《移动通信原理》课程_第二章

1、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： 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

2、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）

3、* * * * *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）* * *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

4、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。 移动通信场强实测记录移动通信场强实测记录( (f=160 MHz)f=160

5、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应对方法应对方法各类新技术解决的问题：各类新

6、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

7、的方法。目的：目的：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 MHz(UHF)频段：频段：300300MHzMHz3000MHz=3000MHz=超高频，超高频，又称分米波又称分米波2.1移动信道的特点移动信道的特点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

8、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，1)1) 高楼林立的城市繁华区高楼林立的城市繁华区2)2) 以一般性建筑物为主体的近郊区以一般性建筑物为主体的近郊区3)3) 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1)1) 准静态的室内用户通信准静态的室内用户通信2)2) 慢速步行用户通信慢速步行用户通信3

9、)3) 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2.1.2移动通信信道中的电磁波传播移动通信信道中的电磁波传播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：1)1) 直射波：是指在视距覆盖区内无遮挡的传播。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。2)2) 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

10、：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。3)3) 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。4)4) 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

11、波都比较弱。绕射波都比较弱。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：1)1)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；2)2)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；3)3)地表面波：沿地球表面传播的电波，对地表面波：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

12、传播距离迅速减小 。4)4)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传播一般性分析计算（传播一般性分析计算（补充补充） * * * * *4st-124st-12* * * * *(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

13、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传播一般性分析计算（传播一般性分析计算（补充补充）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

14、接收功率为 222444dPdPPTTR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 Lbsbs, ,为为 2)4(dPPLRTbs传播一般性分析计算（传播一般性分析计算（补充补充）工程应用：以工程应用：以dBdB表示，有表示，有)(lg20lg2045.32)4lg(20)4lg(102dBfdddLbs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= =？

15、）？）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。(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

16、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(150MHz)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

17、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ReReReRe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：典型数据：1)1)标准大气折

18、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 ，2)2)等效地球半径系数等效地球半径系数k=4k=43 3，3)3)地球等效半径地球等效半径Re=8500 kmRe=8500 km。dhdnRRRke0011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= =？）？）。视线传播极限距离视线传播极限距离分析图：分析图

19、：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。角度转换简推下式：余弦、正弦。角度转换 tehRd21同理：同理： rehRd22故：视线传播的极限距离为故：视线传

20、播的极限距离为)(221rtehhRddd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：扩展应用意义：考虑考虑= =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. 4rthhd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T

21、RTR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。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= =？方向或坐标方向或坐标? ?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。基本思路：无线空间转化为有限空间。版图演示转化过程版图演示转化过程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

22、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= =？ 21211ddddx分析结论分析结论 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= =？结果表示结果表示当当x/xx/x1 10.50.5时，附

23、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即障碍物对直射波传播基本上没有影响本上没有影响；当当x0 x0.5xx0.5x1 1例：设在上图例：设在上图( (a)a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙所示的传播路径中，菲涅尔余隙x x1 1=-82m=-82m，d1=5 d1=5 kmkm，d2=10kmd2=10km，工作频率为工作频率为150 150 MHzMHz。试求电波传播损耗。试求电波传播损耗。解解: : 先求出自由空间传播损耗：先求出自由空间传播损耗： Lbs=32.45+20lg(5+10)+20lgl50=99.5 dBLbs=32.45+20lg(5+10)+

24、20lgl50=99.5 dB求第一菲涅尔区半径：求第一菲涅尔区半径： x x1 1=81.7m=81.7m由上图由上图 查得附加损耗（查得附加损耗（x/xx/x1 1-1-1）为为1717dBdB，所以电波传播的损耗所以电波传播的损耗为为 L=Lbs+17=116.5 dBL=Lbs+17=116.5 dB 问题：损耗的正负代表的物理意义？工程上典型值问题：损耗的正负代表的物理意义？工程上典型值= =？ 2.1.3接收信号中的接收信号中的3类损耗与类损耗与4种效应种效应强烈的绕射损耗：大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和强烈的绕射损耗：大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直接

