第3章 移动无线信道

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1、第三章 移动无线信道1、概述信道是任何通信系统所必不可少的部分，当然移动通信也不例外，但移动通信信道有其自身的特点，首先，移动通信是一种无线通信，它的信道是一个开放的空间，这有别于光纤通信等有线通信信道，其次，移动通信至少有一方处于移动状态的，这又有别于微波、广播电视等无线通信。所以无线和移动是我们对移动通信信道的两个基本的认识。正因为移动通信自身的特点使得移动通信的信道是一个非常恶劣的传播环境，移动通信要得以实现，也就必须有相应的技术来克服这些问题。所以我们对移动通信信道的深入理解有助于理解移动通信中象切换、频率复用，交织、分集接收等特有技术，也有助于对编码、调制等基本技术的选择。移动信道的

2、3个主要特点： 传播的开放性 这是区别于有线信道，有线信道中，电磁波被限定在导线内，而移动通信的信道是一个开放的空间。 接收环境的复杂性 是指接收点地理环境的复杂性与多样性。这与用户所处的位置直接相关，可能是繁华市区，也可能是郊区，有可能是平原，也有可能是山丘、湖泊。 通信用户的随机移动性 作为移动用户，当其通话时，有可能处于室内静止状态，也有可能是室外慢速步行或高速车载状态。 归纳为一句话就是复杂、恶劣的传播环境是移动通信信道的总特征。2、移动信道电波传播方式直射波 即没有障碍物的情况下，电磁波在视距范围内直接由基站到达手机。这是一种较为理想的情况，更多情况下，尤其是在复杂的环境下，是存在障

3、碍物的，下面这三种情况就都有可能发生，但其产生机理却有所不同。反射波 当障碍物的尺寸大于电磁波的波长时，电磁波就会在障碍物的前方发生反射。绕射波 电磁波绕过障碍物，在障碍物后方形成场强。 散射波 当电磁波遇到粗糙的表面时，反射能量会散布于所有方向，这样就形成了散射波。典型的例子如电线杆和树。图1 移动信道电波传播方式3、噪声和干扰无线信道噪声分类噪声的种类很多，也有多种分类方式，若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为三类人为噪声人为噪声是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。其中包括工业噪声和无线电噪声。工业噪声来源于各种电气设备，如开关接触噪声、工业的点火辐射及荧光灯干扰等。无线电噪声

4、来源于各种无线电发射机，如外台干扰、宽带干扰等。 自然噪声 自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声。 如雷电、磁暴、太阳黑子、银河系噪声、宇宙射线等。可以说整个宇宙空间都是产生自然噪声的来源。内部噪声 内部噪声是指通信设备本身产生的各种噪声。它来源于通信设备的各种电子器件、传输线、天线等。内部噪声又可分为两类：一类是无源约翰逊噪声，它主要来自于一切无源器件，如电阻、电容、电路板的分子热运动所引起的噪声。其特点之一是任何环境当温度超过热力学温度零度（0K，即273.16）就存在分子的热运动；其特点之二是这类热运动是大量的，统计上遵从中心极限定理的规律，因而其统计特性是正态分布；其特点之

5、三是这类热运动在频域范围足够宽，其谱特性是平坦的。另一类是有源霰弹噪声，它主要来自于通信设备中有源器件，如电子管、晶体管及各类大规模集成电路中的载流子的起伏变化而产生。其特点与无源噪声类似，所以也可以看成典型的白噪声。它与无源白噪声的唯一差异是在一定激发条件下才产生大量电子发射而形成。图2 大自然噪声移动通信中的噪声影响移动通信性能的噪声主要是加性高斯白噪声（AWGN）,这并非移动通信所特有，这在大多数通信系统中都存在，其主要来源有两个：一类是无源约翰逊噪声，它主要来自于无源器件，如电阻、电容、电路板的分子布朗运动所引起的噪声，另一类是有源霰弹噪声，它主要来自于有源器件，如电子管、晶体管等 移

