無線信道基本知識課件

無線通信信道基本概念與技術(shù)無線通信信道基本概念與技術(shù)MobileCommunicationTheory目錄概述1自由空間的電波傳輸23種基本電波的傳播機(jī)制3陰影衰落的基本特性4移動無線信道及特性參數(shù)5電波傳播損耗預(yù)測模型6MobileCommunicationTheory目錄概MobileCommunicationTheory電波傳播的基本特性基站天線、移動用戶天線和兩付天線之間的傳播路徑傳播損耗和色散陰影衰落多徑衰落多普勒頻移直射、反射、繞射和散射以及它們的合成復(fù)雜的無線電波傳播環(huán)境移動通信信道衰落的原因無線電波傳播方式衰落的表現(xiàn)移動信道的基本特性衰落特性MobileCommunicationTheory電波傳MobileCommunicationTheory一種典型的信號傳播環(huán)境MobileCommunicationTheory一種典MobileCommunicationTheory信道的分類信道的分類

大尺度衰落根據(jù)不同距離內(nèi)信號強(qiáng)度變化的快慢分為{

小尺度衰落長期慢衰落根據(jù)信號與信道變化快慢程度的比較分為{

短期快衰落大尺度衰落（陰影衰落）小尺度衰落（多徑衰落）描述長距離上信號強(qiáng)度的緩慢變化短距離上信號強(qiáng)度的快速波動原因信道路徑上固定障礙物的陰影移動臺運(yùn)動和地點的變化影響業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域信號傳輸質(zhì)量大尺度衰落與小尺度衰落MobileCommunicationTheory信道的MobileCommunicationTheory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。大尺度衰落小尺度衰落MobileCommunicationTheory衰落特MobileCommunicationTheory自由空間的電波傳播在理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)中傳播，只存在電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗傳播損耗接收功率傳播損耗接收換算自由空間電波傳播分貝表示有效接收天線面積MobileCommunicationTheory自由空MobileCommunicationTheory3種基本電波傳播機(jī)制阻擋體比傳輸波長大的多的物體產(chǎn)生多徑衰落的主要因素

產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體

阻擋體為尖利邊緣反射散射繞射基本電波傳播機(jī)制直射：LOS無直射：NLOSMobileCommunicationTheory3種基MobileCommunicationTheory多徑信號兩徑傳播模型

接收信號功率 簡化后 相位差

多徑傳播模型

其中，N為路徑數(shù)。當(dāng)N很大時，無法用公式準(zhǔn)確計算出接收信號的功率，必須用統(tǒng)計的方法計算接收信號的功率

直射波反射波地表面波可忽略地面二次效應(yīng)可忽略MobileCommunicationTheory多徑信MobileCommunicationTheory繞射惠更斯－菲涅爾原理菲涅爾區(qū)基爾霍夫公式電磁波在傳播過程中，行進(jìn)中的波前(面)上的每一點，都可作為產(chǎn)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)。MobileCommunicationTheory繞射惠MobileCommunicationTheory陰影衰落的基本特性陰影衰落（慢衰落）

地形起伏、建筑物及其它障礙物對電波傳播路徑的阻擋而形成特點

與傳播地形和地物分布、高度有關(guān)表達(dá)式

傳播路徑損耗和陰影衰落分貝式

式中r移動用戶和基站的距離

ζ

由陰影產(chǎn)生的對數(shù)損耗（dB），服從零平均和標(biāo)準(zhǔn)偏 差σdB的對數(shù)正態(tài)分布

m路徑損耗指數(shù)實驗數(shù)據(jù)表明m＝4，標(biāo)準(zhǔn)差σ＝8dB對于城區(qū)是比較合理的MobileCommunicationTheory陰影衰MobileCommunicationTheory移動無線信道及特性參數(shù)無線信道多徑信道的統(tǒng)計分析多徑衰落信道的分類衰落特性的特征量衰落信道的建模與仿真多徑衰落的基本特性多普勒頻移多徑信道的信道模型描述多徑信道的主要參數(shù)MobileCommunicationTheory移動無MobileCommunicationTheory多徑衰落的基本特性幅度衰落幅度隨移動臺移動距離的變動而衰落

空間角度模擬系統(tǒng)主要考慮原因本地反射物所引起的多徑效應(yīng)表現(xiàn)為快衰落地形變化引起的衰落以及空間擴(kuò)散損耗表現(xiàn)為慢衰落MobileCommunicationTheory多徑衰MobileCommunicationTheory多徑衰落的基本特性時延擴(kuò)展脈沖寬度擴(kuò)展時間角度數(shù)字系統(tǒng)主要考慮原因信號傳播路徑不同，到達(dá)接收端的時間也就不同，導(dǎo)致接收信號包含發(fā)送脈沖及其各個延時信號MobileCommunicationTheory多徑衰MobileCommunicationTheory多普勒頻移原因移動時會引起多普勒（Doppler）頻率漂移表達(dá)式

多普勒頻移

最大多普勒(Doppler)頻移MobileCommunicationTheory多普勒MobileCommunicationTheory描述多徑信道的主要參數(shù)由于多徑環(huán)境和移動臺運(yùn)動等影響因素，使得移動信道對傳輸信號在時間、頻率和角度上造成了色散。通常用功率在時間、頻率以及角度上的分布來描述這種色散功率延遲分布PDP時間色散多普勒功率譜密度DPSD角度譜PAP頻率色散角度色散MobileCommunicationTheory描述多MobileCommunicationTheory

