：340034

8、30 MHz中心站发射频段：35003530 MHz收发频率间隔：100 MHz第四代移动通信的频率划分TD-LTE频段：中国移动分配130MHz带宽，分别为1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz；中国联通分配40MHz带宽，分别为2300-2320 MHz、2555-2575 MHz；中国电信分配40MHz带宽，分别为2370-2390 MHz、2635-2655 MHz。FDD LTE频段：中国电信分配1.8GHz 频段 (1755-1785MHZ/1850-1880MHz)，中国联通分配 2.1GHz 频段 (1955-1980MHz/214

9、5-2170MHz) 。Mobile Communication Theory1.3 移动通信频段第五代移动通信的频率划分2017年11月中华人民共和国工业和信息化部公布了中国5G工作频段，即：正式宣布规划5G工作频段为：3300-3600MHz4800-5000MHz其中3300-3400MHz频段原则上限室内使用。Mobile Communication Theory1.3 移动通信频段Mobile Communication Theory 1.4 移动通信的工作方式单工通信双工通信半双工通信移动中继方式Mobile Communication Theory单工通信单工通信 通信双方电台交

10、替地进行收信和发信。方式 同频单工双频单工 PlayMobile Communication Theory双工通信双工通信通信双方均同时进行收发工作。即任一方讲话时，可以听到对方的话音 。playMobile Communication Theory半双工通信半双工通信通信双方中，一方使用双频双工方式，即收发信机同时工作；另一方使用双频单工方式，即收发信机交替工作。PlayMobile Communication Theory移动中继方式 目的 增加通信距离基本方式单工中继双工中继Mobile Communication Theory1.5 移动通信的分类及应用系统 民用设备 陆地通信使用对象

11、 使用环境 海上通信 军用设备 空中通信 频分多址（FDMA） 宽域网多址方式 时分多址（TDMA）覆盖范围 局域网 码分多址（CDMA） 个域网 电话网 专用网业务类型 数据网 服务范围 综合业务网 公用网 同频单工工作方式 双频单工 模拟网 双频双工 信号形式 半双工 数字网Mobile Communication Theory1.5 移动通信的分类及应用系统蜂窝式公用移动通信系统集群调度移动通信系统无绳电话系统无线电寻呼系统卫星移动通信系统无线LAN/WANMobile Communication Theory1.6 移动通信网络发展1移动业务走向数据化和分组化2移动通信网络扁平化和IP

12、化 3未来移动通信系统的三大主体结构设备制造商，负责制造向用户提供服务的移动通信系统设备和终端。服务运营商，负责向用户提供移动通信网络支撑和业务服务。业务设计商，负责向运营商提供用户喜闻乐见的业务形式和业务内容。Mobile Communication Theory1.6 移动通信网络发展未来的网络将向宽带化、智能化、个人化方向发展，形成统一的综合宽带通信网，并逐步演进为由核心骨干层和接入层组成、业务与网络分离的构架。Mobile Communication Theory1.7 本书内容安排章节标题内容2电波传输与预测模型介绍无线传播环境和传播预测模型3信源编码和调制技术介绍移动通信中的调制解

13、调技术4抗衰落和链路性能增强论述各种抗衰落和抗干扰技术5蜂窝组网技术介绍了网络的组成基础和结构6GSM与CDMA系统介绍GSM和CDMA2000系统7第四代移动通信系统LTE和LTE-Advanced的概念和技术8第五代移动通信系统介绍5G基本概念及关键技术9新技术应用具体描述了移动通信系统的应用技术Wireless Supports People NavigatingThank You !第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信目录Mobile Communication Theory概述1自由空间的电波传输23种基本电波的传播机制3阴影衰落5移动无线信道及特性参数6电波传播损耗预测模

14、型8对数距离路径损耗模型4MIMO信道72.1.1 电波传播的基本特性Mobile Communication Theory基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移直射、反射、绕射和散射以及它们的合成复杂的无线电波传播环境移动通信信道衰落的原因无线电波传播方式衰落的表现移动信道的基本特性 衰落特性信道的分类信道的分类 大尺度衰落根据不同距离内信号强度变化的快慢分为 小尺度衰落 长期慢衰落根据信号与信道变化快慢程度的比较分为 短期快衰落 大尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多径）描述长距离上信号强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动原因信道路径上固定障

