Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,第,2,章 移动通信信道,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,第,2,章移动通信信道,2024/11/16,1,第2章移动通信信道2023/10/41,移动信道基本特性,衰落,噪声和干扰,移动信道基本特性衰落噪声和干扰,2,2.1,移动信道基本特性,2.1.1,移动通信信道的主要特点,2.1.2,电波传播方式,2.1.3,接收信号中的四种效应,2.1 移动信道基本特性2.1.1 移动通信信道的主要特点2,3,2.1.1,移动通信信道的主要特点,1,传播的开放性,这是区别于有线信道，有线信道中，电磁波被限定在导线内，而移动通信的信道是一个开放的空间。,2,接收环境的复杂性,是指接收点地理环境的复杂性与多样性。,可将接收点地理环境划分为三种典型区域,:,高楼林立的城市繁华区,;,以一般性建筑物为主体的近郊区,;,以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。,3,通信用户的随机移动性,2.1.1 移动通信信道的主要特点1传播的开放性2接收环,4,2.1,移动信道基本特性,2.1.1,移动通信信道的主要特点,2.1.2,电波传播方式,2.1.3,接收信号中的四种效应,2.1 移动信道基本特性2.1.1 移动通信信道的主要特点2,5,2.1.2,电波传播方式,1,直射波,即没有障碍物的情况下，电磁波在视距范围内直接由基站到达手机。,2,反射波,当障碍物的尺寸大于电磁波的波长时，电磁波就会在障碍物的前方发生反射。,3,绕射波,电磁波绕过绕过障碍物，在障碍物后方形成场强。,一般可归纳为以下波四种基本传播方式：,2.1.2 电波传播方式1直射波2反射波3绕射波一般可,6,在描述信道的时变特性时，从频域的角度来看，我们有多普勒扩展BD这个参数，而相干时间Tc则为多普勒扩展在时域上的表现。,平坦衰落信道对信号的影响如图2-6所示，其中s(t)、r(t)和h(t,)分别表示发送的信号、接收信号和多径信道冲激响应，而S(f)、R(f)和H(f)分别为其相应的频谱。,当发送信号的符号周期大于信道相干时间时，则产生快衰落。,(2)多普勒效应。,常用的时延扩展参数包括：平均附加时延、均方根时延扩展和附加时延扩展。,是指相邻的或邻近的频道之间的干扰。,多径特性引起的时间色散，导致了发送信号产生平坦衰落或频率选择性衰落，如图2-5所示。,移动台天线高度修正因子：,1无线信道噪声分类,经被实测数据证实，这种随机衰减呈现对数正态分布。,3 接收信号中的四种效应,Hata根据Okumura的基本中值场强预测曲线，通过曲线拟合，将Okumura模型中的经验曲线与图表提炼成更加便于工程上使用的经验公式，即Hata模型。,在大尺度模型中，一般主要关注由路径损耗（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。,频率选择性衰落信道对信号的影响如图2-7所示。,在移动通信系统中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，这称为同信道复用。,前面提到的频率选择性衰落和时间选择性衰落在信道中可以同时存在，至于哪种衰落更明显，则取决于信号的带宽和符号周期。,2.1.2 电波传播方式,4,散射波,当电磁波遇到粗糙的表面时，反射能量会散布于所有方向,这样就形成了散射波。,图,2-1,移动信道电波传播类型示意图,在描述信道的时变特性时，从频域的角度来看，我们有多普勒扩展B,7,2.1,移动信道基本特性,2.1.1,移动通信信道的主要特点,2.1.2,电波传播方式,2.1.3,接收信号中的四种效应,2.1 移动信道基本特性2.1.1 移动通信信道的主要特点2,8,2.1.3,接收信号中的四种效应,1.,阴影效应,由于大型建筑物或其它物体的遮挡，在于障碍物的后面产生的传播半盲区。