移动通信原西安交大本

通过本章学习，着重解决以下问题：大尺度传播特性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)上的场强变化小尺度传播特性描述短距离(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统计特性、主要参数建模与仿真第2章移动信道对移动信道有一个全面深入的理解本文档共48页；当前第1页；编辑于星期一\18点14分本次课教学目的：理解移动通信的电波传播特性掌握移动信道的衰落特性掌握多径衰落特性第2章移动信道本文档共48页；当前第2页；编辑于星期一\18点14分概述（1）为何要研究传播特性发射机与接收机之间的传播路径非常复杂接收天线将接收从多条路径传来的信号移动台的运动周围环境的变化传播特性直接关系到以下因素天线高度的确定预测信号的覆盖范围为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术……本文档共48页；当前第3页；编辑于星期一\18点14分概述（2）研究传播特性的基本方法理论分析

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。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。测试参数包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。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移动环境。该方法可弥补前两种方法的不足。本文档共48页；当前第4页；编辑于星期一\18点14分概述（3）一般的三级模型路径损耗长程范围内平均信号电平取决于发射机与接收机之间的距离阴影短程范围内平均信号电平在50100波长距离内平均得到由地形或人造障碍引起多径衰落来自不同方向不同长度路径信号引起的干扰信号包络在几个波长间距内的变化幅度可达30dB本文档共48页；当前第5页；编辑于星期一\18点14分据信道特性参数随时间变化的快慢，通常又分为：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。变参信道：传输特性随时间的变化较快。2.1电波传播特性本文档共48页；当前第6页；编辑于星期一\18点14分2.1.1无线电波的传播机制自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS(line-of-sight)存在阻挡物（多条路径）:反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反射绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，会发生绕射散射：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。2.1电波传播特性本文档共48页；当前第7页；编辑于星期一\18点14分自由空间传播模型

自由空间均匀无损耗的无限大空间。各向同性。电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1。传播损耗本质：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。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。2.1.2直射波本文档共48页；当前第8页；编辑于星期一\18点14分自由空间传播模型

模型适用范围接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径LOS。仅当视距大于发射天线远场距离时适用。远场距离df=2D2/λ（D为天线的最大物理线性尺寸）距发射机d处天线的接收功率数学表达式（Friis公式）（2.1）

其中，L是与传播无关的系统损耗因子；λ为波长。本文档共48页；当前第9页；编辑于星期一\18点14分自由空间传播模型自由空间传播模型

距发射机d处天线的接收功率物理意义

—与d2成反比→距离越远，衰减越大。

—与λ2成正比（与f2成反比）→频率越高，衰减越大。

—综合损耗L(L>=1)通常归因于传输线衰减、滤波损耗和天线损耗，L＝1则表明系统硬件中无损耗。本文档共48页；当前第10页；编辑于星期一\18点14分自由空间传播模型自由空间传播模型路径损耗表示信号衰减，单位为dB的正值。为有效发射功率和接收功率之间的差值，如下表示：本文档共48页；当前第11页；编辑于星期一\18点14分2.1.3大气中的电波传播1、大气折射低层大气并不是均匀介质－折射与吸收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。实际半径是6370km,等效地球半径为8500km。本文档共48页；当前第12页；编辑于星期一\18点14分2.1.3大气中的电波传播2、视线传播极限距离本文档共48页；当前第13页；编辑于星期一\18点14分2.1.4障碍物的影响与绕射损耗绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后面。绕射可用惠更斯原理解释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。当电波到达阻挡物的边缘时，由次级波的传播进入阴影区。x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，无阻挡时余隙为正。

本文档共48页；当前第14页；编辑于星期一\18点14分菲涅尔区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nλ/2的连续区域（即图中的圆环）。菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为λ/2，则两条路径的相位差为。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。

第n个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示:2.1.4障碍物的影响与绕射损耗本文档共48页；当前第15页；编辑于星期一\18点14分2.1.4障碍物的影响与绕射损耗x/r1＞0.5时附加损耗为0dB。X<0时损耗急剧增加。X=0时TR射线从障碍物顶点擦过，损耗为6dB在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔区余隙x/r1＞0.5本文档共48页；当前第16页；编辑于星期一\18点14分2.1.5反射波反射波：本文档共48页；当前第17页；编辑于星期一\18点14分2.1.5反射波（2）地面反射模型（双线或两径传播模型）：

视距和地面反射的路径差Δ为：当T－R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：

本文档共48页；当前第18页；编辑于星期一\18点14分2.1.5反射波接收功率为：

适用条件：当距离很大时，接收功率随距离成4次方衰减。对较大的d值，接收功率和路径损耗与频率无关。本文档共48页；当前第19页；编辑于星期一\18点14分2.1.6散射实际移动环境中，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面时，发生散射作用，这就给接收机提供了额外的能量。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。本文档共48页；当前第20页；编辑于星期一\18点14分2.2移动信道的衰落特性2.2.1概述

