移動通信信道課件

131十月2022第2章移動通信信道122十月2022第2章移動通信信道231十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.3噪聲和干擾222十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.3331十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移動通信信道的主要特點2.1.2電波傳播方式2.1.3接收信號中的四種效應322十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移431十月20222.1.1移動通信信道的主要特點1．傳播的開放性這區(qū)別于有線信道，有線信道中，電磁波被限定在導線內(nèi)，而移動通信的信道是一個開放的空間。2．接收環(huán)境的復雜性是指接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性?？蓪⒔邮拯c地理環(huán)境劃分為三種典型區(qū)域:高樓林立的城市繁華區(qū);以一般性建筑物為主體的近郊區(qū);以山丘、湖泊、平原為主的農(nóng)村及遠郊區(qū)。3．通信用戶的隨機移動性422十月20222.1.1移動通信信道的主要特點1．531十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移動通信信道的主要特點2.1.2電波傳播方式2.1.3接收信號中的四種效應522十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移631十月20222.1.2電波傳播方式1．直射波即沒有障礙物的情況下，電磁波在視距范圍內(nèi)直接由基站到達手機。2．反射波當障礙物的尺寸大于電磁波的波長時，電磁波就會在障礙物的前方發(fā)生反射。

3．繞射波也稱衍射波，電磁波繞過障礙物，在障礙物后方形成場強。

一般可歸納為以下波四種基本傳播方式：

622十月20222.1.2電波傳播方式1．直射波2．731十月20222.1.2電波傳播方式4．散射波當電磁波遇到粗糙的表面時，反射能量會散布于所有方向,這樣就形成了散射波。圖2-1移動信道電波傳播類型示意圖

722十月20222.1.2電波傳播方式4．散射波圖831十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移動通信信道的主要特點2.1.2電波傳播方式2.1.3接收信號中的四種效應822十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移931十月20222.1.3接收信號中的四種效應1.陰影效應當電波在傳播路徑上遇到起伏地形、建筑物等障礙物的阻擋時，在障礙物的后面產(chǎn)生傳播半盲區(qū)。從而形成電磁場陰影，這種隨移動臺位置的不斷變化而引起的接收點場強中值的起伏變化叫做陰影效應。

2.遠近效應由于移動用戶距離基站有遠有近，這樣近處的用戶信號就會對遠處的用戶信號產(chǎn)生抑制。922十月20222.1.3接收信號中的四種效應1.1031十月20222.1.3接收信號中的四種效應3.多徑效應由于用戶所處位置的復雜性，到達移動臺天線的信號不是由單一路徑來的，而是包含多條路徑。不同路徑的信號，它們到達時的信號強度、到達時間及到達時的載波相位都不一樣。所接收的信號是上述各路信號的矢量和。4.多普勒效應由于用戶處于高速移動中，從而引起傳播頻率的擴散，由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移（DopplerShift）。這一現(xiàn)象只產(chǎn)生在大于等于70Km/h時，而對于慢速移動的步行和準靜態(tài)的室內(nèi)通信則不予考慮。1022十月20222.1.3接收信號中的四種效應3.1131十月20222.1.3接收信號中的四種效應無線電波從源點S出發(fā)，在X點和Y點分別被移動臺接收時所走的路程差為Δxi＝

dcosθi＝

vΔtcosθi

由于源端點距離很遠，可假設在X點和Y點處的θi是相同的，所以，由路程差造成的接收信號相位變化值為SθiΔxiXYd當移動臺以恒定速率v在長度為d、端點為X和Y的路徑上運動時，受到自遠方S點發(fā)出的信號，如圖所示。由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移fd為SθiΔxiXYd1122十月20222.1.3接收信號中的四種效應無線1231十月2022<例題>若載波頻率fc=900MHz。移動臺速度v=100km/h，求最大多普勒頻移1222十月2022<例題>若載波頻率fc=900MH1331十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.3噪聲和干擾1322十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.1431十月20222.2衰落2.2.1大尺度衰落2.2.2小尺度衰落1422十月20222.2衰落2.2.1大尺度衰落1531十月2022

無線信道的傳播模型可分為大尺度傳播模型和小尺度傳播模型兩種

大尺度傳播模型主要用來描述發(fā)射機和接收機之間長距離（幾百或幾千米）上的信號強度變化。

小尺度傳播模型主要用來描述短距離（波長級）或短時間（秒級）內(nèi)接收信號的強度變化。1522十月2022無線信道的傳播模型可分1631十月20222.2.1大尺度衰落

在大尺度模型中，一般主要關注由路徑損耗（Pathloss）和陰影（shadowing）效應所引起的接收信號功率隨距離變化的規(guī)律。路徑損耗引起長距離（100~1000米）接收信號功率的變化，而陰影效應引起障礙物尺度距離上（室外環(huán)境是10~100米，室內(nèi)更小）接收信號功率的變化。1．路徑損耗

大多數(shù)移動通信系統(tǒng)運行在復雜的傳播環(huán)境中，路徑損耗除了受頻率、距離等確定因素的影響，還會受到地形、地貌、建筑物分布及街道分布等不確定因素的影響。這里我們主要介紹在工程上普遍應用的電波傳播損耗預測模型。

