第章移动通信信道

移动信道基本特性2.1衰落2.22.3噪声和干扰6/28/20231本文档共45页；当前第1页；编辑于星期三\15点41分2.1移动信道基本特性2.1.1移动通信信道的主要特点2.1.2电波传播方式2.1.3接收信号中的四种效应6/28/20232本文档共45页；当前第2页；编辑于星期三\15点41分2.1.1移动通信信道的主要特点1．传播的开放性这是区别于有线信道，有线信道中，电磁波被限定在导线内，而移动通信的信道是一个开放的空间。2．接收环境的复杂性是指接收点地理环境的复杂性与多样性。可将接收点地理环境划分为三种典型区域:高楼林立的城市繁华区;以一般性建筑物为主体的近郊区;以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。3．通信用户的随机移动性6/28/20233本文档共45页；当前第3页；编辑于星期三\15点41分2.1移动信道基本特性2.1.1移动通信信道的主要特点2.1.2电波传播方式2.1.3接收信号中的四种效应6/28/20234本文档共45页；当前第4页；编辑于星期三\15点41分2.1.2电波传播方式1．直射波即没有障碍物的情况下，电磁波在视距范围内直接由基站到达手机。2．反射波当障碍物的尺寸大于电磁波的波长时，电磁波就会在障碍物的前方发生反射。

3．绕射波电磁波绕过绕过障碍物，在障碍物后方形成场强。

一般可归纳为以下波四种基本传播方式：

6/28/20235本文档共45页；当前第5页；编辑于星期三\15点41分2.1.2电波传播方式4．散射波当电磁波遇到粗糙的表面时，反射能量会散布于所有方向,这样就形成了散射波。图2-1移动信道电波传播类型示意图

6/28/20236本文档共45页；当前第6页；编辑于星期三\15点41分2.1移动信道基本特性2.1.1移动通信信道的主要特点2.1.2电波传播方式2.1.3接收信号中的四种效应6/28/20237本文档共45页；当前第7页；编辑于星期三\15点41分2.1.3接收信号中的四种效应1.阴影效应由于大型建筑物或其它物体的遮挡，在于障碍物的后面产生的传播半盲区。2.远近效应由于移动用户距离基站有远有近，这样近处的用户信号就会对远处的用户信号产生抑制。6/28/20238本文档共45页；当前第8页；编辑于星期三\15点41分2.1.3接收信号中的四种效应3.多径效应由于用户所处位置的复杂性，到达移动台天线的信号不是由单一路径来的，而是包含多条路径。不同路径的信号，它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。所接收的信号是上述各路信号的矢量和。4.多普勒效应由于用户处于高速移动中，从而引起传播频率的扩散，由此引起的附加频移称为多普勒频移（多普勒扩散）。这一现象只产生在大于等于70Km/h时，而对于慢速移动的步行和准静态的室内通信则不予考虑。6/28/20239本文档共45页；当前第9页；编辑于星期三\15点41分2.1.3接收信号中的四种效应无线电波从源点S出发，在X点和Y点分别被移动台接收时所走的路程差为Δxi＝dcosθi＝vΔtcosθi

由于源端点距离很远，可假设在X点和Y点处的θi是相同的，所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为SθiΔxiXYd当移动台以恒定速率v在长度为d、端点为X和Y的路径上运动时，受到自远方S点发出的信号，如图所示。由此可得出频率变化值，即多普勒频移fd为6/28/202310本文档共45页；当前第10页；编辑于星期三\15点41分移动信道基本特性2.1衰落2.22.3噪声和干扰6/28/202311本文档共45页；当前第11页；编辑于星期三\15点41分2.2衰落2.2.1大尺度衰落2.2.2小尺度衰落6/28/202312本文档共45页；当前第12页；编辑于星期三\15点41分2.2.1大尺度衰落在大尺度模型中，一般主要关注由路径损耗（Pathloss）和阴影（shadowing）效应所引起的接收信号功率随距离变化的规律。路径损耗引起长距离（100~1000米）接收信号功率的变化，而阴影效应引起障碍物尺度距离上（室外环境是10~100米，室内更小）接收信号功率的变化。1．路径损耗大多数移动通信系统运行在复杂的传播环境中，路径损耗除了受频率、距离等确定因素的影响，还会受到地形、地貌、建筑物分布及街道分布等不确定因素的影响。这里我们主要介绍在工程上普遍应用的电波传播损耗预测模型。

