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1、第2章移动通信信道,2023/1/11,1,第2章移动通信信道2022/9/241,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,2.1 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2,2.1.1 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
2、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,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2,2.1.2 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.
3、2 电波传播方式1直射波2反射波3绕射波一般可,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
4、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
5、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,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2,2.1.3 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
6、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,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
7、普勒效,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xi dcosi v t cosi,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,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fd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,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 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
8、度衰落2.2.2 小尺度衰落,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,路径损耗
9、,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1Km100Km、频率范围是150MHz1500MHz，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150MHz1500MHz。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
10、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,（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,Hata模型,适用条
11、件,频率范围：1501500MHz；基站天线有效高度hb：30200m；移动台天线高度hm：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，LT城为城市市区的中值路径损耗，hb和hm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,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,Kmr郊区校正因子,Qo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,（2）Hata模型扩展,欧洲科学技术研究协会（EURO-COST）组成cost-2
12、31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：15002000 MHz;基站的天线有效高度hb：30200 m;移动台天线高度hm：110m；覆盖距离：120 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,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，LT城为城市市区的中值路径损耗，hb和hm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(hm)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
13、式中，d的单位为km，f的单位,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,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
14、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,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
15、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
16、的带宽和符号周期。若频率管理或系统设计不当,就会造成同频干扰；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。当发送信号的符号周期小于信道相干时间时，产生慢衰落。工业噪声来源于各种电气设备，如开关接触噪声、工业的点火辐射及荧光灯干扰等。,2.2 衰落,2.2.1 大尺度衰落,2.2.2 小尺度衰落,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,2.2.2 小尺度衰落,小尺度衰落是指无线电信号在短时间或短距离传播后其幅度、相位或多径时延快速变化，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。
17、,无线信道中的许多物理因素都会影响小尺度衰落，包括：(1)多径效应。多径效应使得各条路径信号到达接收机时有不同的相位、幅度及时延，从而引起时域的时延扩展，在频域产生频率选择性衰落。(2)多普勒效应。多普勒效应是与物体运动有关的，物体的运动包括基站和移动台的相对运动以及无线信道中环境物体的运动。由于移动台或环境物体的高速运动在频移会引起多普勒频移，在相应的时域产生时间选择性衰落。,1影响小尺度衰落的因素,2.2.2 小尺度衰落 小尺度衰落是指无线电信,影响小尺度衰落的因素,(3)信号的传输带宽。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