1622十月20222.2.1大尺度衰落1731十月2022路徑損耗

電波傳播損耗預測模型是基于大量實測數(shù)據(jù)而得到的經(jīng)驗模型，常用的模型包括：奧村模型（OkumuraModel）是城市宏小區(qū)中信號預測最常用的模型之一，其適用的距離范圍是1Km～100Km、頻率范圍是150MHz～1500MHz，該模型除了公式外，還包括一些經(jīng)驗曲線和圖表。哈塔模型（HataModel）將奧村模型中的經(jīng)驗曲線與圖表擬合成更加便于工程上使用的經(jīng)驗公式，其適用的頻率范圍也基本是150MHz～1500MHz。哈塔模型的COST231擴展是歐洲科技合作組織將哈塔模型擴展到2GHz，以便適合PCS系統(tǒng)。宏小區(qū)（macrocell）：每小區(qū)的覆蓋半徑多為1km-25km。由于覆蓋半徑較大，所以基站的發(fā)射功率較強，一般在10W以上。1722十月2022路徑損耗電波傳播損耗預測模型是基1831十月2022（1）Hata模型

由于使用Okumura模型，需要查找其給出的各種曲線，不利于計算機預測。Hata將Okumura模型中的經(jīng)驗曲線與圖表提煉成更加便于工程上使用的經(jīng)驗公式，即Hata模型。Hata在提出這個模型時作了下列三點假設，以求簡化：作為兩個全向天線之間的傳播損耗處理；作為準平滑地形而不是不規(guī)則地形處理；以城市市區(qū)的傳播損耗公式作為標準，其他地區(qū)采用校正公式進行修正。路徑損耗1822十月2022（1）Hata模型由于使1931十月2022Hata模型適用條件頻率范圍：150~1500MHz；基站天線有效高度hb

：30~200m；移動臺天線高度hm

：1~10m；覆蓋距離：1~20km。傳播損耗公式

式中，Ｌ50為市區(qū)路徑平均損耗(dB);d為移動臺和基站間的距離(km);fc為載波頻率(MHz);hb和hm分別為基站和移動臺天線有效高度;α(hm)為移動臺天線高度修正因子;K為使用地區(qū)環(huán)境修正因子(dB)。1922十月2022Hata模型適用條件頻率范圍：152031十月2022對于其它地形，相應的修正因子K討論如下：

郊區(qū)校正因子

開闊地校正因子（農(nóng)村地區(qū)）

Hata模型

市區(qū)

2022十月2022對于其它地形，相應的修正因子K討論2131十月2022<例題>設基站天線高度為40m，發(fā)射頻率為900MHz，移動臺天線高度為2m，通信距離為15km，利用哈塔模型分別求出城市、郊區(qū)和鄉(xiāng)村的路徑損耗。2122十月2022<例題>設基站天線高度為40m，發(fā)2231十月2022（2）Hata模型擴展

歐洲科學技術研究協(xié)會（EURO-COST）組成cost-231工作組開發(fā)Hata模型對PCS的擴展，提出將Hata模型擴展至2GHz頻段。所以該模型稱為Hata模型擴展。頻率范圍：1500～2000MHz;基站的天線有效高度hb

：30～200m;移動臺天線高度hm

：1~10m；覆蓋距離：1～20km。適用條件路徑損耗2222十月2022（2）Hata模型擴展歐2331十月2022Hata模型擴展傳播損耗公式

ＬT城為市區(qū)路徑平均損耗(dB);d為移動臺和基站間的距離(km);f為載波頻率(MHz);hb和hm分別為基站和移動臺天線有效高度;α(hm)為移動臺天線高度修正因子;CM為使用地區(qū)環(huán)境修正因子(dB)。對于其它地形，修正因子與Hata模型相同2322十月2022Hata模型擴展傳播損耗公式2431十月20222.2.1大尺度衰落2．陰影衰落

在路徑損耗模型中一般認為對于相同的收發(fā)距離，路徑損耗也是相同的。然而實際情況是，與同一發(fā)射機等距離但位于不同地理位置上的接收機，由于傳播路徑所經(jīng)過的地理環(huán)境不同，使得其接收到的信號強度有很大的差異。通過路徑損耗模型所計算的數(shù)值是所有可能路徑所造成功率損耗的一個平均值或中間值，接收機實測值與路徑損耗模型預測值之間的偏差則是由陰影衰落引起。2422十月20222.2.1大尺度衰落2．陰影衰落2531十月2022陰影衰落

發(fā)射機和接收機之間的障礙物會引起陰影衰落，這些障礙物通過吸收、反射、散射和繞射等方式使給定距離處接收信號發(fā)生隨機衰減。造成信號隨機衰減的因素，包括障礙物的位置、大小和介電特性及反射面和散射體的情況一般都是未知的，因此只能用統(tǒng)計模型來表征這種隨機衰減。圖2-3在路徑損耗、陰影效應和多徑傳播與距離的關系2522十月2022陰影衰落發(fā)射機和接2631十月20222.2衰落2.2.1大尺度衰落2.2.2小尺度衰落2622十月20222.2衰落2.2.1大尺度衰落2731十月20222.2.2小尺度衰落

小尺度衰落是指無線電信號在短時間或短距離傳播后其幅度、相位或多徑時延快速變化，以至于大尺度路徑損耗的影響可以忽略不計。

無線信道中的許多物理因素都會影響小尺度衰落，包括：

(1)多徑效應。多徑效應使得各條路徑信號到達接收機時有不同的相位、幅度及時延，從而引起時域的時延擴展，在頻域產(chǎn)生頻率選擇性衰落。1．影響小尺度衰落的因素2722十月20222.2.2小尺度衰落2831十月2022影響小尺度衰落的因素(2)多普勒效應多普勒效應是與物體運動有關的，物體的運動包括基站和移動臺的相對運動以及無線信道中環(huán)境物體的運動。由于移動臺或環(huán)境物體的高速運動在頻移會引起多普勒頻移，在相應的時域產(chǎn)生時間選擇性衰落。

