第2章 移动信道课件

1、2-2-1 1第2章移动通信信道2-2-2 2主要内容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2-2-3 3要求与重点n 了解移动通信中电波传播的主要方式，理解两径传播模型的合成场强计算方法2-2-4 4通过本章学习，着重解决以下问题：n大尺度传播特性(Large scale)大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之间(T-R)长距离(几千米、数百波长量级)上的场强变化。n小尺度传播特性(Smalle scale)小尺度传播模型:描述短距离(数十波长以下量级

2、) 内的接收场强的传播模型。统计特性主要参数建模与仿真1)对移动信道对移动信道有一个全面深有一个全面深入的理解入的理解2)更好地理解更好地理解经历信道后的经历信道后的信号变化机理信号变化机理2-2-5 5n 信道分类 按传输媒质分 有线信道 无线信道 根据信道特性参数随时间变化的快慢 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。n 移动通信信道 典型的无线变参信道。n为何要研究传播特性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接收天线将接

3、收从多条路径传来的信号( (开放性）开放性） 移动台的运动（随机移动性）移动台的运动（随机移动性） 周围环境的变化（复杂性，周围环境的变化（复杂性，地貌、人工建筑、气候特征等）地貌、人工建筑、气候特征等） 电磁干扰，频段等电磁干扰，频段等传播特性直接关系到以下因素传播特性直接关系到以下因素 天线高度的确定天线高度的确定 预测信号的覆盖范围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为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术 无线通信系统的通信能力和服务质量无线通信系统的通信能力和服务质量n 无线移动通信信道是一种电波传播环境很复杂的无线信道，电波无线移动通信信道是一种电波传播环境

4、很复杂的无线信道，电波在不同的地形地貌和移动速度的环境条件下传播。在不同的地形地貌和移动速度的环境条件下传播。n研究传播特性的基本方法研究传播特性的基本方法 理论分析理论分析 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。播特性，并用各种模型来描述移动信道。现场电波传播实测现场电波传播实测 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。括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。计算机模拟计算机模拟 即利用计

5、算机强大的计算能力，快速灵活地模拟各种移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。动环境。该方法可弥补前两种方法的不足。 2-2-8 8n 目前典型移动通信使用频段：目前典型移动通信使用频段：1 1、150 MHz 150 MHz （VHFVHF）2 2、450 MHz 450 MHz （UHFUHF）3 3、900 MHz 900 MHz （UHFUHF）4 4、1800MHz 1800MHz （UHFUHF）第三代移动通信第三代移动通信IMT-2000IMT-2000使用使用1.8-2.2GHz1.8-2.2GHz频段（频段（UHFUHF）。）。

6、n 那么，那么，VHFVHF、UHFUHF频段电波传播有些什么特性呢？频段电波传播有些什么特性呢？2-2-9 92.1.1 电波传播方式2.1.2 直射波2.1.3 大气中的电波传播2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗2.1.5 反射波2.1.6 散射波2-2-1010nVHF与UHF频段，典型传播方式1、直射2、反射3、散射4、绕射2-2-11 11n采用模型自由空间传播模型n自由空间模型的定义天线周围是均匀无损耗的无限大真空大气层是各向同性的均匀媒质电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1n自由空间特性不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，电波的传播速率等于真空中光速C。理想传播条

7、件2-2-1212n自由空间损耗的本质球面波在传播过程中，随着传播距离增大，球面单位面积上的能量减小了，而接收天线的有效截面积是一定的，故而接收天线所捕获的信号功率是减小了，这是自由空间损耗的本质。dPTPR2-2-1313n传播媒体的近似实际情况中，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对磁导率为1，传播路径上没有障碍物的阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，这样情况下，电波可视作在自由空间传播。n自由空间损耗的本质球面波在传播过程中，随着传播距离增大，球面单位面积上的能量减小了，而接收天线的有效截面积是一定的，故而接收天线所捕获的信号功率是减小了，是由于

8、辐射能量的扩散而引起的，这是自由空间损耗的本质。2-2-1414n 自由空间的接收功率： PT = 发射功率 (W) GT = 发射天线增益 GR = 接收天线增益 = c/f 波长(m)，c = 光速 (3108 m/s) d = 发射机和接收机之间的距离(m) 222)4()(dGGPdPRTTRdPTPR2-2-1515n自由空间传播损耗可以定义为：(不考虑天线增益)n以dB计，得到：n或n可见，自由空间电波传播损耗只与工作频率 f 和传播距离 d 有关。n 电波在自由空间传播时，其衰耗为电波在自由空间传播时，其衰耗为100 dB ，当工作频率增大一倍时，则传输衰耗为，当工作频率增大一倍