6/28/202313本文档共45页；当前第13页；编辑于星期三\15点41分路径损耗电波传播损耗预测模型是基于大量实测数据而得到的经验模型，常用的模型包括：奥村模型（OkumuraModel）、哈塔模型（HataModel）、哈塔模型的COST231扩展等。其中奥村模型是城市宏小区中信号预测最常用的模型之一，其适用的距离范围是1Km～100Km、频率范围是150MHz～1500MHz，该模型除了公式外，还包括一些经验曲线和图表。哈塔模型是将奥村模型中的经验曲线与图表拟合成更加便于工程上使用的经验公式，其适用的频率范围也基本是150MHz～1500MHz。而哈塔模型的COST231扩展是欧洲科技合作组织将哈塔模型扩展到2GHz，以便适合PCS系统。下面分别介绍哈塔模型和哈塔模型的COST231扩展。6/28/202314本文档共45页；当前第14页；编辑于星期三\15点41分（1）Hata模型由于使用Okumura模型，需要查找其给出的各种曲线，不利于计算机预测。Hata根据Okumura的基本中值场强预测曲线，通过曲线拟合，将Okumura模型中的经验曲线与图表提炼成更加便于工程上使用的经验公式，即Hata模型。Hata在提出这个模型时作了下列三点假设，以求简化：作为两个全向天线之间的传播损耗处理；作为准平滑地形而不是不规则地形处理；以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。路径损耗6/28/202315本文档共45页；当前第15页；编辑于星期三\15点41分Hata模型适用条件频率范围：150~1500MHz；基站天线有效高度hb：30~200m；移动台天线高度hm：1~10m；覆盖距离：1~20km。传播损耗公式

式中，d的单位为km，f的单位为MHz，LT城为城市市区的中值路径损耗，hb和hm分别为基站和移动台天线有效高度。6/28/202316本文档共45页；当前第16页；编辑于星期三\15点41分移动台天线高度修正因子：对于其它地形，Hata分别定义了相应的修正因子Kmr——郊区校正因子

Qo——开阔地校正因子（农村地区）

Hata模型6/28/202317本文档共45页；当前第17页；编辑于星期三\15点41分（2）Hata模型扩展欧洲科学技术研究协会（EURO-COST）组成cost-231工作组开发Hata模型对PCS的扩展，提出将Hata模型扩展至2GHz频段。所以该模型称为Hata模型扩展。频率范围：1500～2000MHz;基站的天线有效高度hb：30～200m;移动台天线高度hm：1~10m；覆盖距离：1～20km。适用条件路径损耗6/28/202318本文档共45页；当前第18页；编辑于星期三\15点41分Hata模型扩展传播损耗公式

式中，d的单位为km，f的单位为MHz，LT城为城市市区的中值路径损耗，hb和hm分别为基站和移动台天线有效高度。移动台天线高度修正因子a(hm)与Hata模型相同。对于其它地形，修正因子与Hata模型相同6/28/202319本文档共45页；当前第19页；编辑于星期三\15点41分2.2.1大尺度衰落2．阴影衰落在路径损耗模型中一般认为对于相同的收发距离，路径损耗也是相同的。然而实际情况是，与同一发射机等距离但位于不同地理位置上的接收机，由于传播路径所经过的地理环境不同，使得其接收到的信号强度有很大的差异。通过路径损耗模型所计算的数值是所有可能路径所造成功率损耗的一个平均值或中间值，接收机实测值与路径损耗模型预测值之间的偏差则是由阴影衰落引起。6/28/202320本文档共45页；当前第20页；编辑于星期三\15点41分阴影衰落发射机和接收机之间的障碍物会引起阴影衰落，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式使给定距离处接收信号发生随机衰减。造成信号随机衰减的因素，包括障碍物的位置、大小和介电特性及反射面和散射体的情况一般都是未知的，因此只能用统计模型来表征这种随机衰减。经被实测数据证实，这种随机衰减呈现对数正态分布。图2-3在路径损耗、阴影效应和多径传播与距离的关系6/28/202321本文档共45页；当前第21页；编辑于星期三\15点41分2.2衰落2.2.1大尺度衰落2.2.2小尺度衰落6/28/202322本文档共45页；当前第22页；编辑于星期三\15点41分2.2.2小尺度衰落小尺度衰落是指无线电信号在短时间或短距离传播后其幅度、相位或多径时延快速变化，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。无线信道中的许多物理因素都会影响小尺度衰落，包括：(1)多径效应。多径效应使得各条路径信号到达接收机时有不同的相位、幅度及时延，从而引起时域的时延扩展，在频域产生频率选择性衰落。(2)多普勒效应。多普勒效应是与物体运动有关的，物体的运动包括基站和移动台的相对运动以及无线信道中环境物体的运动。由于移动台或环境物体的高速运动在频移会引起多普勒频移，在相应的时域产生时间选择性衰落。1．影响小尺度衰落的因素6/28/202323本文档共45页；当前第23页；编辑于星期三\15点41分影响小尺度衰落的因素(3)信号的传输带宽。前面提到的频率选择性衰落和时间选择性衰落在信道中可以同时存在，至于哪种衰落更明显，则取决于信号的带宽和符号周期。因为衰落是表征信道对信号的影响，衰落类型取决于发送信号特性（如带宽和符号周期）及信道特性（如均方根时延扩展和多普勒扩展）之间的关系。6/28/202324本文档共45页；当前第24页；编辑于星期三\15点41分2.2.2小尺度衰落时延扩展和相干带宽是用来描述无线信道的时间色散特性，而信道的时间色散是由多径效应所引起的。时延扩展是用来描述在时域上，由多径传播所造成的信号波形扩散效应。常用的时延扩展参数包括：平均附加时延、均方根时延扩展和附加时延扩展。这些参数可由功率延迟分布得到。这些参数值基本上是由环境所决定的，反映了信道的时域特性。