(3)信號的傳輸帶寬

頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落在信道中可以同時存在，至于哪種衰落更明顯，則取決于信號的帶寬和符號周期。2822十月2022影響小尺度衰落的因素(2)多普勒2931十月20222.2.2小尺度衰落時延擴展(TimeDelaySpread)由于多徑效應的存在，基站發(fā)送一個脈沖信號，則接收信號中不僅含有該信號，還包含有它的各個時延信號。這種由于多徑效應使接收信號脈沖寬度擴展的現(xiàn)象，稱為時延擴展。時延擴展是用來描述在時域上，由多徑傳播所造成的信號波形擴散效應。常用的時延擴展參數(shù)包括：平均附加時延、均方根時延擴展、附加時延擴展。2．移動多徑信道參數(shù)（1）時延擴展和相干帶寬2922十月20222.2.2小尺度衰落時延擴展(Ti3031十月2022移動多徑信道參數(shù)

相干帶寬(CoherenceBandwidth)

相干帶寬Bc表示一特定頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個頻率分量有很強的幅度相關性。當兩個頻率分量的頻率相隔小于相干帶寬Bc時，它們具有很強的幅度相關性；反之，當兩個頻率分量的頻率相隔大于相干帶寬Bc時，它們幅度相關性很小。

相干帶寬Bc可以由均方根時延擴展來定義。如果相干帶寬定義為頻率相關函數(shù)大于0.9的某特定帶寬，則相干帶寬約為：如果將定義放寬至相關函數(shù)值大于0.5，則相干帶寬約為：3022十月2022移動多徑信道參數(shù)相干帶寬(Cohe3131十月2022（2）多普勒擴展和相干時間移動多徑信道參數(shù)當發(fā)送端和接收端有相對運動的時候，信號便有多普勒頻移的產(chǎn)生，這引起了信號頻譜擴展。如果發(fā)送的是頻率為fc的正弦波，在沒有多普勒效應的影響下，信號的功率譜密度為δ函數(shù)，所有的信號能量會集中在中心頻率附近，一但有相對運動之后，多普勒效應將會使功率譜密度往最大多普勒頻移fm集中而形成U字形。

3122十月2022（2）多普勒擴展和相干時間移動多徑3231十月2022圖2-4信號功率譜密度受多普勒效應的影響而呈現(xiàn)U字形3222十月2022圖2-4信號功率譜密度受多普勒效應3331十月2022

相干時間Tc為多普勒擴展在時域上的表現(xiàn)。相干時間指的是在某個時間間隔內(nèi)，任意兩個接收信號的增益或衰減有很強的相關性，也就是說，信道對這兩個信號所造成的增益或衰減是差不多的。

相干時間Tc可以由最大多普勒頻移fm來定義，公式為：

如果發(fā)送信號的碼元周期大于信道的相干時間，則信道將在一個碼元尚未傳送完畢之前就發(fā)生變化，這樣，接收機所收到的信號就會失真。移動多徑信道參數(shù)3322十月2022相干時間Tc為多普勒擴展在時域上的3431十月20223．小尺度衰落類型2.2.2小尺度衰落

信號通過移動無線信道傳播時，其衰落類型取決于發(fā)送信號的特性及信道特性。信號參數(shù)（如帶寬、符號周期）和信道參數(shù)（如均方根時延擴展和多普勒擴展）之間的關系決定了不同的發(fā)送信號將經(jīng)歷不同的衰落類型。（1）多徑時延擴展引起的衰落效應

多徑特性引起的時間色散，導致了發(fā)送信號產(chǎn)生平坦衰落或頻率選擇性衰落，如圖2-5所示。3422十月20223．小尺度衰落類型2.2.2小尺圖2-5平坦衰落和頻率選擇性衰落的關系圖2-5平坦衰落和頻率選擇性衰落的關系3631十月2022小尺度衰落類型

當發(fā)送的信號帶寬小于信道的相干帶寬時，信號通過信道傳輸后各頻率分量的變化具有一致性，即信號在各個頻率的增益或是衰減幾乎是一個常數(shù)，發(fā)生平坦衰落。而在時域上，信號的包絡有可能經(jīng)歷快速而劇烈的變化，這是因為當發(fā)生平坦衰落時，信道的時延擴展小于符號周期，到達接收機的多徑信號是不可分辨的，即不同路徑的時延差遠小于信號帶寬的倒數(shù)。平坦衰落信道對信號的影響如圖2-6所示，其中s(t)、r(t)

和h(t,τ)分別表示發(fā)送的信號、接收信號和多徑信道沖激響應，而S(f)、R(f)和H(f)分別為其相應的頻譜。3622十月2022小尺度衰落類型當發(fā)送的信號帶寬小3731十月2022圖2-6平坦衰落信道對信號的影響

小尺度衰落類型3722十月2022圖2-6平坦衰落信道對信號的影響3831十月2022

當發(fā)送的信號帶寬大于信道的相干帶寬時，信道對發(fā)送信號在不同頻率的衰減是不盡相同的，發(fā)生頻率選擇性衰落(FrequencySelectiveFading)。從時域上看，由于信道的時延擴展大于符號周期，多徑傳播使得在接收端形成數(shù)個可分辨的路徑，這些多徑將對后續(xù)脈沖造成干擾，稱為碼間干擾(InterSymbolInterference,ISI)。頻率選擇性衰落信道對信號的影響如圖2-7所示。小尺度衰落類型3822十月2022當發(fā)送的信號帶寬大于信道的相干帶寬3931十月2022圖2-7頻率選擇性衰落信道對信號的影響