9、时，则传输衰耗为（ ）。）。A、增加、增加6 dB B、减小、减小6dB C、增加、增加12 dB D、不变、不变)(lg20)(lg2044.32)(MHzfkmddBLfs24dPPLRTfs24lg10)(ddBLfs2-2-1616n实际移动信道在低层大气中，电波在底层大气中传播。低层大气并不是均匀介质，温湿度、气压等随时间和空间变化，对电波传播产生折射和吸收等现象有利：可使极限视线传播的距离增大。不利：吸收等2-2-1717n 折射产生机理大气折射率是变化的，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，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气

10、折射率的垂直梯度。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为折射。n 其弯曲程度取决于大气折射率n的垂直梯度：n 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，也就是认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径变成了等效半径：dn dh00011eRk RRdnRdh2-2-1818n标准大气情况下，当dn/dh-410-8(l/m)，等效地球半径系数k=4/3。地球实际半径是6370km, 地球等效半径为8500km。n大气折射的结果是传播距离比极限视距更远了，即所谓的超视距传播。但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰

11、落。 2-2-1919假设假设A点架设一部发信机，天线的架高是点架设一部发信机，天线的架高是H1，AB是是和地球相切的一条射线。若要接收到来波，天线的架和地球相切的一条射线。若要接收到来波，天线的架高必须超出这条切线，如果天线的高度不够高，为了高必须超出这条切线，如果天线的高度不够高，为了接收到来波，天线应该向哪个方向移动接收到来波，天线应该向哪个方向移动?CABH1OC1H2C22-2-2020122etrdddRhh4.12trdhh2212()22eteettetdRhRR hhR h2222()22ereerrerdRhRR hhR h8500eRkm20222022年年4 4月月24

12、24日日21n绕射绕射能够使电磁波绕过地球弯曲的表面或障碍物传播。即能够使电磁波绕过地球弯曲的表面或障碍物传播。即使接收机移动到障碍物的阴影区，接收场强衰减得非常快，使接收机移动到障碍物的阴影区，接收场强衰减得非常快，但是由于绕射场强的存在，接收机仍然能够接收到有用信但是由于绕射场强的存在，接收机仍然能够接收到有用信号。由障碍物引起的号。由障碍物引起的附加传播损耗附加传播损耗称为称为绕射损耗绕射损耗。 n 设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所示。图中，设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所示。图中，x表示障碍物顶点表示障碍物顶点P至直射线至直射线TR的距离，称作的距离，称作菲涅尔余隙菲涅

13、尔余隙。 规定阻挡时余隙为负，如图规定阻挡时余隙为负，如图(a)所示；无阻挡时余隙为正，所示；无阻挡时余隙为正， 如图如图(b)所示。所示。d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)26242220181614121086420 2 4绕 射 损 耗 / dB 2.5 2.0 1.5 1.0 0.50.501.01.52.02.5x / x1(c)d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)26242220181614121086420 2 4绕射损耗 / dB 2.5 2.0 1.5 1.0 0.50.501.01.52.02.5x / x1(c)(a) 负

14、余隙； (b) 正余隙；2-2-2222n 原理波理论。绕射可以用惠更斯原理解释。惠更斯原理：波前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。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。 20222022年年4 4月月2424日日23(c) 绕射损耗与余隙关系绕射损耗与余隙关系d1PTRRT d1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b )2624222018161412108642024绕 射 损 耗 / dB2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.501.01.52.02.5x / x1(c)l 由障碍物引起的绕射损耗与菲由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如

15、图涅尔余隙的关系如图(c)所示。所示。 图图中，纵坐标为绕射引起的附加损中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播的分耗，即相对于自由空间传播的分贝数。横坐标贝数。横坐标xx1 中的中的x1是第是第一菲涅尔区在一菲涅尔区在P点横截面的半径，点横截面的半径， 它由下列关系式求得它由下列关系式求得21211ddddx式中，式中，=c/f, c为光速，为光速，f为频率。为频率。 x/xx/x1 10.50.5时附加损耗为时附加损耗为0dB0dB。X0X反射模型。粗糙表面散射模型。n 传播损耗自由空间模型：双径模型：)(lg20)(lg2044.32)(MHzfkmddBLfs()40lg

16、()()t rLdBd km常数 与f无关2-2-3131n大多数情况都是空间传播损耗、反射、绕射、散射等多种因素的综合。n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和一些定量的分析。要想较为准确地预测出接收点的信号场强大小，则还需要全面地考虑各种传播方式的传播损耗。 2-2-32322-2-3333一、一、移动通信信道中的电波传播特性移动通信信道中的电波传播特性p 移动信道是一种时变信道移动信道是一种时变信道p 信号传播过程中受到来自不同类型的损耗信号传播过程中受到来自不同类型的损耗 ( )( )( )( )P dL dS dR d传