,2.,远近效应,由于移动用户距离基站有远有近，这样近处的用户信号就会对远处的用户信号产生抑制。,2.1.3 接收信号中的四种效应1.阴影效应2.远近效应,9,2.1.3 接收信号中的四种效应,3.,多径效应,由于用户所处位置的复杂性，到达移动台天线的信号不是由单一路径来的，而是包含多条路径。不同路径的信号，它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。所接收的信号是上述各路信号的矢量和。,4.,多普勒效应,由于用户处于高速移动中，从而引起传播频率的扩散，由此引起的附加频移称为多普勒频移（多普勒扩散）。这一现象只产生在大于等于,70Km/h,时，而对于慢速移动的步行和准静态的室内通信则不予考虑。,2.1.3 接收信号中的四种效应3.多径效应4.多普勒效,10,2.1.3 接收信号中的四种效应,无线电波从源点,S,出发，在,X,点和,Y,点分别被移动台接收时所走的路程差为,x,i,dcos,i,v,t cos,i,由于源端点距离很远，可假设在,X,点和,Y,点处的,i,是相同的，所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为,S,i,x,i,X,Y,d,当移动台以恒定速率,v,在长度为,d,、端点为,X,和,Y,的路径上运动时，受到自远方,S,点发出的信号，如图所示。,由此可得出频率变化值，即多普勒频移,f,d,为,2.1.3 接收信号中的四种效应无线电波从源点S出发，在X点,11,移动信道基本特性,衰落,噪声和干扰,移动信道基本特性衰落噪声和干扰,12,2.2,衰落,2.2.1,大尺度衰落,2.2.2 小尺度衰落,2.2 衰落2.2.1 大尺度衰落2.2.2 小尺度衰落,13,2.2.1,大尺度衰落,在大尺度模型中，一般主要关注由路径损耗（,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。路径损耗引起长距离（,1001000,米）接收信号功率的变化，而阴影效应引起障碍物尺度距离上（室外环境是,10100,米，室内更小）接收信号功率的变化。,1,路径损耗,大多数移动通信系统运行在复杂的传播环境中，路径损耗除了受频率、距离等确定因素的影响，还会受到地形、地貌、建筑物分布及街道分布等不确定因素的影响。这里我们主要介绍在工程上普遍应用的电波传播损耗预测模型。,2.2.1 大尺度衰落 在大尺度模型中，一般主,14,路径损耗,电波传播损耗预测模型是基于大量实测数据而得到的经验模型，常用的模型包括：奥村模型（,Okumura Model,）、哈塔模型（,Hata Model,）、哈塔模型的,COST231,扩展等。其中奥村模型是城市宏小区中信号预测最常用的模型之一，其适用的距离范围是,1Km,100Km,、频率范围是,150MHz,1500MHz,，该模型除了公式外，还包括一些经验曲线和图表。哈塔模型是将奥村模型中的经验曲线与图表拟合成更加便于工程上使用的经验公式，其适用的频率范围也基本是,150MHz,1500MHz,。而哈塔模型的,COST231,扩展是欧洲科技合作组织将哈塔模型扩展到,2GHz,，以便适合,PCS,系统。下面分别介绍哈塔模型和哈塔模型的,COST231,扩展。,路径损耗 电波传播损耗预测模型是基于大量实测,15,（,1,）,Hata,模型,由于使用,Okumura,模型，需要查找其给出的各种曲线，不利于计算机预测。,Hata,根据,Okumura,的基本中值场强预测曲线，通过曲线拟合，将,Okumura,模型中的经验曲线与图表提炼成更加便于工程上使用的经验公式，即,Hata,模型。,Hata,在提出这个模型时作了下列三点假设，以求简化：,作为两个全向天线之间的传播损耗处理；,作为准平滑地形而不是不规则地形处理；,以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。