3922十月2022圖2-7頻率選擇性衰落信道對信4031十月2022小尺度衰落類型（2）多普勒擴展引起的衰落效應

多普勒擴展引起頻率色散，導致發(fā)送信號產(chǎn)生慢衰落或快衰落，如圖2-8所示。圖2-8慢衰落和快衰落的關系

4022十月2022小尺度衰落類型（2）多普勒擴展引起4131十月2022小尺度衰落類型

當發(fā)送信號的符號周期小于信道相干時間時，產(chǎn)生慢衰落。從時域上看，在慢衰落信道中，信道脈沖響應的變化速率比發(fā)送信號的基帶碼元速率慢，在這種情況下，我們可以把數(shù)個碼元周期內(nèi)的信道狀況都視為靜止不變的；而從頻域上看這同一個現(xiàn)象，我們可以認為信道的多普勒頻移是遠小于基帶信號的帶寬。4122十月2022小尺度衰落類型當發(fā)送信號的符號周4231十月2022小尺度衰落類型

當發(fā)送信號的符號周期大于信道相干時間時，則產(chǎn)生快衰落。從時域上看，信道的相干時間小于傳送信號的碼元周期，也就是說信道在一個碼元還沒有傳送完畢之前，就已經(jīng)發(fā)生了變化，因此快衰落也稱時間選擇性衰落，而這種情況會引起發(fā)送信號的失真。從頻域上看，如果多普勒頻移越大，代表發(fā)送端與接收端的相對速度越高，也就代表信道變化的速度越快，信號因為受到較快的信道衰減變化，失真的情況也就越嚴重。在實際的系統(tǒng)中，大部分的無線通信系統(tǒng)是處于慢衰落的信道中，快衰落只會發(fā)生在發(fā)送碼元速率極低的情況下。4222十月2022小尺度衰落類型當發(fā)送信號的符號周4331十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.3噪聲和干擾4322十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.4431十月20222.3噪聲和干擾2.3.1移動通信中的噪聲2.3.2

移動通信中的干擾4422十月20222.3噪聲和干擾2.3.1移動4531十月20222.3.1

移動通信中的噪聲1．無線信道噪聲分類

噪聲的種類很多，也有多種分類方式，若根據(jù)噪聲的來源進行分類，一般可以分為三類:

自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲。如雷電、磁暴、太陽黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等?？梢哉f整個宇宙空間都是產(chǎn)生自然噪聲的來源。（1）自然噪聲4522十月20222.3.1移動通信中的噪聲1．無4631十月2022無線信道噪聲分類（2）人為噪聲

人為噪聲是指人類活動所產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無線電噪聲。工業(yè)噪聲來源于各種電氣設備，如開關接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射及熒光燈干擾等。無線電噪聲來源于各種無線電發(fā)射機，如外臺干擾、寬帶干擾等。

內(nèi)部噪聲是指通信設備本身產(chǎn)生的各種噪聲。它來源于通信設備的各種電子器件、傳輸線、天線等。（3）內(nèi)部噪聲4622十月2022無線信道噪聲分類（2）人為噪聲人4731十月2022它主要來自于通信設備中有源器件，如電子管、晶體管及各類大規(guī)模集成電路中的載流子的起伏變化而產(chǎn)生。其特點與無源噪聲類似。它與無源白噪聲的唯一差異是在一定激發(fā)條件下才產(chǎn)生大量電子發(fā)射而形成。有源霰彈噪聲(shotnoise)它主要來自于一切無源器件，如電阻、電容、電路板的分子熱運動所引起的噪聲。主要是由電荷的熱振動引起，也稱之為johson或nyquist噪聲。無源熱噪聲(thermalnoise)內(nèi)部噪聲又可分為兩類：無線信道噪聲分類4722十月2022它主要來自于通信設備中有源器件，如電4831十月20222.3.1移動通信中的噪聲2．移動通信中的噪聲影響移動通信性能的噪聲主要是加性高斯白噪聲(AWGN),

這并非移動通信所特有，這在大多數(shù)通信系統(tǒng)中都存在，其主要來源是熱噪聲。所謂白噪聲是指它的功率譜密度函數(shù)在整個頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。之所以稱它為“白”噪聲，是因為它類似于光學中包括全部可見光頻率在內(nèi)的白光。凡是不符合上述條件的噪聲就稱為有色噪聲。4822十月20222.3.1移動通信中的噪聲2．移動4931十月20222.3噪聲和干擾2.3.1移動通信中的噪聲2.3.2

移動通信中的干擾4922十月20222.3噪聲和干擾2.3.1移動5031十月20222.3.2

移動通信中的干擾移動通通信中的干擾主要包括：

同頻干擾鄰域干擾互調(diào)干擾這三種干擾主要存在于采用FDMA方式的系統(tǒng)中

多址干擾主要存在于采用CDMA多址方式的系統(tǒng)中多徑干擾普遍存在于各種移動通信系統(tǒng)中5022十月20222.3.2移動通信中的干擾移動通通5131十月20222.3.2

移動通信中的干擾若頻率管理或系統(tǒng)設計不當,就會造成同頻干擾；相隔一定距離，可以使用相同的頻率，這稱為同信道復用。采用同頻復用時，同頻復用距離設置不當，會引起同頻干擾。1.同頻干擾引起的原因：指相同載頻電臺之間的干擾。功率頻率f1相同信道干擾區(qū)域5122十月20222.3.2移動通信中的干擾若頻率管5231十月20222.3.2移動通信中的干擾2.鄰頻干擾是指相鄰的或鄰近的頻道之間的干擾。由于發(fā)射機的調(diào)制邊帶擴展和邊帶噪聲輻射，離基站近的第K±1頻道的MS強信號干擾離基站遠的第K頻道的MS弱信號。引起的原因：功率頻率f1f2相鄰信道干擾區(qū)域5222十月20222.3.2移動通信中的干擾2.鄰5331十月20222.3.2移動通信中的干擾由傳輸信道中的非線性電路產(chǎn)生的。它指兩個或多個信號作用在通信設備的非線性器件上，產(chǎn)生同有用信號頻率相近的組合頻率，從而對通信系統(tǒng)構(gòu)成干擾的現(xiàn)象。互調(diào)干擾的類型：3.互調(diào)干擾發(fā)射機互調(diào)；接收機互調(diào)；外部效應引起的互調(diào)。5322十月20222.3.2移動通信中的干擾由傳輸信5431十月20222.3.2移動通信中的干擾4.多徑干擾