17、播损耗阴影衰落多径衰落d：移动台与基站的距离大尺度衰落小尺度衰落2-2-34341 1、传播损耗、传播损耗( (路径损耗）路径损耗） 长程范围内的信号电平变化（几千米量级）长程范围内的信号电平变化（几千米量级） 电波传播引起的电波传播引起的平均接收功率平均接收功率衰减衰减 取决于发射机与接收机之间的距离取决于发射机与接收机之间的距离 自由空间时，路径衰落因子自由空间时，路径衰落因子n=2n=2，一般情况下，一般情况下n=3n=35 5( )nL dd2-2-35352 2、阴影衰落、阴影衰落阳光不能普照阳光不能普照由大型障碍物的遮挡引起，包括传播环境中的地形起由大型障碍物的遮挡引起，包括传播环

18、境中的地形起伏、人造建筑物等伏、人造建筑物等短程范围内短程范围内的信号电平变化的信号电平变化（数百波长量级）（数百波长量级）2-2-36363 3、小尺度衰落、小尺度衰落余音绕梁跑得太快余音绕梁跑得太快主要由多径效应和多普勒效应引起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，在接收信号场强的瞬时值快速变化，在几个波长间距内的几个波长间距内的变化幅度可达变化幅度可达3030dBdB图图2-6陆地移动通信信道中的电波传播特性陆地移动通信信道中的电波传播特性2-2-3838p 大尺度路径损耗大尺度路径损耗传播模型传播模型 描述发

19、射机和接收机之间描述发射机和接收机之间长距离长距离上上平均场强平均场强的变化，的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。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受到收发距离及地形地貌的影响p 小尺度多径衰落小尺度多径衰落传播模型传播模型 描述移动台在极小范围内移动时，描述移动台在极小范围内移动时，短距离短距离（几个波长）（几个波长）或或短时间短时间（秒级）上接收场强的（秒级）上接收场强的快速变化快速变化，用于确定，用于确定移动通信系统应该采取的抗衰落技术。移动通信系统应该采取的抗衰落技术。 大尺度衰落可看成信号小尺度大尺度衰落可看成信号小尺度衰落的空间平均！衰落的空

20、间平均！ 当移动通信跨越比较大的区域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时，会同时受到大尺度衰落和小尺度衰落的影响！度衰落的影响！p 多径传播的产生及影响多径传播的产生及影响 信道中的反射物和散射物导致发射波到达接收机时形信道中的反射物和散射物导致发射波到达接收机时形成在成在时间、空间上相互区别时间、空间上相互区别的多个无线电波。的多个无线电波。 不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号幅度波不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号幅度波动动 小尺度衰落。小尺度衰落。 延长信号到达接收机的时间，引起码间串扰。延长信号到达接收机的时间，引起码间串扰。2-2-3939 800M

21、Hz室内环境中典型传播时室内环境中典型传播时延扩展为延扩展为1s，符号速率，符号速率200kbps，符号宽度？重叠覆盖率？符号宽度？重叠覆盖率？远端区域和近端区域远端区域和近端区域衰落的程度依赖于多径衰落的程度依赖于多径波的强度、相对传播时波的强度、相对传播时间以及传播信号的带宽。间以及传播信号的带宽。 在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电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平变化和剧烈的相位摆动 多普勒频移与移动台运动速度及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移动台方向与无线电波入射方向之间的夹角有关。之间的夹角有关。 频率变化值频率变化值 朝向

22、入射波方向移动朝向入射波方向移动 多普勒多普勒频移为正值；被向入射波方向移频移为正值；被向入射波方向移动动 多普勒频移为负值。多普勒频移为负值。( )cos ( )dvftt 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。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。扩展，进而增加信号带宽。2-2-4444n移动的可以是收发端的相对运动或者传播环境中主要散射体的运动。p 移动无线信道统计分析：对接收信号的功率或电移动无线信道统计分

23、析：对接收信号的功率或电压包络进行压包络进行定量描述定量描述。 瑞利分布瑞利分布 莱斯分布莱斯分布 Nakagami-mNakagami-m分布分布2-2-45452-2-4646p 产生的原因产生的原因 在发信机与收信机之间在发信机与收信机之间没有直射波通路没有直射波通路； 有大量反射波存在，到达接收天线的方向角和相位随机，有大量反射波存在，到达接收天线的方向角和相位随机，且在且在0 022内均匀分布；内均匀分布； 各个反射波的幅度和相位统计独立。各个反射波的幅度和相位统计独立。p 接收信号的统计分析（接收信号的统计分析（为方差）为方差） 包络概率密度函数（包络概率密度函数（瑞利分布瑞利分布