2．移动多径信道参数（1）时延扩展和相干带宽6/28/202325本文档共45页；当前第25页；编辑于星期三\15点41分移动多径信道参数另一个反映信道频域特性的参数是相干带宽，相干带宽Bc表示包络相关度为某一特定值时的信号带宽。也就是说，当两个频率分量的频率相隔小于相干带宽Bc时，它们具有很强的幅度相关性；反之，当两个频率分量的频率相隔大于相干带宽Bc时，它们幅度相关性很小。相干带宽Bc可以由均方根时延扩展来定义。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽约为：如果将定义放宽至相关函数值大于0.5，则相干带宽约为：6/28/202326本文档共45页；当前第26页；编辑于星期三\15点41分（2）多普勒扩展和相干时间移动多径信道参数多普勒扩展和相干时间是用来描述无线信道的时变特性，而信道的时变特性是由于多普勒效应所引起的。

当发送端和接收端有相对运动的时候，信号便有多普勒频移的产生，这引起了信号频谱扩展。如果发送的是频率为fc的正弦波，在没有多普勒效应的影响下，信号的功率谱密度为一德塔函数，所有的信号能量会集中在中心频率附近，一但有相对运动之后，多普勒效应将会使功率谱密度往最大多普勒频移fm集中而形成U字形，如图所示。

6/28/202327本文档共45页；当前第27页；编辑于星期三\15点41分

在描述信道的时变特性时，从频域的角度来看，我们有多普勒扩展BD这个参数，而相干时间Tc则为多普勒扩展在时域上的表现。这是因为多普勒效应所造成信道的频率色散，其实也隐含了信道会随时间而改变这个事实。和相干带宽的定义类似，相干时间指的是在某个时间间隔内，任意两个接收信号的增益或衰减有很强的相关性，也就是说，信道对这两个信号所造成的增益或衰减是差不多的。

相干时间Tc可以由最大多普勒频移fm来定义，被普遍采用的公式是：

如果发送信号的码元周期大于信道的相干时间，则信道将在一个码元尚未传送完毕之前就发生变化，这样，接收机所收到的信号就会失真。移动多径信道参数6/28/202328本文档共45页；当前第28页；编辑于星期三\15点41分3．小尺度衰落类型2.2.2小尺度衰落信号通过移动无线信道传播时，其衰落类型取决于发送信号的特性及信道特性。信号参数（如带宽、符号周期）和信道参数（如均方根时延扩展和多普勒扩展）之间的关系决定了不同的发送信号将经历不同的衰落类型。（1）多径时延扩展引起的衰落效应多径特性引起的时间色散，导致了发送信号产生平坦衰落或频率选择性衰落，如图2-5所示。图2-5平坦衰落和频率选择性衰落的关系6/28/202329本文档共45页；当前第29页；编辑于星期三\15点41分小尺度衰落类型当发送的信号带宽小于信道的相干带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，即信号在各个频率的增益或是衰减几乎是一个常数，发生平坦衰落。值得注意的是，这里的“平坦”是指对于任意的一个固定时间，信号在不同频率的增益或衰减几乎是一个定值，所以“平坦”是一个相对于频域的概念，然而在时域上，信号的包络有可能经历快速而剧烈的变化，这是因为当发生平坦衰落时，信道的时延扩展小于符号周期，到达接收机的多径信号是不可分辨的，即不同路径的时延差远小于信号带宽的倒数，由这些不可分辨信号所结合而成的接收信号包络是一个随机变量，研究表明，其通常服从瑞利分布，当存在一个固定的直射分量时，则服从莱斯分布。平坦衰落信道对信号的影响如图2-6所示，其中s(t)、r(t)

