移動通信信道詳解演示文稿

移動通信信道詳解演示文稿11/24/20221第一頁，共四十四頁。優(yōu)選移動通信信道11/24/20222第二頁，共四十四頁。2.1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(yīng)11/24/20223第三頁，共四十四頁。2.1.1移動通信信道的主要特點1．傳播的開放性這是區(qū)別于有線信道，有線信道中，電磁波被限定在導(dǎo)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(fù)雜性是指接收點地理環(huán)境的復(fù)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(yuǎn)郊區(qū)。3．通信用戶的隨機(jī)移動性11/24/20224第四頁，共四十四頁。2.1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(yīng)11/24/20225第五頁，共四十四頁。2.1.2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(dá)手機(jī)。2．反射波當(dāng)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．繞射波電磁波繞過繞過障礙物，在障礙物后方形成場強(qiáng)。

一般可歸納為以下波四種基本傳播方式：

11/24/20226第六頁，共四十四頁。2.1.2電波傳播方式4．散射波當(dāng)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

11/24/20227第七頁，共四十四頁。2.1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(yīng)11/24/20228第八頁，共四十四頁。2.1.3接收信號中的四種效應(yīng)1.陰影效應(yīng)由于大型建筑物或其它物體的遮擋，在于障礙物的后面產(chǎn)生的傳播半盲區(qū)。2.遠(yuǎn)近效應(yīng)由于移動用戶距離基站有遠(yuǎn)有近，這樣近處的用戶信號就會對遠(yuǎn)處的用戶信號產(chǎn)生抑制。11/24/20229第九頁，共四十四頁。2.1.3接收信號中的四種效應(yīng)3.多徑效應(yīng)由于用戶所處位置的復(fù)雜性，到達(dá)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(dá)時的信號強(qiáng)度、到達(dá)時間及到達(dá)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(yīng)由于用戶處于高速移動中，從而引起傳播頻率的擴(kuò)散，由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移（多普勒擴(kuò)散）。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(zhǔn)靜態(tài)的室內(nèi)通信則不予考慮。11/24/202210第十頁，共四十四頁。2.1.3接收信號中的四種效應(yīng)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(yuǎn)，可假設(shè)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(dāng)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(yuǎn)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11/24/202211第十一頁，共四十四頁。移動信道基本特性2.1衰落2.22.3噪聲和干擾11/24/202212第十二頁，共四十四頁。2.2衰落2.2.1大尺度衰落2.2.2小尺度衰落11/24/202213第十三頁，共四十四頁。2.2.1大尺度衰落在大尺度模型中，一般主要關(guān)注由路徑損耗（Pathloss）和陰影（shadowing）效應(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)用的電波傳播損耗預(yù)測模型。

11/24/202214第十四頁，共四十四頁。路徑損耗電波傳播損耗預(yù)測模型是基于大量實測數(shù)據(jù)而得到的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，常用的模型包括：奧村模型（OkumuraModel）、哈塔模型（HataModel）、哈塔模型的COST231擴(kuò)展等。其中奧村模型是城市宏小區(qū)中信號預(yù)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。哈塔模型是將奧村模型中的經(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。而哈塔模型的COST231擴(kuò)展是歐洲科技合作組織將哈塔模型擴(kuò)展到2GHz，以便適合PCS系統(tǒng)。下面分別介紹哈塔模型和哈塔模型的COST231擴(kuò)展。11/24/202215第十五頁，共四十四頁。（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(jī)預(yù)測。Hata根據(jù)Okumura的基本中值場強(qiáng)預(yù)測曲線，通過曲線擬合，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(shè)，以求簡化：作為兩個全向天線之間的傳播損耗處理；作為準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)采用校正公式進(jìn)行修正。路徑損耗11/24/202216第十六頁，共四十四頁。Hata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，d的單位為km，f的單位為MHz，LT城為城市市區(qū)的中值路徑損耗，hb和hm分別為基站和移動臺天線有效高度。11/24/202217第十七頁，共四十四頁。移動臺天線高度修正因子：對于其它地形，Hata分別定義了相應(yīng)的修正因子Kmr——郊區(qū)校正因子

