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1、通信工程学习资料2013年2月移动无线通信的信号传播特性哈尔滨工业大学通信技术研究所2013年2月摘 要无线信道要成为一种可靠的高速通信媒质存在着严峻的挑战。无线信道易受噪声、干扰和其他信道因素的影响，而且由于用户的移动和信道的动态变化，这些因素还在随时间随机变化。本课程将通过分析移动无线通信信号的传播特性，进而介绍大尺度传播效应和小尺度传播效应来建模无线信号传播的信道。课程首先介绍电波传播，并给出信号模型，然后研究路径损耗引起的接收信号功率随距离变化的规律。然后重点研究阴影效应所引起的接收信号功率随距离变化的规律，研究障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式对信号的衰减，介绍射线跟踪传播模型。
2、最后，由于在实际当中确定性模型不足以反映多径信道的真实特性，必须要采用统计方法来描述多径信道。因此课程进一步讨论一类能够描述信道中多径相互叠加产生干涉情形的衰落模型。本课程具有内容详实，讲述由浅入深，简明透彻，概念清楚，重点较为突出等特点。为了更好地掌握本课程，读者需要高等数学，信号与系统及随机信号分析等相关课程的基础，讲解过程中涉及到的相关内容请查阅相关课程的参考书。通过本课程的学习，能够使读者理解无线信号传播的特性，熟悉根据不同应用环境、应对不同信道特征而建立的各种移动通信信号的信道模型，最终达到能够熟练、准确的根据使用场景来应用信道模型分析无线通信系统的目的。目 录不要删除行尾的分节符，
3、此行不会被打印89- -目 录摘 要I第1章 无线信号传播和路径损耗41.1 无线电波传播61.2 发送和接收信号模型71.3 自由空间路径损耗111.4 射线跟踪121.4.1 两径模型141.4.2 十径模型（介电峡谷）191.4.3 通用路径跟踪211.4.4 本地平均接收功率25第2章 经验路径损耗模型和阴影衰落262.1 经验路径损耗模型262.1.1 奥村模型 (Okumura Model)272.1.2 哈塔模型 (Hata Model)282.1.3 哈塔模型的COST231扩展292.1.4 折线（多斜率）模型292.1.5 室内衰减因子312.2 简化的路径损耗模型322.
4、3 阴影衰落342.4 路径损耗和阴影衰落的混台模型392.5 路径损耗和阴影衰落造成的中断率392.6 小区覆盖范围40第3章 窄带统计多径信道模型443.1 时变信道的冲激响应453.2 窄带衰落模型523.2.1 自相关、互相关及功率谱密度533.2.2 包络和功率分布633.2.3 电平通过率和平均衰落时长663.2.4 有限状态马氏信道69第4章 窄带统计多径信道模型714.1 宽带衰落模型714.1.1 功率时延谱764.1.2 相干带宽784.1.3 多普勒功率谱和信道相干时间814.1.4 自相关和散射函数的变换824.2 离散时间模型844.3 空时信道模型86结 论88参考
5、文献89千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 无线信号传播和路径损耗Equation Chapter 1 Section 1无线信道要成为一种可靠的高速通信媒质存在着严峻的挑战。无线信道易受噪声、干扰和其他信道因素的影响，而且由于用户的移动和信道的动态变化，这些因素还在随时间随机变化。我们讨论由路径损耗（path loss）和阴影（shadowing) 效应所引起的接收信号功率随距离变化的规律。路径损耗是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成的。在路径损耗模型中，一般认为对于
6、相同的收发距离，路径损耗也相同。阴影效应是由发射机和接收机之间的障碍物造成的，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号功率，严重时甚至会阻断信号。路径损耗引起长距离上（100m1000m）接收功率的变化。而阴影引起障碍物尺度距离上（室外环境是10m100m，室内更小）功率的变化。两者在相对较大的距离上引起功率变化，故称其为大尺度传播效应（large-scale propagation effect）。之后的章节所要讨论的多径信号干涉也会引起接收功率的变化，但这种变化发生在波长数量级距离上，这个距离较短，所以称为小尺度传播效应（small-scale propagation effec
7、ts）。在路径损耗、阴影效应和多径传播的综合影响下，接收功率和发送功率比值的分贝值（dB）与距离对数值的关系如图1-1所示。图1-1 路径损耗、阴影及多径与距离的关系本章首先简要介绍电波传播，并给出信号模型，然后给出最简单的信号传播模型：自由空间路径损耗模型。两点之间的信号传播若无衰减和反射，则服从自由空间传播规律。接下来介绍射线跟踪传播模型，它可以根据麦克斯韦方程近似地描述电波传播特性，这种近似在多径分量很少且物理环境已知时是相当精确的。 射线跟踪模型与信号传播区域内的地形和介电性质紧密相关。本章还将介绍一些经验模型，其参数是通过对室内和室外的信道进行测量后得到的。我们将给出一个简单的通用模
8、型，它只有少量几个参数，但能很好地体现出路径损耗对系统分析的主要影响。本章还将给出基于大量障碍物的对数正态阴影衰落模型，如果多径分量很多或者传播环境的几何特性和介电性质未知，就必须用统计多径模型，我们将在接下来的章节中对此进行介绍。本章只是对路径损耗和阴影效应的信道模型进行了概述，而对各种频率下信道覆盖及传播模型问题的研究本身就能写一本书。这方面已经有一些优秀的教材如文献l2。多天线和超宽带等特定系统中的信道模型问题可参考文献34。1.1 无线电波传播人们对无线电波传播的最初了解要追溯到詹姆斯克拉克麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的开创性研究。他于1864年建立的电磁波传播理