25、视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗。损耗。多路径反射：由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径多路径反射：由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，的电磁波相互作用引起多径损耗，电磁波强度的衰减：随着发射机和接收机之间距离的不断增加电磁波强度的衰减：随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减。而引起电磁波强度的衰减。 传播方式：上面结论传播方式：上面结论=3=3种种* * *6st-126st-12* * *主要特征：主要特征：研究方法：预测平均场强研究方法：预测平均场强. .对传播模

26、型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测、特定位置附近场强的变化。测、特定位置附近场强的变化。已有的结果：对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播已有的结果：对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型：模型：3 3个，按范围考虑个，按范围考虑3个传播模型个传播模型大尺度传播模型：发射机与接收机之间大尺度传播模型：发射机与接收机之间( (T-R)T-R)长距离长距离( (几百米或几百米或几千米几千米) )上的场强变化。当移动台远离发射机时，当地平均接收上的场强变化。当移动台远离发射机时，当地平均接收场强逐渐减弱，该平均接

27、收场强由大尺度传播模型预测。场强逐渐减弱，该平均接收场强由大尺度传播模型预测。中尺度衰减模型：中范围中尺度衰减模型：中范围( (中尺度、数百波长量级中尺度、数百波长量级) )的阴影效应，的阴影效应，小尺度衰减模型：短距离小尺度衰减模型：短距离( (几个波长几个波长) )或短时间或短时间( (秒级秒级) )内的接收内的接收场强的快速波动的传播模型。当接收机移动距离与波长相当时，场强的快速波动的传播模型。当接收机移动距离与波长相当时，其接收场强可以发生其接收场强可以发生3 3或或4 4个数量级个数量级(30(30dBdB或或4040dB)dB)的变化。的变化。 解释；以解释；以3 3cmcm信号示

28、例表述以上距离分类信号示例表述以上距离分类 接收点的信号出现的特点（接收点的信号出现的特点（1）1.1.损耗损耗= =信号强度随距离变化而减小。具有信号强度随距离变化而减小。具有3 3类不同层次的损耗类不同层次的损耗路径传播损耗：一般称为衰耗，指电波在空间传播所产生的损路径传播损耗：一般称为衰耗，指电波在空间传播所产生的损耗。它反映出传播在宏观大范围耗。它反映出传播在宏观大范围( (千米量级千米量级) )的空间距离上的接的空间距离上的接收信号电平的平均值的变化趋势。（收信号电平的平均值的变化趋势。（路径损耗在固定的有线通路径损耗在固定的有线通信中也存在，一般比这里的空间传播衰耗值要小一些信中也

29、存在，一般比这里的空间传播衰耗值要小一些）慢衰落损耗：指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产慢衰落损耗：指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生阴影效应而产生的损耗，反映了在中等范围内生阴影效应而产生的损耗，反映了在中等范围内( (数百波长量级数百波长量级) )的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。这类损耗一般为无线的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。这类损耗一般为无线传播所特有，一般从统计规律上看遵从对数正态分布，其变化传播所特有，一般从统计规律上看遵从对数正态分布，其变化率比传送信息率慢，故又称为慢衰落。率比传送信息率慢，故又称为慢衰落。快衰落损耗：反映微观小范围快衰落损耗：反映微观

30、小范围( (数十波长以下量级数十波长以下量级) )接收电平的接收电平的平均值的起伏变化趋势。其电平幅度分布一般遵从瑞利平均值的起伏变化趋势。其电平幅度分布一般遵从瑞利( (Rayleigh)Rayleigh)分布、莱斯分布、莱斯( (Rice)Rice)分布和纳卡伽米分布和纳卡伽米( (Nakagami)Nakagami)分布，分布，其变化速率比慢衰落快，故又称为快衰落。其变化速率比慢衰落快，故又称为快衰落。 空间选择性快衰落空间选择性快衰落 频率选择性快衰落频率选择性快衰落 时间选择性快衰落时间选择性快衰落接收点的信号出现的特点（接收点的信号出现的特点（2）2.2.影响效果影响效果= =信号