,路径损耗,（1）Hata模型由于使用Okumura模型，需要查找其给出,16,Hata模型,适用条件,频率范围：,1501500MHz,；,基站天线有效高度,h,b,：,30200m,；,移动台天线高度,h,m,：,110m,；,覆盖距离：,120km,。,传播损耗公式,式中，,d,的单位为,km,，,f,的单位为,MHz,，,L,T,城,为城市市区的中值路径损耗，,h,b,和,h,m,分别为基站和移动台天线有效高度。,Hata模型适用条件频率范围：1501500MHz；传播损,17,移动台天线高度修正因子：,对于其它地形，,Hata,分别定义了相应的修正因子,K,mr,郊区校正因子,Q,o,开阔地校正因子（农村地区）,Hata模型,移动台天线高度修正因子：对于其它地形，Hata分别定义了相应,18,（,2,）,Hata,模型扩展,欧洲科学技术研究协会（,EURO-COST,）组成,cost-231,工作组开发,Hata,模型对,PCS,的扩展，提出将,Hata,模型扩展至,2GHz,频段。所以该模型称为,Hata,模型扩展。,频率范围：,1500,2000 MHz;,基站的天线有效高度,h,b,：,30,200 m;,移动台天线高度,h,m,：,110m,；,覆盖距离：,1,20 km,。,适用条件,路径损耗,（2）Hata模型扩展欧洲科学技术研究协会（EURO-COS,19,Hata模型扩展,传播损耗公式,式中，,d,的单位为,km,，,f,的单位为,MHz,，,L,T,城,为城市市区的中值路径损耗，,h,b,和,h,m,分别为基站和移动台天线有效高度。移动台天线高度修正因子,a,(,h,m,),与,Hata,模型相同。,对于其它地形，修正因子与,Hata,模型相同,Hata模型扩展传播损耗公式 式中，d的单位为km，f的单位,20,2.2.1 大尺度衰落,2,阴影衰落,在路径损耗模型中一般认为对于相同的收发距离，路径损耗也是相同的。然而实际情况是，与同一发射机等距离但位于不同地理位置上的接收机，由于传播路径所经过的地理环境不同，使得其接收到的信号强度有很大的差异。通过路径损耗模型所计算的数值是所有可能路径所造成功率损耗的一个平均值或中间值，接收机实测值与路径损耗模型预测值之间的偏差则是由阴影衰落引起。,2.2.1 大尺度衰落2阴影衰落 在路径损,21,阴影衰落,发射机和接收机之间的障碍物会引起阴影衰落，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式使给定距离处接收信号发生随机衰减。造成信号随机衰减的因素，包括障碍物的位置、大小和介电特性及反射面和散射体的情况一般都是未知的，因此只能用统计模型来表征这种随机衰减。经被实测数据证实，这种随机衰减呈现对数正态分布。,图,2-3,在路径损耗、阴影效应和多径传播与距离的关系,阴影衰落 发射机和接收机之间的障碍物会引起阴,22,哈塔模型是将奥村模型中的经验曲线与图表拟合成更加便于工程上使用的经验公式，其适用的频率范围也基本是150MHz1500MHz。,欧洲科学技术研究协会（EURO-COST）组成cost-231工作组开发Hata模型对PCS的扩展，提出将Hata模型扩展至2GHz频段。,大多数移动通信系统运行在复杂的传播环境中，路径损耗除了受频率、距离等确定因素的影响，还会受到地形、地貌、建筑物分布及街道分布等不确定因素的影响。,3通信用户的随机移动性,移动台天线高度hm：110m；,另一个反映信道频域特性的参数是相干带宽，相干带宽Bc表示包络相关度为某一特定值时的信号带宽。,反之，当两个频率分量的频率相隔大于相干带宽Bc时，它们幅度相关性很小。,如果发送的是频率为fc的正弦波，在没有多普勒效应的影响下，信号的功率谱密度 为一德塔函数，所有的信号能量会集中在中心频率附近，一但有相对运动之后，多普勒效应将会使功率谱密度往最大多普勒频移fm集中而形成U字形，如图所示。,前面提到的频率选择性衰落和时间选择性衰落在信道中可以同时存在，至于哪种衰落更明显，则取决于信号的带宽和符号周期。,若频率管理