15、碍物的阴影移动台运动和地点的变化影响业务覆盖区域信号传输质量Mobile Communication Theory大尺度衰落与小尺度衰落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。Mobile Communication Theory大尺度衰落小尺度衰落2.1.2 电波传播特性的研究Mobile Communication Theory电波传播特性的研究基本方法理论分析方法（如射线跟踪法）现场测试方法（如冲激响应法） 应用成果传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础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

16、特性2.2 自由空间的电波传播Mobile Communication Theory在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗传播损耗接收功率传播损耗接收换算自由空间电波传播分贝表示2.3 3种基本电波传播机制Mobile Communication Theory阻挡体比传输波长大的多的物体产生多径衰落的主要因素 产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体 阻挡体为尖利边缘反射散射绕射基本电波传播机制2.3.1 反射Mobile Communication Theory理想介质表面反射极化特性多径信号理想介质表面反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来

17、反射系数（R）入射波与反射波的比值 (垂直极化） （水平极化）Mobile Communication Theory 极化特性极化电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态电磁波的极化形式 线极化、圆极化和椭圆极化线极化的两种特殊情况水平极化（电场方向平行于地面）垂直极化（电场方向垂直于地面）Mobile Communication Theory2.3.1 多径信号两径传播模型接收信号功率简化后相位差 多径传播模型其中，N为路径数。当N很大时，无法用公式准确计算出接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率 Mobile Communication Theory直射波反射

18、波地表面波可忽略地面二次效应可忽略2.3.2 绕射Mobile Communication Theory惠更斯菲涅尔原理菲涅尔区基尔霍夫公式惠更斯菲涅尔原理原理波前（面）上每点产生的次级波组合形成传播方向上新的波前（面）绕射由次级波的传播进入阴影区而形成场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和说明任一P点，只有夹角为 （即 ）的次级波前 能到达接收点R在0到180之间变化到达接收点辐射能量与 成正比Mobile Communication Theory菲涅尔区 基尔霍夫公式菲涅尔区 从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大的连续区域接收点信号的合成n为奇数时，两信号抵消n为偶数时，两信号叠加菲涅

19、尔区同心半径 第一菲涅尔区半径（n=1）特点在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以达到接收机。 基尔霍夫公式 从波前点到空间任何一点的场强 式中，E是波面场强， 是与波面正交的场强导数。Mobile Communication Theory2.3.3 散射Mobile Communication Theory散射粗糙表面，反射能量于所有方向表面光滑度的判定粗糙表面下的反射场强2.4 对数距离路径损耗模型Mobile Communication Theory 对数距离路径损耗模型是一个能够反映电波传播主要特性的简单模型，对于实际信道来

20、说，这个模型只是一种近似，更精确的模型可采用复杂的解析模型或者通过实测来建立模型。 是一个参考距离。在参考距离或接近参考距离的位置，路径损耗具有自由空间损耗的特点； 是发射天线到接收天线间的距离； 是路径损耗指数主要取决于传播环境，其变化范围为262.5 阴影衰落阴影衰落（慢衰落） 地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成特点 与传播地形和地物分布、高度有关表达式 移动用户和基站之间的距离为 时，传播路径损耗和阴影衰落可以表示为： 式中： 由阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏 差dB的对数正态分布 ；n 路径损耗指数，实验数据表明m4，标准差8dB是合理的Mobile

21、 Communication Theory2.6 移动无线信道及特性参数Mobile Communication Theory无线信道多径信道的统计分析多径衰落信道的分类衰落特性的特征量衰落信道的建模与仿真多径衰落的基本特性多普勒频移多径信道的信道模型描述多径信道的主要参数2.6.1 多径衰落的基本特性幅度衰落 幅度随移动台移动距离的变动而衰落 空间角度模拟系统主要考虑原因本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落Mobile Communication Theory2.6.1 多径衰落的基本特性时延扩展 脉冲宽度扩展时间角度数字系统主要考虑原因 信号

22、传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号Mobile Communication Theory2.6.2 多普勒频移原因 移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移表达式 多普勒频移 最大多普勒(Doppler)频移Mobile Communication Theory2.6.2 多普勒频移说明多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关：若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而