31、强度减小呈现一定规律性。具有信号强度减小呈现一定规律性。具有4 4种主要效应种主要效应阴影效应：由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的阴影效应：由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴接收区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。光波的波长较短，阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可影。光波的波长较短，阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端见，但是接收终端( (如手机如手机) )与专用仪表可以测试出来。与专用仪表可以测试出来。远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间远近效应：由于接收用户的随机移动

32、性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若各移动用户发射信号的功率一样，那的距离也在随机变化，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。远者信号弱。？通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，并使弱者即离基站较远的用户产生掉话现以强压弱的现象，并使弱者即离基站较远的用户产生掉话( (通通信中断信中断) )现象，通常称这一现象为现象，通常称这一现象为。接收点的信号出现的特点（接收点的信号出现的特点

33、（3） * * * * *3 3stst* * * * *多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性，接收到的信号多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性，接收到的信号有直射波的主径信号有直射波的主径信号+ + 有从不同建筑物反射及绕射过来的多条有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的不同路径信号，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。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量载波相位都不一样。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量之和，即各路径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干之和，即各路径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径

34、干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。主径直射波，收到的是一些连续反射波等。多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。（正比。（这一现象只产生在高速这一现象只产生在高速(70(70kmkmh)h)车载通信时车载通信时）2.2 三类主要快衰落三类主要快衰落- 空间选择性空间选择性衰落衰落给个示例或图给个示例或图

35、信道输入信道输入射频：单频等幅载波。射频：单频等幅载波。角度域：送入一个角度域：送入一个脉脉冲式的点波束冲式的点波束。 信道输出信道输出: :=观察接收观察接收 时空域：在不同接收点时空域：在不同接收点S1S1，S2S2，S3S3，时域上衰时域上衰落特性是不一样的，即落特性是不一样的，即同一时间、不同地点同一时间、不同地点( (空空间间) )衰落起伏是不一样的，衰落起伏是不一样的，这样，从空域上看，其这样，从空域上看，其信号包络的起伏周期为信号包络的起伏周期为T1T1。 等效为角度扩散等效为角度扩散 角度域：在原来角度上角度域：在原来角度上的的点波束产生了扩散，点波束产生了扩散，结论：由于开放

36、型的时变信道使天线的结论：由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落。衰落。 衰落周期如上图示衰落周期如上图示 空间选择性衰落，通常又称为平坦瑞空间选择性衰落，通常又称为平坦瑞利衰落。这里的平坦特性是指在时域、利衰落。这里的平坦特性是指在时域、频域中不存在选择性衰落。频域中不存在选择性衰落。 2.2.2频率选择性衰落频率选择性衰落信道输入信道输入频域：白色等幅频谱。频域：白色等幅频谱。时域：在时域：在t0t0时刻输入一时刻输入一个个脉冲。脉冲。信道输出信道输出: : =观察接收观察接收 频域：衰落起伏的有色频域：衰落起伏的有色谱。谱。时

37、域：在时域：在t0+tt0+t瞬间，瞬间，脉冲在时域产生了扩脉冲在时域产生了扩散，其扩散宽度为散，其扩散宽度为L/2L/2。其中，其中，tt为绝对时延。为绝对时延。 叠加叠加 结论：结论：由于信道在时域的时延扩散，引由于信道在时域的时延扩散，引起了在频域的频率选择性衰落。起了在频域的频率选择性衰落。衰落周期如上图示，即与时域中的时延衰落周期如上图示，即与时域中的时延扩散程度成正比。扩散程度成正比。 应用中的影响应用中的影响 图图2.2 2.2 频率选择性衰落信道原理图频率选择性衰落信道原理图2.2.3 时间选择性衰落时间选择性衰落信道输入信道输入时域：单频等幅载波。时域：单频等幅载波。频域：在