Qo——開闊地校正因子（農(nóng)村地區(qū)）

Hata模型11/24/202218第十八頁，共四十四頁。（2）Hata模型擴(kuò)展歐洲科學(xué)技術(shù)研究協(xié)會（EURO-COST）組成cost-231工作組開發(fā)Hata模型對PCS的擴(kuò)展，提出將Hata模型擴(kuò)展至2GHz頻段。所以該模型稱為Hata模型擴(kuò)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11/24/202219第十九頁，共四十四頁。Hata模型擴(kuò)展傳播損耗公式

式中，d的單位為km，f的單位為MHz，LT城為城市市區(qū)的中值路徑損耗，hb和hm分別為基站和移動臺天線有效高度。移動臺天線高度修正因子a(hm)與Hata模型相同。對于其它地形，修正因子與Hata模型相同11/24/202220第二十頁，共四十四頁。2.2.1大尺度衰落2．陰影衰落在路徑損耗模型中一般認(rèn)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(jī)等距離但位于不同地理位置上的接收機(jī)，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(qiáng)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(jī)實測值與路徑損耗模型預(yù)測值之間的偏差則是由陰影衰落引起。11/24/202221第二十一頁，共四十四頁。陰影衰落發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(jī)衰減。造成信號隨機(jī)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(jī)衰減。經(jīng)被實測數(shù)據(jù)證實，這種隨機(jī)衰減呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布。圖2-3在路徑損耗、陰影效應(yīng)和多徑傳播與距離的關(guān)系11/24/202222第二十二頁，共四十四頁。2.2衰落2.2.1大尺度衰落2.2.2小尺度衰落11/24/202223第二十三頁，共四十四頁。2.2.2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(yīng)。多徑效應(yīng)使得各條路徑信號到達(dá)接收機(jī)時有不同的相位、幅度及時延，從而引起時域的時延擴(kuò)展，在頻域產(chǎn)生頻率選擇性衰落。(2)多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是與物體運動有關(guān)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(yīng)的時域產(chǎn)生時間選擇性衰落。1．影響小尺度衰落的因素11/24/202224第二十四頁，共四十四頁。影響小尺度衰落的因素(3)信號的傳輸帶寬。前面提到的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。因為衰落是表征信道對信號的影響，衰落類型取決于發(fā)送信號特性（如帶寬和符號周期）及信道特性（如均方根時延擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展）之間的關(guān)系。11/24/202225第二十五頁，共四十四頁。2.2.2小尺度衰落時延擴(kuò)展和相干帶寬是用來描述無線信道的時間色散特性，而信道的時間色散是由多徑效應(yīng)所引起的。時延擴(kuò)展是用來描述在時域上，由多徑傳播所造成的信號波形擴(kuò)散效應(yīng)。常用的時延擴(kuò)展參數(shù)包括：平均附加時延、均方根時延擴(kuò)展和附加時延擴(kuò)展。這些參數(shù)可由功率延遲分布得到。這些參數(shù)值基本上是由環(huán)境所決定的，反映了信道的時域特性。

2．移動多徑信道參數(shù)（1）時延擴(kuò)展和相干帶寬11/24/202226第二十六頁，共四十四頁。移動多徑信道參數(shù)另一個反映信道頻域特性的參數(shù)是相干帶寬，相干帶寬Bc表示包絡(luò)相關(guān)度為某一特定值時的信號帶寬。也就是說，當(dāng)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(qiáng)的幅度相關(guān)性；反之，當(dāng)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(guān)性很小。相干帶寬Bc可以由均方根時延擴(kuò)展來定義。如果相干帶寬定義為頻率相關(guān)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(guān)函數(shù)值大于0.5，則相干帶寬約為：11/24/202227第二十七頁，共四十四頁。（2）多普勒擴(kuò)展和相干時間移動多徑信道參數(shù)多普勒擴(kuò)展和相干時間是用來描述無線信道的時變特性，而信道的時變特性是由于多普勒效應(yīng)所引起的。