24、）：）： 相位概率密度函数（相位概率密度函数（均匀分布均匀分布）：）：0)(2222rerrpr2021)(p20222022年年4 4月月2424日日470000( )exp ()S tjtu 多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落(Rayleigh fading) 在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其它移动体在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和，和， 如图所示。如图所示。 假设基站发射的信号为假设基站发射的信号为式中，式中，0为载波角频率，为载波角频率，0

25、为载波初为载波初相。经反射相。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个信号为个信号为Si(t)，其振幅为，其振幅为i, 相移为相移为i。假设假设Si(t)与移动台运动方向之间的夹与移动台运动方向之间的夹角为角为i, 其多普勒频移值为其多普勒频移值为移动台接收移动台接收N条路径信号条路径信号20222022年年4 4月月2424日日48imiiffcoscos 式中，式中， v为车速，为车速， 为波长，为波长， fm为为i=0时的最大多普勒频时的最大多普勒频移，移， 因此因此Si(t)可写成可写成)( jexp)cos2(exp)(00iiiitjtSn 假设假设N个信号的幅值

26、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，统计独立， 则接收信号为则接收信号为 11111( )( )2 cos cos sinNiiNNNNiiiiiiiiiiiiiS tS ttxxyy令20222022年年4 4月月2424日日4922222211( ) ( )22yxyxxyp xep ye则则S(t)可写成可写成 S(t) = (x+jy)expj(0t+0) 由于由于x和和y都是独立随机变量之和，因而根据概率的中心极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，即有概限定理，大量独立随机

27、变量之和的分布趋向正态分布，即有概率密度函数为率密度函数为 假设假设 ， 且且p(x)和和p(y)均值为零，均值为零， 则则222yx22222e21),(yxyxp20222022年年4 4月月2424日日50得联合概率密度函数为得联合概率密度函数为 2222( , )e2rrp r 对积分， 可求得包络概率密度函数p(r)为 2222222202ee21)(rrrdrrpr0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, )表示表示比较方便。此时，接收天线处的信号振幅为比较方便。此时，接收天线处的信号振幅为r, 相位为相位为，对应，对应于直角坐标系为

28、于直角坐标系为222 arctanyrxyx，20222022年年4 4月月2424日日51同理，同理， 对对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()为为2121)(22202drrepr02不难得出瑞利衰落信号的如下一些特征：不难得出瑞利衰落信号的如下一些特征：均值253. 12)()(0drrrprEm均方值20222d )()(rrprrE方差方差 2222 0.4292rE rE r瑞利分布的概率密度r / o1 1.177p(r)2/1e11、瑞利分布2-2-5353p 产生的原因产生的原因离基站较近的区域，通常存在占支配地位的离基站较近的区域，通常存在占支配地位

29、的直射波信号直射波信号。当存在一个主要的静态当存在一个主要的静态( (非衰落非衰落) )信号分量时，接收信号包信号分量时，接收信号包络服从莱斯分布。络服从莱斯分布。p 接收信号的统计分析接收信号的统计分析220222()( )exp()2ssrrrrrrp rI当主要分量当主要分量rsrs减弱后，减弱后，莱斯分布退化为瑞利分布！莱斯分布退化为瑞利分布！54莱斯分布的概率密度函数莱斯分布的概率密度函数瑞利分布瑞利分布 莱斯分布莱斯分布 高斯分布高斯分布2-2-5555p 由由NakagamiNakagami在在2020世纪世纪6060年代提出年代提出 基于现场测试的实验方法基于现场测试的实验方法

30、 用曲线拟合得到近似分布的经验公式用曲线拟合得到近似分布的经验公式p 对无线信道的描述有很好的适应性对无线信道的描述有很好的适应性 当当m m1 1时，时， 退化为瑞利分布。退化为瑞利分布。 当当m m较大时，较大时， 接近于高斯分布。接近于高斯分布。2122( )exp( )mmrmm rmrp rmp 对于链路设计而言，希望得到影响链路性能的重要统对于链路设计而言，希望得到影响链路性能的重要统计量计量 一条衰落信道一条衰落信道每隔多长时间每隔多长时间就会衰落到某一特定的就会衰落到某一特定的电平之下？电平之下？ 这条信道将在该门限下这条信道将在该门限下持续多长时间持续多长时间？p 工程实用中

31、，常常用一些特征量表示衰落信号的幅度工程实用中，常常用一些特征量表示衰落信号的幅度特点，即特点，即衰落率、电平通过率和衰落持续时间衰落率、电平通过率和衰落持续时间。2-2-56562-2-5757/2AvFp 信号包络在单位时间内信号包络在单位时间内以正斜率以正斜率通过中值电平的通过中值电平的次数，次数，即即信号包络衰落的速度信号包络衰落的速度。 与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播的路径数有与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播的路径数有关。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。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。 平均衰落率平均衰落率2-2

