移动通信原理课程第二章

1、移动通信原理课程第二章 移动信道及移动信道及3 3个主要特点个主要特点 信道中的电磁波传播过程信道中的电磁波传播过程 传播一般性分析计算传播一般性分析计算 接收信号中的接收信号中的3 3类损耗与类损耗与4 4种效应种效应 三类主要快衰落三类主要快衰落 实际移动通信中实际移动通信中3 3类选择性衰落如何产生类选择性衰落如何产生 传播类型与信道模型的定量分析传播类型与信道模型的定量分析 第2章 无线传播与移动信道 讨论及解决问题：讨论及解决问题： 移动通信原理课程第二章 本章概要 概念、术语；简单分析过程；计算方法及公式应用。概念、术语；简单分析过程；计算方法及公式应用。 移动通信的主要特点：传播

2、的开放性、接收环境的复杂移动通信的主要特点：传播的开放性、接收环境的复杂 性和用户的随机移动性；性和用户的随机移动性； 接收信号的接收信号的3 3类损耗：路径传播损耗、慢衰落损耗和快衰类损耗：路径传播损耗、慢衰落损耗和快衰 落损耗；落损耗； 4 4类效应：阴影效应、远近效应、多径效应与多普勒效应。类效应：阴影效应、远近效应、多径效应与多普勒效应。 传播过程简要分析过程及常规公式；传播过程简要分析过程及常规公式； 对大范围、大尺度传播损耗进行了定量的分析和计算。对大范围、大尺度传播损耗进行了定量的分析和计算。 （模型）（模型） 对小范围、小尺度传播特性各类快衰落做了进一步定量对小范围、小尺度传播

3、特性各类快衰落做了进一步定量 分析分析. .（模型，统计及瞬时）（模型，统计及瞬时） * * * * *移动通信中的几种主要噪声和干扰（自选看）移动通信中的几种主要噪声和干扰（自选看）* * * 移动通信原理课程第二章 基本情况基本情况 通信的通信的3 3项基本指标项基本指标 有效性：是指在占有尽可能少的信道资源有效性：是指在占有尽可能少的信道资源=?=?，如频段、，如频段、 时隙和功率等的条件下尽可能多地传送信源的信息，是通时隙和功率等的条件下尽可能多地传送信源的信息，是通 信的数量上的指标。信的数量上的指标。 可靠性：主要是指在传输过程中抵抗各类客观自然干扰的可靠性：主要是指在传输过程中抵

4、抗各类客观自然干扰的 能力，但是在特殊的军事通信中，它还包含抵抗人为设置能力，但是在特殊的军事通信中，它还包含抵抗人为设置 干扰的能力。干扰的能力。 安全性：主要是指在传输中的安全保密性能，即收端防窃安全性：主要是指在传输中的安全保密性能，即收端防窃 听、发端防伪造和篡改等的能力。听、发端防伪造和篡改等的能力。 信道分类信道分类-按传输媒质按传输媒质 有线信道：有线信道包括架空明线、电缆及光纤。有线信道：有线信道包括架空明线、电缆及光纤。 无线信道。无线信道中有中、长波地表面波传播，短波电无线信道。无线信道中有中、长波地表面波传播，短波电 离层反射传播，超短波和微波直射传播以及各种散射传播。离

5、层反射传播，超短波和微波直射传播以及各种散射传播。 移动通信原理课程第二章 移动通信场强实测记录移动通信场强实测记录( (f=160 MHz)f=160 MHz) 信道分类信道分类 从信道特性参数随外界各种因素的影响而变化分类：从信道特性参数随外界各种因素的影响而变化分类： 恒参信道：恒参信道是指其传输特性的变化量极其微小。恒参信道：恒参信道是指其传输特性的变化量极其微小。 且变化速度极慢，或者说，在足够长的时间内，其参数基且变化速度极慢，或者说，在足够长的时间内，其参数基 本不变。本不变。 变参信道：变参信道是指传输特性随时间的变化较快。移变参信道：变参信道是指传输特性随时间的变化较快。移

6、动信道为典型的变参信道。动信道为典型的变参信道。 示例：示例： 信道特征信道特征 复杂动态复杂动态 变化大变化大 严重衰落严重衰落 移动通信原理课程第二章 应对方法应对方法 各类新技术解决的问题：各类新技术解决的问题： 针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效 性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。 移动信道一般分析方法：移动信道一般分析方法： 不能简单地应用固定点无线通信的电波传播模式；不能简单地应用固定点无线通信的电波传播模式； 根据移动通信的特点，按照不同的传播环境和地形特征，根据移动通信的

7、特点，按照不同的传播环境和地形特征， 运用统计分析结合实际测量的方法，找到移动条件下的传运用统计分析结合实际测量的方法，找到移动条件下的传 播规律，以获得准确预测接收信号场强的方法。播规律，以获得准确预测接收信号场强的方法。 目的：目的：(3(3stst* * * *11)11) 获得准确预测接收信号场强的方法。获得准确预测接收信号场强的方法。 移动通信占用频率：移动通信占用频率： 150 150 MHz(VHF)MHz(VHF)： 30MHz 30MHz300MHz300MHz（含含300300MHzMHz）= =甚高频甚高频 450 450 MHzMHz、900 MHz(UHF)900 M

