移動通信第2章-無線移動信道課件

第2章

無線移動信道無線移動信道特性2.1無線環(huán)境下的噪聲與干擾2.2電磁波與無線電頻譜2.3第2章無線移動信道無線移動信道特性2.1無線環(huán)境下的噪聲移動通信第2章--無線移動信道課件1、教學內容

無線環(huán)境下的噪聲與干擾；電磁波與無線電頻譜的基本概念；無線電波傳輸環(huán)境介紹；無線電波傳播基本機制；陰影效應和多徑效應；移動信道傳播損耗預測模型。1、教學內容無線環(huán)境下的噪聲與干擾；2、教學基本要求熟悉無線移動信道特性及所需基本知識；掌握無線環(huán)境下的噪聲與干擾；掌握電磁波與無線電頻譜的基本概念；了解無線電波傳輸環(huán)境；2、教學基本要求熟悉無線移動信道特性及所需基本知識；了解無線電波傳播基本機制，直射、反射、折射、繞射的基本原理；掌握陰影效應和多徑效應；掌握多普勒效應、多徑信道描述方法、多徑接收信號的特點；了解移動信道傳播損耗預測模型。了解無線電波傳播基本機制，直射、反射、3、重點、難點

掌握無線環(huán)境下的噪聲與干擾；掌握陰影效應和多徑效應；掌握多普勒效應、多徑信道描述方法、多徑接收信號的特點。3、重點、難點掌握無線環(huán)境下的噪聲與干擾；2.1無線移動信道特性2.1.1無線移動信道對無線電信

號的影響

移動通信系統(tǒng)的性能主要取決于信號通過無線移動信道的能力。

通常將信道分為恒參信道和變參信道。2.1無線移動信道特性2.1.1無線移動信道對無線電

恒參信道的傳輸特性的變化量極微小且變化速度極慢。

變參信道的傳輸特性隨時間的變化較快。

無線移動信道屬于典型的變參信道。 恒參信道的傳輸特性的變化量極微小且變化速度極慢。

無線移動信道分類如下。

按引起衰減的類型分類，主要分為3種類型：自由空間傳播損耗陰影衰落多徑衰落 無線移動信道分類如下。按照傳統(tǒng)的傳輸模型分類：大尺度衰落模型小尺度衰落模型按照傳統(tǒng)的傳輸模型分類：1．無線移動信道的損耗

（1）自由空間傳播損耗與彌散。

（2）陰影衰落。

（3）多徑衰落。

移動信道的主要特征是多徑衰落。

1．無線移動信道的損耗（1）自由空間傳播損耗與彌散。

圖2-1給出了典型的實測接收信號場強變化圖。 圖2-1給出了典型的實測接收信號場強變化圖。圖2-1接收信號場強變化圖圖2-1接收信號場強變化圖2．小尺度衰落和大尺度衰落

（1）小尺度衰落：在數(shù)十倍波長的范圍內，通常幾個波長或短時間（微秒級）內，接收信號場強的瞬時值呈現(xiàn)快速變化的特征，這是由多徑衰落引起的，又稱為快衰落。有些文獻稱這種衰落為。在數(shù)十倍波長范圍內對信號求平均，可得到短區(qū)間中心值。2．小尺度衰落和大尺度衰落（1）小尺度衰落：在數(shù)十倍波長的

基于多徑時延擴展，將小尺度衰落分為平坦衰落和頻率選擇性衰落。

基于多普勒擴展，小尺度衰落也被分為快衰落和慢衰落。 基于多徑時延擴展，將小尺度衰落分為平坦衰落和頻率選擇

（2）大尺度衰落包括：

①在數(shù)百倍波長的區(qū)間內，通常幾百米或幾千米范圍內，信號的短區(qū)間中心值也出現(xiàn)緩慢變動的特征，這就是陰影衰落。在較大區(qū)間內對短區(qū)間中心值求平均，可得長區(qū)間中心值。（2）大尺度衰落包括：

②長區(qū)間中心值隨距離基站的位置變化而變化，距離越遠，衰減越大，也稱為傳輸損耗。 ②長區(qū)間中心值隨距離基站的位置變化而變化，距離越遠，衰減越2.1.2與無線移動信道相關的基本概念1．信號強度的表示方法（1）dBW和dBm dBW和dBm都是表征功率絕對值的值，也可以認為以1W和1mW功率為基準的一個比值。2.1.2與無線移動信道相關的基本概念1．信號強度的表示

計算公式為P(dBm)＝10log[P(mW)/(1mW)]（2-1） P(dBW)＝10log[P(W)/(1W)] （2-2） 計算公式為（2）分貝

分貝（dB）定義為兩個參數(shù)（如功率、電壓、電流）之比的對數(shù)單位，用來表征兩個物理量的相對大小關系。（2）分貝 分貝（dB）定義為兩個參數(shù)（如功率、電壓、（3）dBmV和dBV dBmV和dBV都是表征電壓絕對值的值，也可以認為以1mV和1V電壓為基準的一個比值。（3）dBmV和dBV dBmV和dBV都是表征電壓

計算公式為 U（dBmV）＝20log[U（mV）/（1mV）]（2-3） U（dBV）＝20log[U（V）/（1V）]（2-4） 計算公式為（4）負載R兩端電壓與電阻上的功率