38、单一频率频域：在单一频率f f0 0上单根谱线上单根谱线( (脉冲脉冲) )。信道输出信道输出: : =观察接收观察接收 时域：包络起伏不平。时域：包络起伏不平。频域：以频域：以f0+f0+f f为中心为中心产生频率扩散，其宽度产生频率扩散，其宽度为为B B。其中，其中，f f为绝对为绝对多普勒频移，多普勒频移，B B为相对值。为相对值。 拟为叠加拟为叠加 图图2.3 2.3 时间选择性衰落信道原理图时间选择性衰落信道原理图? ?结论：结论：由于用户的高速移动在频域引起由于用户的高速移动在频域引起多普勒频移，在相应的时域其波形产生多普勒频移，在相应的时域其波形产生时间选择性衰落。时间选择性衰落

39、。衰落周期如上图所示衰落周期如上图所示。 2.2.4 实际移动通信中实际移动通信中3类选择性衰落产生的条件类选择性衰落产生的条件图图2.4 32.4 3类多径干扰示意图类多径干扰示意图快速移动时接收快速移动时接收到的反射到的反射= =时间时间 远处高大物体反射远处高大物体反射= =空间空间+ +频域频域 近天线区域反射近天线区域反射= =空间空间 图上分析图上分析第一类多径干扰：由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的第一类多径干扰：由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，在信号的频域上产生了多普勒干扰信号，在信号的频域上产生了多普勒( (Doppler)Doppler)频移扩散，频

40、移扩散，从而引起信号在时域上时间选择性衰落。从而引起信号在时域上时间选择性衰落。第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物或山丘的反射第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物或山丘的反射而形成的干扰信号。造成传送的信号在空间与时间上产生了扩散。而形成的干扰信号。造成传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散引起接收点信号产生空间选择性衰落，时空域上波束角度的扩散引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。第三类多径于扰：由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的第三类多径于扰：由于接收信号受基

41、站附近建筑物和其它物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。布，从而引起信号在空间的选择性衰落。典型数据典型数据条件：在第二代移动通信中某种典型地理环境。条件：在第二代移动通信中某种典型地理环境。表表2 1 2 1 典型环境下的典型扩散值典型环境下的典型扩散值地理环境地理环境角度扩散角度扩散时延扩散时延扩散多普勒频率扩散多普勒频率扩散室室 内内3600.1s5Hz农农 村村10.1s190Hz都都 市市205s120Hz丘丘 陵陵3020s190Hz小小 区区1200.2s10Hz

42、（上述值的意义或实际应用价值（上述值的意义或实际应用价值= =频率扩散区间频率扩散区间B B，时间相关区间；时间扩散区时间相关区间；时间扩散区间间L L，频率相关区间；角度扩散区间，空间相关区间；频率相关区间；角度扩散区间，空间相关区间；=20=20=ok=ok），），资料型题：实际移动系统对上述三种扩散值的容忍度及影响分析。资料型题：实际移动系统对上述三种扩散值的容忍度及影响分析。400-800400-800ZHIZHI2.3 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2.3.1 2.3.1 传播损耗的初步定量分析传播损耗的初步定量分析目的：试图从定量的观点对传播模型与信道模型

43、做进一步的深入分析。基本思路：远大尺度、千米量级、中中尺度、数百波长量级、近距离小尺度、数十波长以下量级存在问题：复杂环境，如室内，传感器网络中的多节点情况，结合重大说明) 1 . 3 . 2()()()()(tdKtdStdtdPnD(t),D(t),大范围的路径衰耗大范围的路径衰耗n2n25.55.5中范围的阴影效应损耗中范围的阴影效应损耗小范围内的快衰落损耗小范围内的快衰落损耗2.3.2 大范围的传播衰耗的定量分析大范围的传播衰耗的定量分析解决问题：定量计算。解决问题：定量计算。现状：要想从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难。现状：要想从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难。工程实

44、际应用：工程实际应用：1)1) 多采用一些经验公式与模型，基本上能满足工程上的多采用一些经验公式与模型，基本上能满足工程上的估算要求。估算要求。2)2) 查图表。查图表。目的目的: :当受到衰落影响时当受到衰落影响时, ,接收信号应正常接收信号应正常, ,即抗衰落即抗衰落, ,保证通保证通信正常信正常. .衰落储备衰落储备: : 为了防止因衰落为了防止因衰落( (包括快衰落和慢衰落包括快衰落和慢衰落) )引起的通引起的通信中断。在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，信中断。在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率以使中断率R R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。小