32、-5858p 包络在单位时间包络在单位时间以正斜率以正斜率通过某规定电平通过某规定电平R R的的次数次数 实测发现，深度衰落发生的次数较少，浅度衰落发生得相实测发现，深度衰落发生的次数较少，浅度衰落发生得相当频繁。当频繁。 衰减衰减20dB20dB概率为概率为1%1%，衰减，衰减30dB30dB和和40dB40dB的概率分别为的概率分别为0.1%0.1%和和0.01%0.01%。2-2-5959p 定义：信号包络定义：信号包络低于某个给定电平值低于某个给定电平值的概率与该电平的概率与该电平值所对应的值所对应的电平通过率电平通过率之比。之比。 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

33、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。或误比特率突然增大。 由于每次衰落的持续时间是随机的，只能给出平均衰落持续由于每次衰落的持续时间是随机的，只能给出平均衰落持续时间。时间。 思考：对思考：对工程设计工程设计的意义在哪里？的意义在哪里？ 了解接收信号包络低于某个门限的持续时间的统计规律，就可以判断语音受了解接收信号包络低于某个门限的持续时间的统计规律，就可以判断语音受影响的程度，或者可以确定是否会发生突发错误及突发错误的长度。影响的程度，或者可以确定是否会发生突发错误及突发错误的长度。2-2-60602-2-6161p 电波通过移动信道后，信号在电波通过移动

34、信道后，信号在时域时域上、上、频域频域上和上和空空间间（角度）上都产生色散，使信号产生衰落失真。（角度）上都产生色散，使信号产生衰落失真。 多径效应：多径效应：时延扩展时延扩展 多普勒效应：多普勒效应：频谱扩展频谱扩展 散射效应：散射效应：角度扩展角度扩展 频率选择性衰落频率选择性衰落时间选择性衰落时间选择性衰落空间选择性衰落空间选择性衰落n 功率时延分布（功率时延分布（PDP，Power Delay Profile）描述信道在时间上的色散；n 多普勒功率谱密度（多普勒功率谱密度（DPSD，Doppler Power Spread Density）描述信道在频率上的色散；n 功率角度谱（功率角

35、度谱（PAS，Power Azimuth Spectrum）描述信道在角度上的色散。n 时延扩展、相关带宽、多普勒扩展、相关时间、角度扩展和时延扩展、相关带宽、多普勒扩展、相关时间、角度扩展和相干距离相干距离 1 1、什么是、什么是时延扩展时延扩展(time delay spread)(time delay spread)？p多径传播造成信号多径传播造成信号时间扩散时间扩散 假设发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，接收信号假设发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，接收信号呈现为一串脉冲呈现为一串脉冲 时延扩展大小：最大传输时延和最小传输时延的差值时延扩展大小：最大传输时延和最小传输时延的

36、差值2-2-6363 时变多径信道响应示例时变多径信道响应示例 ( (a)N=3 (b)N=4 (c)N=5a)N=3 (b)N=4 (c)N=52-2-6464P()相对幅度/dB0dBo30dBP()（相对时延时间）m典型的时延（功率）谱曲线2、如何描述时延扩展?p 时延功率谱：由不同时延信号分量的平均功率构成2、如何描述时延扩展?p 时延扩展的相关参数 : 相对时延值 P()：归一化时延谱 ：平均多径时延， P()的一阶矩 ：时延扩展， P()的均方根 ：最大多径时延， P()下降到-30 dB时的时延差2-2-6565mmT2-2-6666 平均多径时延（一阶矩） 0( )mPd22(

37、 )mPd 22222()()kkkkkkkkkkaPaP 时延扩展（均方根值rms）22()()kkkkkkmkkkkaPaP 离散化22m 离散化2、如何描述时延扩展?2-2-67672-2-6868He(w,t)Si(t)S0(t) (t)(t) 图图2-13 2-13 双径信道等效网络双径信道等效网络 以双径模型为例，且不计信道的固定衰减( )0( )( )(1)jtis ts te2-2-6969双径信道等效网络的传递函数为: ( )0( )(, )1( )jteis tHjtes t 信道的幅频特性为:2( , )1cos( )sin( )12 cos( )Attjtt 当 时，双

38、径信号同相叠加，信号出现峰点； 当 时，双径信号反相相消，信号出现谷点。( )2tn ( )(21)tn 70双射线信道的幅频特性 1 r1 rA(, t)(2tn)() 12(tnl由图可见，由图可见， 其相邻两个谷点的相位差其相邻两个谷点的相位差为为 =(t) = 221 ( )2( )cBtt则或 l实际上，实际上， 移动信道中的传播路径通常为多条，且由于移动台处移动信道中的传播路径通常为多条，且由于移动台处于运动状态，相对多径时延差于运动状态，相对多径时延差(t)也是随时间而变化的，因而也是随时间而变化的，因而合成信号振幅的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间而变合成信号振幅的谷点和峰