P的換算關系

假定電壓單位為dBV，功率單位為dBm，負載R兩端電壓與電阻上的功率P的換算關系為P=U2/R。P(mW)×

103=U(V)

×

10?12/R（4）負載R兩端電壓與電阻上的功率

P的換算關系

兩邊取對數(shù)得 P(dBm)

=

U(dBV)

90

10

×

lgR（2-5）

在PHS系統(tǒng)中，其天饋阻抗為50，P(dBm)

=

U(dBV)

?107。

兩邊取對數(shù)得2．天線增益的表示方法

天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與無方向性理想點源天線在空間同一點處所產生的信號功率密度之比。2．天線增益的表示方法 天線增益是指在輸入功率相等的條

也可以定義為：使接收點場強相同時，無方向性的理想點源天線所需的輸入功率與被測天線所需的輸入功率之比。 也可以定義為：使接收點場強相同時，無方向性的理想點

參考基準為全方向性天線時得到的增益系數(shù)為Gi。

參考基準為偶極子時得到的增益系數(shù)為Gd，用分貝表示為dBi和dBd。 參考基準為全方向性天線時得到的增益系數(shù)為Gi。 dBi和dBd是表示天線增益的值（功率增益），兩者都是一個相對值。

通常用于表示同一個天線增益時，用dBi表示出來的數(shù)值比用dBd表示出來的數(shù)值要大2.15dB，即0dBd=2.15dBi。 dBi和dBd是表示天線增益的值（功率增益），兩者都3．等效全向輻射功率

等效全向輻射功率（EIRP）定義為供給天線的功率和在給定的方向上相對于無方向天線的增益的乘積，表示發(fā)射機獲得的在最大天線增益方向上的最大發(fā)射功率。3．等效全向輻射功率 等效全向輻射功率（EIRP）定義設發(fā)射機功率為PT，饋線損耗為LT，天線增益為GT，天線發(fā)出的等效全向輻射功率（EIRP）為

（2-6）設發(fā)射機功率為PT，

若發(fā)射機功率（PT）用dBW表示，饋線損耗（LT）和天線增益（GT）用dB表示，則有（2-7） 若發(fā)射機功率（PT）用dBW表示，饋線損耗（LT）

若發(fā)射機功率（PT）用dBm表示，饋線損耗（LT）和天線增益（GT）用dB表示，則有（2-8） 若發(fā)射機功率（PT）用dBm表示，饋線損耗（LT）4．靈敏度

靈敏度是衡量物理儀器的一個標志。 GSM接收機的靈敏度要求接收到的信號為102dBm時，誤碼率（BER）要小于等于2.44%。4．靈敏度 靈敏度是衡量物理儀器的一個標志。 CDMA2000接收機的靈敏度要求接收到的信號為104dBm時，誤幀率（FER）要小于等于0.5%。 CDMA2000接收機的靈敏度要求接收到的信號為2.2無線環(huán)境下的噪聲與干擾

在無線通信中，承載信息的傳輸手段為電磁波信號，電磁波信號在傳輸過程中不可避免地要受到噪聲或干擾的破壞。2.2無線環(huán)境下的噪聲與干擾 在無線通信中，承載信

噪聲是指與信號無關的一些破壞性因素。

干擾（Interference）則是指與信號有關的一些破壞性因素。 噪聲是指與信號無關的一些破壞性因素。2.1.1噪聲

噪聲：分為內部噪聲和外部噪聲。

內部噪聲主要是指系統(tǒng)設備自身間產生的各種噪聲。2.1.1噪聲 噪聲：分為內部噪聲和外部噪聲。

外部噪聲包括自然噪聲和人為噪聲。

外部噪聲對通信質量影響較大。

美國國際電話電報公司發(fā)布的各種噪聲的功率與頻率的關系如圖2-2所示。 外部噪聲包括自然噪聲和人為噪聲。圖2-2各種噪聲的功率與頻率的關系圖2-2各種噪聲的功率與頻率的關系

圖2-2中給出6種噪聲的功率與頻率的關系，除典型的接收機內部噪聲外，其余5種均為外部噪聲。 圖2-2中給出6種噪聲的功率與頻率的關系，除典型的

當工作頻率在100MHz以上時，大氣噪聲和宇宙噪聲都比接收機內部噪聲小，可忽略不計。 當工作頻率在100MHz以上時，大氣噪聲和宇宙噪聲

在30～1

000MHz頻段，人為噪聲較大，尤其是城市噪聲影響較大，在移動通信系統(tǒng)設計時不能忽略。 在30～1

000MHz頻段，人為噪聲較大，尤其是城2.1.2干擾

移動通信系統(tǒng)中的干擾是指終端自身產生的干擾、終端間和終端與基站間的相互干擾。

一般包括同頻干擾、鄰頻干擾、互調干擾、阻塞干擾和帶外干擾等。2.1.2干擾 移動通信系統(tǒng)中的干擾是指終端自身產1．同頻干擾

由相同頻率的無用信號對同頻有用信號接收機造成的干擾稱為同頻干擾，也稱為共道干擾。1．同頻干擾 由相同頻率的無用信號對同頻有用信號接收機2．鄰頻干擾

鄰頻干擾是指相鄰的或鄰近的頻率之間的干擾，是由于接收濾波器不理想，導致鄰頻信號落入接收機通帶內所造成的干擾。2．鄰頻干擾 鄰頻干擾是指相鄰的或鄰近的頻率之間的干擾