8、Hz(UHF)频段：频段：300300MHzMHz3000MHz=3000MHz=超高频，超高频， 又称分米波又称分米波 移动通信原理课程第二章 移动通信信道的移动通信信道的3 3个主要特点：个主要特点： 传播的开放性：一切无线信道都是基于电磁波在空间的传传播的开放性：一切无线信道都是基于电磁波在空间的传 播来实现开放式信息传输的。播来实现开放式信息传输的。 接收环境的复杂性：接收点地理环境的复杂性与多样性。接收环境的复杂性：接收点地理环境的复杂性与多样性。 按接收点地理环境划分为按接收点地理环境划分为3 3类典型区域，类典型区域， 高楼林立的城市繁华区高楼林立的城市繁华区 以一般性建筑物为主

9、体的近郊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以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区 通信用户的随机移动性通信用户的随机移动性 准静态的室内用户通信准静态的室内用户通信 慢速步行用户通信慢速步行用户通信 高速车载用户通信（高速车载用户通信（=70=70KmKm） 与用户数，常规城 市分类相似 移动通信原理课程第二章 移动信道的传播路径移动信道的传播路径 MSMS接收接收N N条路径信号条路径信号 反射波反射波 散射波散射波 直射波直射波 移动通信原理课程第二章 传播规律分析传播规律分析 电磁波传播角度观察：电磁波传播角度观察： 直射波：是指在视距覆盖区内无遮挡的传播

10、。它是超短波、直射波：是指在视距覆盖区内无遮挡的传播。它是超短波、 微波的主要传输方式，经直射波传播的信号最强。微波的主要传输方式，经直射波传播的信号最强。 反射波：是指从不同建筑物或其它反射体反射后到达接收反射波：是指从不同建筑物或其它反射体反射后到达接收 点的传播信号。信号强度较直射波弱点的传播信号。信号强度较直射波弱, ,近距离的多普勒效近距离的多普勒效 应。应。 绕射波：从较大的建筑物与山丘绕射后到达接收点的传播绕射波：从较大的建筑物与山丘绕射后到达接收点的传播 信号。但它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较信号。但它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较 直射波弱。直射波弱。

11、其它：穿透建筑物的传播及空气中离子受激后其它：穿透建筑物的传播及空气中离子受激后, ,二次发射二次发射 的漫反射产生的散射波，但它们相对于直射波、反射波、的漫反射产生的散射波，但它们相对于直射波、反射波、 绕射波都比较弱。绕射波都比较弱。 移动通信原理课程第二章 简化分析简化分析 频率频率f30MHzf30MHz的典型传播通路：的典型传播通路： 直射波：直接到达接收天线的电波，对直射波：直接到达接收天线的电波，对VHFVHF和和UHFUHF频段频段= =主要方式；主要方式； 地面反射波：经过地面反射到达接收机的电波；地面反射波：经过地面反射到达接收机的电波； 地表面波：沿地球表面传播的电波，对

12、地表面波：沿地球表面传播的电波，对VHFVHF和和UHFUHF频段的地表面波频段的地表面波 可以忽略不计。可以忽略不计。 原因原因= =地表面波的损耗随频率升高而急剧增大，地表面波的损耗随频率升高而急剧增大， 传播距离迅速减小传播距离迅速减小 。 反射和散射：在移动信道中，电波遇到各种障碍物时会发生反射反射和散射：在移动信道中，电波遇到各种障碍物时会发生反射 和散射现象，它对直射波形成干涉，产生多径衰落现象。和散射现象，它对直射波形成干涉，产生多径衰落现象。 典型的传播通路典型的传播通路 移动通信原理课程第二章 传播一般性分析计算（补充）传播一般性分析计算（补充） * * * * *2 2st

13、st* * * * * (1)(1)自由空间的传播损耗：自由空间的传播损耗： 分析对象：直射波分析分析对象：直射波分析 目标：接收点接收功率目标：接收点接收功率 传播图形理论抽象为右图传播图形理论抽象为右图= = 过程简述过程简述 自由空间传播损耗自由空间传播损耗 图上描述：设：图上描述：设： 原点原点O O有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为P PT T 经辐射后，能量均匀地分布在以经辐射后，能量均匀地分布在以O O点为球心，点为球心，d d为半径的球面上为半径的球面上 球面的表面积为球面的表面积为4 4dd2 2 移动通信原理课程第二章 传播

14、一般性分析计算（补充）传播一般性分析计算（补充） 已知球面的表面积为已知球面的表面积为4 4dd2 2，因此，在球面单位面积上的功率应为因此，在球面单位面积上的功率应为 P PT T4d4d2 2 若接收天线所能接收的有效面积取为若接收天线所能接收的有效面积取为A=A=2 244，则接收功率为则接收功率为 2 2 2 444 d P d P P T T R 定义：定义： 传播损耗传播损耗= =发射功率与接收功率的比值，发射功率与接收功率的比值， 则，自由空间传播损耗则，自由空间传播损耗L Lbs bs, ,为 为 2 ) 4 ( d P P L R T bs 移动通信原理课程第二章 传播一般性