多徑干擾主要是由于電波傳播的開放性和地理環(huán)境的復雜性而引起的多條傳播路徑之間的相互干擾。在數(shù)字與數(shù)據(jù)通信情況下，主要表現(xiàn)為碼間干擾及高速數(shù)據(jù)的符號間干擾。多徑干擾的強度取決于多徑時延寬度與碼元寬度的比值，而不是受干擾的絕對值。這一結(jié)論對符號干擾也是一樣的。多徑干擾對于CDMA系統(tǒng)尤為嚴重。5422十月20222.3.2移動通信中的干擾4.多5531十月20222.3.2移動通信中的干擾5.多址干擾

多址干擾是由于在移動通信網(wǎng)中同時進行通信的是多個用戶，多個用戶信號之間的正交性不好所引起的。對于1G系統(tǒng)，不同用戶使用不同的頻段，主要濾波器隔離度做的好，就能很好的保證正交，對于GSM系統(tǒng)，不同用戶使用不同的時隙，主要時間選通隔離度做的好，也能很好的保證正交，CDMA系統(tǒng)，小區(qū)內(nèi)的用戶使用相同的頻段，相同的時隙，不同的用戶的隔離是靠擴頻碼來區(qū)分，而這種碼往往很難完全正交，所以多址干擾在CDMA系統(tǒng)中表現(xiàn)的尤為突出。5522十月20222.3.2移動通信中的干擾5.多5631十月2022練習題：1.移動通信信道有哪些特點？2.在移動通信中，電波的主要傳播方式有哪幾種？3.信號通過移動信道時，在什么情況下遭受平坦衰落？什么條件下遭受頻率選擇性衰落？4.電波傳播預測模型是用來計算什么量的，在選擇傳播模型時，主要考慮哪些因素？5.若載波頻率fc=900MHz。移動臺速度v=100km/h，求最大多普勒頻移。6.設基站天線高度為40m，發(fā)射頻率為900MHz，移動臺天線高度為2m，通信距離為15km，利用哈塔模型分別求出城市、郊區(qū)和鄉(xiāng)村的路徑損耗。7.簡述影響小尺度衰落的因素及小尺度衰落的類型。8.簡要說明一下移動通信中的干擾。5622十月2022練習題：5731十月2022End!5722十月2022End!5831十月2022第2章移動通信信道122十月2022第2章移動通信信道5931十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.3噪聲和干擾222十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.36031十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移動通信信道的主要特點2.1.2電波傳播方式2.1.3接收信號中的四種效應322十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移6131十月20222.1.1移動通信信道的主要特點1．傳播的開放性這區(qū)別于有線信道，有線信道中，電磁波被限定在導線內(nèi)，而移動通信的信道是一個開放的空間。2．接收環(huán)境的復雜性是指接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性。可將接收點地理環(huán)境劃分為三種典型區(qū)域:高樓林立的城市繁華區(qū);以一般性建筑物為主體的近郊區(qū);以山丘、湖泊、平原為主的農(nóng)村及遠郊區(qū)。3．通信用戶的隨機移動性422十月20222.1.1移動通信信道的主要特點1．6231十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移動通信信道的主要特點2.1.2電波傳播方式2.1.3接收信號中的四種效應522十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移6331十月20222.1.2電波傳播方式1．直射波即沒有障礙物的情況下，電磁波在視距范圍內(nèi)直接由基站到達手機。2．反射波當障礙物的尺寸大于電磁波的波長時，電磁波就會在障礙物的前方發(fā)生反射。

3．繞射波也稱衍射波，電磁波繞過障礙物，在障礙物后方形成場強。

一般可歸納為以下波四種基本傳播方式：

622十月20222.1.2電波傳播方式1．直射波2．6431十月20222.1.2電波傳播方式4．散射波當電磁波遇到粗糙的表面時，反射能量會散布于所有方向,這樣就形成了散射波。圖2-1移動信道電波傳播類型示意圖

722十月20222.1.2電波傳播方式4．散射波圖6531十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移動通信信道的主要特點2.1.2電波傳播方式2.1.3接收信號中的四種效應822十月20222.1移動信道基本特性2.1.1移6631十月20222.1.3接收信號中的四種效應1.陰影效應當電波在傳播路徑上遇到起伏地形、建筑物等障礙物的阻擋時，在障礙物的后面產(chǎn)生傳播半盲區(qū)。從而形成電磁場陰影，這種隨移動臺位置的不斷變化而引起的接收點場強中值的起伏變化叫做陰影效應。