23、增加了信号带宽。Mobile Communication Theory2.6.3 多径信道的信道模型原理多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。将信道看成作用于信号上的一个滤波器，可通过分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性Mobile Communication Theory2.6.3 多径信道的信道模型推导冲击响应只考虑多径效应再考虑多普勒效应多径和多普勒效应对传输信号的影响多径信道的冲击响应Mobile Communication Theory 只考虑多径效应传输信号假设第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

24、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。 Mobile Communication Theory 再考虑多普勒效应考虑移动台移动时，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。Mobile Communication Theory在相位中不可忽略数量级小可忽略多径信道的冲击响应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。

25、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Mobile Communication Theory多径延迟影响多普勒效应影响2.6.4 描述多径信道的主要参数由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散Mobile Communication Theory功率延

26、迟分布PDP时间色散多普勒功率谱密度DPSD角度谱PAP频率色散角度色散时间色散时间色散参数 平均附加延时 rms时延扩展 最大附加延时扩展(XdB) 相关带宽 多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，可使两个信号变得相关。这一频率间隔称为“相干” 或“相关”带宽（Bc）从时延扩展角度说明从包络相关性角度说明多径衰落的分类及判定Mobile Communication Theory时间色散参数功率延迟分布（PDP） 基于固定时延参考的附加时延的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到市区环境中近似为指数分布式中，T是常数，为多径时延的平均值时间色散特性参数平均附加延时 rms

27、时延扩展 其中最大附加延时扩展(XdB) 高于某特定门限的多径分量的时间范围， 即多径能量从初值衰落到低于最大能量 (XdB)处的时延图2-8中， 为归一化 的最大附加延时扩展(XdB)；为归一化 平均附加延时； 为归一化rms时延扩展 Mobile Communication Theory t0dB -XdB D 从时延扩展角度说明相关带宽两径情况 接收信号 等效网络传递函数 信道的幅频特性当 时，信号同相叠加，出现峰点 当 时，信号反相相减，出现谷点 相邻两个谷点的 ,两相邻场强 为最小值的频率间隔与两径时延 成反比 多径情况 应为rms时延扩展 是随时间变化的，可由大量实测数据经过统计处

28、理计算出来 说明相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关Mobile Communication Theory r+1r-1w)(2tnDp )()12(tnD+p 从包络相关性角度推导相关带宽设两个信号的包络为 和 ，频率差为 ，则包络相关系数 此处，相关函数 若信号衰落符合瑞利分布，则 式中， 为零阶Bessel函数， 为最大多普勒频移。不失一般性，可令 ，简化后通常，根据包络的相关系数 来测度相关带宽代入得 相关带宽 ()Mobile Communication Theory衰落的分类及判定分类 不同频率分量的衰落 信号波形频率选择性衰落 不一致 失真非频率选择性衰落（平坦衰落） 相关的

29、 一致的 不失真Mobile Communication Theory 判定 由信道和信号两方面决定数字通信系统信号带宽小于信道相关带宽BsBc平坦衰落频选衰落码间干扰频率色散用多普勒扩展来描述，相关时间是与多普勒扩展相对应的参数时变特性原因 移动台运动或信道路径中的物体运动用多普勒扩展和相关时间来描述多普勒扩展 （功率谱）相关时间 信道冲激响应应维持不变的时间间隔的统计平均值表征了时变信道对信号的衰落节拍Mobile Communication Theory多普勒扩展典型(CLASS)多普勒扩展（适用于室外传播信道）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

30、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(FLAT)多普勒扩展（适用于室内传播信道）平坦的多普勒功率谱 Mobile Communication Theoryfcfc + fmfc - fmS ( f )推导相关时间从多普勒扩展角度 时间相关函数与多普勒功率谱之间是傅立叶变换关系 所以多普勒扩展的倒数就是对信道相关时间的度量，即 此时入射波与移动台移动方向之间的夹角=0 式中 为多普勒扩展（有时也用 表示），即多普勒频移。从包络相关性角度 通常将信号包络相关度为0.5时的时间间隔定义为相关时间 28页曾