15、分析计算（补充）传播一般性分析计算（补充） 工程应用：以工程应用：以dBdB表示，有表示，有 )(lg20lg2045.32) 4 lg(20) 4 lg(10 2 dBfd dd L bs 式中，式中，f f为波长换算的相应的工作频率为波长换算的相应的工作频率( (MHz)MHz)，d d为收发间距离为收发间距离( (km)km)。 分析及讨论：分析及讨论：=(=(上式的变化规律上式的变化规律= =？）？） 结论：结论： 自由空间传播损耗只与工作频率、和传播距离自由空间传播损耗只与工作频率、和传播距离d d有关。当工作频率有关。当工作频率 提高一倍，或者说工作波长减小一半时，电波在自由空间的

16、传播提高一倍，或者说工作波长减小一半时，电波在自由空间的传播 损耗就增加损耗就增加6 6dBdB。同样，当传播距离加大一倍时，传播损耗也增加同样，当传播距离加大一倍时，传播损耗也增加 6 6dBdB。 移动通信原理课程第二章 (2）大气折射及地球等效半径）大气折射及地球等效半径 大气折射：大气折射： 原因：原因： 实际的移动信道中，电波在低层大气中传播，低层大气为非均匀实际的移动信道中，电波在低层大气中传播，低层大气为非均匀 介质，它的温度、湿度以及气压均随时间和空间而变化，因此产介质，它的温度、湿度以及气压均随时间和空间而变化，因此产 生折射及吸收现象。在生折射及吸收现象。在VHF(150M

17、Hz)VHF(150MHz)、UHF(900MHz)UHF(900MHz)频段，折射现频段，折射现 象尤为突出，象尤为突出， 效应：直接影响视线传播的极限距离。效应：直接影响视线传播的极限距离。 大气对电波的折射大气对电波的折射: :当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时， 由于不同高度上的电波传播速度不同，使电波射束发生弯曲，弯由于不同高度上的电波传播速度不同，使电波射束发生弯曲，弯 曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dndndhdh。这种由大这种由大 气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对

18、电波的气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的 折射。折射。 版图示意折射效果图版图示意折射效果图 移动通信原理课程第二章 折射效果图：不同大气折射的电波传播轨迹折射效果图：不同大气折射的电波传播轨迹 折射效果图折射效果图 移动通信原理课程第二章 地球等效半径地球等效半径 思路：认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径思路：认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径 Ro(6370Km)Ro(6370Km)变成了等效半径变成了等效半径ReRe ReRe与与R R之间的关系为：之间的关系为： 式中，式中，k k称作地球等效半径系数。称作地球等效半径系数。 典型数据：典型

19、数据： 标准大气折射情况下标准大气折射情况下 即当即当dndndh-4dh-41010-8 -8(m (m-1 -1) )时 时 ， 等效地球半径系数等效地球半径系数k=4k=43 3， 1)1)地球等效半径地球等效半径Re=8500 kmRe=8500 km。 dh dn R R R k e 0 0 1 1 大气折射对传播的影响：大气折射对传播的影响： 大气折射有利于超视距的传播大气折射有利于超视距的传播 在视线距离内，也会产生多径衰落在视线距离内，也会产生多径衰落 因为由折射现象所产生的因为由折射现象所产生的 折射波会同直射波同时存在折射波会同直射波同时存在 （效果自判（效果自判= =？）

20、。？）。 移动通信原理课程第二章 视线传播极限距离视线传播极限距离 分析图：分析图： 天线高度分别为天线高度分别为htht和和hrhr，两个天线顶点的连线两个天线顶点的连线ABAB与地面相切于与地面相切于c c点。点。 求直线距离求直线距离= =？ 示意图：示意图： 视线传播的极限距离视线传播的极限距离 移动通信原理课程第二章 视线传播极限距离（视线传播极限距离（-数学解决问题）数学解决问题） 条件近似：条件近似： 地球等效半径地球等效半径ReRe远远大于天线高度，因此，自发射天线顶点远远大于天线高度，因此，自发射天线顶点A A 到切点到切点c c的距离的距离d1d1为为 简推下式：余弦、正弦

21、。角度转换简推下式：余弦、正弦。角度转换 teh Rd2 1 同理：同理： reh Rd2 2 故：视线传播的极限距离为故：视线传播的极限距离为 )(2 21rte hhRddd 移动通信原理课程第二章 典型数据典型数据工程公式工程公式 在标准大气折射情况下，在标准大气折射情况下，Re=8500 km Re=8500 km 扩展应用意义：考虑扩展应用意义：考虑= =最小天线高度？最小天线高度？ 实际天线高度？实际天线高度？ )(12. 4 rt hhd 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 有限空间问题有限空间问题 绕射损耗绕射损耗: : 实际情况中，电波在直射传播中存在各种障碍物，实

22、际情况中，电波在直射传播中存在各种障碍物， 由障碍物引起的附加传播损耗。由障碍物引起的附加传播损耗。 菲涅尔余隙菲涅尔余隙: : 障碍物顶点障碍物顶点P P至直射线至直射线TRTR的距离的距离 分析绕射引起的附加损耗：绕射引起的附加损耗即相对于自由空分析绕射引起的附加损耗：绕射引起的附加损耗即相对于自由空 间传播的分贝数。间传播的分贝数。 规定规定: :阻挡时余隙为负。阻挡时余隙为负。 移动通信原理课程第二章 有限空间传播问题有限空间传播问题 分析图分析图: :负余隙条件。负余隙条件。 分析图分析图: :正余隙条件正余隙条件= =无阻挡无阻挡 注意判定其效果注意判定其效果= =？ 移动通信原理

