移动通信信道

第三讲移动通信信道–2多径传播特性及定量描述数字移动通信2021/8/151上次课重点回顾

VHF和UHF电波主要有几种传播方式？自由空间中电波传播损耗变化有何规律？

大气对电波传播有何影响？绕射损耗与哪些因素有关？反射模型中，电波传播损耗变化有何规律？2021/8/152第2章移动通信信道2.1陆地无线电波传播特性2.2

移动通信信道的多径传播特性2.3

描述多径衰落信道的主要参数2.4阴影衰落的基本特性2.5电波传播损耗预测模型2.6多径衰落信道的建模和仿真2.7MIMO信道简介第一次课第二次课第三次课2021/8/153

本次课的要求与重难点要求与重点掌握多径传播的基本特性和多径衰落对数字移动通信的影响。理解描述多径信道的参数，了解小尺度衰落模型。重点：相关（干）带宽、相关时间、相关距离难点：多径衰落对接收信号的影响2021/8/154本次课需要解决的主要问题什么是电波传播三级模型？多径传播对接收信号有何影响？如何定量描述多径传播特性？多普勒扩展对接收信号有何影响？如何定量描述？描述信道特性的关键参数有哪些？多径衰落信道如何分类？2021/8/1552.2.1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移动通信信道的多径传播特性2021/8/156一、电波传播损耗特性移动信道是一种变参信道

信号传播过程中会遭受不同类型的损耗

传播损耗阴影衰落多径衰落：移动台与基站的距离大尺度衰落小尺度衰落2021/8/1571、传播损耗(路径损耗）长程范围内的信号电平变化（几千米量级）电波传播引起的平均接收功率衰减取决于发射机与接收机之间的距离

自由空间时，n=2，一般情况下n=3～5一、电波传播损耗特性2021/8/1582、阴影衰落——阳光不能普照短程范围内的信号电平变化（数百波长量级）由大型障碍物的遮挡引起，包括传播环境中的地形起伏、人造建筑物等一、电波传播损耗特性2021/8/1593、小尺度衰落——余音绕梁主要由多径效应和多普勒效应引起

数十波长量级内的信号电平变化接收信号场强的瞬时值快速变化，在几个波长间距内的变化幅度可达30dB一、电波传播损耗特性2021/8/1510传播损耗一、电波传播损耗特性距离(km)场强02468806040200几百个波长（阴影衰落）几十个波长（多径衰落）2021/8/1511大尺度路径损耗传播模型

描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。受到收发距离及地形地貌的影响。

小尺度多径衰落传播模型

描述移动台在极小范围内移动时，短距离（几个波长）或短时间（秒级）上接收场强的快速变化，根据小尺度衰落确定应采取的抗衰落技术。当移动通信跨越比较大的区域时，会同时受到大尺度衰落和小尺度衰落的影响！一、电波传播损耗特性2021/8/15122.2.1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移动通信信道的多径传播特性2021/8/1513二、移动环境的多径传播

1、多径传播的基本概念信道中存在各种反射物和散射物发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波2021/8/1514二、移动环境下的多径传播余音绕梁多径传播示意图

1、多径传播的基本概念2021/8/1515二、移动环境下的多径传播2、多径传播对接收信号产生的影响当两个多径信号同相时，合成信号是什么样的？当两个多径信号相位相差180度时，合成信号是什么样的？2021/8/1516多径传播会导致接收信号在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电平变化和剧烈的相位摆动。

延长信号到达接收机的时间，引起码间串扰。二、移动环境下的多径传播2、多径传播对接收信号产生的影响2021/8/1517二、移动环境下的多径传播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%2021/8/15182.2.1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移动通信信道的多径传播特性2021/8/1519三、多普勒频移1842年由奥地利数学家、物理学家克里斯琴.多普勒.约翰首先提出。定义：当发射源与接收体之间发生相对运动时，接收频率与发射频率之差。火车汽笛声的变化？从远而近时，汽笛音调变尖从近而远时，汽笛音调变低对无线通信场景如何更直白的理解？1、何为多普勒频移？2021/8/1520三、多普勒频移接收信号的频率与发射信号的频率不一致！多普勒频移与移动台运动速度及移动台方向与无线电波入射方向之间的夹角有关。频率变化值：2、多普勒频移与移动台运动间的关系2021/8/1521三、多普勒频移思考：频率变化有什么趋势？朝向入射波方向移动－>多普勒频移为正值；背向入射波方向移动－>多普勒频移为负值。2、多普勒频移与移动台运动间的关系思考：移动台连续的运动，会造成什么现象？2021/8/15222.2.1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移动通信信道的多径传播特性2021/8/15232.2.4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）：相位概率密度函数（均匀分布）：2021/8/15243-24四、衰落信号幅度的特征量1、研究衰落信号幅度特征量的必要性链路设计需要得到链路性能的幅度特点一条衰落信道每隔多长时间就会衰落到某一特定的电平之下？这条信道将在该门限下持续多长时间？工程应用中，常常用一些特征量表示衰落信号的幅度特点。2021/8/15252、衰落率定义：信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播的路径数有关。