下面介紹引起鄰頻干擾的簡單原理，假設單音調頻波為

（2-9） 下面介紹引起鄰頻干擾的簡單原理，假設單音調頻波為

將式（2-9）按級數(shù)展開合并運算后可寫為（2-10） 將式（2-9）按級數(shù)展開合并運算后可寫為（2-10

式中，

是n和的函數(shù)，稱為的第一類n階貝塞爾函數(shù)，其值可查表或查曲線得到。 式中，是n和的函數(shù)，稱為的

由式（2-10）可見，調頻波具有無限多對邊頻分量，用頻譜表示出來，如圖2-3所示。 由式（2-10）可見，調頻波具有無限多對邊頻分量，圖2-3調頻波頻譜圖2-3調頻波頻譜

調頻波的頻帶寬度為無限大，但當n＞4后，幅度將越來越小。

邊頻分量落入鄰道接收機的通帶內將造成干擾。 調頻波的頻帶寬度為無限大，但當n＞4后，幅度將越來越3．互調干擾

互調干擾是指兩個或多個不同頻率信號作用在通信設備的非線性器件上，產生同有用信號頻率相近的組合頻率，如果新頻率正好落在接收機共用信道帶寬內，則形成對該接收機的干擾，稱為互調干擾。3．互調干擾 互調干擾是指兩個或多個不同頻率信號作用在

互調干擾主要有3種類型。

（1）發(fā)射機互調干擾。

（2）接收機互調干擾。

（3）外部效應引起的互調。

互調干擾主要有3種類型。

接收機中產生互調干擾的基本原理如下。

假定輸入回路選擇性較差，同時有頻率為A、B、C的干擾信號進入接收機，而我們需要的信號頻率為0。

一般非線性器件的輸出電流ic與輸入電壓u的關系式可用冪級數(shù)表示如下：（2-11） 接收機中產生互調干擾的基本原理如下。

式中，a0，a1，a2，…，an為非線性器件的特性參數(shù)，通常n值越大，系數(shù)越小。 式中，a0，a1，a2，…，an為非線性器件的特性

將輸入信號

代入式（2-11），取n=3，展開并觀察所含的頻率成分，可發(fā)現(xiàn)產生的諧波及組合頻率如

下： 將輸入信號（2-12）（2-12）

當產生的組合頻率與接收信號頻率0接近時，將形成對有用信號的干擾，也稱為三階互調干擾，如式（2-12）所示，包括二信號三階互調和三信號三階互調。 當產生的組合頻率與接收信號頻率0接近時，將形成對有

利用計算機搜索得到具有最小頻道數(shù)的無三階互調的頻道組，如表2-1所示。 利用計算機搜索得到具有最小頻道數(shù)的無三階互調的頻道需要頻道數(shù)最小占用頻道數(shù)無三階互調的頻道組頻段利用率341,2,4;1,3,475%471,2,5,7;1,3,6,757%5121,2,5,10,12;1,3,8,11,1242%6181,2,5,11,13,18;1,2,9,13,15,18;1,2,5,11,16,18;1,2,9,12,14,1833%7261,2,8,12,21,24,26;1,3,4,11,17,22,26;1,2,5,11,19,24,26;1,3,8,14,22,23,26;1,2,12,17,20,24,26;1,4,5,13,19,24,26;1,5,10,16,23,24,2627%8351,2,5,10,16,23,33,5523%9451,2,6,13,26,28,36,42,4520%10561,2,7,11,24,27,35,42,54,5618%表2-1 無三階互調頻道需要頻道數(shù)最小占用頻道數(shù)無三階互調的頻道組頻段利用率341,4．其他干擾（1）阻塞干擾。（2）時隙干擾和碼間干擾。4．其他干擾（1）阻塞干擾。2.3電磁波與無線電頻譜1．電磁波的基本概念

在空間或媒質中以波動形式傳播的交變電磁場，就稱為電磁波。2.3電磁波與無線電頻譜1．電磁波的基本概念

電磁波頻率是電磁波在單位時間內重復變化的次數(shù)，一般用f表示，單位為Hz（赫）。

常用單位：kHz（千赫）、MHz（兆赫）和GHz（吉赫）。 電磁波頻率是電磁波在單位時間內重復變化的次數(shù)，一般用

波長是電磁波在單個周期內傳播的距離，一般用表示，單位是m（米），常用的單位還有cm（厘米）、mm（毫米）、nm（納米）。 波長是電磁波在單個周期內傳播的距離，一般用表示，單

電磁波的傳播速度是電磁波在單位時間內傳播的距離，一般用v表示，單位是m/s（米/秒）。 電磁波的傳播速度是電磁波在單位時間內傳播的距離，一

電磁波在自由空間中的傳播速度是恒定的，其傳播速度為c=3×108m/s，即每秒30萬千米。

電磁波在自由空間中的傳播速度是恒定的，其傳播速度為

電磁波的頻率、波長與速度的關系如下： f=c/

（2-13） 電磁波的頻率、波長與速度的關系如下：2．電磁波頻率的劃分

《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》把3

000GHz以下的電磁頻譜（無線電波）按十倍方式劃分為14個頻帶，其頻帶序號、頻

帶名稱、頻率范圍以及波段名稱、波長范圍

如表2-2所示。2．電磁波頻率的劃分 《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定

目前陸地移動通信系統(tǒng)的頻段范圍主要在UHF頻段。 目前陸地移動通信系統(tǒng)的頻段范圍主要在UHF頻段。序號頻帶名稱頻率范圍波段名稱波長范圍?1至低頻（TLF）0.03～03Hz至長波或千兆米波10000～1