23、课程第二章 菲涅尔余隙的计算菲涅尔余隙的计算 基本思路：无线空间转化为有限空间。版图演示转化过程基本思路：无线空间转化为有限空间。版图演示转化过程 x x1 1是第一菲涅尔区在是第一菲涅尔区在P P点横截面的半径，它由下列关系式求得点横截面的半径，它由下列关系式求得 分析过程：分析过程： 见上图所示。图中见上图所示。图中x x表示障碍物顶点表示障碍物顶点P P至直射线至直射线TRTR的距离的距离( (菲涅尔菲涅尔 余隙余隙) )。 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系= =？ 21 21 1 dd dd x 移动通信原理课程第二章 分析结论分析结论

24、示意图：障碍物、余示意图：障碍物、余 隙、绕射损耗与菲涅隙、绕射损耗与菲涅 尔余隙的关系。尔余隙的关系。 图中，纵坐标为绕射图中，纵坐标为绕射 引起的附加损耗引起的附加损耗 图上规律分析图上规律分析= =？ 移动通信原理课程第二章 结果表示结果表示 当当x/xx/x1 1时，附加损耗约为时，附加损耗约为0 0 dBdB，即障碍物对直射波传播基本上即障碍物对直射波传播基本上 没有影响没有影响； 当当x0 x-经验公式经验公式 d d为移动台与基站之间的距离为移动台与基站之间的距离( (km)km)； K K为使用地区环境修正系数为使用地区环境修正系数( (dB)dB)。-经验公式经验公式 移动通

25、信原理课程第二章 奥村奥村- -哈塔哈塔( (Okumura-Hata)Okumura-Hata)模型模型 关于校正因子关于校正因子(hm)(hm)的讨论的讨论 关于修正因子关于修正因子K K 技术路线：技术路线： 基于奥村在广泛测量城镇与郊区的无线电传播损耗以后，制基于奥村在广泛测量城镇与郊区的无线电传播损耗以后，制 成的很多可用于规划蜂窝系统的有用经验曲线与图表。成的很多可用于规划蜂窝系统的有用经验曲线与图表。 1)1) 哈塔哈塔( (Hata)Hata)后来将奥村这些经验曲线与图表提炼成更加便于后来将奥村这些经验曲线与图表提炼成更加便于 工程上使用的经验公式。工程上使用的经验公式。 使用

26、的主要环境与条件为：使用的主要环境与条件为： 适用于小城镇与郊区的准平坦地区；适用于小城镇与郊区的准平坦地区； 应用频率为应用频率为150150MHzfc1500MHzMHzfc1500MHz； 有效距离为有效距离为lkmd20kmlkmd20km； 发射发射( (基站基站) )天线有效高度天线有效高度h hb b为为3030200200m m； 接收接收( (移动台移动台) )天线有效高度天线有效高度hmhm为为1 11010m m。 移动通信原理课程第二章 奥村奥村- -哈塔哈塔( (Okumura-Hata)Okumura-Hata)模型模型 关于修正因子关于修正因子K K 对于市区对于

27、市区 K=O K=O 对于郊区对于郊区 对于农村地区对于农村地区 校正因子校正因子(h(hm m) )： 对于中小城市移动天线校正因子为：对于中小城市移动天线校正因子为： 对于大城市：对于大城市： (2.3.3) 0.8-1.56lgf-0.7h-lgf1 . 1 )(h cmcm (2.3.4) 300MHzf 1.1-h54. 1lg29. 8)(h c 2 mm 时当 (2.3.5) 00MHz3f 4.97-h75.11lg2 . 3)(h c 2 mm 时当 4 . 528/flg2 2 c K 98.40lg33.18lg78.4 c 2 c ffK 移动通信原理课程第二章 Hat

28、aHata模型向个人通信模型向个人通信PCSPCS系统的扩展系统的扩展 改进点：应用频率提高到改进点：应用频率提高到2 2GHzGHz频段频段 研究过程：研究过程： 欧洲科学技术研究协会欧洲科学技术研究协会( (EURO-COST)EURO-COST)组成组成COST-231COST-231工作组开发工作组开发 HataHata模型对模型对PCSPCS的扩展，提出将的扩展，提出将HataHata模型扩展至模型扩展至2 2GHzGHz频段频段. . C)lgd6.551gh-(44.9)(h-13.821gh-1gf9 . 333 . 64 )(dB)(L Mbmbc 50 市区 其它部分请参考

29、教材。要求：能应用其它部分请参考教材。要求：能应用 移动通信原理课程第二章 Walfisch-IkegamiWalfisch-Ikegami模型模型( (WIM)WIM) 改进点：考虑来自街道宽度、街道绕射和散射等带来的影响。改进点：考虑来自街道宽度、街道绕射和散射等带来的影响。 图图2.5 2.5 Walfisch-IkegamiWalfisch-Ikegami传播模型传播模型 移动通信原理课程第二章 应用范围：应用范围： 这一模型主要用于欧洲这一模型主要用于欧洲GSMGSM系统，而且也应用于美国的一些传播系统，而且也应用于美国的一些传播 模型中。模型中。 模型包含模型包含4 4个部分：个部