當(dāng)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(kuò)展。如果發(fā)送的是頻率為fc的正弦波，在沒有多普勒效應(yīng)的影響下，信號的功率譜密度為一德塔函數(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(yīng)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，如圖所示。

11/24/202228第二十八頁，共四十四頁。

在描述信道的時變特性時，從頻域的角度來看，我們有多普勒擴(kuò)展BD這個參數(shù)，而相干時間Tc則為多普勒擴(kuò)展在時域上的表現(xiàn)。這是因為多普勒效應(yīng)所造成信道的頻率色散，其實也隱含了信道會隨時間而改變這個事實。和相干帶寬的定義類似，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(qiáng)的相關(guān)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，被普遍采用的公式是：

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(jī)所收到的信號就會失真。移動多徑信道參數(shù)11/24/202229第二十九頁，共四十四頁。3．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(kuò)展和多普勒擴(kuò)展）之間的關(guān)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(kuò)展引起的衰落效應(yīng)多徑特性引起的時間色散，導(dǎo)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。圖2-5平坦衰落和頻率選擇性衰落的關(guān)系11/24/202230第三十頁，共四十四頁。小尺度衰落類型當(dāng)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。值得注意的是，這里的“平坦”是指對于任意的一個固定時間，信號在不同頻率的增益或衰減幾乎是一個定值，所以“平坦”是一個相對于頻域的概念，然而在時域上，信號的包絡(luò)有可能經(jīng)歷快速而劇烈的變化，這是因為當(dāng)發(fā)生平坦衰落時，信道的時延擴(kuò)展小于符號周期，到達(dá)接收機(jī)的多徑信號是不可分辨的，即不同路徑的時延差遠(yuǎn)小于信號帶寬的倒數(shù)，由這些不可分辨信號所結(jié)合而成的接收信號包絡(luò)是一個隨機(jī)變量，研究表明，其通常服從瑞利分布，當(dāng)存在一個固定的直射分量時，則服從萊斯分布。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(yīng)，而S(f)、R(f)和H(f)分別為其相應(yīng)的頻譜。11/24/202231第三十一頁，共四十四頁。圖2-6平坦衰落信道對信號的影響

小尺度衰落類型11/24/202232第三十二頁，共四十四頁。

當(dāng)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。很明顯，“選擇性”也是一個頻域上的概念，從時域上看，由于信道的時延擴(kuò)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。當(dāng)然，這里每一個可分辨的路徑還是包含了若干個不可分辨的路徑。頻率選擇性衰落信道對信號的影響如圖2-7所示。小尺度衰落類型圖2-7頻率選擇性衰落信道對信號的影響

11/24/202233第三十三頁，共四十四頁。小尺度衰落類型（2）多普勒擴(kuò)展引起的衰落效應(yīng)多普勒擴(kuò)展引起頻率色散，導(dǎo)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(guān)系

11/24/202234第三十四頁，共四十四頁。小尺度衰落類型當(dāng)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(yīng)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(rèn)為信道的多普勒頻移是遠(yuǎn)小于基帶信號的帶寬。11/24/202235第三十五頁，共四十四頁。小尺度衰落類型當(dāng)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，因為同一個碼元的一部分增益會和另一部分不同，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。再回到頻域來看這個現(xiàn)象，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(yán)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。11/24/202236第三十六頁，共四十四頁。移動信道基本特性2.1衰落2.22.3噪聲和干擾11/24/202237第三十七頁，共四十四頁。2.3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11/24/202238第三十八頁，共四十四頁。2.3.1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(jìn)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11/24