无线信道基本知识

无线通信信道基本概念与技术2MobileCommunicationTheory目录概述1自由空间的电波传输23种基本电波的传播机制3阴影衰落的基本特性4移动无线信道及特性参数5电波传播损耗预测模型63MobileCommunicationTheory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4MobileCommunicationTheory一种典型的信号传播环境5MobileCommunicationTheory信道的分类信道的分类大尺度衰落根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{小尺度衰落长期慢衰落根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{短期快衰落大尺度衰落（阴影衰落）小尺度衰落（多径衰落）描述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原因信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和地点的变化影响业务覆盖区域信号传输质量大尺度衰落与小尺度衰落6MobileCommunicationTheory衰落特性的算式描述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。(t)rm(t)r(t)0大尺度衰落小尺度衰落7MobileCommunicationTheory自由空间的电波传播在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗传播损耗接收功率传播损耗接收换算ttrrGPdAP24自由空间电波传播分贝表示dfLlog20log2045.32()10log()rrPdBmPmW()10log()rrPdBWPW42rrGA有效接收天线面积8MobileCommunicationTheory3种基本电波传播机制阻挡体比传输波长大的多的物体产生多径衰落的主要因素产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体阻挡体为尖利边缘反射散射绕射直射：LOS无直射：NLOS9MobileCommunicationTheory多径信号两径传播模型接收信号功率简化后相位差多径传播模型其中，N为路径数。当N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2tr2tr....Ae)R1(Re1GGd4PP2tr2trRe1GGd4PPACBhmhbd直射波l2()lACCBAB2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PP11MobileCommunicationTheory阴影衰落的基本特性阴影衰落（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特点与传播地形和地物分布、高度有关表达式传播路径损耗和阴影衰落分贝式式中r移动用户和基站的距离ζ由阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差σdB的对数正态分布m路径损耗指数实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB对于城区是比较合理的10(,)10mlrr10log(,)10loglrmr12MobileCommunicationTheory移动无线信道及特性参数多径信道的统计分析多径衰落信道的分类衰落特性的特征量衰落信道的建模与仿真多径衰落的基本特性多普勒频移多径信道的信道模型描述多径信道的主要参数13MobileCommunicationTheory多径衰落的基本特性幅度衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落空间角度模拟系统主要考虑原因•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落14MobileCommunicationTheory多径衰落的基本特性时延扩展脉冲宽度扩展时间角度数字系统主要考虑原因信号传播路径不同，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15MobileCommunicationTheory多普勒频移原因移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移表达式多普勒频移最大多普勒(Doppler)频移cosvfdmfv16MobileCommunicationTheory描述多径信道的主要参数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。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17MobileCommunicationTheory判定由信道和信号两方面决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BsBc信号带宽远大于信道相干带宽BsBc平坦衰落频选衰落码间干扰18MobileCommunicationTheory角度扩展角度功率谱（PAS）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角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即式中意义描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在之间分布。角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度越高200()()()pdpd00()()pdpd0,36019MobileCommunicationTheory相关距离与空间选择性衰落相关距离Dc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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Dc21MobileCommunicationTheoryTs为信号周期（一般是信号带宽Bs的倒数）是信道时延扩展均方根值；Bc为相干带宽通常若，可认为该信道是频率选择性的平坦衰落和频率选择性衰落频率选择性衰落平坦衰落原因信道具有恒定增益和相位的带宽范围小于发送信号带宽时间色散码间干扰信道具有恒定增益和相位的带宽范围大于发送信号带宽频谱特性不同频率获得不同增益在接收端保持不变条件BsBcTsBsBcTs10sT22MobileCommunicationTheory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TsTcBsBdTsTcBsBdTc为信道相干时间BD为多普勒扩展无线移动通信一般按慢衰落处理声波通信按快衰落处理23MobileCommunicationTheory室外传播模型Hata模型CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型24MobileCommunicationTheoryOkumura-Hata模型路径损耗计算的经验公式式中—工作频率（MHz）—基站天线有效高度（m），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—移动台天线有效高度（m），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平距离（km）—有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数—小区类型校正因子—地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响terraincellteretecpCCdhhhfdBLloglog55.69.44log82.13log16.2655.69cftehrehrehMHzfhMHzfhfhfhcrecrecrecre30097.475.11log2.33001.154.1log29.8大城市、郊区、乡城8.0log56.17.0log11.1中小城市22cellC乡村98.40log33.18log78.4－郊区4.528log2城市022ccccellfffCterrainCd25MobileCommunicationTheoryCOST-231Hata模型路径损耗计算的经验公式式中—大城市中心校正因子两种Hata模型的主要区别频率衰减系数不同COST-231Hata模型频率衰减因子为33.9Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减，大城市中心地区路径损耗增加3dB。MterraincellteretecCCCdhhhfdBLloglog55.69.44log82.13log9.333.4650MC市中心大城3中等城市和郊区0dBdBCM26MobileCommunicationTheoryCCIR模型给出了反映自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗联合效果的经验公式校正因子右图给出了Hata和CCIR路径损耗公式的对比，由图可见，路径损耗随建筑物密度而增大BdhhhfdBLteretecloglog55.69.44log82.13log16.2655.6950数值分比被建筑物覆盖区域的百log2530B27MobileCommunicationTheoryLEE模型优点模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合本地无线传播环境，准确性高路径损耗预测算法简单，计算速度快应用无线通信系统分类LEE宏蜂窝模型LEE微蜂窝模型28MobileCommunicationTheoryLEE宏蜂窝模型决定移动台接收信号大小的因素人为建筑物地形地貌基本思路先把城市当成平坦的，只考虑人为建筑物的影响，在此基础上再把地形地貌的影响加进来地形地貌影响的三种情况无阻挡有阻挡水面反射29MobileCommunicationTheoryCOST231Walfisch-Ikegami模型应用用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境常用于移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS）设计可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等不同情况的路径损耗两种情况视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗式中L0—由空间损耗L1—由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗L2—沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）fdLlog20log266.42210LLLL111log20log10log109.16LhhfwLmRbfkdkkLLfdalog9loglog21230MobileCommunicationTheoryCOST231Walfisch-Ikegami模型各参数意义1式中w—接收机所在的街道宽度（m）,hR—建筑物的平均高度（m）hR，hm—接收天线的高度其中—街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角2式中上面各式中，hB发射天线高度，b相邻行建筑物中心距离111log20log10log109.16LhhfwLmRbfkdkkLLfdalog9loglog2129055551114.04553535075.05.23503571.01011LRBRBRBhhhhhhL,0,1log1821kmdhhhhdkmdhhhhhhkRBRBRBRBRBa5.0并且,4.0545.0并且,8.054,54RBRRBRBdhhhhhhhk,1518,18大城市,19255.1中等城市和郊区,19257.04ffkfWirelessSupportsPeopleNavig