30、分： 自由空间损耗自由空间损耗 屋脊到街道的绕射和散射损耗屋脊到街道的绕射和散射损耗 多次屏蔽损耗多次屏蔽损耗 树木和树叶引入的附加损耗。树木和树叶引入的附加损耗。 增计参数：增计参数： 在无线路径上建筑物之间的距离在无线路径上建筑物之间的距离b;b;街道宽度街道宽度w ;w ;相对于街道的入相对于街道的入 射角射角 Walfisch-IkegamiWalfisch-Ikegami模型模型( (WIM)WIM) 表达式构成：表达式构成： 具体见具体见WORD-P21WORD-P21 (2.3.10) (dB)L 50 tmsrtsfLLLL 移动通信原理课程第二章 WIMWIM使用的主要环境与

31、条件使用的主要环境与条件 800800MHzfc2000MHz;MHzfc2000MHz; 4mhb50m4mhb50m； 1mhm3m1mhm3m； 0.02kmd5km;0.02kmd5km; b20b2050m50m； w=b/2w=b/2； 90 90 移动通信原理课程第二章 模型比较：模型比较：WIMWIM与与HataHata 图图2.6 2.6 Walfisch-IkegamiWalfisch-Ikegami和和HataHata模型路径损耗模型路径损耗 与距离与距离d d的关系图的关系图 移动通信原理课程第二章 模型比较：模型比较：WIMWIM与与HataHata 1)1)两者损耗

32、一般要相差两者损耗一般要相差13131616dB;dB;因因HataHata模型未考虑来自街道模型未考虑来自街道 宽度、街道绕射和散射等带来的影响宽度、街道绕射和散射等带来的影响 ； 2)2)Walfisch-IkegarmiWalfisch-Ikegarmi模型要比模型要比HataHata模型更精确，但也更复杂模型更精确，但也更复杂. . 距离距离( (km)km) 路径损耗路径损耗( (dB)dB) HataHata模型模型Walfisch-Ikegami Walfisch-Ikegami 模型模型 1 1 126.16 126.16 139.45 139.45 2 2 136.77 13

33、6.77 150.89 150.89 3 3 142.97 142.97 157.58 157.58 4 4 147.37 147.37 162.33 162.33 5 5 150.79 150.79 166.01 166.01 差异差异= =？ 移动通信原理课程第二章 室内传播模型室内传播模型 特点：特点： 覆盖范围小，环境变化大，且受建筑物材料结构、建筑物类覆盖范围小，环境变化大，且受建筑物材料结构、建筑物类 型和建筑物布局影响。型和建筑物布局影响。 损耗简述：损耗简述： 从电波传播的机理上看，它与室外基本上是一样的。有电波从电波传播的机理上看，它与室外基本上是一样的。有电波 的直射、反射

34、、绕射、散射和穿透。不过具体的条件可能存的直射、反射、绕射、散射和穿透。不过具体的条件可能存 在较大的差异，比如室内是否开门，天线安装在什么位置、在较大的差异，比如室内是否开门，天线安装在什么位置、 高度等。高度等。 研究情况：研究情况： 室内无线传播是一个较新的研究领域，国外也是室内无线传播是一个较新的研究领域，国外也是2020世纪世纪8080年年 代才开始进行较系统的研究的，美国代才开始进行较系统的研究的，美国BellBell实验室和英国电信实验室和英国电信 等率先对大量家用和办公室建筑物周围及内部的路径损耗进等率先对大量家用和办公室建筑物周围及内部的路径损耗进 行了仔细的研究。研究方法行

35、了仔细的研究。研究方法= =？一般说来，室内信道也分为？一般说来，室内信道也分为 视距视距( (LOS)LOS)和阻挡和阻挡( (OBS)OBS)两种，并且随着环境杂乱程度而不断两种，并且随着环境杂乱程度而不断 变化。变化。 注：注：LOSLOS：Line of SightLine of Sight 移动通信原理课程第二章 2.3.3 2.3.3 中、小范围的传播损耗的定量分析中、小范围的传播损耗的定量分析 目的：目的： 定量分析定量分析3 3类快衰落和慢衰落的成因、规律和克服方法。类快衰落和慢衰落的成因、规律和克服方法。 基本思路：基本思路： 移动信道实质上可以看作在时域、频域和空域上的一个

36、三维移动信道实质上可以看作在时域、频域和空域上的一个三维 动态随机函数，动态随机函数， 解决问题：解决问题： 如何寻找一个有效分析与描述这类三维动态随机函数的方法。如何寻找一个有效分析与描述这类三维动态随机函数的方法。 使用手段：使用手段： 线性时变分析方法和广义平稳随机过程的分析方法。线性时变分析方法和广义平稳随机过程的分析方法。 快衰落的统计特性：快衰落的统计特性： * * * * *4 4stst* * * * * 信号包络统计特性信号包络统计特性 1)1) 瞬时幅度特性瞬时幅度特性 移动通信原理课程第二章 1) 1)快衰落信号包络统计特性快衰落信号包络统计特性 分析思路：分析思路： 远