9、论预言了无线电波的存在。1877年海因里希赫兹（Heinrich Hertz）证实了电磁波的物理存在。然而他没有看到电磁波的实用特性，他认为由于声波频率非常低并且电磁波传播特性很差，因此无线电波不能用来携带语音。麦克斯韦和赫兹的研究开创了无线通信领域。1894年奥立弗洛奇（Oliver Lodge）运用这些理论建造了第一个无线通信系统，尽管其传输距离只有l50m。1897年企业家古列尔奠马可尼 （Guglielmo Marconi）成功地把无线电信号从英国的怀特岛发送到了18英里外的一艘拖船上。到1901年，马可尼的无线通信系统已经能够横跨大西洋。这些早期的无线通信系统使用电报信号进行通信。1
10、906年，雷吉纳德菲森登（Reginald Fessenden）使用幅度调制第一次进行了语音和音乐的传送，他把低频信号调制到高频电磁波上进行传输，从而突破了赫兹所说的低频传播限制。这也是今天的各种无线通信系统中普遍使用的方法。电磁波在空中传播时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波形成反射、 散射和绕射。电波传播的基本细节可通过求解带边界条件的麦克斯韦方程获得， 其中边界条件表征了这些障碍物的物理特性。 求解这样的麦克斯韦方程涉及大量复杂结构的雷达截面（Radar Cross Section，RCS）。相关的计算非常复杂，而且计算中必要的参数往住难以得到，因而人们采用了一些近似方法来描述信号
11、的传播特性，避免求解复杂的麦克斯韦方程。最常见的一种近似方法是射线跟踪技术，射线跟踪模型将波前近似为简单粒子，进而确定出反射和折射对波前的影响，但这种方法忽略了由麦克斯韦耦合微分方程组所描述的更为复杂的散射效应。最简单的射线跟踪模型是两径模型，指发射机和接收机之间只存在一条直射路径和一条反射路径的情况。两径模型能准确地反映信号的传播特性。两径模型中的反射信号一般是地面反射，对于高速公路及乡村道路和水面上的信号传播来说，两径模型是一种很好的近似。在接下来的几节中，我们将详细分析两径模型，以及增加了反射、散射和绕射分量的更复杂的模型。许多传播环境不能由射线跟踪模型准确描述，此时通常的做法是以实际测
12、量结果为基础，建立经验模型。我们将讨论一些最常用的经验模型。无线信道的复杂性和时变性往往使我们难以建立一个准确的确定信道模型，此时一般采用统计模型。如后续章节所述，信号传播路径上房屋等障碍物引起的信号衰减通常就是用统计的方法来表征的。统计模型也用来描述大量多径分量之间的相互干涉，如接下面的章节所述。对于具有规则几何形状和均匀介电性质的传播环境，统计模型是最为精确的。室内传播环境一般没有室外传播环境规则，因为不同的室内环境，如开放的工厂、办公室、金工车间等的几何形状和介电性质差别很大。对于上述传播环境可用计算机辅助建模工具来预测信号传播特性。1.2 发送和接收信号模型我们主要研究频率范围为0.3
13、GHz3GHz的UHF频段和频率范围为3GHz 30GHz的SHF频段，这个频率范围的传播特性良好。天线尺寸也比较小，很适合于无线通信。我们假设传播距离不是很大，这样地球曲率的影响可以忽略。调制器中的振荡器产生的是实正弦信号，不是复指数信号。所以我们认为接收与发送的信号均是实信号，虽然为了简化分析，我们经常采用复数信道建模，但信道实际上只是改变了发送信号在不同频率处的幅度和相位，因此接收信号也是实信号。因此，我们所研究的发射和接收信号都是实信号。但为便于分析，常把实的发送和接收信号表示成一个复信号的实部，这就是带通信号的等效基带表示。本章也将采用这种表示。发送信号表示式为 (1-1)其中是一个
14、复基带信号，其同相分量为，正交分量为，带宽为，功率为。称为的复包络（complex envelope）或等效基带信号（complex lowpass equivalent signal）。复包络得名于的振幅就是的振幅。的相位包括了载波相位移。对于带宽的带通信号，等效基带表示使信号通过控制而与载波频率无关。发送信号的功率为。接收信号的表示与发送信号类似，只是叠加了噪声： (1-2)其中为信道噪声。等效基带信号与所传输的信道有关。当经过时不变信道时，可得。其中是等效基带信号的冲激响应。时变信道的情形将在以后的章节讨论。式中的接收信号包括两项，第一项是经过信道传播之后的发送信号，第二项是信道噪声。接
15、收信号的信噪比（signal-to-noise power ratio，SNR）定义为第一项和第二项的功率比。由于信号的传播特性和噪声无关，为了突出所研究的信号传播问题，本章将忽略随机噪声分量。但噪声对后续章节中所研究的无线通信系统的容量和性能问题有至关重要的影。当发射机和接收机中有一方在移动时，接收信号将会有一个多普勒频移，是入射波相对于移动方向的角度，是接收机沿其移动方向移动的速度。是信号波长，是光速。图1-2显示了与多普勒频移相关的几何关系。在很短时间间隔内，发射机或接收机的移动将产生的行程差，该行程差引起的相位变化为，再由频率和相位的关系得到多普勒频移为 (1-3)如果接收机朝着发射机的方向移动（），多普勒频移为正值，反之为负值。对于典型的车速（75km/h）和频率（约1GHz），多普勒频移只有100Hz左右，因此本章的自由空间和射线跟踪模型将忽略多普勒频移，我们将在后续章节统计衰落模型中考虑多普勒频移的影响。图1-2 多普勒频移中的几何关系假设发送信号的功率为，相应的接收信号的功率为。存在阴影时，指对阴影平均后的结果。定义信道的路径损耗真值（linear