000Mm0至低頻（TLF）0.3～3Hz至長波或百兆米波1000～100Mm1極低頻（ELF）3～30Hz極長波100～10Mm2超低頻（SLF）30～300Hz超長波10～1Mm3特低頻（ULF）300～3

000Hz特長波1000～100km4甚低頻（VLF）3～30kHz甚長波100～10km5低頻（LF）30～300kHz長波10～1km6中頻（MF）300～3

000kHz中波1000～100m7高頻（HF）3～30MHz短波100～10m8甚高頻（VHF）30～300MHz米波（超短波）10～1m9特高頻（UHF）300～3

000MHz微波分米波10～1cm10超高頻（SHF）3～30GHz厘米波10～1dm11極高頻（EHF）30～300GHz毫米波10～1mm12至高頻（THF）300～3

000GHz絲米波或亞毫米波1～0.1mm表2-2 無線電波的頻段劃分與命名序號頻帶名稱頻率范圍波段名稱波長范圍3．電磁波頻譜特性（1）頻譜資源的有限性（2）頻譜資源的非消耗性（3）頻譜資源的三維性（4）頻譜資源的易受污染性（5）頻譜資源的共享性3．電磁波頻譜特性（1）頻譜資源的有限性2.4無線電波傳輸環(huán)境1．大氣層的分層特性

包圍地球的大氣層通常被分為4個層次：對流層、同溫層（平流層）、電離層和磁球層，如圖2-4所示。2.4無線電波傳輸環(huán)境1．大氣層的分層特性圖2-4大氣層的分層圖2-4大氣層的分層

電離層以上的大氣就是磁球層。

陸地移動通信系統(tǒng)中基本不涉及電離層與磁球層的電波傳播問題。 電離層以上的大氣就是磁球層。（1）對流層。（2）同溫層（平流層）。（3）電離層。（1）對流層。2．地球表面及其覆蓋物

地球表面（即地面）及其覆蓋物是影響無線電波傳播的重要因素之一。

在無線電通信中，地形和地物對無線電波的阻擋也是經(jīng)常需要考慮的重要問題。

2．地球表面及其覆蓋物 地球表面（即地面）及其覆蓋物是

對于衛(wèi)星通信的地空傳播電路，雖然地面地物的影響是不可避免的，但是，與地面通信相比較，衛(wèi)星通信受地面覆蓋物的影響是比較小的。 對于衛(wèi)星通信的地空傳播電路，雖然地面地物的影響是不可3．地面一般特性（1）地面類型的劃分

地面類型一般被分為陸地和水面兩種類型。3．地面一般特性（1）地面類型的劃分

水面主要包括湖泊和海洋。

陸地地形的劃分分可分成9類，如表2-3所示。 水面主要包括湖泊和海洋。序號地形類型h（m）1水面及非常平坦地形0～52平坦地面5～103準平坦地面10～204準丘陵地形20～405丘陵地形40～806準山區(qū)地形80～1507山區(qū)地形150～3008陡峭地區(qū)地形300～7009特別陡峭山區(qū)地形＞700表2-3 陸地地形分類序號地形類型h（m）1水面及非常平坦地形0～（2）陸地環(huán)境和地貌分類①市區(qū)②郊區(qū)③鄉(xiāng)村公路④開闊區(qū)⑤林區(qū)（2）陸地環(huán)境和地貌分類①市區(qū)2.5無線電波傳播機制2.5.1直射

通常直射波傳播按理想的傳播條件來進行分析，即假定天線周圍為無限大真空區(qū)，也稱為自由空間。2.5無線電波傳播機制2.5.1直射1．自由空間特點

（1）擁有均勻無損耗的無限大空間。

（2）各向同性的均勻介質。

（3）相對介電常數(shù)和相對磁導率恒為1，即介電常數(shù)

和磁導率

分別等于真空的介電常數(shù)