37、离基站、靠远离基站、靠 近基站分类近基站分类 解决解决 远离基站分析图远离基站分析图 基本考虑：基本考虑： 设基站发射的信号为设基站发射的信号为 )323()(exp)( 0000 tjtS 经反射经反射( (或散射或散射) )到达接收天线的第到达接收天线的第i i个信号为个信号为S Si i(t)(t)，其振幅为其振幅为ii， 相移为相移为 ，到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和，到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和 i 图图3-83-8移动台接收移动台接收N N条路径信号条路径信号 移动通信原理课程第二章 具体分析具体分析 计及运动计及运动-移动台以恒定速度在下图，移动台以

38、恒定速度在下图，d d路段路段 运动，在两端点收到源端运动，在两端点收到源端S S发出的信号，发出的信号， 此二路信号相位差计算过程如下此二路信号相位差计算过程如下 因源端很远，因源端很远， 可认为两端点处的可认为两端点处的相同相同 ： 其相位差为：其相位差为： 频率变化值频率变化值 多普勒频移多普勒频移 式中，式中，v v为车速，为车速，为波长，为波长，fmfm为为i i=0=0时的最大多普勒频移时的最大多普勒频移 源信号S v d Y cos 2 cos 22 tvdl )333(coscos 2 1 imii f v t f )343()(exp)cos 2 (exp)( 00 tjvt

39、jtS iiii 移动通信原理课程第二章 合成信号合成信号 假设假设N N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足 统计独立，则接收信号为：统计独立，则接收信号为： 令令 )353()()( 1 N i i tStS iii vtt cos 2 )( )363()cos( 11 N i i N i ii xx )373()sin( 11 N i i N i ii yy 移动通信原理课程第二章 合成信号合成信号 则则S(t)S(t)可写成可写成 )383()(exp)()( 00 tjjyxtS 对上式的分析及推导对上式的分析及推导 1)

40、1)由于由于x x和和y y都是独立随机变量之和，因而根据概率的中心极限都是独立随机变量之和，因而根据概率的中心极限 定理，大量独立随机变量之和的分布趋向正态分布，即有概率定理，大量独立随机变量之和的分布趋向正态分布，即有概率 密度函数为密度函数为 )393( 2 1 )( 2 2 2 x x x exp )403( 2 1 )( 2 2 2 y y y eyp 式中，式中，x x、y y分别为随机变量分别为随机变量x x和和y y的标准偏差。的标准偏差。x x、y y在区间在区间dxdx、 dydy上的取值概率分别为上的取值概率分别为p(x)dxp(x)dx、p(y)dyp(y)dy 移动通

41、信原理课程第二章 讨论讨论 2)2)由于它们相互独立，所以在面积由于它们相互独立，所以在面积dxdx* *dydy中的取值概率为中的取值概率为 式中，式中，p(xp(x，y)y)为随机变量为随机变量x x和和y y的联合概率密度函数。的联合概率密度函数。 假设假设x x2 2= = y y2 2 = =2 2，且且p(x)p(x)和和p(y)p(y)均值为零，则均值为零，则 dyypdxxpdxdyyxp)()(),( )423( 2 1 ),( 2 22 2 2 yx eyxp 3)3)通常，二维分布的概率密度函数使用极坐标系通常，二维分布的概率密度函数使用极坐标系( (r r，)表示比较表

42、示比较 方便。此时，接收天线处的信号振幅为方便。此时，接收天线处的信号振幅为r r，相位为相位为，对应于直角对应于直角 坐标系为坐标系为 222 yxr x y arctan 移动通信原理课程第二章 讨论讨论 得联合概率密度函数为得联合概率密度函数为 )433( 2 ),( 2 2 2 2 r e r rp 对对积分，可求得包络概率密度函数积分，可求得包络概率密度函数p(r)p(r)为为 同理，对同理，对r r积分可求得相位概率密度函数积分可求得相位概率密度函数p()p()为为 )443(0 2 1 )( 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 re r derrp rr )453(20 2

43、1 2 1 )( 2 2 2 0 2 drerp r 移动通信原理课程第二章 结果分析结果分析 多径衰落的信号包络服从瑞利分布，这种多径衰落称为瑞利衰落。多径衰落的信号包络服从瑞利分布，这种多径衰落称为瑞利衰落。 瑞利衰落信号的特征计算：瑞利衰落信号的特征计算： 均值为，均值为， 均方值为，均方值为， 瑞利分布的概率密度函数瑞利分布的概率密度函数 p(r)p(r)与与r r的关系如右图的关系如右图 图上特征分析：图上特征分析：= =？ 图图3-93-9瑞利分布的概率密度瑞利分布的概率密度 移动通信原理课程第二章 特征分析及应用特征分析及应用 当当r=r=时，时，p(r)p(r)为最大值，表示为

44、最大值，表示r r在在值出现的可能性最大。值出现的可能性最大。 当：当： 实际意义：实际意义：= =？ 177. 12ln2r 有：有： 。常称为包络常称为包络r r的中值，记作的中值，记作r rmid mid 移动通信原理课程第二章 其它计算其它计算 信号包络低于信号包络低于的概率为：的概率为： 同理，信号包络同理，信号包络r r低于某一指定值低于某一指定值kk的概率为的概率为 )503(1)( 0 2 2 kk edrrp 移动通信原理课程第二章 实际应用实际应用 按照这样的办法，可按照这样的办法，可 以指定一任意电平来以指定一任意电平来 计算信号包络计算信号包络r r大于或大于或 小于指