2.遠近效應由于移動用戶距離基站有遠有近，這樣近處的用戶信號就會對遠處的用戶信號產(chǎn)生抑制。922十月20222.1.3接收信號中的四種效應1.6731十月20222.1.3接收信號中的四種效應3.多徑效應由于用戶所處位置的復雜性，到達移動臺天線的信號不是由單一路徑來的，而是包含多條路徑。不同路徑的信號，它們到達時的信號強度、到達時間及到達時的載波相位都不一樣。所接收的信號是上述各路信號的矢量和。4.多普勒效應由于用戶處于高速移動中，從而引起傳播頻率的擴散，由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移（DopplerShift）。這一現(xiàn)象只產(chǎn)生在大于等于70Km/h時，而對于慢速移動的步行和準靜態(tài)的室內(nèi)通信則不予考慮。1022十月20222.1.3接收信號中的四種效應3.6831十月20222.1.3接收信號中的四種效應無線電波從源點S出發(fā)，在X點和Y點分別被移動臺接收時所走的路程差為Δxi＝

dcosθi＝

vΔtcosθi

由于源端點距離很遠，可假設在X點和Y點處的θi是相同的，所以，由路程差造成的接收信號相位變化值為SθiΔxiXYd當移動臺以恒定速率v在長度為d、端點為X和Y的路徑上運動時，受到自遠方S點發(fā)出的信號，如圖所示。由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移fd為SθiΔxiXYd1122十月20222.1.3接收信號中的四種效應無線6931十月2022<例題>若載波頻率fc=900MHz。移動臺速度v=100km/h，求最大多普勒頻移1222十月2022<例題>若載波頻率fc=900MH7031十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.3噪聲和干擾1322十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.7131十月20222.2衰落2.2.1大尺度衰落2.2.2小尺度衰落1422十月20222.2衰落2.2.1大尺度衰落7231十月2022

無線信道的傳播模型可分為大尺度傳播模型和小尺度傳播模型兩種

大尺度傳播模型主要用來描述發(fā)射機和接收機之間長距離（幾百或幾千米）上的信號強度變化。

小尺度傳播模型主要用來描述短距離（波長級）或短時間（秒級）內(nèi)接收信號的強度變化。1522十月2022無線信道的傳播模型可分7331十月20222.2.1大尺度衰落

在大尺度模型中，一般主要關注由路徑損耗（Pathloss）和陰影（shadowing）效應所引起的接收信號功率隨距離變化的規(guī)律。路徑損耗引起長距離（100~1000米）接收信號功率的變化，而陰影效應引起障礙物尺度距離上（室外環(huán)境是10~100米，室內(nèi)更?。┙邮招盘柟β实淖兓?。1．路徑損耗

大多數(shù)移動通信系統(tǒng)運行在復雜的傳播環(huán)境中，路徑損耗除了受頻率、距離等確定因素的影響，還會受到地形、地貌、建筑物分布及街道分布等不確定因素的影響。這里我們主要介紹在工程上普遍應用的電波傳播損耗預測模型。

1622十月20222.2.1大尺度衰落7431十月2022路徑損耗

電波傳播損耗預測模型是基于大量實測數(shù)據(jù)而得到的經(jīng)驗模型，常用的模型包括：奧村模型（OkumuraModel）是城市宏小區(qū)中信號預測最常用的模型之一，其適用的距離范圍是1Km～100Km、頻率范圍是150MHz～1500MHz，該模型除了公式外，還包括一些經(jīng)驗曲線和圖表。哈塔模型（HataModel）將奧村模型中的經(jīng)驗曲線與圖表擬合成更加便于工程上使用的經(jīng)驗公式，其適用的頻率范圍也基本是150MHz～1500MHz。哈塔模型的COST231擴展是歐洲科技合作組織將哈塔模型擴展到2GHz，以便適合PCS系統(tǒng)。宏小區(qū)（macrocell）：每小區(qū)的覆蓋半徑多為1km-25km。由于覆蓋半徑較大，所以基站的發(fā)射功率較強，一般在10W以上。1722十月2022路徑損耗電波傳播損耗預測模型是基7531十月2022（1）Hata模型

由于使用Okumura模型，需要查找其給出的各種曲線，不利于計算機預測。Hata將Okumura模型中的經(jīng)驗曲線與圖表提煉成更加便于工程上使用的經(jīng)驗公式，即Hata模型。Hata在提出這個模型時作了下列三點假設，以求簡化：作為兩個全向天線之間的傳播損耗處理；作為準平滑地形而不是不規(guī)則地形處理；以城市市區(qū)的傳播損耗公式作為標準，其他地區(qū)采用校正公式進行修正。路徑損耗1822十月2022（1）Hata模型由于使7631十月2022Hata模型適用條件頻率范圍：150~1500MHz；基站天線有效高度hb

：30~200m；移動臺天線高度hm

：1~10m；覆蓋距離：1~20km。傳播損耗公式

式中，Ｌ50為市區(qū)路徑平均損耗(dB);d為移動臺和基站間的距離(km);fc為載波頻率(MHz);hb和hm分別為基站和移動臺天線有效高度;α(hm)為移動臺天線高度修正因子;K為使用地區(qū)環(huán)境修正因子(dB)。1922十月2022Hata模型適用條件頻率范圍：157731十月2022對于其它地形，相應的修正因子K討論如下：

郊區(qū)校正因子

開闊地校正因子（農(nóng)村地區(qū)）

Hata模型

市區(qū)

2022十月2022對于其它地形，相應的修正因子K討論7831十月2022<例題>設基站天線高度為40m，發(fā)射頻率為900MHz，移動臺天線高度為2m，通信距離為15km，利用哈塔模型分別求出城市、郊區(qū)和鄉(xiāng)村的路徑損耗。2122十月2022<例題>設基站天線高度為40m，發(fā)7931十月2022（2）Hata模型擴展

歐洲科學技術研究協(xié)會（EURO-COST）組成cost-231工作組開發(fā)Hata模型對PCS的擴展，提出將Hata模型擴展至2GHz頻段。所以該模型稱為Hata模型擴展。頻率范圍：1500～2000MHz;基站的天線有效高度hb