31、推出包络相关系数 令 ， =0.5 推出Mobile Communication Theory时间选择性衰落时间选择性衰落是由多普勒效应引起的，信道在时域具有选择性要保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须保证传输符号速率远大于相关时间的倒数在现代数字通信中，常规定 为上页两式的几何平均作为经验关系Mobile Communication Theory码元间隔大于信道相关时间TsTc时选衰落误码角度色散原因 移动台和基站周围的散射环境不同，使得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同参数角度扩展相关距离 空间选择性衰落Mobile Communication Theory角度扩展角度功率

32、谱（PAS） 信号功率谱密度在角度上的分布。一般为均匀分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即 式中意义 描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在 之间分布。 角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度越高 Mobile Communication Theory相关距离与空间选择性衰落Mobile Communication Theory相关距离Dc空间选择性衰落信道冲激响应保证一定相关度的空间距离空选衰落:天线空间距离大于相关距离Dc非空选衰落:天线空间距离远小于相关距离Dc2.6.5 多径信道的统计分析Mobile Communicati

33、on Theory瑞利分布莱斯分布Nakagami-m分布主要讨论多径信道的包络统计特性。接收信号的包络根据不同的无线环境一般服从瑞利分布Mobile Communication Theory环境条件 通常在离基站较远、反射物较多的地区符合 （如下图）发射机和接收机之间没有直射波路径存在大量反射波，到达接收天线的方向角随机且02均匀分布各反射波的幅度和相位都统计独立场强分量Tc，Ts接收信号的 幅度相位分布Play场强分量Tc，Ts推导 设发射信号是垂直极化，并且只考虑垂直波时，场强为 式中 ， 多普勒频率漂移， 随机相位（02均匀分布） 又可表示为 其中 Tc，Ts的性质相互正交的同频分量高

34、斯随机过程 概率密度 x = Tc或Ts统计独立 联合概率密度零均值，等方差，不相关 是关于 的总体平均 Mobile Communication Theory = 0 接收信号的幅度相位分布直角坐标 极坐标则 由雅各比行列式 所以 对积分 对r积分 可见，包络 r 服从瑞利分布，在02内服从均匀分布瑞利分布的均值 瑞利分布的方差 满足 的 值称为信号包络样本区间的中值 Mobile Communication Theory图29 瑞利分布的概率分布密度 莱斯分布Mobile Communication Theory环境条件概率密度函数莱斯因子莱斯分布的环境条件直射系统中，接收信号中有视距信号

35、成为主导分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上非直射系统中，源自某一个散射体路径的信号功率特别强Mobile Communication TheoryPlay莱斯分布的概率密度函数概率密度函数 式中, A是主信号的峰值 I0()是0阶第一类修正贝塞尔函数莱斯因子K 主信号的功率与多径分量方差之比 分贝式意义 完全决定了莱斯的分布：当 ，莱斯分布变为瑞利分布强直射波的存在使接收信号包络从瑞利变为莱斯分布当直射波进一步增强（ ），莱斯分布将趋进高斯分布Mobile Communication Theory瑞利分布 莱斯分布 高斯分布图2-10 莱斯分布的概率密度函数Nakagami-m

36、分布概率密度函数 式中 为 的实数， ， 为伽马函数 当 时 ，有 式中， 为信号的平均功率 形状因子 意义 参数m取不同值时对应不同分布，更具广泛性：当m=1时， 成为瑞利分布当m较大时，接近高斯分布 Mobile Communication Theory2.6.6 多径衰落信道的分类依据 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）Mobile Communication Theory平坦衰落和频率选择性衰落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

37、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获得不同增益在接收端保持不变 条件 Bs Bc Ts Bs Mobile Communication TheoryTs为信号周期（信号带宽Bs的倒数） 是信道的时延扩展； Bc为相关带宽通常若 ，可认为该信道是频率选择性的快衰信道和慢衰信道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 TsBdMobile Communication TheoryTc为信道相关时间BD为多普勒扩展 2.6.7衰落特性的特征量Mobile Communication Theory衰落深度衰落速率电平通

38、过率衰落持续时间衰落速率和衰落深度 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发射频率，移动台行进速度和方向以及多径传播的路径数有关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。Mobile Communication Theory电平通过率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

39、 ， 为信号有效值Mobile Communication Theory衰落持续时间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表达式意义 描述了衰落次数的统计规律平均衰落持续时间 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Mobile Communication Theory电平通过率和平均衰落持续时间 图示Mobile Communication Theory图211 电平通过率和平均衰落持续时间2.6.8 衰落信道的建模与仿真简介Clarke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

