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1、第三章 无线移动通信 信道1第三章学习重点和要求o理解无线通信的电波传播环境的特点o了解链路分析和传播损耗及其计算方法, 了解电波传播损耗预测模型（自学）o掌握无线信道的模型、表征及分类o理解无线信道中信号经历多径衰落的基本 特性，掌握多径传播与快衰落、阴影衰落 、时延扩展与相干带宽的关系o掌握描述信道衰落特性的特征量2第三章主要内容o无线移动通信信道概述o无线信道的电波传播特性n自由空间传播n阴影衰落传播n多径传播信道o多径衰落的基本特性n多谱勒频移、瑞利衰落分布、莱斯衰落分布 、功率谱、时延扩展、相干带宽及衰落特性 的表征3第三章3.1 概述o为什么研究无线信道的电波传播特性？o如何研究无
2、线移动通信信道？o无线移动通信信道的基本特征是什么？o如何解释多径衰落现象？o无线信道电波传播的基本特点包括哪些？4第三章3.1 概述o为什么研究无线信道的电波传播特性？n无线信道与有线信道的根本区别n决定了无线通信可能采用的无线传输技术n关系到无线通信系统的通信能力和服务质量o如何研究无线移动通信信道？n理论分析：用数学模型描述n现场电波预测：实验测量、验证、校正n计算机模拟5第三章3.1 概述o无线移动通信信道的基本概念 r(t)=m(t)r0(t) n长期慢衰落：m(t) p由信道路径上的固定障碍物的阴影产生 ， d-nn短期快衰落：r0(t) p由移动台的运动和环境变化产生6第三章移动
3、信道环境(图示)o基站天线与移动台天线存在显著高度差别7第三章移动信道环境(图示)o近端区域物体的反射导致多径衰落8第三章3.1 概述o长期慢衰落和短期快衰落的图示移动台相对位移（距离）移动台运动 的小区域基站发射天线实线：短期快衰落虚线：长期慢衰落9第三章3.1 概述o多径衰落n在移动通信环境中，发射的电波经历了不同 路径；n电波通过各个路径的距离不同，导致传播时 间和相位均不相同。多个不同相位的信号在 接收天线处叠加，时而同相叠加增强，时而 反相叠加减弱。n接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产 生了衰落，由于它由多径引起，称之为多径 衰落。 (下面是图示说明多径衰落现象的本质)10第三章
4、3.1 概述o多径衰落现象的本质（1/2）图(a) 两径传播的叠加（加强和减弱）图(b) 衰落包络随两径不同相位的变化11第三章3.1 概述o多径衰落现象的本质（2/2）基站散射阴影散射直视路径反射移动终端 （手机）衍(绕)射12第三章3.1 概述：多径衰落现象的本质o移动通信环境存在大量的n反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信 号波长的障碍物时发生反射。p导体与绝缘体材料（折射）n散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长 障碍物或多面体时发生散射p “混乱” 相对波长较小n绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为 绕射,也称衍射p费涅尔区，Fresnel zone13第三章3.1 概述o无线移
5、动通信信道的基本特点n以地波形式传播n同时受电波传播时的衍(绕)射、反射、散射 和吸收等现象影响n从观察时间的角度，可分为长期慢衰落效应 和短期快衰落效应n对接收信号的主要影响是多径衰落n可从时间和空间描述、测试多径衰落 (下面是图示)14第三章3.1 概述o从时间和空间两个角度描述衰落现象本地反射物所引起的多 径效应呈现较快的幅度 变化;局部均值(locaL mean) 为随距离增加而起伏下 降的曲线，反映地形起 伏所引起的衰落以及空 间扩散损耗。15第三章移动通信环境的几个效应o空间传播损耗-Path losso阴影效应：由地形结构引起，表现为慢衰 落o多径效应：由移动体周围的局部散射体引
6、 起的多径传播，表现为快衰落o多普勒效应：由于移动体的运动速度和方 向引起多径条件下多普勒频谱展宽16第三章3.2 自由空间的无线电传播o自由空间电波传播n在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播 ，无反射、折射、绕射、散射和吸收现象， 只存在电磁波能量扩散引起的传播损耗n预备知识p天线的方向性p天线的方向性功率增益p天线的有效面积与功率增益的关系17第三章3.2 自由空间的无线电传播o自由空间电波传播n发射天线远离地球，或没有阻挡物；在接收 天线方向，具有增益Gt;发射功率为Pt；n接收天线与发射天线的距离为d；在发射天 线方向，接收天线的增益为Gr;n接收天线接收到的信号功率 Pr= Pt