45、定电平小于指定电平r r0 0的概的概 率，结果见图率，结果见图3-103-10。 图中说明：图中说明： 横坐标是以横坐标是以r rmid mid进行 进行 归一化，并以分贝表归一化，并以分贝表 示的电平值，即示的电平值，即20 20 lg lg r r0 0r rmid mid。 。纵坐标是包纵坐标是包 络电平大于络电平大于( (左左) )和小和小 于于( (右右) )横坐标的概率。横坐标的概率。 图图3-103-10瑞利衰落的累积分布瑞利衰落的累积分布 移动通信原理课程第二章 一般性结论一般性结论 通过上述分析和大量实测表明，多径效应使接收信号包络变化接通过上述分析和大量实测表明，多径效应

46、使接收信号包络变化接 近瑞利分布。在典型移动信道中，衰落深度达近瑞利分布。在典型移动信道中，衰落深度达3030dBdB左右，衰落左右，衰落 速率速率( (它等于每秒钟信号包络经过中值电平次数的一半它等于每秒钟信号包络经过中值电平次数的一半) )约约3030 4040次秒。次秒。 移动通信原理课程第二章 靠近基站靠近基站 基本情况：移动台靠近基站的情况下，快衰落信号包络统计特基本情况：移动台靠近基站的情况下，快衰落信号包络统计特 性是指在含有一个强直射波的性是指在含有一个强直射波的N N个路径传播时。个路径传播时。 接收信号的包络统计特性：若每条路径的信号幅度为高斯分布，接收信号的包络统计特性：

47、若每条路径的信号幅度为高斯分布， 相位在相位在0 02 2内为均匀分布。则合成信号的包络分布为莱斯内为均匀分布。则合成信号的包络分布为莱斯 ( (Rice)Rice)分布分布( (可参见图可参见图2-7(2-7(b)b) 图图2-7(2-7(b) b) 靠近基站情况下的概率密度函数靠近基站情况下的概率密度函数 注：图中的注：图中的 0 0=/=/； 为直射波幅度。为直射波幅度。 如下概率密度函数表达式如下概率密度函数表达式 )21. 3 . 2()()( 2 0 2 2 2 22 r Ie r rp r r r为衰落信号包络；为衰落信号包络；为直射波幅度，为直射波幅度，Io()Io()为零阶贝

48、塞尔函数；为零阶贝塞尔函数； 移动通信原理课程第二章 简单分析简单分析 当当很大，即直射波很强时，很大，即直射波很强时，rr，则式则式(2.3.21)(2.3.21)近似高斯分近似高斯分 布布 当当OO，即无直射波时，则式即无直射波时，则式(2.3.21)(2.3.21)近似为瑞利近似为瑞利 RayleighRayleigh 分布分布 (2)(2)快衰落瞬时幅度特性。快衰落瞬时幅度特性。 相关参数定义：相关参数定义：= =？ 移动通信原理课程第二章 特性表征特性表征 电平通过率电平通过率LCR(Level Crossing Rate)LCR(Level Crossing Rate)：是指在单位

49、时间内信号是指在单位时间内信号 电平以正斜率通过某一给定电平电平以正斜率通过某一给定电平A A的次数。若时间的次数。若时间T T内发生内发生N N次则次则 有有 图图2-82-8中所示的中所示的A A为给定电平，在时间为给定电平，在时间T T内以正斜率通过内以正斜率通过A A电平的次电平的次 数为数为4 4次，所以其电平通过率等于次，所以其电平通过率等于4 4T T。因为电平通过率是随机因为电平通过率是随机 量，所以多用平均电平通过率来描述，它与移动体运动速度量，所以多用平均电平通过率来描述，它与移动体运动速度v v、 工作波长工作波长有关，可表示为有关，可表示为 T N nLCR A 2 2

50、 efn mA 移动通信原理课程第二章 特性表征特性表征2 2 式中式中 其中，其中，A A为给定电平，为给定电平，ArmsArms为信号电平的均方根值。为信号电平的均方根值。fm=v/fm=v/，为为 最大多普勒频移。最大多普勒频移。 衰落速率：是指在单位时间内信号电平以正斜率通过中值电平的衰落速率：是指在单位时间内信号电平以正斜率通过中值电平的 次数。它等于某一给定电平为中值电平时的电平通过率。次数。它等于某一给定电平为中值电平时的电平通过率。 中值中值 电平满足式电平满足式(2.3.20)(2.3.20)的的rmrm值值( (出现概率为出现概率为50%50%的信号包络值的信号包络值)。

51、衰落速率与信号波长衰落速率与信号波长、运动速度运动速度v v和多径数目有关。由经验数和多径数目有关。由经验数 据可得到平均衰落率据可得到平均衰落率( (Average Fading Rate)Average Fading Rate)为为 22. 3 . 2 rms A A v n 2 0 移动通信原理课程第二章 特性表征特性表征3 3 衰落深度：是指信号的有效值衰落深度：是指信号的有效值( (均方根值均方根值) )与该次衰落信号的最小与该次衰落信号的最小 值之间的差值。因为衰落深度是随机量。所以多用平均衰落深值之间的差值。因为衰落深度是随机量。所以多用平均衰落深 度度( (Average De