判定

由信道和信號兩方面決定衰落的分類及判定分類

不同頻率分量的衰落

信號波形頻率選擇性衰落

不一致

失真非頻率選擇性衰落（平坦衰落）

相關(guān)的一致的

不失真數(shù)字通信系統(tǒng)信號帶寬小于信道相干帶寬Bs<Bc信號帶寬遠(yuǎn)大于信道相干帶寬Bs>>Bc平坦衰落頻選衰落碼間干擾MobileCommunicationTheory衰落的MobileCommunicationTheory角度擴(kuò)展角度功率譜（PAS）信號功率譜密度在角度上的分布。一般為均勻分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布角度擴(kuò)展等于功率角度譜的二階中心矩的平方根，即

式中意義描述了功率譜在空間上的色散程度，角度擴(kuò)展在之間分布。角度擴(kuò)展越大，表明散射環(huán)境越強(qiáng)，信號在空間的色散度越高M(jìn)obileCommunicationTheory角度擴(kuò)MobileCommunicationTheory相關(guān)距離與空間選擇性衰落相關(guān)距離Dc空間選擇性衰落信道沖激響應(yīng)保證一定相關(guān)度的空間距離空選衰落:天線空間距離大于相關(guān)距離>Dc非空選衰落:天線空間距離遠(yuǎn)小于相關(guān)距離<<DcMobileCommunicationTheory相關(guān)距MobileCommunicationTheory瑞利分布環(huán)境條件

通常在離基站較遠(yuǎn)、反射物較多的地區(qū)符合（如下圖）發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒有直射波路徑存在大量反射波，到達(dá)接收天線的方向角隨機(jī)且0~2π均勻分布各反射波的幅度和相位都統(tǒng)計獨(dú)立場強(qiáng)分量Tc，Ts接收信號的幅度相位分布PlayMobileCommunicationTheory瑞利分MobileCommunicationTheoryTs為信號周期（一般是信號帶寬Bs的倒數(shù)）是信道時延擴(kuò)展均方根值；

Bc為相干帶寬通常若，可認(rèn)為該信道是頻率選擇性的平坦衰落和頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落平坦衰落

原因信道具有恒定增益和相位的帶寬范圍小于發(fā)送信號帶寬時間色散碼間干擾信道具有恒定增益和相位的帶寬范圍大于發(fā)送信號帶寬頻譜特性不同頻率獲得不同增益在接收端保持不變條件Bs>BcTs<Bs<<BcTs>>MobileCommunicationTheoryTs為MobileCommunicationTheory快衰信道和慢衰信道快衰落慢衰落原因沖激響應(yīng)變化快于基帶信號變化信道沖激響應(yīng)變化比不上基帶信號變化條件Ts>TcBs<BdTs<<TcBs>>BdTc為信道相干時間BD為多普勒擴(kuò)展無線移動通信一般按慢衰落處理聲波通信按快衰落處理MobileCommunicationTheory快衰信MobileCommunicationTheory室外傳播模型常用的幾種室外電波傳播損耗預(yù)測模型Hata模型CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型MobileCommunicationTheory室外傳MobileCommunicationTheoryOkumura-Hata模型路徑損耗計算的經(jīng)驗公式式中—

工作頻率（MHz）

—

基站天線有效高度（m），定義為基站天線實際海拔高度與基站沿傳播方向?qū)嶋H距離內(nèi)的平均地面海波高度之差，即

—

移動臺天線有效高度（m），定義為移動臺天線高出地表的高度

—

基站天線和移動臺天線之間的水平距離（km）

—

有效天線修正因子，是覆蓋區(qū)大小的函數(shù)

—

小區(qū)類型校正因子

—

地形校正因子，反映一些重要的地形環(huán)境因素對路徑損耗的影響MobileCommunicationTheoryOkuMobileCommunicationTheoryCOST-231Hata模型路徑損耗計算的經(jīng)驗公式式中—大城市中心校正因子

兩種Hata模型的主要區(qū)別頻率衰減系數(shù)不同

COST-231Hata模型頻率衰減因子為33.9Okumura-Hata模型的頻率衰減因子為26.16COST-231Hata模型還增加了一個大城市中心衰減，大城市中心地區(qū)路徑損耗增加3dB。MobileCommunicationTheoryCOSMobileCommunicationTheoryCCIR模型給出了反映自由空間路徑損耗和地形引入的路徑損耗聯(lián)合效果的經(jīng)驗公式校正因子右圖給出了Hata和CCIR

路徑損耗公式的對比，由圖可見，路徑損耗隨

建筑物密度而增大MobileCommunicationTheoryCCIMobileCommunicationTheoryLEE模型優(yōu)點模型中的主要參數(shù)易于根據(jù)測量值調(diào)整，適合本地?zé)o線傳播環(huán)境，準(zhǔn)確性高路徑損耗預(yù)測算法簡單，計算速度快應(yīng)用 無線通信系統(tǒng)分類LEE宏蜂窩模型LEE微蜂窩模型MobileCommunicationTheoryLEEMobileCommunicationTheoryLEE宏蜂窩模型決定移動臺接收信號大小的因素人為建筑物地形地貌基本思路

先把城市當(dāng)成平坦的，只考慮人為建筑物的影響，在此基礎(chǔ)上再把地形地貌的影響加進(jìn)來地形地貌影響的三種情況無阻擋有阻擋水面反射MobileCommunicationTheoryLEEMobileCommunicationTheoryCOST231Walfisch-Ikegami模型應(yīng)用用于建筑物高度近似一致的郊區(qū)和城區(qū)環(huán)境常用于移動通信系統(tǒng)（GSM/PCS/DECT/DCS