无线信道基本知识

无线通信信道基本概念与技术,Mobile Communication Theory,目录,Mobile Communication Theory,电波传播的基本特性,基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径,传播损耗和色散 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,Mobile Communication Theory,一种典型的信号传播环境,Mobile Communication Theory,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,大尺度衰落与小尺度衰落,Mobile Communication Theory,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)表示大尺度衰落； r0(t)表示小尺度衰落。,Mobile Communication Theory,自由空间的电波传播,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,分贝表示,有效接收天线面积,Mobile Communication Theory,3种基本电波传播机制,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,基本电波传播机制,直射：LOS 无直射：NLOS,Mobile Communication Theory,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,直射波,反射波,地表面波 可忽略,地面二次效应 可忽略,Mobile Communication Theory,绕射,电磁波在传播过程中，行进中的波前(面)上的每一点，都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(面)。,Mobile Communication Theory,阴影衰落的基本特性,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 传播路径损耗和阴影衰落 分贝式 式中 r 移动用户和基站的距离 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 m 路径损耗指数 实验数据表明m4，标准差8dB对于城区是比较合理的,Mobile Communication Theory,移动无线信道及特性参数,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,Mobile Communication Theory,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 Theory,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 Theory,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 Theory,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,判定 由信道和信号两方面决定,衰落的分类及判定,数字通信系统,信号带宽小于信道相干带宽 BsBc,信号带宽远大于信道相干带宽 BsBc,平坦衰落,频选衰落,码间干扰,Mobile Communication Theory,角度扩展,角度功率谱（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,相关距离Dc,空间选择性衰落,Mobile Communication Theory,瑞利分布,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,Mobile Communication Theory,Ts为信号周期（一般是信号带宽Bs的倒数） 是信道时延扩展均方根值； Bc为相干带宽 通常若 ，可认为该信道是频率选择性的,平坦衰落和频率选择性衰落,Mobile Communication Theory,快衰信道和慢衰信道,Tc为信道相干时间 BD为多普勒扩展,无线移动通信一般按慢衰落处理 声波通信按快衰落处理,Mobile Communication Theory,室外传播模型,Hata模型,CCIR模型,LEE模型,COST 231 Walfisch-Ikegami 模型,Mobile Communication Theory,Okumura-Hata 模型,路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 Theory,COST-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 Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16 COST-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 Theory,CCIR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 Theory,LEE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,Mobile Communication Theory,LEE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,COST 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的衰落损耗 L2 沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）,M