和真空的磁導率

。1．自由空間特點（1）擁有均勻無損耗的無限大空間。2．自由空間傳播損耗

假設在自由空間中有一個無方向性點源天線作為發(fā)射天線，其發(fā)射功率為Pt。

由于無損耗，點源天線的發(fā)射功率均勻分布在以點源天線為球心、半徑為 d的球面上。2．自由空間傳播損耗 假設在自由空間中有一個無方向性點

這里d為接收天線與發(fā)射天線的距離。

設該球面上電波的功率密度為S，發(fā)射天線的增益為Gt，則有（2-14） 這里d為接收天線與發(fā)射天線的距離。

在球面處的接收天線接收到的功率為Pr=SAr

（2-15） 在球面處的接收天線接收到的功率為

式中，Ar是接收天線的有效接收面積，即投射到Ar上的電磁波功率全部被接收機負載所吸收。 式中，Ar是接收天線的有效接收面積，即投射到Ar上

可以推出各向同性天線的有效面積為

，進而得到無方向性接收天線的有效接收面積為（2-16）

式中，Gr是接收天線增益，是波長。 可以推出各向同性天線的有效面積為，進而得

由式（2-14）、式（2-15）和式（2-16），可得接收功率為（2-17） 由式（2-14）、式（2-15）和式（2-16），可

傳輸損耗（Lf）或稱系統(tǒng)損耗定義為發(fā)送功率Pt與接收功率Pr之比。

由式（2-17）可得出傳輸損耗的表達式為（2-18） 傳輸損耗（Lf）或稱系統(tǒng)損耗定義為發(fā)送功率Pt與接收

如果用dB表示，式（2-18）可表示為（2-19）

式中，距離d以km為單位，頻率f以MHz為單位。 如果用dB表示，式（2-18）可表示為

接收功率可表示為 接收功率可表示為

如果發(fā)射和接收天線增益（Gt和Gr）定義為單位增益，Lf定義為自由空間路徑損耗，也稱為自由空間基本傳輸損耗，表示自由空間中兩個理想點源天線之間的傳輸損耗。 如果發(fā)射和接收天線增益（Gt和Gr）定義為單位增益，

本書后面如果沒有特別說明，均假定發(fā)射和接收天線增益（Gt和Gr）為單位增益。 本書后面如果沒有特別說明，均假定發(fā)射和接收天線增益（2.5.2反射

當電磁波遇到比其波長大得多的物體時就會發(fā)生反射。2.5.2反射 當電磁波遇到比其波長大得多的物體時1．平滑表面的反射

假定反射表面是平滑的，即所謂理想介質表面。

如果電磁波傳輸?shù)嚼硐虢橘|表面，則能量都將反射回來，如圖2-5所示。

典型介電常數(shù)和電導率如表2-4所示。1．平滑表面的反射 假定反射表面是平滑的，即所謂理想介介質介電常數(shù)（F/m）電導率（S/m）銅15.8

×

107海水804淡水800.001郊區(qū)地面140.01市區(qū)地面30.000

1地面（平均）150.005表2-4 典型介電常數(shù)和電導率關系表介質介電常數(shù)（F/m）電導率（S/m）銅15.8

×2．兩徑傳播模型

實際移動傳播環(huán)境是十分復雜的，在簡化條件下，地面電波兩徑傳播模型如圖2-6所示。2．兩徑傳播模型 實際移動傳播環(huán)境是十分復雜的，在簡2.5.3折射1．折射的基本概念

當電磁波從一種介質射入另一種介質時，傳播方向會發(fā)生變化，這就是折射現(xiàn)象，如圖2-7所示。2.5.3折射1．折射的基本概念

圖中φ1是入射波與法線間的夾角，稱為入射角；φ2是折射波與法線間的夾角，稱為折射角。

圖中φ1是入射波與法線間的夾角，稱為入射角；φ2是2．大氣折射

大氣折射對電波傳播的影響，在工程上通常用“地球等效半徑”來表征，即認為電波依然按直線方向行進，只是地球的實際半徑R0（6.37×106m）變成了等效半徑Re，Re與R0之間的關系為（2-27）2．大氣折射 大氣折射對電波傳播的影響，在工程上通常用

式中，k稱作地球等效半徑系數(shù)，dn/dh表示大氣折射率的垂直梯度。

當一束電波通過折射率隨高度變化的大氣層時，由于不同高度上的電波傳播速度不同，從而使電波束發(fā)生彎曲，彎曲的方向和程度取決于dn/dh。 式中，k稱作地球等效半徑系數(shù)，dn/dh表示大氣折射3．視線傳播極限距離

視線傳播的極限距離可按圖2-28進行分析。3．視線傳播極限距離 視線傳播的極限距離可按圖2-22.5.4繞射

在實際的移動通信環(huán)境中，發(fā)射與接收之間的傳播路徑上存在山丘、建筑物、樹木等各種障礙物，無線電波被尖利的邊緣阻擋時會發(fā)生繞射，其所引起的電波傳播損耗稱為繞射損耗。2.5.4繞射 在實際的移動通信環(huán)境中，發(fā)射與接收1．菲涅爾區(qū)的概念

繞射現(xiàn)象可由惠更斯-菲涅爾原理來解釋，即波在傳播過程中，行進中的波前（面）上的每一點，都可作為產生次級波的點源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前（面）。1．菲涅爾區(qū)的概念

繞射現(xiàn)象可由惠更斯-菲涅爾原理來

繞射由次級波的傳播進入陰影區(qū)而形成。

陰影區(qū)繞射波場強為圍繞阻擋物所有次級波的矢量和，如圖2-9所示。

引出菲涅耳區(qū)的概念，如圖2-10所示。 繞射由次級波的傳播進入陰影區(qū)而形成。圖2-10菲涅爾區(qū)無線路徑的橫截面圖2-10菲涅爾區(qū)無線路徑的橫截面

菲涅爾區(qū)表示當障礙物阻擋了傳輸路徑時，從發(fā)射點到接收點次級波路徑長度與直接路徑長度差為n/2的連續(xù)區(qū)域，也即相同相位特性的環(huán)形帶構成的空間區(qū)域，即指所有滿足半波長的點構成的一族橢球。 菲涅爾區(qū)表示當障礙物阻擋了傳輸路徑時，從發(fā)射點到接收