39、点在频率轴上的位置也将随时间而变化，这就很难准确地分析相关带宽的大小。化，这就很难准确地分析相关带宽的大小。 工程上，工程上， 对于角对于角度调制信号，度调制信号， 相关带宽可按下式估算：相关带宽可按下式估算：21cB为时延扩展。 合成信号两相邻幅值为最小值的频率间隔合成信号两相邻幅值为最小值的频率间隔是与多径时延差成反比的是与多径时延差成反比的 ，通常，通常BcBc称为信称为信道的相关带宽道的相关带宽 20222022年年4 4月月2424日日设两个信号的包络为设两个信号的包络为 和和 ，频率差为，频率差为 ，则，则包络相关系数包络相关系数 此处，相关函数此处，相关函数 若若信号衰落符合瑞利

40、分布信号衰落符合瑞利分布，则则 式中，式中， 为零阶为零阶Bessel函数，函数， 为最大多普勒频移。为最大多普勒频移。不失一般性，可令不失一般性，可令 ，简化后，简化后通常，根据包络的相关系数通常，根据包络的相关系数 来测度相关带宽来测度相关带宽代入得代入得 相关带宽相关带宽1222221122(, )(, )rrRfrrfrrrr 121 212120(, ),( ,)rRfr rrr p r r drdr2022(2)(, )1(2)mrJfff221()1(2)rff1( )r t2( )r t12fff 0()J mf0()0.5rf12cB 12f2-2-7272 定义 指一特定频

41、率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性，也就是当频率间隔小于相关带宽时，是相关的，其衰落具有一致性，否则就不相关。 即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。 定量计算 相关系数大于0.9的某特定带宽 将定义放宽至相关系数大于0.5 工程上，见教材150cB 15cB 12cB1cmBT相关带宽由信道的时延扩展决定，两者之间成反比关系。2-2-7373 信道实际情况 时延扩展（多径结构） 相关带宽 实例：时延扩展为1.37s，相关带宽为116kHz 思考：时延扩展为时延扩展为1.371.37 s s，相关带宽为，相关带宽为116kHz116kHz，带宽分别为30kHz

42、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？ 平坦衰落（30kHz - 33.3s） 频率选择性衰落（200kHz 5s）2-2-7474数据传输速率低，则码元宽度长，带数据传输速率低，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。号带宽小于信道相关带宽。数据传输速率高，则码元宽度小，带数据传输速率高，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。带宽大于信道相关带宽。2-2-7575在信号带宽范围内，各频点的幅度有基本相同的增益，即发送信号

43、的频谱基本保持不变；信道的增益是随着时间变化的，接收端信号的功率可能不断变化，导致信号忽大忽小的变化就是衰落。的变化就是衰落。信号带宽远远小于信号带宽远远小于相干带宽的情况如相干带宽的情况如右图所示，通过图右图所示，通过图的动态变化我们可的动态变化我们可以看出：以看出：2-2-7676n 在信号带宽范围内，对不同的频率成份有了不同的响应，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；也就是说对信号的频率具有了选择性，信号发生了失真；所传输的信号带所传输的信号带宽大于相干带宽宽大于相干带宽, ,则所传输的信号将则所传输的信号将产生明显的畸变如

44、产生明显的畸变如图所示。通过图的图所示。通过图的动态变化，我们可动态变化，我们可以看出：以看出：针对平坦衰落，从频域看，不同频率分量经历了相同衰落，从时域看，接收信号只经历一个可分辨径的衰落（包括多个不可分辨径），无ISI。针对选择性衰落，从频域看，信道对不同频率成分有不同的衰落，从时域看，接收信号经历多个可分辨径的衰落，有ISI。在相关带宽内信号传输失真小，若信号带宽超过相关带宽将产生较大的失真和符号间干扰信号传输速率受相关带宽的限制（上限）2-2-77772-2-7878例 计算下图所给出的多径分布的平均附加时延、rms时延扩展及最大附加时延（10dB）。设信道相干带宽取50%，则该系统在

45、不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适？ 2-2-7979多普勒扩展（Doppler spread）- 频率色散 描述信道的时变性，由移动台与基站的相对运动，或传播路径中物体的运动引起。2-2-8080多普勒扩展：接收的多普勒谱为非0值的频率范围，一般定义为 BD最大多普勒频移fm含义：多普勒扩展含义：多普勒扩展B BD D 是谱展宽的测量值，这个谱展宽是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。是移动无线信道的时间变化率的一种量度。/v2-2-8181 定义相关时间就是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。在相关时间内，两个到达信号有很强的幅度相关性，