：30～200m;移動臺天線高度hm

：1~10m；覆蓋距離：1～20km。適用條件路徑損耗2222十月2022（2）Hata模型擴展歐8031十月2022Hata模型擴展傳播損耗公式

ＬT城為市區(qū)路徑平均損耗(dB);d為移動臺和基站間的距離(km);f為載波頻率(MHz);hb和hm分別為基站和移動臺天線有效高度;α(hm)為移動臺天線高度修正因子;CM為使用地區(qū)環(huán)境修正因子(dB)。對于其它地形，修正因子與Hata模型相同2322十月2022Hata模型擴展傳播損耗公式8131十月20222.2.1大尺度衰落2．陰影衰落

在路徑損耗模型中一般認為對于相同的收發(fā)距離，路徑損耗也是相同的。然而實際情況是，與同一發(fā)射機等距離但位于不同地理位置上的接收機，由于傳播路徑所經(jīng)過的地理環(huán)境不同，使得其接收到的信號強度有很大的差異。通過路徑損耗模型所計算的數(shù)值是所有可能路徑所造成功率損耗的一個平均值或中間值，接收機實測值與路徑損耗模型預測值之間的偏差則是由陰影衰落引起。2422十月20222.2.1大尺度衰落2．陰影衰落8231十月2022陰影衰落

發(fā)射機和接收機之間的障礙物會引起陰影衰落，這些障礙物通過吸收、反射、散射和繞射等方式使給定距離處接收信號發(fā)生隨機衰減。造成信號隨機衰減的因素，包括障礙物的位置、大小和介電特性及反射面和散射體的情況一般都是未知的，因此只能用統(tǒng)計模型來表征這種隨機衰減。圖2-3在路徑損耗、陰影效應和多徑傳播與距離的關系2522十月2022陰影衰落發(fā)射機和接8331十月20222.2衰落2.2.1大尺度衰落2.2.2小尺度衰落2622十月20222.2衰落2.2.1大尺度衰落8431十月20222.2.2小尺度衰落

小尺度衰落是指無線電信號在短時間或短距離傳播后其幅度、相位或多徑時延快速變化，以至于大尺度路徑損耗的影響可以忽略不計。

無線信道中的許多物理因素都會影響小尺度衰落，包括：

(1)多徑效應。多徑效應使得各條路徑信號到達接收機時有不同的相位、幅度及時延，從而引起時域的時延擴展，在頻域產(chǎn)生頻率選擇性衰落。1．影響小尺度衰落的因素2722十月20222.2.2小尺度衰落8531十月2022影響小尺度衰落的因素(2)多普勒效應多普勒效應是與物體運動有關的，物體的運動包括基站和移動臺的相對運動以及無線信道中環(huán)境物體的運動。由于移動臺或環(huán)境物體的高速運動在頻移會引起多普勒頻移，在相應的時域產(chǎn)生時間選擇性衰落。

(3)信號的傳輸帶寬

頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落在信道中可以同時存在，至于哪種衰落更明顯，則取決于信號的帶寬和符號周期。2822十月2022影響小尺度衰落的因素(2)多普勒8631十月20222.2.2小尺度衰落時延擴展(TimeDelaySpread)由于多徑效應的存在，基站發(fā)送一個脈沖信號，則接收信號中不僅含有該信號，還包含有它的各個時延信號。這種由于多徑效應使接收信號脈沖寬度擴展的現(xiàn)象，稱為時延擴展。時延擴展是用來描述在時域上，由多徑傳播所造成的信號波形擴散效應。常用的時延擴展參數(shù)包括：平均附加時延、均方根時延擴展、附加時延擴展。2．移動多徑信道參數(shù)（1）時延擴展和相干帶寬2922十月20222.2.2小尺度衰落時延擴展(Ti8731十月2022移動多徑信道參數(shù)

相干帶寬(CoherenceBandwidth)

相干帶寬Bc表示一特定頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個頻率分量有很強的幅度相關性。當兩個頻率分量的頻率相隔小于相干帶寬Bc時，它們具有很強的幅度相關性；反之，當兩個頻率分量的頻率相隔大于相干帶寬Bc時，它們幅度相關性很小。

相干帶寬Bc可以由均方根時延擴展來定義。如果相干帶寬定義為頻率相關函數(shù)大于0.9的某特定帶寬，則相干帶寬約為：如果將定義放寬至相關函數(shù)值大于0.5，則相干帶寬約為：3022十月2022移動多徑信道參數(shù)相干帶寬(Cohe8831十月2022（2）多普勒擴展和相干時間移動多徑信道參數(shù)當發(fā)送端和接收端有相對運動的時候，信號便有多普勒頻移的產(chǎn)生，這引起了信號頻譜擴展。如果發(fā)送的是頻率為fc的正弦波，在沒有多普勒效應的影響下，信號的功率譜密度為δ函數(shù)，所有的信號能量會集中在中心頻率附近，一但有相對運動之后，多普勒效應將會使功率譜密度往最大多普勒頻移fm集中而形成U字形。

3122十月2022（2）多普勒擴展和相干時間移動多徑8931十月2022圖2-4信號功率譜密度受多普勒效應的影響而呈現(xiàn)U字形3222十月2022圖2-4信號功率譜密度受多普勒效應9031十月2022

相干時間Tc為多普勒擴展在時域上的表現(xiàn)。相干時間指的是在某個時間間隔內(nèi)，任意兩個接收信號的增益或衰減有很強的相關性，也就是說，信道對這兩個信號所造成的增益或衰減是差不多的。

相干時間Tc可以由最大多普勒頻移fm來定義，公式為：

如果發(fā)送信號的碼元周期大于信道的相干時間，則信道將在一個碼元尚未傳送完畢之前就發(fā)生變化，這樣，接收機所收到的信號就會失真。移動多徑信道參數(shù)3322十月2022相干時間Tc為多普勒擴展在時域上的9131十月20223．小尺度衰落類型2.2.2小尺度衰落