6、动通信中的干扰 同频干扰 指相同载频电台之间的干扰。若频率管理或系统设计不当,就会造成同频干扰；在移动通信系统中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，这称为同信道复用。采用同频复用时，同频复用距离设置不当，会造成同频干扰。 邻频干扰 是指相邻的或邻近的频道之间的干扰。 由于发射机的调制边带扩展和边带噪声辐射，离基站近的第K1频道的MS强信号干扰离基站远的第K频道的MS弱信号。共信道干扰，即干扰分量落在被干扰接收机带内。互调干扰 由传输信道中的非线性电路产生的。它指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。

7、 在移动通信系统中， 产生的互调干扰主要有三种： 发射机互调、 接收机互调及外部效应引起的互调。 假定由于输入回路选择性较差，同时有三个载频分别为 、 、 的干扰信号进入接收机高频放ABC大级或混频级，而我们需要接收的信号载频为 。一般非线性器件的输出电流ic与输入电压u的关系式0为： nC uaai 3210式中， 是由晶体管特性决定的系数，通常 。na,210 n210当把作用于晶体管的信号 tCtBtAucosscos代入上式，经展开整理后，输出回路电流ic的频率成分是十分复杂。当取到三次项（即n=3）时，产生的谐波及组合频率应为：CBA3,2,BCAB2, ,CBA CBACBA当产生

8、的组合频率与接收信号频率0接近时，就会形成对有用信号的干扰，通常称这种干扰为三阶互调干扰。可见，三阶互调干扰有两种类型，即二信号三阶互调和三信号三阶互调： 0CBA多径干扰和多址干扰，多径干扰主要是由于电波传播的开放性和地理环境的复杂性而引起的多条传播路径之间的相互干扰；而多址干扰是由于多个用户信号之间的正交性不好所引起的，对于模拟移动通信系统，不同用户使用不同的频段，主要滤波器隔离度做的好，就能很好的保证正交，对于GSM系统，不同用户使用不同的时隙，主要时间选通隔离度做的好，也能很好的保证正交，而CDMA系统，小区内的用户使用相同的频段，相同的时隙，不同的用户的隔离是靠扩频码来区分，而这种码

9、往往很难完全正交，所以多址干扰在CDMA系统中表现的尤为突出。4、路径损耗与传播模型无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。无线信道的传播模型（以波长或时间作为参考值） 大尺度传播模型：描述发射机和接收机之间长距离（几百米或几千米）上的信号场强变化。 小尺度传播模型：描述短距离（几个波长）或短时间（几秒）内接收场强的快速波动。大尺度效应: 包括视距路径损耗/绕射、阴影和雨或植被造成的衰落等效应。用来预测无线覆盖范围。小尺度效应: 短距离（几个波长以内）或短时间（秒量级）内接收信号强度经历的剧烈变化。产生原因:无线信号的多径传播，用于传输技术的选择和接收机的设计。图3 路径传播与损耗本节主

10、要阐述大尺度效应和大尺度传播模型。自由空间的传播模型条件：理想的均匀介质；无阻挡、反射、折射、绕射，无吸收。由于电磁波能量的扩散，距离增加时，能量仍然会衰减。直射波可近似按此模型进行计算。自由空间中距发射机d处天线的接收功率（Friis公式）： LdGPrtr24)(其中：Pt为发射功率；Pr(d)为接收功率，是T-R距离的函数；Gt是发射天线增益；Gr是接收天线增益；d是T-R间距离（m） ；L是系统损耗因子（L=1） ；为波长（m） 。注：对于各向同性天线（D1，天线物理尺寸）辐射功率为 时，则距离辐射点源 d 处的功率密度为 为：TPavS24dSav接收天线的有效接收面积为： ，G 为