和h(t,τ)分别表示发送的信号、接收信号和多径信道冲激响应，而S(f)、R(f)和H(f)分别为其相应的频谱。6/28/202330本文档共45页；当前第30页；编辑于星期三\15点41分图2-6平坦衰落信道对信号的影响

小尺度衰落类型6/28/202331本文档共45页；当前第31页；编辑于星期三\15点41分

当发送的信号带宽大于信道的相干带宽时，信道对发送信号在不同频率的衰减是不尽相同的，发生频率选择性衰落。很明显，“选择性”也是一个频域上的概念，从时域上看，由于信道的时延扩展大于符号周期，多径传播使得在接收端形成数个可分辨的路径，这些多径将对后续脉冲造成干扰，称为码间干扰。当然，这里每一个可分辨的路径还是包含了若干个不可分辨的路径。频率选择性衰落信道对信号的影响如图2-7所示。小尺度衰落类型图2-7频率选择性衰落信道对信号的影响

6/28/202332本文档共45页；当前第32页；编辑于星期三\15点41分小尺度衰落类型（2）多普勒扩展引起的衰落效应多普勒扩展引起频率色散，导致发送信号产生慢衰落或快衰落，如图2-8所示。图2-8慢衰落和快衰落的关系

6/28/202333本文档共45页；当前第33页；编辑于星期三\15点41分小尺度衰落类型当发送信号的符号周期小于信道相干时间时，产生慢衰落。从时域上看，在慢衰落信道中，信道脉冲响应的变化速率比发送信号的基带码元速率慢，在这种情况下，我们可以把数个码元周期内的信道状况都视为静止不变的；而从频域上看这同一个现象，我们可以认为信道的多普勒频移是远小于基带信号的带宽。6/28/202334本文档共45页；当前第34页；编辑于星期三\15点41分小尺度衰落类型当发送信号的符号周期大于信道相干时间时，则产生快衰落。从时域上看，信道的相干时间小于传送信号的码元周期，也就是说信道在一个码元还没有传送完毕之前，就已经发生了变化，因为同一个码元的一部分增益会和另一部分不同，因此快衰落也称时间选择性衰落，而这种情况会引起发送信号的失真。再回到频域来看这个现象，如果多普勒频移越大，代表发送端与接收端的相对速度越高，也就代表信道变化的速度越快，信号因为受到较快的信道衰减变化，失真的情况也就越严重。在实际的系统中，大部分的无线通信系统是处于慢衰落的信道中，快衰落只会发生在发送码元速率极低的情况下。6/28/202335本文档共45页；当前第35页；编辑于星期三\15点41分移动信道基本特性2.1衰落2.22.3噪声和干扰6/28/202336本文档共45页；当前第36页；编辑于星期三\15点41分2.3噪声和干扰2.3.1移动通信中的噪声2.3.2移动通信中的干扰6/28/202337本文档共45页；当前第37页；编辑于星期三\15点41分2.3.1移动通信中的噪声1．无线信道噪声分类噪声的种类很多，也有多种分类方式，若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为三类:

自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声。如雷电、磁暴、太阳黑子、银河系噪声、宇宙射线等。可以说整个宇宙空间都是产生自然噪声的来源。（1）自然噪声6/28/202338本文档共45页；当前第38页；编辑于星期三\15点41分无线信道噪声分类（2）人为噪声人为噪声是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。其中包括工业噪声和无线电噪声。工业噪声来源于各种电气设备，如开关接触噪声、工业的点火辐射及荧光灯干扰等。无线电噪声来源于各种无线电发射机，如外台干扰、宽带干扰等。内部噪声是指通信设备本身产生的各种噪声。它来源于通信设备的各种电子器件、传输线、天线等。（3）内部噪声6/28/202339本文档共45页；当前第39页；编辑于星期三\15点41分它主要来自于通信设备中有源器件，如电子管、晶体管及各类大规模集成电路中的载流子的起伏变化而产生。其特点与无源噪声类似。它与无源白噪声的唯一差异是在一定激发条件下才产生大量电子发射而形成。