信號通過移動無線信道傳播時，其衰落類型取決于發(fā)送信號的特性及信道特性。信號參數(shù)（如帶寬、符號周期）和信道參數(shù)（如均方根時延擴展和多普勒擴展）之間的關系決定了不同的發(fā)送信號將經(jīng)歷不同的衰落類型。（1）多徑時延擴展引起的衰落效應

多徑特性引起的時間色散，導致了發(fā)送信號產(chǎn)生平坦衰落或頻率選擇性衰落，如圖2-5所示。3422十月20223．小尺度衰落類型2.2.2小尺圖2-5平坦衰落和頻率選擇性衰落的關系圖2-5平坦衰落和頻率選擇性衰落的關系9331十月2022小尺度衰落類型

當發(fā)送的信號帶寬小于信道的相干帶寬時，信號通過信道傳輸后各頻率分量的變化具有一致性，即信號在各個頻率的增益或是衰減幾乎是一個常數(shù)，發(fā)生平坦衰落。而在時域上，信號的包絡有可能經(jīng)歷快速而劇烈的變化，這是因為當發(fā)生平坦衰落時，信道的時延擴展小于符號周期，到達接收機的多徑信號是不可分辨的，即不同路徑的時延差遠小于信號帶寬的倒數(shù)。平坦衰落信道對信號的影響如圖2-6所示，其中s(t)、r(t)

和h(t,τ)分別表示發(fā)送的信號、接收信號和多徑信道沖激響應，而S(f)、R(f)和H(f)分別為其相應的頻譜。3622十月2022小尺度衰落類型當發(fā)送的信號帶寬小9431十月2022圖2-6平坦衰落信道對信號的影響

小尺度衰落類型3722十月2022圖2-6平坦衰落信道對信號的影響9531十月2022

當發(fā)送的信號帶寬大于信道的相干帶寬時，信道對發(fā)送信號在不同頻率的衰減是不盡相同的，發(fā)生頻率選擇性衰落(FrequencySelectiveFading)。從時域上看，由于信道的時延擴展大于符號周期，多徑傳播使得在接收端形成數(shù)個可分辨的路徑，這些多徑將對后續(xù)脈沖造成干擾，稱為碼間干擾(InterSymbolInterference,ISI)。頻率選擇性衰落信道對信號的影響如圖2-7所示。小尺度衰落類型3822十月2022當發(fā)送的信號帶寬大于信道的相干帶寬9631十月2022圖2-7頻率選擇性衰落信道對信號的影響

3922十月2022圖2-7頻率選擇性衰落信道對信9731十月2022小尺度衰落類型（2）多普勒擴展引起的衰落效應

多普勒擴展引起頻率色散，導致發(fā)送信號產(chǎn)生慢衰落或快衰落，如圖2-8所示。圖2-8慢衰落和快衰落的關系

4022十月2022小尺度衰落類型（2）多普勒擴展引起9831十月2022小尺度衰落類型

當發(fā)送信號的符號周期小于信道相干時間時，產(chǎn)生慢衰落。從時域上看，在慢衰落信道中，信道脈沖響應的變化速率比發(fā)送信號的基帶碼元速率慢，在這種情況下，我們可以把數(shù)個碼元周期內(nèi)的信道狀況都視為靜止不變的；而從頻域上看這同一個現(xiàn)象，我們可以認為信道的多普勒頻移是遠小于基帶信號的帶寬。4122十月2022小尺度衰落類型當發(fā)送信號的符號周9931十月2022小尺度衰落類型

當發(fā)送信號的符號周期大于信道相干時間時，則產(chǎn)生快衰落。從時域上看，信道的相干時間小于傳送信號的碼元周期，也就是說信道在一個碼元還沒有傳送完畢之前，就已經(jīng)發(fā)生了變化，因此快衰落也稱時間選擇性衰落，而這種情況會引起發(fā)送信號的失真。從頻域上看，如果多普勒頻移越大，代表發(fā)送端與接收端的相對速度越高，也就代表信道變化的速度越快，信號因為受到較快的信道衰減變化，失真的情況也就越嚴重。在實際的系統(tǒng)中，大部分的無線通信系統(tǒng)是處于慢衰落的信道中，快衰落只會發(fā)生在發(fā)送碼元速率極低的情況下。4222十月2022小尺度衰落類型當發(fā)送信號的符號周10031十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.3噪聲和干擾4322十月2022移動信道基本特性2.1衰落2.22.10131十月20222.3噪聲和干擾2.3.1移動通信中的噪聲2.3.2

移動通信中的干擾4422十月20222.3噪聲和干擾2.3.1移動10231十月20222.3.1

移動通信中的噪聲1．無線信道噪聲分類

噪聲的種類很多，也有多種分類方式，若根據(jù)噪聲的來源進行分類，一般可以分為三類:

自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲。如雷電、磁暴、太陽黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等?？梢哉f整個宇宙空間都是產(chǎn)生自然噪聲的來源。（1）自然噪聲4522十月20222.3.1移動通信中的噪聲1．無10331十月2022無線信道噪聲分類（2）人為噪聲

人為噪聲是指人類活動所產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無線電噪聲。工業(yè)噪聲來源于各種電氣設備，如開關接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射及熒光燈干擾等。無線電噪聲來源于各種無線電發(fā)射機，如外臺干擾、寬帶干擾等。

內(nèi)部噪聲是指通信設備本身產(chǎn)生的各種噪聲。它來源于通信設備的各種電子器件、傳輸線、天線等。（3）內(nèi)部噪聲4622十月2022無線信道噪聲分類（2）人為噪聲人10431十月