46、信道特性没有明显变化。 相关时间表征了时变信道对信号的衰落节拍，由多普勒效应引起的，发生在传输波形的特定时间段上，呈现时间选择性。多普勒扩展在时域的表现形式，用于在时域描述信道频率色散的时变特性。时间相关函数与多普勒功率谱之间是傅里叶变换关系。 2-2-8282定量计算1）2）若时间相关函数定义为两个信号包络相关度大于0.5时，相干时间近似为：3）工程上：1cmTfmmcffT423. 01692916cmTf2-2-8383运动速度和信号频率 多普勒扩展 相关时间实例：移动台速率为60km/h，载频为900MHz，相关时间3.58ms，若不产生时间选择性，符号速率要大于1/Tc=279bps

47、 相关时间由多普勒扩展决定，两者之间成反比关系。 思考：在上面的例子中，传输速率为200bit/s和2000bit/s时，在经过该信道后，从时域域上看，有什么区别？ 慢衰落（2000bit/s 0.5ms） 快衰落（200bit/s 5ms）2-2-8484数据传输速率低，则码元宽度长，信数据传输速率低，则码元宽度长，信道变化的包络以快于传输符号率的速度道变化的包络以快于传输符号率的速度波动，易受时间选择性衰落影响。波动，易受时间选择性衰落影响。2-2-8585 从时域上看，慢变信道具有大的相关时间，从频域上看，等效为小的多普勒扩展。 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，

48、决定了信号是经历快衰落还是慢衰落。快衰落确定了信号带宽的下限。2-2-8686 思考：快衰落有没有好处？如何利用？ 防止长期处于深度衰落 时间分集的设计 思考：慢衰落有没有坏处？如何克服？ 当处于深度衰落时，可采用慢跳频的方式克服2022年年4月月24日日87n时间选择性衰落时间选择性衰落是由多普勒效应引起的，并且发生在传是由多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性输波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性n要保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须要保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须保证传输符号速率远大于相关时间的倒数保证传输符号速率远大

49、于相关时间的倒数cT码元间隔大于信道相关时间码元间隔大于信道相关时间TsTc时选衰落时选衰落误码误码n描述信道角度色的参数。描述信道角度色的参数。n起因：由移动台或基站周围的本地散射体以及远端散起因：由移动台或基站周围的本地散射体以及远端散射体引起的射体引起的 。n角度扩展角度扩展n定义：为归一化角度功率谱的均方根值。定义：为归一化角度功率谱的均方根值。n特性：角度扩展越大，表明散射越强，信号在空间特性：角度扩展越大，表明散射越强，信号在空间的色散度越高；反之，角度扩展越小，表明散射越的色散度越高；反之，角度扩展越小，表明散射越弱，信号在空间的色散度越低。弱，信号在空间的色散度越低。 0( )

50、Pd2（ ）n定义：信道冲击响应维持不变（或一定相关度）的定义：信道冲击响应维持不变（或一定相关度）的空间间隔的统计平均值空间间隔的统计平均值 。n含义：在相干距离间隔内，两个到达信号有很强的含义：在相干距离间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。幅度相关性。 n与角度扩展的关系：是角度扩展在空域的表示，具与角度扩展的关系：是角度扩展在空域的表示，具体为体为相关距离除了与角度扩展有关外，还与来波到达角有关。为了相关距离除了与角度扩展有关外，还与来波到达角有关。为了保证相邻两根天线经历的衰落不相关，在弱散射下的天线间隔保证相邻两根天线经历的衰落不相关，在弱散射下的天线间隔要比在强散射下的天线间隔

51、要大一些。要比在强散射下的天线间隔要大一些。 0.187cosD2-2-90902.3.4 多径衰落信道的分类2-2-9191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与信道变化快慢程度 快衰落 慢衰落2-2-9292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 2-2-9393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 Bc Ts Tc ， BD Bs慢衰落形成条件：信道冲激响应在码元宽度内变化很小，即

52、信道的相干时间比发送信号码元宽度大。定量判据 Ts Tc， BD200m时？ 2-2-120120移动台天线高度增益因子Hm(hm,f) LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)当hm3m时？当hm5m时？ 2-2-121121Okumura模型计算中值路径损耗的思路是： （1）首先算出对应于基站有效天线高度hb为200米，移动天线高度hm为3米的基本中值损耗 （2）然后再根据天线的实际高度加以修正 如果考虑地形对它的影响呢？2-2-122122LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)-ks-kh-kA-kis传播路径传播