移动信信道的时变特性

自由空间传播损耗与弥散

阴影衰落系统设计

多径衰落抗衰落技术本文档共48页；当前第21页；编辑于星期一\18点14分阴影衰落：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、高度有关慢衰落的衰落速率与频率无关，这一点与快衰落不同

慢衰落的深度，取决于信号频率与障碍物的状况。

2.2.1移动信道的衰落特性本文档共48页；当前第22页；编辑于星期一\18点14分慢衰落的局部均值近似服从对数正态分布。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本文档共48页；当前第23页；编辑于星期一\18点14分多普勒频移成因：路程差造成的接收信号相位变化值，进而产生多普勒频移。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。数学推导2.2.2移动信道的衰落特性本文档共48页；当前第24页；编辑于星期一\18点14分2.2.3衰落信号幅度的特征量工程实用中，常常用一些特征量表示衰落信号的幅度特点。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。电平通过率：信号包络在单位时间内以正斜率通过某规定电平R的平均次数。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值所对应的电平通过率之比。本文档共48页；当前第25页；编辑于星期一\18点14分1、衰落率衰落率与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播的路径数有关。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。衰落深度与衰落速率密切相关。深度衰落发生的次数较少，浅度衰落发生得相当频繁。本文档共48页；当前第26页；编辑于星期一\18点14分2、电平通过率衰减20dB概率为1%，衰减30dB和40dB的概率分别为0.1%和0.01%。本文档共48页；当前第27页；编辑于星期一\18点14分3、衰落持续时间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。(如上图tA)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。本文档共48页；当前第28页；编辑于星期一\18点14分移动信道是弥散信道。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大小尺度衰落成因：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干涉所引起的。

效应短距或短时传播后信号强度的急速变化。不同多径信号上，存在时变的多普勒频移。多径传播时延引起的扩展（回音）。2.2.4多径衰落本文档共48页；当前第29页；编辑于星期一\18点14分下图示意了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多径衰落本文档共48页；当前第30页；编辑于星期一\18点14分多径衰落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上或频谱上或空间上会产生交叠，使信号产生衰落失真。

当信号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性衰落--相关频率。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。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。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关系？

本文档共48页；当前第31页；编辑于星期一\18点14分功率时延分布（PDP，PowerDelayProfile）描述信道在时间上的色散；多普勒功率谱密度（DPSD，DopplerPowerSpreadDensity）：描述信道在频率上的色散；功率角度谱（PAS，PowerAzimuthSpectrum）：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）本文档共48页；当前第32页；编辑于星期一\18点14分2.3.1时延扩展与相干带宽时间色散(TimeDispersionParameters)

定义：因多径传播造成信号时间扩散的现象。成因：发射信号经过不同路径到达接收点的时间各不相同。例子说明，以发射单脉冲为例。

时变多径信道响应示例(a)N=3(b)N=4(c)N=5本文档共48页；当前第33页；编辑于星期一\18点14分2.3.1时延扩展与相干带宽时间色散(TimeDispersionParameters)

不同时间发送的脉冲信号经历不同时延情况如下

本文档共48页；当前第34页；编辑于星期一\18点14分描述时间色散的重要参数平均附加时延rms时延扩展最大附加时延(XdB)多径能量从初值衰落到低于最大能量处XdB的时延，即tx-t0（其中 ） 1、时延扩展本文档共48页；当前第35页；编辑于星期一\18点14分1、时延扩展室内功率延时分布本文档共48页；当前第36页；编辑于星期一\18点14分描述时间色散的重要参数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，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/στ低得多。1、时延扩展本文档共48页；当前第37页；编辑于星期一\18点14分2、相干带宽举例说明：双射线信道双射线信道的等效网络框图接收信号双射线信道的等效传递函数第一射线信号：Xi(t)，第二射线信号：aXi(t)本文档共48页；当前第38页；编辑于星期一\18点14分2、相干带宽举例说明：双射线信道双射线信道的幅频特性w1+a1-aA(w,t)(2n+1)π/

st2nπ/

st附加图3双射线信道的幅频特性本文档共48页；当前第39页；编辑于星期一\18点14分2、相干带宽举例说明：双射线信道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：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。例2.1本文档共48页；当前第40页；编辑于星期一\18点14分起因：由时间色散引起。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及线性相位。定量表达式: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：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：2、相干带宽本文档共48页；当前第41页；编辑于星期一\18点14分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，各频点的幅度有基本相同的增益，也就是说，发送信号的频谱基本保持不变；2）信道的增益是随着时间变化的，也就是接收端信号的功率是不断变化的，这种信号忽大忽不小的变化就是衰落。本文档共48页；当前第42页；编辑于星期一\18点14分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）在信号带宽范围内，对不同的频率成份有了不同的响应，也就是说对信号的频率具有了选择性，信号发生了失真；2）信道的总增益随时间变化很小，接收信号的功率基本不变。

本文档共48页；当前第43页；编辑于星期一\18点14分2.3.2多普勒扩展和相干时间1、多普勒扩展

描述信道频率色散的参数。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。多普勒扩展定义：为一个频率范围BD，在此范围内接收的多普勒谱有非0值。含义：多普勒扩展BD