經(jīng)過推導可得出n階菲涅爾區(qū)同心的半徑為（2-34）

當n=1時，就得到第一菲涅爾區(qū)半徑。 經(jīng)過推導可得出n階菲涅爾區(qū)同心的半徑為2．刃形繞射模型

當障礙物是單個物體，且障礙物的寬度與其高度相比很小，稱為刃形障礙物。

刃形障礙物對電波傳播影響示意圖如圖2-11所示。2．刃形繞射模型 當障礙物是單個物體，且障礙物的寬度與圖2-11菲涅爾余隙的定義圖2-11菲涅爾余隙的定義

圖2-11中，x表示障礙物頂點P至直射線 TR的距離，稱為菲涅爾余隙。

規(guī)定阻擋時余隙為負，如圖2-11（a）所

示；無阻擋時余隙為正，如圖2-11（b）所示。 圖2-11中，x表示障礙物頂點P至直射線圖2-12繞射損耗與余隙關系圖2-12繞射損耗與余隙關系

由圖2-12可見，當x

時，附加損耗約為0dB，此時障礙物對直射波傳

播基本上沒有影響；當x=0，即TR直射線從障礙物頂點擦過時，附加損耗約為 6dB；當x<0時，即直射線低于障礙物

頂點時，損耗將急劇增加。2.5.5散射 由圖2-12可見，當x時，附加損耗2.6陰影效應概念

電波傳播遇到建筑物等阻擋，形成電波陰影區(qū)，陰影區(qū)的電場強度減弱的現(xiàn)象稱為陰影效應。2.6陰影效應概念 電波傳播遇到建筑物等阻擋，形成

接收天線處場強中值的變化引起的衰落，稱為陰影衰落。

由于這種衰落的變化速率較慢，又稱為慢衰落。 接收天線處場強中值的變化引起的衰落，稱為陰影衰落。

慢衰落速率主要決定于傳播環(huán)境，即移動臺周圍地形，包括山丘起伏、建筑物的分布與高度、街道走向、基站天線的位置與高度，以及移動臺行進速度，而與頻率無關。 慢衰落速率主要決定于傳播環(huán)境，即移動臺周圍地形，包括

慢衰落的深度，即接收信號局部中值電平變化的幅度取決于信號頻率與周圍環(huán)境。 慢衰落的深度，即接收信號局部中值電平變化的幅度取決于2.7多徑效應

由于多徑現(xiàn)象引起的干擾稱為多徑干擾或多徑效應，產生的衰落稱為多徑衰落。2.7多徑效應 由于多徑現(xiàn)象引起的干擾稱為多徑干擾圖2-13多徑效應圖2-13多徑效應2.7.1多普勒效應

由于移動臺的高速移動而產生的傳播信號頻率的擴散，稱為多普勒效應，如圖2-14所示。2.7.1多普勒效應 由于移動臺的高速移動而產生的

多普勒頻移表征了時變信道影響信號衰落的衰落節(jié)拍，信道隨節(jié)拍在時域上對信號有不同的選擇性，會引起時間選擇性衰落，對數(shù)字信號的誤碼性能有明顯的影響。 多普勒頻移表征了時變信道影響信號衰落的衰落節(jié)拍，信道

傳播信號頻率擴散程度與移動臺的運動速度成正比，即多普勒頻率fd為（2-36） 傳播信號頻率擴散程度與移動臺的運動速度成正比，即多普

式中，v是移動臺的速度，是傳播信號的波長，是移動臺前進方向與入射波的夾角。 式中，v是移動臺的速度，是傳播信號的波長，是移

當移動臺運動方向與入射波一致時，最大多普勒頻移

。

多普勒頻率fd也可以表示為（2-37） 當移動臺運動方向與入射波一致時，最大多普勒頻移2.7.2多徑信道描述1．多徑信道的沖激響應模型

沖激響應是信道的一個重要特性，可用于比較不同通信系統(tǒng)的性能，移動無線通信系統(tǒng)的多徑信道與無線信道的沖激響應直接相關。2.7.2多徑信道描述1．多徑信道的沖激響應模型

移動無線信道可建模為一個具有時變沖激響應特性的線性濾波器，信號的濾波特性以任一時刻到達的多徑波為基礎，其幅度與時延之和影響信道濾波特性。 移動無線信道可建模為一個具有時變沖激響應特性的線性濾2．多徑信道的主要參數(shù)（1）多徑時延擴展與相關帶寬①時延擴展（多徑時散）

假設基站發(fā)射一個窄脈沖信號Si（t）=a0(t)，經(jīng)過多徑信道后，移動臺接收信號呈現(xiàn)為一串脈沖，脈沖寬度被展寬了，直觀上將最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值稱為時延擴展，用表示。2．多徑信道的主要參數(shù)（1）多徑時延擴展與相關帶寬

如果發(fā)送的窄脈沖寬度為T，則接

收信號寬度為T+。

這種因多徑傳播造成信號時間擴展的現(xiàn)象，稱為時延擴展，也稱為多徑時散，如圖2-15所示。 如果發(fā)送的窄脈沖寬度為T，則接圖2-15時延擴展示意圖圖2-15時延擴展示意圖