53、路径损耗中值损耗中值自由空间自由空间传播损耗传播损耗准平坦地传准平坦地传播损耗中值播损耗中值移动台天线移动台天线高高度增益因子度增益因子基站天线高基站天线高度增益因子度增益因子郊区修郊区修正因子正因子丘陵地形丘陵地形修正因子修正因子斜坡地形斜坡地形修正因子修正因子水陆混合传播水陆混合传播路径修正因子路径修正因子 还有开阔区校正因子、城市道路走向及道路宽度校正因还有开阔区校正因子、城市道路走向及道路宽度校正因子、孤立山丘校正因子和植被校正因子等。子、孤立山丘校正因子和植被校正因子等。 2-2-123123市区街道走向修正值，分别查图中（a）和（b）得纵向线路（与电波平行）修正值和横向线路的修正值

54、。纵向线路的传播损耗中值小于横向线路。沟道效应：沿建筑物方向形成的沟道，有利于电波的传播。2-2-124124郊区修正因子：郊区好于市区，场强中值大，损耗小。 2-2-125125开阔地、准开阔地地形校正因子：好于市区。2-2-126126PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld接收机收接收机收到的中值到的中值信号功率信号功率(dBW)发射机发射机输出功输出功率率(dBW)中值路中值路径损耗径损耗(dBW)移动台天移动台天线增益线增益(dB(dB）基站天基站天线增益线增益(dB)(dB)基站馈基站馈线损耗线损耗(dB)移动台移动台馈线损馈线损耗耗(dB)基站天线基站天线共用器损共用器损耗

55、耗(dB)移动台接收到的信号功率：2-2-127127例2.8 某移动通信系统，工作频率为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为0dB；在市区工作，传播路径为准平坦地形，通信距离为10km。试求（1）传播路径的中值路径损耗。（2）若基站发射机送至天线的信号功率为10W，不考虑馈线损耗和公用器损耗，求移动台天线接收到的信号功率。2-2-128128(1) 自由空间传播损耗Lfs为查得市区基本损耗中值 基站天线高度增益因子移动台天线高度增益因子dfLfslg20lg2044.32dB5 .10510lg20450lg2044.32dBdfAm27),

56、(dBdhHbb12),(dBfhHmm0),(2-2-129129可得传播路径损耗中值为 (2)求得中等起伏地市区中接收信号的功率中值105.527 12144.5MLdBRTMbmbmdPPLGGLLL10lg10 144.5 6 0 0 0 0128.598.5dBWdBm 2-2-130130对于例题的扩展：举一反三的难度 例题中是已知基站、移动台的天线参数，发射功率等，求解的是接收功率的大小。扩展1： 若已知移动台所需接收功率的大小，基站、移动台的参数，能求解出基站至少需要多大的发射功率吗？扩展2： 若已知基站的发射功率、移动台的接收功率，传播距离以及移动台的天线高度，能求解出基站天

57、线至少需要架设多高吗？ 2-2-131131对于例题的扩展：举一反三的难度 例题中是已知基站、移动台的天线参数，发射功率等，求解的是接收功率的大小。扩展3： 若已知基站的发射功率、移动台的接收功率，传播距离以及基站的天线高度，能求解出移动台天线至少需要架设多高吗？扩展4： 若已知基站的发射功率、移动台的接收功率，基站以及移动台的天线高度，能求解出基站与移动台之间至多能相距多少米吗？ 2-2-132132n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，提出了传播损耗的经验公式，即Okumura-Hata模

58、型。n有时也简称：Hata模型。2-2-133133这个模型作了下列三点假设，以求简化：1作为两个全向天线之间的传播损耗处理；2作为中等起伏地形（准平滑地形），而不是不规则地形处理；3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。2-2-134134Hata模型适用条件：1f为1501500MHz；2基站天线有效高度为30200m；3移动台天线高度为110m；4通信距离为120km。2-2-135135n中值路径损耗的标准公式为：其中a(hm) 为移动台天线修正因子1.中小城市修正因子2.大城市修正因子（建筑物平均高度超过15m）69.5526.16lg( )13.82lg()()44.96.55lg()lg( )MbmbLfha hhd2-2-136136n欧洲科学与技术研究协会(EURO-COST)的COST-231工作委员会对Hata模型进行了扩展，通过对较高频段的Okumura传播曲线进行分析得到的公式。使它适用于PCS系统，适用频率也达到2GHz。n所以称为扩展Hata模型。n有时也称作：COST-231-Hata模型。2-2-137137n中值路径损耗的标准公式为：46.333.9lg( ) 13.82lg()()44.96.55lg()lg( )MbmbMLfha hhdC0MCdB3MCdB中等城市和郊区大城市中心2-2-1381382.6