第二章移动通信信道(一)

1、移动信道移动信道AbisA接口接口MSBSSOMC-R操作维护中心操作维护中心BSC基站基站控制器控制器MSC移动交换中心移动交换中心BTS基站基站收发信机收发信机BTS基站基站收发信机收发信机BTS基站基站收发信机收发信机MSMSUm第二章第二章 移动通信信道移动通信信道2.12.1 概述概述2.22.2 大尺度传播特性大尺度传播特性2.32.3 小尺度传播特性小尺度传播特性n无线电波的传播机制无线电波的传播机制 n自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight)(line-of-sight)n存在阻挡物（多条路径）:n反射：反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生

2、反射n绕射：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n散射：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 概述概述2.1 概述概述n研究传播特性的基本方法研究传播特性的基本方法 n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。n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。n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。 2.1 概述概述n无线信道对传

3、输信号作用的三级模型无线信道对传输信号作用的三级模型 n路径损耗路径损耗n长程范围(公里)内平均信号电平n取决于发射机与接收机之间的距离n阴影效应阴影效应n短程范围内平均信号电平n在50 100波长距离内平均得到n由地形或人造障碍引起n多径衰落多径衰落n来自不同方向不同长度路径信号引起的干扰n信号包络在几个波长间距内的变化幅度可达30dB小小尺尺度度衰衰落落大大尺尺度度衰衰落落u 大尺度路径损耗大尺度路径损耗 描述收发信机之间描述收发信机之间短距离短距离或或短时间短时间内内接收信号快速波动的传播模型接收信号快速波动的传播模型u 小尺度衰落小尺度衰落第二章第二章 移动通信信道移动通信信道2.12

4、.1 概述概述2.22.2 大尺度传播特性大尺度传播特性2.32.3 小尺度传播特性小尺度传播特性n自由空间传播模型自由空间传播模型 n自由空间n均匀无损耗的无限大空间。n各向同性。n电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1。n传播损耗n本质：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。n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 。LdGGPdPrttr222)4()( 其中，Pt为发射功率，亦称有效发射功率； Pr(d)是接收功率，为T-R距离的幂函数；Gt是发射天线增益；Gr是接收天线增益；d是T-R间距离；L是与传播无关的系统损耗因

5、子；为波长。（2-9）)4(log10log10log10log10)(222dGGPPPPdBPLrtrtrt2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 大气中大气中1 1、大气折射、大气折射 n低层大气并不是均匀介质折射与吸收n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。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。n实际半径是6370km,等效地球半径为8500km。12etdR h22erdR h122etrdddRhh4.12trdhh2.2.1

6、绕射绕射n菲涅尔区菲涅尔区n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n/2的连续区域（即图中的圆环）。n菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为/2，则两条路径的相位差为。n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。 n第n个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示:2121ddddnrn21211ddddr0 0hrhtdELOSEiEr=EgT()R()ETOT=ELOS+Eg0 0hrhtdELOSEiEr=EgT(发射机发射机)R(接收机接收机ETOT=ELOS+Egi i0 0hrhtdELOSEiEr=EgT()R(ETOT=ELOS+Egl l

7、l l地面反射模型（双线或两径传播模型）：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为： 2222 )()(dhhdhhddrtrt当TR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： dhhddrt2 接收功率接收功率近似公式：近似公式： l接收功率随接收功率随T-RT-R之间距离的之间距离的4 4次方而衰减。次方而衰减。l接收信号的强度可以通过接收信号的强度可以通过增加天线高度增加天线高度而增加。而增加。2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 非自由空间非自由空间PL(dB) = 40logd (10logGt+10logGr+20loghr+20loght)

8、rtt422rtdhhGGPrp = KPtd4路径损耗路径损耗为：为： PL(dB) = 40logd Krthhd n实际移动环境中，接收信号比单独反射和绕射模实际移动环境中，接收信号比单独反射和绕射模型预测的要复杂，这是因为当电波遇到粗糙表面型预测的要复杂，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时，发生散射作用，这就给接收机提供了额外的能量。大多数情况都是空间传播损耗、反射、绕能量。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。射、散射等多种因素的综合。不同环境传播模型不同环境传播模型不同不同(p36-44)(p36-44)n预测接收点的信号

9、场强，即预测接收点的信号场强，即预测无线信号的覆盖预测无线信号的覆盖范围范围，是研究传播模型的主要目的，是研究传播模型的主要目的n接收信号的概率密度函数呈接收信号的概率密度函数呈对数正态对数正态分布分布2.5 大尺度传播模型大尺度传播模型 特点特点2.3 小尺度衰落小尺度衰落-多径传播特性多径传播特性2.3.1 2.3.1 概述概述1 1、移动信道的时变特性、移动信道的时变特性 无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损耗。n自由空间传播损耗与弥散自由空间传播损耗与弥散n阴影衰落阴影衰落n系统设计n多径衰落多径衰落n抗衰落技术n小尺度衰落的小尺度衰落的定义定义：描述无线信号在短时间或短

10、距离传描述无线信号在短时间或短距离传播时幅度的瞬时变化，以致大尺度路径损耗的影响可以播时幅度的瞬时变化，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计忽略不计n小尺度衰落的成因：小尺度衰落的成因：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。 n小尺度衰落效应小尺度衰落效应n短距或短时传播后信号强度的急速变化。n不同多径信号上，存在时变的多普勒频移。n多径传播时延引起的扩展（回音）。2.3 小尺度衰落小尺度衰落-多径传播特性多径传播特性多径传播是陆地移动通信系统的主要特征。多径传播是陆地移动通信系统的主要特征。 n数学公式数学公式n由路程差造成的接收信号相位变化值为

11、： n由此可得出频率变化值，即多普勒频移fd为：cos22tvlcos21vtfdn含义：含义：多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向与无线电波入射方向之间的夹角有关。多普勒频移多普勒频移2.2.3多径接收信号的统计特性多径接收信号的统计特性n瑞利分布瑞利分布假设条件假设条件 n在发信机与收信机之间没有直射波通路；在发信机与收信机之间没有直射波通路；n有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，且在，相位也是随机的，且在0 02 2内均匀分布：内均匀分布：n各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。各个反射波的幅度和相位都是

12、统计独立的。n离基站较远，反射物较多离基站较远，反射物较多n莱斯分布莱斯分布 - 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) )信号信号分量时，如视距传播，小尺度衰落的包络分布服分量时，如视距传播，小尺度衰落的包络分布服从从RiceanRicean分布。当主要分量减弱后，分布。当主要分量减弱后，RiceanRicean分布分布就转变为就转变为RayleighRayleigh分布。分布。瑞利分布图6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。 RayleighRayleigh 概率密度函数概率密度函数 ( (PdfPdf) )P(r)023450.6065/接收信号包络电压r(V)RayleighRayleigh 概率密度函数概率密度函数 ( (PdfPdf) )023450.6065/接收信号包络电压023450.6065/接收信号包络电压当存在一个主要的静态(非衰落)信号分量时，如视距传播，小尺度衰落的包络分布服从Ricean分布。当主要分量减弱后，Ricean