40、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N个具有任意载频相位、入射方位角和相等的平均幅度的平面波组成推导统计特性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 用有限个（10个）低频振荡器近似构建一种可分析模型推导接收波形表达式及仿真模型Mobile Communication Theory衰落信道的建模与仿真简介Clarke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 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个具有任意载频相位、入射方位角和相等的平均幅度的平面波

41、组成推导统计特性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 用有限个（10个）低频振荡器近似构建一种可分析模型推导接收波形表达式及仿真模型Mobile Communication TheoryClarke信道模型推导接收场强统计特性对于以第n个角度 到达x轴的入射波多普勒频移为到达移动台的垂直极化平面波存在和场强分量，即其中， 是本地场（假设为恒定值）的实数幅度， 表示不同电波幅度的实数随机变量， 为自由空间的固定阻抗（ ） 第n个到达分量的随机相位对场强归一化，有Mobile Communication Theory图215 入射角到达平面示意图 Clarke信道模

42、型推导接收场强统计特性由于多普勒频移相对于载波很小，若N足够大，三种场分量可用窄带高斯随机过程表示设相位角 在 服从均匀分布则E场可用同相和正交分量表示式中 具有0平均和等方差 ，且不相关接收的E场的包络为包络服从瑞利分布 式中Mobile Communication TheoryJakes仿真推导接收波形表达式依据Clarke模型，接收端波形可表示为经历了N条路径的一系列平面波的叠加 其中 不同路径的附加相移 是相互独立的随机变量，且在 服从均匀分布将 标准化，功率归一化，得 式中假设平面波的N个入射角 在 均匀分布，则模型中参数 代入可得Mobile Communication Theor

43、yJakes仿真器模型描述平坦衰落的随机信号可以用N个相互独立的随机变量（ ， ， ）表示，所以可以用N个低频振荡器生成。Mobile Communication Theory图2-12 Jakes仿真器模型 2. 7 MIMO信道MIMO信道就是在基站端和用户端都为多副天线。MIMO信道建模要考虑发射天线和接收天线之间的相关性。目前MIMO信道建模主要有两种方式：一是分析模型主要考虑MIMO信道的空时特征进行建模；二是物理模型主要考虑MIMO信道的传播特征进行建模。 通常物理模型是基于无线传播的特定参数，例如传播延时扩展、角度扩展、幅度增益以及天线分布等来构建MIMO信道矩阵；而分析模型是对

44、基本物理模型的数学抽象，重点考虑空间的相关性，也就是说通过相关矩阵等运算来构建MIMO信道矩阵，而不考虑特殊的传播过程。Mobile Communication Theory分析模型基站端的信号向量可表示为：移动台端的信号向量表示为：Mobile Communication Theory分析模型根据这样的假设，可得到MIMO信道的冲击响应为：式中： ， 为： Mobile Communication Theory分析模型 其中 表示BS端第m 个天线和MS端第n 个天线之间链路的第 径的复衰落系数。 由此可得出BS和MS信号分别为： 或 假设 是服从均值为0的复高斯分布，即 ，幅度 服从瑞利分

45、布，这样可得第 径的功率 . Mobile Communication Theory分析模型 再假设不同时延的多径分量不相关，即： 定义BS端天线相间的相关系数为： 定义MS端天线相间的相关系数为： Mobile Communication Theory分析模型 得到BS端和MS端天线间的相关矩阵为： Mobile Communication Theory分析模型 产生信道增益矩阵 还需要发射和接收天线对之间的相关系数， 将发射和接收两组天线对构成的多径分量间的相关系数表示为： 一般地，多径分量相关系数满足如下关系： 得到MIMO信道的相关矩阵为： Mobile Communication T

46、heory分析模型下面讨论相关MIMO信道系数的产生。 为相关矩阵, 是第 条路径的平均功率， 为 的MIMO信道向量，即为矩阵 中元素的列矩阵： 为第 条路径的MIMO衰落信道，表示为： 式中 ， 是均值为0，方差为1的独立复高斯分量。 Mobile Communication Theory分析模型矩阵 可以通过乔里斯基（Cholesky）分解，即根据扩展ITU信道提供的功率时延分布(如教材中表2.2)，可计算得到 。另外， 反映了MIMO信道的时频衰落特性，可以利用Jakes仿真模型来生成。这样就可以得到每个可分辨径的信道转移矩阵 Mobile Communication Theory分析