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。四、衰落信号幅度的特征量2021/8/15263、电平通过率包络在单位时间以正斜率通过某规定电平R的次数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%。四、衰落信号幅度的特征量2021/8/15274、平均衰落持续时间定义：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。思考：如何理解物理含义？信号包络低于某个给定电平值的概率->值越大，衰落情况越严重电平通过率->值越大，衰落变化速度越快，停留在某状态的时间越短四、衰落信号幅度的特征量2021/8/15284、平均衰落持续时间思考：平均衰落持续时间对工程设计的意义在哪里？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。由平均衰落持续时间可判断通信受影响的程度，确定是否会发生突发错误及突发错误的长度。四、衰落信号幅度的特征量2021/8/15292.3.1时延扩展和相关带宽2.3.2多普勒扩展和相关时间2.3.3角度扩展和相关距离（自学）2.3.4多径衰落信道的分类2.3描述多径衰落信道的主要参数2021/8/15301、时延扩展的概念定义：多径传播造成的信号时间扩散假设发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，接收信号是什么样的？接收信号呈现为一串脉冲，出现时间色散现象。五、时延扩展与相关带宽2021/8/1531五、时延扩展和相关带宽典型的时延（功率）谱曲线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)相对时延值归一化时延谱平均时延时延扩展，P(τ)的均方根最大多径时延，P(τ)下降到-30dB时的时延差2021/8/1532平均时延时延扩展离散化离散化五、时延扩展和相关带宽2、时延扩展的描述2021/8/15333、时延扩展典型实测数据参数市区郊区平均时延

(s)1.5~2.50.1~0.2时延扩展

(s)1.0~3.00.2~2最大时延(-30dB)(s)5.0~12.03.0~7.0

平均时延扩展

(s)1.30.5五、时延扩展和相关带宽2021/8/1534五、时延扩展和相关带宽图2-13双径信道等效网络以双径模型为例，且不计信道的固定衰减4、多径对信号频域的影响衰减系数两径时延差第一射线信号为Si(t)第二射线信号为Si(t)ej（t）2021/8/1535五、时延扩展和相关带宽双径信道等效网络的传递函数为:信道的幅频特性为:4、多径对信号频域的影响2021/8/1536图2-14双射线信道的幅频特性当时，双径信号同相叠加，出现峰点；当时，双径信号反相相消，出现谷点。五、时延扩展和相关带宽4、多径对信号频域的影响进一步思考物理含义？当多径时延差一定时，从频域上看，当信号带宽较宽时，会发生畸变！2021/8/1537五、时延扩展和相关带宽指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性；

在此范围内的所有频率分量几乎具有相同的增益及线性相位。（1）相关带宽的定义5、多径对信号频域影响的量化2021/8/1538五、时延扩展和相关带宽相关系数大于0.9时，相关带宽为：将定义放宽至相关系数大于0.5，相关带宽为：实际工程上，一般采用下式估算：（2）相关带宽的定量计算5、多径对信号频域影响的量化2021/8/1539

相关带宽由信道的时延扩展决定，两者之间成反比关系。信道实际情况时延扩展（多径结构）相关带宽五、时延扩展和相关带宽6、时延扩展和相关带宽的关系2021/8/1540

实例分析：时延扩展为1.37s，采用式(2-70)计算可得相关带宽为116kHz。

思考：带宽分别为30kHz的信号和200kHz的信号，在经过该信道后，从时域和频域上看，各有什么区别？信号1：30kHz-33.3s信号2：200kHz-5s五、时延扩展和相关带宽6、时延扩展和相关带宽的关系平坦衰落vs.频率选择性衰落！->多径干扰程度小，带宽小于相关带宽->多径干扰程度大，带宽大于相关带宽2021/8/1541五、时延扩展和相关带宽【例2-6】未归一化的时延谱如图例2.6所示，试计算多径分布的平均附加时延和rms时延扩展。若设信道相关带宽按式（2-70）计算，则该系统在不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适?图例2.6某时延谱的测量结果2021/8/1542五、时延扩展和相关带宽解：信号总功率：平均附加时延：时延平方的平均值：2021/8/1543五、时延扩展和相关带宽解（续）：

