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无线通信信道基本概念无线通信信道基本概念 与技术与技术 2Mobile Communication Theory 目录 概述 1 自由空间的电波传输 2 3 3种基本电波的传播机制种基本电波的传播机制 3 阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性 4 移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数 5 电波传播损耗预测模型电波传播损耗预测模型 6 3Mobile Communication Theory 电波传播的基本特性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 移动通信 信道 衰落的 原因 无线电 波传播 方式 衰落的 表现 移动信道的 基本特性 衰落特性 4Mobile Communication Theory 一种典型的信号传播环境 5Mobile Communication Theory 信道的分类信道的分类 vv 信道的分类信道的分类 大尺度衰落大尺度衰落 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{ { 小尺度衰落小尺度衰落 长期慢衰落长期慢衰落 根据信号与信道变化快慢程度的比较分为根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{ { 短期快衰落短期快衰落 大尺度衰落（阴影衰落）大尺度衰落（阴影衰落）小尺度衰落（多径衰落）小尺度衰落（多径衰落） 描述描述长距离上信号强度的缓慢变化长距离上信号强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动短距离上信号强度的快速波动 原因原因信道路径上固定障碍物的阴影信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和地点的变化移动台运动和地点的变化 影响影响业务覆盖区域业务覆盖区域信号传输质量信号传输质量 v 大尺度衰落与小尺度衰落 6Mobile Communication Theory 衰落特性的算式描述衰落特性的算式描述 v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。

大尺度衰落 小尺度衰落 7Mobile Communication Theory 自由空间的电波传播自由空间的电波传播 在理想的、均在理想的、均 匀的、各向同匀的、各向同 性的介质中传性的介质中传 播，只存在电播，只存在电 磁波能量扩散磁波能量扩散 而引起的传播而引起的传播 损耗损耗 传播 损耗 接收 功率 传播 损耗 接收 换算 自由空间 电波传播 分贝表示 有效接收天线面积有效接收天线面积 8Mobile Communication Theory 3 3种基本电波传播机制种基本电波传播机制 w w阻挡体比传输波阻挡体比传输波 长大的多的物体长大的多的物体 w w产生多径衰落的产生多径衰落的 主要因素主要因素 w w 产生于粗糙表面、小物体或其产生于粗糙表面、小物体或其 它不规则物体它不规则物体 w w阻挡体为尖利边缘阻挡体为尖利边缘 反射 散射 绕射 直射：直射：LOSLOS 无直射：无直射：NLOSNLOS 9Mobile Communication Theory 多径信号多径信号 vv 两径传播模型两径传播模型 接收信号功率接收信号功率 简化后简化后 相位差相位差 vv 多径传播模型多径传播模型 其中，其中，NN为路径数。

当为路径数当NN很大时，无法用公式准确计算出很大时，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 可忽略可忽略 10Mobile Communication Theory 绕射绕射 惠更斯－菲涅尔 原理 菲涅尔区基尔霍夫公式 v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) 11Mobile Communication Theory 阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性 vv阴影衰落阴影衰落（慢衰落）（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 vv特点特点 与传播地形和地物分布、高度有关与传播地形和地物分布、高度有关 vv表达式表达式 传播路径损耗和阴影衰落传播路径损耗和阴影衰落 分贝式分贝式 式中式中 r r 移动用户和基站的距离移动用户和基站的距离 ζ ζ 由阴影产生的对数损耗（由阴影产生的对数损耗（dBdB），服从零平均和标准偏），服从零平均和标准偏 差差σdBσdB的对数正态分布的对数正态分布 m m 路径损耗指数路径损耗指数 实验数据表明实验数据表明mm＝＝4 4，标准差，标准差σ σ＝＝8dB8dB对于城区是比较合理的对于城区是比较合理的 12Mobile Communication Theory 移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数 多径信道的多径信道的统计分析统计分析 多径衰落信道的多径衰落信道的分类分类 衰落特性的衰落特性的特征量特征量 衰落信道的衰落信道的建模与仿真建模与仿真 多径衰落的多径衰落的基本特性基本特性 多普勒频移多普勒频移 多径信道的多径信道的信道模型信道模型 描述多径信道的描述多径信道的主要参数主要参数 13Mobile Communication Theory 多径衰落的基本特性 vv 幅度衰落幅度衰落 幅度随移动台移动距离的变动而衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落 空间角度空间角度 模拟系统主要考虑模拟系统主要考虑 原因原因 • • 本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落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地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰 落落 14Mobile Communication Theory 多径衰落的基本特性 vv 时延扩展时延扩展 脉冲宽度扩展脉冲宽度扩展 时间角度时间角度 数字系统主要考虑数字系统主要考虑 原因原因 信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导信号传播路径不同，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致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号 15Mobile Communication Theory 多普勒频移多普勒频移 vv 原因原因 移动时会引起多普勒（移动时会引起多普勒（DopplerDoppler）频率漂移）频率漂移 vv 表达式表达式 多普勒频移多普勒频移 最大多普勒最大多普勒(Doppler)(Doppler)频移频移 16Mobile Communication Theory 描述多径信道的主要参数描述多径信道的主要参数 vv 由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对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。

传输信号在时间、频率和角度上造成了色散 vv 通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色 散散 功率延迟分布 PDP 时间色散 多普勒功率谱密度 DPSD 角度谱 PAP 频率色散 角度色散 17Mobile Communication Theory vv vv 判定判定 由信道和信号两方面决定由信道和信号两方面决定 衰落的分类及判定衰落的分类及判定 分类 不同频率分量的衰落 信号波形 频率选择性衰落 不一致 失真 非频率选择性衰落 （平坦衰落） 相关的 一致的 不失真 数字通信系统 信号带宽小于信道相干带宽 Bs>Bc 平坦衰落 频选衰落码间干扰 18Mobile Communication Theory 角度扩展角度扩展 vv角度功率谱（角度功率谱（PASPAS）） 信号功率谱密度在角度上的分布一般为均匀分布、截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短高斯分布和截短拉普拉斯分布 vv角度扩展角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即 式中式中 vv意义意义 描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在 之间分布。

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 越高越高 19Mobile Communication Theory 相关距离与空间选择性衰落相关距离与空间选择性衰落 vv相关距离相关距离DcDc vv空间选择性衰落空间选择性衰落 信道冲激响应保证一定相关度的空间距离信道冲激响应保证一定相关度的空间距离 空选衰落:天线空间距离大于相关距离>Dc 非空选衰落:天线空间距离远小于相关距离< Bc Ts< Bs<> 22Mobile Communication Theory 快衰信道和慢衰信道快衰信道和慢衰信道 快衰落慢衰落 原因 冲激响应变化快于 基带信号变化 信道冲激响应变化比不 上基带信号变化 条件Ts>Tc BsBd T Tc c 为信道相干时间为信道相干时间 BBD D为多普勒扩展 为多普勒扩展 vv 无线移动通信一般按慢衰落处理无线移动通信一般按慢衰落处理 vv 声波通信按快衰落处理声波通信按快衰落处理 23Mobile Communication Theory 室外传播模型室外传播模型 Hata模型 CCIR模型 LEE模型 COST 231 Walfisch-Ikegami 模型 24Mobile Communication Theory Okumura-Hata Okumura-Hata 模型模型 vv 路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式 式中式中 —— 工作频率（工作频率（MHzMHz）） —— 基站天线有效高度（基站天线有效高度（ m m ），定义为基站天线实际海拔高度与基），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（移动台天线有效高度（mm），定义为移动台天线高出地表的高度），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。