47、模型延时抽头MIMO信道模型 Mobile Communication Theory物理模型SCM（SCM，Spatial Channel Model）信道模型。该模型是基于散射随机假设所建立的信道模型，基本原理是利用统计得到的信道特性，如时延扩展、角度扩展等来构建模型。模型的每条径都有特定角度扩展值，这些空间分布特性产生了每条径在不同天线间的空间相关特性，并且通过引入天线间距得到信道之间的相关性。每条径（或者说射线）的衰落特性由20条等功率的子径所构成，这些子径角度服从拉普拉斯分布。具体产生细节不做讲解了，可自学。 Mobile Communication Theory2.8 电波传播损耗预

48、测模型目的 掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化特点，为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。方法 分析测试数据归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正确定传播环境的主要因素地形天气状况自然和人为的电磁噪声状况系统的工作频率和移动台运动等因素本节内容室外传播模型室内传播模型传播模型校正Mobile Communication Theory2.8.1 室外传播模型Mobile Communication Theory常用的几种室外电波传播损耗预测模型Hata模型CCIR模型LEE模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型Okumura-Hata 模型路

49、径损耗计算的经验公式式中 工作频率（MHz） 基站天线有效高度（ m ），定义为基站天线实际海拔高度与基 站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差，即 移动台天线有效高度（m），定义为移动台天线高出地表的高度 基站天线和移动台天线之间的水平距离 （km） 有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数 小区类型校正因子 地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响 Mobile Communication TheoryCOST-231 Hata模型路径损耗计算的经验公式 式中 大城市中心校正因子两种Hata模型的主要区别频率衰减系数不同 COST-231Hata模型频率衰减因子为33.9

50、 Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减，大城市中心地区路径损耗增加3dB。Mobile Communication TheoryCCIR模型给出了反映自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗联合效果的经验公式 校正因子右图给出了Hata和CCIR 路径损耗公式的对比， 由图可见，路径损耗随 建筑物密度而增大Mobile Communication TheoryLEE模型优点模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合本地无线传播环境，准确性高路径损耗预测算法简单，计算速度快应用无线通信系统分类LEE宏蜂窝模型 LEE微蜂窝模型 M

51、obile Communication TheoryLEE宏蜂窝模型决定移动台接收信号大小的因素人为建筑物地形地貌基本思路 先把城市当成平坦的，只考虑人为建筑物的影响，在此基础上再把地形地貌的影响加进来地形地貌影响的三种情况无阻挡有阻挡水面反射Mobile Communication Theory无阻挡的情况考虑地形影响，采用有效天线高度计算：式中 天线有效高度 天线实际高度 若 ， 是一个增益 若 ， 是一个损耗。 式中Mobile Communication Theory有阻挡的情况1式中 由于山坡等地形阻挡物引起的衍射损耗计算单个刃形边的衍射损耗如下 、 和 如图所示，并定义一个无量纲的

52、参数 (a)考虑两种情况： a.电波被阻挡， 为负，为正，接收功率（w）衰减系数b. 为正， 为负，计算单个刃形边的衍射损耗Lr (b)Mobile Communication Theory图214 山坡等地形阻挡物引起的衍射损耗水面反射其中 由于移动无线通信环境引起的衰 减因子（ ）； 基站发射功率 、 分别为基站和移动台的天线增益Mobile Communication TheoryLEE微蜂窝模型 小区路径损耗预测公式为 是基站天线有效高度 ，距离基站 处的直射波路径损耗，是一个双斜率模型 的理论值为 其中 为菲涅尔区的距离 Mobile Communication TheoryLEE微

53、蜂窝模型 是由于建筑物引起的损耗。 其值可以这样得到 首先按图2-19所示计算从基站到A点的穿过街区的总的阻挡长度Ba+b+c，再根据B查找曲线图2-20，可得值。Mobile Communication Theory(dA)A建筑物abc(dA)B = a+b+cCOST 231 Walfisch-Ikegami 模型应用用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境常用于移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS）设计可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等不同情况的路径损耗两种情况视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗 式中 L0 由空间损耗 L1 由沿屋顶下沿最近的衍射引起