用均方根值（rms）表示的时延扩展：相关带宽为：2021/8/1544五、时延扩展和相关带宽AMPS系统带宽为30kHz小于相关带宽，

所以不使用均衡器，系统就能正常工作；GSM系统带宽为200kHz大于相关带宽

，需要使用均衡器，系统才能正常工作。解（续）：讨论：，该系统在不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适？取决于：系统带宽和相关带宽的关系2021/8/1545（1）平坦衰落五、时延扩展和相关带宽7、平坦衰落与频率选择性衰落思考：平坦衰落有何特点？在信号带宽范围内，各频点幅度增益基本相同，即发送信号的频谱基本保持不变；信道增益随着时间变化，接收信号功率可能不断变化，导致信号忽大忽小。2021/8/1546（2）频率选择性衰落五、时延扩展和相关带宽7、平坦衰落与频率选择性衰落思考：频率选择性衰落有何特点？信道对信号的不同频率成份具有不同的响应。产生频率选择性，使信号发生失真。2021/8/1547平坦衰落数据传输速率低，则码元宽度长，带宽窄，多径信号不会干扰整个码元，信号带宽小于信道相关带宽。频率选择性衰落数据传输速率高，则码元宽度小，带宽宽，多径信号干扰码元程度高，信号带宽大于信道相关带宽。五、时延扩展和相关带宽7、平坦衰落与频率选择性衰落思考：信道多径分布对通信有何影响？信号传输速率受相关带宽（多径分布）的限制!2021/8/15482.3.1时延扩展和相关带宽2.3.2多普勒扩展和相关时间2.3.3角度扩展和相关距离（自学）2.3.4多径衰落信道的分类2.3描述多径衰落信道的主要参数2021/8/1549六、

多普勒扩展和相关时间1、多普勒扩展（Dopplerspread）现象的定义

定义：若发送信号频率为fc的纯正弦波，接收信号频谱在fc-fd至fc-fd范围内存在分量，则其中的fd称为多普勒频移。实际多普勒频移最大多普勒频移最小多普勒频移出现频率色散现象2021/8/1550六、

多普勒扩展和相关时间2、多普勒扩展的量化多普勒扩展指接收信号多普勒谱为非0值的频率范围，表达式为：2021/8/1551六、

多普勒扩展和相关时间3、相关时间定义及量化

定义：信道冲激响应维持不变（或一定相关度）的时间间隔的统计平均。在相关时间内，两个到达信号有很强的幅度相关性。若时间相关函数定义为大于0.5时，相关时间可近似为：2021/8/1552六、

多普勒扩展和相关时间4、多普勒扩展与相关时间的关系

相关时间由多普勒扩展决定，两者之间成反比关系。运动速度和信号频率多普勒扩展相关时间2021/8/1553六、

多普勒扩展和相关时间4、多普勒扩展与相关时间的关系

实例分析：移动台速率为60km/h，载频为900MHz，相关时间3.58ms。思考：传输速率为200bit/s和2000bit/s时，在经过该信道后，从时域上看，有什么区别？信号1：2000bit/s–0.5ms信号2：200bit/s–5ms快衰落vs.慢衰落！->码元宽度小于相关时间，衰落一致！->码元宽度大于相关时间，衰落不一致！2021/8/1554

数据传输速率低，则码元宽度长，信道以快于传输符号率的速度波动，接收信号易受快衰落影响。六、

多普勒扩展和相关时间5、快衰落与慢衰落

快衰落：信道的相关时间比发送信号码元宽度短。

慢衰落：信道的相关时间比发送信号码元宽度大。2021/8/1555六、

多普勒扩展和相关时间

移动台的速度(或信道路径中物体的速度)及基带信号发送速率，决定了信号是经历快衰落还是慢衰落。

思考：快衰落有没有好处？如何利用？防止长期处于接收信号很差的状态

时间分集的设计

思考：慢衰落有没有坏处？如何克服？当处于接收信号很差时，可采用慢跳频的方式克服5、快衰落与慢衰落2021/8/15562.3.1时延扩展和相关带宽2.3.2多普勒扩展和相关时间2.3.3角度扩展和相关距离（自学）2.3.4多径衰落信道的分类2.3描述多径衰落信道的主要参数2021/8/1557七、

多径衰落信道的分类移动信道中的时间色散和频率色散可能产生4种衰落效应根据信号带宽和信道带宽的比较平坦衰落频率选择性衰落根据发送信号码元宽度与信道变化快慢程度快衰落慢衰落2021/8/1558七、

多径衰落信道的分类（1）平坦衰落形成条件：信道带宽远大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益及线性相位判定条件：Bs<<BcorTs

>>2021/8/1559（2）频率选择性衰落形成条件：信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽判定条件：克服方法：均衡等Bs>BcorTs<

七、

多径衰落信道的分类2021/8/1560七、

多径衰落信道的分类（3）快衰落形成条件：信道冲激响应在码元宽度内变化很快，即信道的相关时间比发送信号码元宽度短。定量判据：

Ts>Tc

orBD>Bs2021/8/1561（4）慢衰落形成条件：信道冲激响应在码元宽度内变化很小，即信道的相关时间比发送信号码元宽度大。定量判据：Ts

<<Tc