7、GtGr(l/4pd)2, Frris自由空间模型 (Friis H.T.,Proc. IRE,1946)Ar=l2Gr/4p称为天线接收的有效面积。18第三章3.2 自由空间的无线电传播o传播损耗，也称为路径损失表示为L=PT/PRn当Gt = Gr=1时，自由空间的传播损耗为L=(4pd/l)2 L(dB)=32.45+20lgf+20lgd注意： 1) f的单位为MHz，d的单位为Km; 2) d需要满足d D (D为天线最大物理直线 尺寸)和dl; 19第三章3.3 阴影衰落传播的基本特性o什么是阴影衰落？n长期衰落（大尺度衰落），由移动无线通信 信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它
8、 障碍物对电波路径的阻挡而形成的电磁场阴 影效应n特点：p慢，电平起伏相对缓慢p衰落与地形、地物的分布和高度有关20第三章3.3 阴影衰落传播的基本特性o阴影衰落与传播距离、阴影损耗的关系 l (r, z)=rm10z/10nz由阴影产生的对数损耗(dB)，服从零均值 和标准离差s dB的对数正态分布； 10lgl (r, z)=10mlgr+z21第三章3.4 多径衰落的基本特性o时域：多径效应引起信号的时延扩展，接 收信号的信号分量被展宽n相关带宽与信号带宽p频率选择性衰落与频率平坦性衰落o频域：多谱勒效应引起频域扩展，接收信 号产生多谱勒频展n相关时间与信号的数据字符周期p时间选择性衰落
9、和时间平坦性衰落o无线移动信道是弥散（dispersive）信道 (下面是图示)22第三章多径衰落和时延扩展（图示）o多径效应与时延扩展23第三章3.4.1 反射与多径信号o反射24第三章3.4.1 反射与多径信号o典型介质的介电常数和电导率25第三章3.4.1 反射与多径信号o两径传播模型ABdhbbqqqhmx Cn 给定基站、移动台天线高度，工作频率 ，选定e和s，可计算出接收信号随距离d 的 变化曲线；26第三章3.4.1 反射与多径信号o两径传播模型适用于开阔地区移动信道27第三章3.4.2 多谱勒频谱o多谱勒效应：移动台在移动中通信，接收 信号频率会发生变化的现象。o多谱勒频移(D
10、oppler Frequency Shift)与 移动速度、方向28第三章3.4.2 多谱勒频谱o多谱勒效应的解释n相位发生随机变化，即随机调频信号n多径信道中，一个单频信号f扩展为ffd， 导致频谱扩展。o相关时间nTcoh=1/fm，表征时变信道影响信号衰落的衰 落节拍，信道随这个节拍在时域上对信号有 不同的选择性。时间选择性衰落。o多谱勒效应主要影响接收机的误码性能29第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o瑞利(Rayleigh)衰落分布n各个多径信道彼此相互独立，没有一个信道 占支配地位，即没有直射波信号。此时，接 收信号包络的变化服从Rayleigh分布。n障碍物均匀的城市街
11、道或森林n描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络 统计时变特性30第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o瑞利(Rayleigh)衰落分布的数学描述假设发送信号经历N条路径同时到达接收端，接收信号表示为令 ，有 N其概率密度函数为:联合概率密度函数为：TC(t)和TS(t)为高斯随机过程31第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o瑞利(Rayleigh)衰落分布的数学描述n接收信号的包络n接收信号的相位 将直角坐标转化为极坐标形式 由雅各比(Jacobian)行列式可求出新坐标系下的联合概率表示n在(0,2p)区间内对q 积分,得到r的概率密度函数n在(0,)区间内对r 积分,得到