嚴格意義上的時延擴展根據(jù)統(tǒng)計測試結果來進行估測。

圖2-16為室內環(huán)境下，移動通信中接收機接收到多徑的時延信號強度和時延的關系曲線。 嚴格意義上的時延擴展根據(jù)統(tǒng)計測試結果來進行估測。圖2-16多徑時延信號強度圖2-16多徑時延信號強度

圖2-16中，最大時延τmax是當強度下降X=30dB時測定的時延值。 圖2-16中，最大時延τmax是當強度下降X=30

表2-6給出工作頻段為450MHz時測得的多徑時散參數(shù)典型值。

時延大小主要取決于地物（如高大建筑物）和地形影響。

一般情況下，市區(qū)的時延要比郊區(qū)大。 表2-6給出工作頻段為450MHz時測得的多徑時散參參數(shù)市區(qū)郊區(qū)平均時延

對應路徑距離差/m1.5～2.5450～7500.1～2.030～600時延擴展/s1.0～3.00.2～2.0最大時延max/s5.0～123.0～7.0表2-6 多徑時散參數(shù)典型值參數(shù)市區(qū)郊區(qū)平均時延1.5～2.5②相關帶寬

相關帶寬（Bc）是由時延擴展得出的一個確定關系值，頻率間隔很小的兩個衰落信號存在不同的時延，兩個衰落信號的幅度可能有很強的相關性，這樣的頻率間隔稱為相關帶寬。②相關帶寬 相關帶寬（Bc）是由時延擴展得出的一個確

若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與相關帶寬（Bc）可比擬時，則所傳輸?shù)男盘枌a生明顯的畸變，稱為頻率選擇性衰落，即信道對不同頻率成分有不同的響應。 若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與相關帶寬（Bc）可比擬

假定多徑只有兩條路徑，分析相關帶寬的概念，圖2-17為雙射線信道模型。

幅頻特性如圖2-18所示。 假定多徑只有兩條路徑，分析相關帶寬的概念，圖2-17圖2-18雙射線信道的幅頻特性圖2-18雙射線信道的幅頻特性

由圖可見，其相鄰兩個谷點的相位差為（2-44） 由圖可見，其相鄰兩個谷點的相位差為

由式（2-44）可見，兩相鄰場強為最小值的頻率間隔與相對多徑時延差(t)成反比，通常稱Bc為多徑時散的相關帶寬。 由式（2-44）可見，兩相鄰場強為最小值的頻率間隔③多徑時延擴展引起的衰落效應

多徑效應引起的時延擴展，導致了發(fā)送信號產生平坦衰落或頻率選擇性衰落。

平坦衰落頻率選擇性衰落③多徑時延擴展引起的衰落效應 多徑效應引起的時延擴展，（2）多普勒擴展和相干時間①多普勒擴展

圖2-19給出式（2-53）表示的多普勒效應引起的接收信號的功率譜，fc為發(fā)送信號的中心頻率。（2）多普勒擴展和相干時間①多普勒擴展圖2-19多普勒效應擴展示意圖圖2-19多普勒效應擴展示意圖

②相干時間

相干時間（Tc）定義為多普勒頻展的寬度（

）的倒數(shù)。（2-54） ②相干時間 相干時間（Tc）定義為多普勒頻展的寬度③多普勒擴展引起的衰落效應

根據(jù)發(fā)送的基帶信號與信道變化快慢程度，多普勒擴展引起的頻率擴展導致了發(fā)送信號產生快衰落或慢衰落?？焖ヂ?。慢衰落。③多普勒擴展引起的衰落效應 根據(jù)發(fā)送的基帶信號與信道2.7.3多徑接收信號分析1．多徑接收信號的分布函數(shù)描述

移動通信系統(tǒng)分析中，對于接收端信號包絡統(tǒng)計時變特性常用瑞利分布和萊斯分布進行描述。2.7.3多徑接收信號分析1．多徑接收信號的分布函數(shù)描述（1）瑞利衰落分布

假設基站發(fā)射的信號為（2-56）

式中，

為載波幅值，0為載波角頻率，

為載波初相。（1）瑞利衰落分布 假設基站發(fā)射的信號為

假設到達接收天線的第i個信號為Si（t），Si（t）與移動臺運動方向之間的夾角為i，多普勒頻移為

式中，v為車速，λ為波長。 假設到達接收天線的第i個信號為Si（t），Si（t Si（t）可寫成

（2-57） Si（t）可寫成

式中，到達接收天線的第i個信號Si（t）的振幅為

，相移為

。 式中，到達接收天線的第i個信號Si（t）的振幅為

瑞利分布的概率密度函數(shù)p（r）與r的關系如圖2-20所示。

瑞利衰落信號具有如下一些特征。 瑞利分布的概率密度函數(shù)p（r）與r的關系如圖2-2移動通信第2章--無線移動信道課件（2）萊斯衰落

萊斯分布的概率密度表示為（2-65）（2）萊斯衰落 萊斯分布的概率密度表示為

式中，A是主信號幅度的峰值，r是衰落信號的包絡，

為r的方差，

是零階第一類修正貝塞爾函數(shù)。 式中，A是主信號幅度的峰值，r是衰落信號的包絡，

參數(shù)K定義為主信號的功率與多徑分量方差之比，表示為

，用dB表示為（2-66） 參數(shù)K定義為主信號的功率與多徑分量方差之比，表示為

圖2-21表示萊斯分布的概率密度函數(shù)P(r)和接收信號包絡電平r的關系圖。 圖2-21表示萊斯分布的概率密度函數(shù)P(r)和接收信2．衰落的特征量（1）衰落速率（2）電平通過率