52、ep of Fading)Average Deep of Fading)来描述。来描述。 平均衰落深度：是指信号中值与概率为平均衰落深度：是指信号中值与概率为P(rrx)=10P(rrx)=10的信号值的信号值 的差值，一般可达的差值，一般可达202030 30 dBdB。 衰落持续时间：是指信号电平低于某一电平衰落持续时间：是指信号电平低于某一电平( (门限电平门限电平) )的持续时的持续时 间。它是随机量。间。它是随机量。 定义平均衰落持续时间定义平均衰落持续时间AFD(Average Faded Duration)AFD(Average Faded Duration)：信号电信号电 平低

53、于某一规定电平值平低于某一规定电平值A A的概率与该规定电平值的电平通过率之的概率与该规定电平值的电平通过率之 比，即有比，即有 A A n ArP AFD )( 在图在图2-82-8中，时间中，时间T T内的衰落持续时间等于内的衰落持续时间等于t1+t2+t3+t4t1+t2+t3+t4，则可计则可计 算出平均衰落持续时间。算出平均衰落持续时间。 4/ )(/ 4321 ttttNti A 移动通信原理课程第二章 特性表征特性表征4 4 衰落持续时间决定于接收机的门限电平，用于判断衰落对通信的衰落持续时间决定于接收机的门限电平，用于判断衰落对通信的 影响。对数字通信，它可用于确定突发差错的长

54、度。影响。对数字通信，它可用于确定突发差错的长度。 移动通信原理课程第二章 噪声噪声1 1 2.3.4 2.3.4 移动通信中的几种主要噪声与干扰移动通信中的几种主要噪声与干扰 在移动通信中，严重影响移动通信性能的主要噪声与干扰大致可在移动通信中，严重影响移动通信性能的主要噪声与干扰大致可 分为分为3 3类：类： 加性正态白噪声加性正态白噪声 多径干扰多径干扰 多址干扰多址干扰 加性加性: :噪声与信号之间的关系遵从叠加原理的线性关系。噪声与信号之间的关系遵从叠加原理的线性关系。 正态：噪声分布遵从正态正态：噪声分布遵从正态( (高斯高斯) )分布。分布。 白：指其频谱是平坦的。白：指其频谱是

55、平坦的。 AWGNAWGN信道：仅含有加性正态白噪声的信道一般文献上称为信道：仅含有加性正态白噪声的信道一般文献上称为AWGNAWGN信信 道。这类噪声是最基本的噪声，并非移动信道所特有，一般简称道。这类噪声是最基本的噪声，并非移动信道所特有，一般简称 这类噪声为白噪声。产生这类噪声的来源主要有两个。这类噪声为白噪声。产生这类噪声的来源主要有两个。 移动通信原理课程第二章 噪声噪声2 2 (1) (1)无源约翰逊噪声。它主要来自一切无源器件，如电阻、电容、无源约翰逊噪声。它主要来自一切无源器件，如电阻、电容、 电路板的分子布朗运动所引起的噪声。其特点之一是任何环境电路板的分子布朗运动所引起的噪

56、声。其特点之一是任何环境 当温度超过热力学温度零度当温度超过热力学温度零度( (OKOK，即即-273.16)-273.16)就存在分子的布就存在分子的布 朗运动；其特点之二是这类布朗运动是大量的，统计上遵从中朗运动；其特点之二是这类布朗运动是大量的，统计上遵从中 心极限定理的规律，因此其统计分布是正态的；其特点之三是心极限定理的规律，因此其统计分布是正态的；其特点之三是 这类布朗运动在频域范围足够宽时，其谱特性是平坦的。这类布朗运动在频域范围足够宽时，其谱特性是平坦的。 (2) (2)有源霰弹噪声。它主要来自通信设备中的有源器件，如电子有源霰弹噪声。它主要来自通信设备中的有源器件，如电子 管

57、、晶体管及各类大规模集成电路中的电子发射所形成的。其管、晶体管及各类大规模集成电路中的电子发射所形成的。其 特点与无源噪声的特点与无源噪声的3 3个特点完全类似，所以也可看成典型的白噪个特点完全类似，所以也可看成典型的白噪 声。它与无源白噪声的惟一差异是有源白噪声是在一定激发条声。它与无源白噪声的惟一差异是有源白噪声是在一定激发条 件下才产生大量电子发射而形成的。件下才产生大量电子发射而形成的。 注：注： AGWN: Additive White Gaussian NoiseAGWN: Additive White Gaussian Noise 移动通信原理课程第二章 干扰干扰1 1 2.2.多径干扰多径干扰 产生原因：由于电波传播的开放性与地理环境的复杂性而引起的产生原因：由于电波传播的开放性与地理环境的复杂性而引起的 多条传播路径之间相互自干扰而引起的噪声干扰。它实质上是多条传播路径之间相互自干扰而引起的噪声干扰。它实质上是 一类自干扰。一类自干扰。 影响效果：对于数字与数据通信，主要表现为码间干扰及高速数影响效果：对于数字与数据通信，主要表现为码间干扰及高速数 据的符号间干扰。关于这类干扰需要进一步说明的有两点。据的符号间干扰。关于这类干扰需要进一步说明的