11、接收天线的增益。Ae2当 D=1 的无方向性接收天线的有效接收面积为 2e接收天线的接收功率 Pr 为： tavrPdSP4天线增益与天线的有效截面Ae相关，即： 2eAGGe42有效截面Ae与天线的物理尺寸D相关。与载频相关： cfFriis自由空间模型仅当d处于发射天线无场区域时适用。天线的远场：超过远场距离df的地区。其中远场距离： 。2Ddf其中，D为天线的最大尺寸，并且要求：dfD和df取d0为参考距离（d0=df） ，由当dd0时，自由空间的接收功率为： frr ddPd020)()由于接收电平的动态范围非常大（几个数量级） ，经常以dBm或dBW为单位来表示接收电平。 frr d

12、dWdPdBmP 000log21.)(log)(Pr(d0)的单位为W。参考距离d0在室内环境的典型值取为1m，室外环境取为100m或者1000m。例4.1 求解最大尺寸为1m，工作频率为900MHz的天线的远场距离。例4.2 如果发射机发射50W的功率，将其换算成（a）dBm（b）dBW。如果该发射机为单位增益天线，并且载频为900MHz， （c）求在自由空间中距天线100m接收功率为多少dBm。 （d）10km处为多少？设接收天线为单位增益。路径损耗：路径损耗可表示为发射信号功率和接收信号功率的比值，或者是有效发射功率(dB)和接收功率(dB)之间的差值，表示信号衰减。 24dPLRT工

13、 程 上 常 用 对 数 表 示kmMHzRTdfPLlog20l5.324og10式中： 为电波传播频率； 为收发天线距离。MHzf km地面反射模型反射的条件：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面的尺寸远大于电波的波长时，产生反射。反射的表现：反射角入射角地面反射（双线）模型反射波与直射波的路径差：图4 双线反射模型 22 211)()(dhdhdcba rtrt tt通常： 22,ahrt 所以： ；对应的相位差： 。dt因此，接收的合成场强： jERe0R=-1；则 jeE0 2sincos200 EdhEE，hdrtrtrt 42/20,00时即时当可见， 处的接收功率

14、： 4dhGPrttr即：考虑到地面反射后，陆地传播损耗时距离的4次方。 )log20llog10l(log40 rtrtfs hGL 注：该公式仅适用于远距离时的传播损耗计算路径损耗模型及实际链路的预算设计前面介绍的几种传播模型（自由空间传播模型、地面反射双线模型）都是理想化的模型。实际应用环境非常复杂。实际应用的模型大多都是通过理论分析和实际测试相结合来获得。理论分析针对应用环境，找出主要的影响因素，建立模型，通过仿真或计算得出传播模型。实际测量根据大量实验所得测量数据，绘出传播损耗的曲线或拟合成解析式，再抽象出传播模型。对数距离路径损耗模型自由空间损耗模型： 2)(dPL地面反射模型：

15、4引申： 00log1)()()( dndBdn或其中：n路径损耗指数（表明路径损耗随距离的增长率） ；d0近地参考距离（远场点） （宏蜂窝：1km ） ；d发送机和接收机之间的距离。书中表4.2给出了几种典型环境下的路径损耗指数。对数正态阴影模型对数距离损耗模型未考虑环境变化的影响。如果考虑上环境的影响，路径损耗服从对数正态分布，即： XdLPBd)()(-高斯分布：均值为0，方差为，单位为dB。X )()(dPLtr该模型可用于无线系统设计和分析过程中，对任意位置的接收功率进行计算机仿真。从对数正态阴影模型可以看出，对数路径损耗(in dB)，服从正态分布，可以利用Q函数（或误差函数）来确定接收信号电平超过（或低于）某一指定电平的概率。Q_function定义如下： 2121)(2zerfdxezQz对于Q函数，满足 。)(z因此，接收信号电平超过某一指定电平 的概率可以通过下式进行计算：)()(PrdPQdr同样地，接收信号电平低于指定电平 的概率可以通过下式进行计算：)()(rr无线电波的区域覆盖很明显，由于阴影效应