12、q 的概率密度函数（Rayleigh分布, r=0）（均匀分布）32第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o瑞利(Rayleigh)衰落分布的数学描述n不超过某一特定值R的接收信号包络概率分布函数n统计量p均值：rmean=Er=1.2533sp方差：rvariance=Er2-E2r=0.4292s2p信号包络样本区间中值：满足P(rrm)=0.5)的rmrm=1.777s33第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o莱斯(Rician)衰落分布：n多径信道中，存在较强的直射波信号且它占有支配 地位。此时，接收信号包络的衰落变化服从Rician 分布。n概率密度函数pA：主信号峰值
13、；r：衰落信号包络;s ：r的方差；pI0():0阶第一类修正贝塞尔函数。K=A2/2s2定义主 信号功率与多径分量方差之比，称为莱斯因子。pA 0时，莱斯分布变为瑞利分布pA2/2s2 1时，莱斯分布将向高斯分布趋近。34第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o衰落信号的功率谱n典型(Classic)的多谱勒功率谱（Clarke模型）p室外传播信道，大量到达接收天线的平面波均匀 地分布在移动台的水平方位上，每个时延间隔的 仰角为0度； 接收天线为水平方向全向天线,入射信号功率水 平方向均匀分布,对平均功率b归一化35第三章典型多谱勒功率谱示意图功率谱36第三章3.4.3 瑞利衰落分布和
14、莱斯衰落分布 衰落信号的功率谱 平坦多谱勒谱 室内传播信道，接收一方，大量到达的平面波均 匀地分布在仰角和水平方向。若接收天线是短波 或半波垂直极化天线（天线水平增益=1.64）37第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o时延扩展n最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后一个可分 辨的时延信号与最早的时延信号到达时间的差值；描述 参数p归一化时延信号包络，p(t)p最大时延扩展，Tm; p(t) 小于某个不可分辨的电平时的 时延差值；发送脉冲信号接收多个脉冲信号38第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o时延扩展p平均时延：归一化时延谱曲线的数学期望p均方值时延扩展均方值时延扩展描
15、述了多径信道时延的统计特性时延扩展程度 ，引起码间串扰 p(t)Tmta39第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o相关带宽n信号中不同频率分量通过多径信道后，所受 衰落是否相同依赖于信号带宽与相干带宽；p信号带宽 相干带宽：频率选择性衰落p信号带宽 41第三章3.4.3 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布o衰落信道的分类(补充内容)n频率选择性衰落 BS BC 并且 TS TC 并且BS BD(多谱勒扩展) p既有平坦慢衰落，也有频率选择性慢衰落43第三章3.4.6 衰落特性的度量o衰落包络与时间的关系n衰落率n电平交叉率n平均衰落周期n衰落持续时间o衰落包络与空间n空间相关性44第三章3.4
16、.6 衰落特性的度量o衰落率和衰落深度n衰落率p信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平 的次数；与频率、移动台速度和方向、多径传 播的路径数相关。p平均衰落率：A2v/lnv (km/h), f (MHz), A (Hz)n衰落深度p信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值45第三章3.4.6 衰落特性的度量o电平通过率nLCR (Level Cross Rate)p即信号包络单位时间内通过某一规定电平值的 平均次数p衰落率是LCR的一个特例 瑞利分布R46第三章3.4.6 衰落特性的度量o衰落持续时间n即信号包络低于某个给定电平值的概率与该 电平对应的电平通过率之比nADF (Average Duration of Fades) tR=P(rR)/NRp瑞利衰落p图3.12中衰落持续时间为t1+t2+t3+t4，平均 衰落持续时间为tR=(t1+t2+t3+t4)/447第三章