電平通過率的示意圖如圖2-22所示。2．衰落的特征量（1）衰落速率圖2-22電平通過率和平均電平持續(xù)時間圖2-22電平通過率和平均電平持續(xù)時間（3）衰落持續(xù)時間

對于瑞利衰落可以求出平均衰落持續(xù)時間為（2-74）（3）衰落持續(xù)時間 對于瑞利衰落可以求出平均衰落持續(xù)時

式中，

是最大多普勒頻移；

，

為信號包絡的均方根電平。 式中，是最大多普勒頻移；2.8移動信道傳播損耗預測模型2.8.1Okumura模型 Okumura模型以中等起伏地上市區(qū)傳播損耗的中值為基準，對于不同的傳播環(huán)境和地形等影響用校正因子加以修正。2.8移動信道傳播損耗預測模型2.8.1Okumur Okumura模型適用范圍為頻率在150～1

920MHz（可擴展到3

000MHz），發(fā)收間距離在1～100km范圍內，天線高度在30～1

000m之間。 Okumura模型適用范圍為頻率在150～1

921．中等起伏地上市區(qū)傳播損耗的中值

圖2-23給出了典型中等起伏地上市區(qū)的基本中值Am（f，d）與頻率、距離的關系曲線。

隨著頻率升高和距離增大，市區(qū)傳播基本損耗中值都將增加。1．中等起伏地上市區(qū)傳播損耗的中值 圖2-23給出了典圖2-23典型中等起伏地上市區(qū)的基本中值圖2-23典型中等起伏地上市區(qū)的基本中值

當移動臺天線高度不是3m時，需用移動臺

天線高度增益因子Hm（hm，f）加以修正，如

圖2-24所示。

圖中以hb=200m，hm=3m作為基準（0dB）。 當移動臺天線高度不是3m時，需用移動臺圖2-24天線高度增益因子圖2-24天線高度增益因子圖2-24天線高度增益因子（續(xù)）圖2-24天線高度增益因子（續(xù)）

圖2-24（a）給出了不同通信距離d時，Hb（hb，d）與hb的關系。

當hb＞200m時，Hb（hb，d）＞0dB；反之，當hb＜200m時，Hb（hb，d）＜0dB。 圖2-24（a）給出了不同通信距離d時，Hb（hb，

由圖2-24（b）可以看出，

當hm

＞3m時，Hm（hm，f）＞0dB；

當hm＜3m時，Hm（hm，f）＜0dB。

當移動臺天線高度大于5m以上時，其高度增益因子Hm（hm，f）不僅與天線高度、頻率有關，而且還與環(huán)境條件有關。 由圖2-24（b）可以看出，2．郊區(qū)和開闊地傳播損耗的中值

郊區(qū)場強中值與基準場強中值之差定義為郊區(qū)修正因子，記作Kmr，郊區(qū)修正因子與頻率和距離的關系如圖2-25所示。2．郊區(qū)和開闊地傳播損耗的中值 郊區(qū)場強中值與基準場圖2-25郊區(qū)修正因子（Kmr）圖2-25郊區(qū)修正因子（Kmr）

開闊地、準開闊地（開闊地與郊區(qū)間的過渡區(qū)）的場強中值相對于基準場強中值的修正曲線如圖2-26所示。 Qo表示開闊地修正因子，Qr表示準開闊地修正因子。

開闊地、準開闊地（開闊地與郊區(qū)間的過渡區(qū)）的場強中值圖2-26開闊地修正因子（Qo），準開闊地修正因子（Qr）圖2-26開闊地修正因子（Qo），準開闊地修正因子（Qr3．不規(guī)則地形上傳播損耗的中值（1）丘陵地的修正因子Kh。（2）孤立山岳修正因子Kjs。（3）斜波地形修正因子Ksp。（4）水陸混合路徑修正因子KS。3．不規(guī)則地形上傳播損耗的中值（1）丘陵地的修正因子Kh。4．任意地形地區(qū)的傳播損耗中值

任意地形地區(qū)的傳播損耗修正因子KT一般可寫成 KT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Kjs+Ksp+KS

（2-78）4．任意地形地區(qū)的傳播損耗中值 任意地形地區(qū)的傳播損耗

根據(jù)實際的地形地物情況，KT修正因子可以為其中的某幾項，其余為零。

根據(jù)實際的地形地物情況，KT修正因子可以為其中的某幾

任意地形地區(qū)的傳播損耗中值 L=LT

KT

（2-79）

式中，LT=Lf+Am（f，d）

Hb（hb，d）

Hm（hm，f）。 任意地形地區(qū)的傳播損耗中值2.8.2Okumura-Hata模型 Hata模型是針對由Okumura用圖表給出的路徑損耗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式。

其適用范圍為fc在150～1

500MHz內的工作頻率。2.8.2Okumura-Hata模型 Hata hb是基站發(fā)射機的有效天線高度（高度為30～200m）。 hm是移動臺接收機的有效天線高度（高度為1～10m）。 hb是基站發(fā)射機的有效天線高度（高度為30～200