54、的衰落损耗 L2 沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）Mobile Communication TheoryCOST 231 Walfisch-Ikegami模型各参数意义1 式中 w 接收机所在的街道宽度（m）, hR建筑物的平均高度（m） hR，hm接收天线的高度 其中 街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角2 式中 上面各式中，hB 发射天线高度， b相邻行建筑物中心距离Mobile Communication Theory室外传播模型的使用Mobile Communication Theory适用范围1应用方法2使用及评价3传播模型的适用范围Mobile Communication Th

55、eory适用范围传播模型宏蜂窝（1km）微蜂窝（1km）频率（MHz）天线高度（m）城区/郊区/乡村HataOkumura-Hata宏蜂窝1501500基站：30200移动台：110城区、郊区、乡村 COST-231 Hata宏蜂窝1500 2000基站：30200移动台：110城区、郊区、乡村 CCIR宏蜂窝150 2000基站：30200移动台：110城区、郊区LEE宏蜂窝450 2000城区、郊区、乡村 微蜂窝分LOS和NLOS450 2000城区、郊区WIM0.025km分LOS和NLOS800 2000基站：450移动台：13 城区、郊区传播模型的应用方法基站和移动台之间水平距离d（

56、km）Mobile Communication Theoryd1 宏蜂窝模型d5 d5 有实测数据并得到LEE模型参数和距离衰减因子d1,或cTb=n，因此略去第一项，得到 -h关系曲线如图3.6。 3.3.1 相位连续的FSKMobile Communication Theory从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，.时，=0, 即两个信号是正交的。h=0.5的CPFSK就称作最小移频键控MSK。它是在两个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱Mobile Communication Theory由于h=1/2，MSK的相位约束

57、条件就是由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为的整数倍。相位路径的例子如图3.7所示，其中初始相位为零。图中可以看到的取值为0，-、-、-、3、.（k=0,1,2.）。 1.相位路径3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱Mobile Communication Theory在MSK信号中，码元速率Rb=1/ Tb、峰值频偏fd和两个频率f1、f2存在一定的关系。 当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：即载波频率应当是Rb/4的整数倍。 2.MSK的频率关系3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱Mobile Communication The

58、ory3.MSK的功率谱MSK的功率谱为 式中A为信号的幅度。功率谱特性如图3.8所示。为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。 由图可见，MSK 信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。 3.4 高斯最小移频键控GMSKMobile Communication Theory GMSK是一种恒包络调制方式，可以采用功率效率高而便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（手机）的价格比较低，有利于当时移动电话的普及。 3.4.1 高斯滤波器的传输特性 3.4.2 GMSK信号的波形和相位路径 3.4.3 GMSK信号的调制与解调3.4.4 GMSK功率谱 3.4.1 高斯滤波器的传输特性M

59、obile Communication TheoryGMSK就是基带信号经过高斯低通滤波器的MSK，如图3.93.4.1 高斯滤波器的传输特性Mobile Communication Theory频率特性H(f)和冲激响应h(t)高斯滤波器具有指数形式的响应特性，其中幅度特性为 冲激响应为令Bb为H(f)的3dB带宽，因为H(0)=1，则有H(f)|f=Bb=H(Bb)=0.707,可以求得a:给定xb ,就可以计算出H(x)、h()并画出它们的特性曲线如图3.10。 3.4.1 高斯滤波器的传输特性Mobile Communication Theory令=t/ Tb ，并把a=1.7 Bb代

60、入（3.15）并设Tb =1,则有设要传输的码元长度为Tb,速率为 Rb=1/Tb，以Rb为参考，对f归一化: x= f/ Rb = fTb ，则归一化3dB带宽为：这样，用归一化频率表示的频率特性就为H(x)： 3.4.2 GMSK信号的波形和相位路径 Mobile Communication Theory设要发送的二进制数据序列bk( bk =1)所用线路码为NRZ码，码元起止时刻为Tb的整数倍,此基带信号经过高斯滤波器后输出为信号对调频器调频，输出为附加相位为3.4.2 GMSK信号的波形和相位路径Mobile Communication Theory在一个码元结束时，相位的增量取决于在