45、于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。通信可靠性：也称作可通率，并用通信可靠性：也称作可通率，并用T T表示，它与中断率的关系表示，它与中断率的关系是是T=1-RT=1-R。上三指标的关系上三指标的关系* * * *KKKK* * *thinkthink查图表查图表应用：右图为可通率应用：右图为可通率T T分分别为别为9090、9595和和9999的的三组曲线，根据地形、地三组曲线，根据地形、地物、工作频率和可通率要物、工作频率和可通率要求，由此图可查得必须的求，由此图可查得必须的衰落储备量。衰落储备量。例如：例如：f=450 MHzf=450 MHz，市区工作，市区工作，要求要求T=99T=

46、99，则由图可查则由图可查得此时必须的衰落储备约得此时必须的衰落储备约为为22.5 22.5 dBdB。著名经验公式与模型著名经验公式与模型-奥村奥村- -哈塔哈塔( (Okumura-Hata)Okumura-Hata)模型模型特点：这是一种在移动通信中使用最频繁，也是最有效的模型特点：这是一种在移动通信中使用最频繁，也是最有效的模型K -)lgd6.551gh-(44.9)(h-13.821gh-26.16lgf69.55)(dB)(Lbmbc50市区式中说明：式中说明： L L5050( (市区市区)()(dB)dB)为市区路径平均损耗，且以为市区路径平均损耗，且以dBdB表示；表示；

47、f fc c为载波频率为载波频率( (MHz)MHz)； h hm m为移动台天线的有效高度为移动台天线的有效高度( (m)m)； h hb b为基站天线有效高度为基站天线有效高度( (m)m)； (h (hm m) )为移动天线的校正因子为移动天线的校正因子( (dB)dB)；-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 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

48、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：1)1) 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。2)2) 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150150MHzfc1500

49、MHzMHzfc1500MHz；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。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对于市区对于市区 K=OK=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.

50、3.3) 0.8-1.56lgf-0.7h-lgf1 . 1 )(hcmcm (2.3.4) 300MHzf 1.1-h54. 1lg29. 8)(hc2mm时当(2.3.5) 00MHz3f 4.97-h75.11lg2 . 3)(hc2mm时当4 . 528/flg22cK98.40lg33.18lg78.4c2cffKHataHata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-2

51、31COST-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)(LMbmbc50市区其它部分请参考教材。其它部分请参考教材。要求：能应用要求：能应用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 Walfi

52、sch-IkegamiWalfisch-Ikegami传播模型传播模型应用范围：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：个部分：1)1) 自由空间损耗自由空间损耗2)2) 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3)3) 多次屏蔽损耗多次屏蔽损耗4)4) 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

53、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)L50tmsrtsfLLLLWIMWIM使用的主要环境与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模型比较：模型比较：WIMWIM与与HataHata 图图2.6 2.6 Walfisch-Ike

54、gamiWalfisch-Ikegami和和HataHata模型路径损耗模型路径损耗与距离与距离d d的关系图的关系图模型比较：模型比较：WIMWIM与与HataHata1)1)两者损耗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)HataHat

55、a模型模型Walfisch-Ikegami Walfisch-Ikegami 模型模型 1 1 126.16 126.16 139.45 139.45 2 2 136.77 136.77 150.89 150.89 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= =？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

56、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、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

57、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 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

58、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* * * * *1)1) 信号包络统计特性信号包络统计特性2)2) 瞬时幅度特性瞬时幅度特性1) 1)

59、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)(0000tjtS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具体分析具体分析计及运动计及运动-移动台以恒定速

60、度在下图移动台以恒定速度在下图d d路段运路段运动，在两端点收到源端动，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： * * * * *4 4stst* *1212* *3.193.19* * 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SvdYcos2cos22tvdl)333(coscos21imiifvtf)343()(e