18、符号周期。因为衰落是表征信道对信号的影响，衰落类型取决于发送信号特性（如带宽和符号周期）及信道特性（如均方根时延扩展和多普勒扩展）之间的关系。,影响小尺度衰落的因素(3)信号的传输带宽。前面提到的频率选,2.2.2 小尺度衰落,时延扩展和相干带宽是用来描述无线信道的时间色散特性，而信道的时间色散是由多径效应所引起的。时延扩展是用来描述在时域上，由多径传播所造成的信号波形扩散效应。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。这些参数可由功率延迟分布得到。这些参数值基本上是由环境所决定的，反映了信道的时域特性。,2移动多径信道参数,（1）时延扩展和相干带宽,2.2.2 小尺
19、度衰落 时延扩展和相干带宽是用,移动多径信道参数,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。也就是说，当两个频率分量的频率相隔小于相干带宽Bc时，它们具有很强的幅度相关性；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。,相干带宽Bc可以由均方根时延扩展 来定义。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽约为：,如果将定义放宽至相关函数值大于，则相干带宽约为：,移动多径信道参数 另一个反映信道频域特性的参数,（2）多普勒扩展和相干时间,移动多径信道参数,多普勒扩展和相干时间是用来描述无线信道的时变特性
20、，而信道的时变特性是由于多普勒效应所引起的。,当发送端和接收端有相对运动的时候，信号便有多普勒频移的产生，这引起了信号频谱扩展。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。,（2）多普勒扩展和相干时间 移动多径信道参数,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。这是因为多普勒效应所造成信道的频率色散，其实也隐含了信道会随时间而改变这个事实。和相干带
21、宽的定义类似，相干时间指的是在某个时间间隔内，任意两个接收信号的增益或衰减有很强的相关性，也就是说，信道对这两个信号所造成的增益或衰减是差不多的。,相干时间Tc可以由最大多普勒频移fm来定义，被普遍采用的公式是：,如果发送信号的码元周期大于信道的相干时间，则信道将在一个码元尚未传送完毕之前就发生变化，这样，接收机所收到的信号就会失真。,移动多径信道参数,在描述信道的时变特性时，从频域的角度来看，我,3小尺度衰落类型,2.2.2 小尺度衰落,信号通过移动无线信道传播时，其衰落类型取决于发送信号的特性及信道特性。信号参数（如带宽、符号周期）和信道参数（如均方根时延扩展和多普勒扩展）之间的关系决定了
22、不同的发送信号将经历不同的衰落类型。,（1）多径时延扩展引起的衰落效应,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。,图 2-5平坦衰落和频率选择性衰落的关系,3小尺度衰落类型 2.2.2 小尺度衰落 信,小尺度衰落类型,当发送的信号带宽小于信道的相干带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，即信号在各个频率的增益或是衰减几乎是一个常数，发生平坦衰落。值得注意的是，这里的“平坦”是指对于任意的一个固定时间，信号在不同频率的增益或衰减几乎是一个定值，所以“平坦”是一个相对于频域的概念，然而在时域上，信号的包络有可能经历快速而剧烈的变化，这是因为
23、当发生平坦衰落时，信道的时延扩展小于符号周期，到达接收机的多径信号是不可分辨的，即不同路径的时延差远小于信号带宽的倒数，由这些不可分辨信号所结合而成的接收信号包络是一个随机变量，研究表明，其通常服从瑞利分布，当存在一个固定的直射分量时，则服从莱斯分布。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。,小尺度衰落类型 当发送的信号带宽小于信道的相干带宽时，信号通,图 2-6平坦衰落信道对信号的影响,小尺度衰落类型,图 2-6平坦衰落信道对信号的影响 小尺度衰落类型,当发送的
24、信号带宽大于信道的相干带宽时，信道对发送信号在不同频率的衰减是不尽相同的，发生频率选择性衰落。很明显，“选择性”也是一个频域上的概念，从时域上看，由于信道的时延扩展大于符号周期，多径传播使得在接收端形成数个可分辨的路径，这些多径将对后续脉冲造成干扰，称为码间干扰。当然，这里每一个可分辨的路径还是包含了若干个不可分辨的路径。频率选择性衰落信道对信号的影响如图2-7所示。,小尺度衰落类型,图 2-7 频率选择性衰落信道对信号的影响,当发送的信号带宽大于信道的相干,小尺度衰落类型,（2）多普勒扩展引起的衰落效应,多普勒扩展引起频率色散，导致发送信号产生慢衰落或快衰落，如图2-8所示。,图 2-8 慢
25、衰落和快衰落的关系,小尺度衰落类型（2）多普勒扩展引起的衰落效应,小尺度衰落类型,当发送信号的符号周期小于信道相干时间时，产生慢衰落。从时域上看，在慢衰落信道中，信道脉冲响应的变化速率比发送信号的基带码元速率慢，在这种情况下，我们可以把数个码元周期内的信道状况都视为静止不变的；而从频域上看这同一个现象，我们可以认为信道的多普勒频移是远小于基带信号的带宽。,小尺度衰落类型 当发送信号的符号周期小于信道,小尺度衰落类型,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。从时域上看，信道的相干时间小于传送信号的码元周期，也就是说信道在一个码元还没有传送完毕之前，就已经发生了变化，因为同一个码元的
26、一部分增益会和另一部分不同，因此快衰落也称时间选择性衰落，而这种情况会引起发送信号的失真。再回到频域来看这个现象，如果多普勒频移越大，代表发送端与接收端的相对速度越高，也就代表信道变化的速度越快，信号因为受到较快的信道衰减变化，失真的情况也就越严重。在实际的系统中，大部分的无线通信系统是处于慢衰落的信道中，快衰落只会发生在发送码元速率极低的情况下。,小尺度衰落类型 当发送信号的符号周期大于信道,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,2.3 噪声和干扰,2.3.1 移动通信中的噪声,2.3.2 移动通信中的干扰,2.3 噪声和干扰2.3.1 移动通信中的噪声2.3.
27、2,2.3.1 移动通信中的噪声,1无线信道噪声分类,噪声的种类很多，也有多种分类方式，若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为三类:,自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声。如雷电、磁暴、太阳黑子、银河系噪声、宇宙射线等。可以说整个宇宙空间都是产生自然噪声的来源。,（1）自然噪声,2.3.1 移动通信中的噪声1无线信道噪声分类 噪声的种类,无线信道噪声分类,（2）人为噪声,人为噪声是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。其中包括工业噪声和无线电噪声。工业噪声来源于各种电气设备，如开关接触噪声、工业的点火辐射及荧光灯干扰等。无线电噪声来源于各种无线电发射机，如外台干扰、宽带干扰等
28、。,内部噪声是指通信设备本身产生的各种噪声。它来源于通信设备的各种电子器件、传输线、天线等。,（3）内部噪声,无线信道噪声分类（2）人为噪声人为噪声是指人类活动所产生的,它主要来自于通信设备中有源器件，如电子管、晶体管及各类大规模集成电路中的载流子的起伏变化而产生。其特点与无源噪声类似。它与无源白噪声的唯一差异是在一定激发条件下才产生大量电子发射而形成。,有源霰弹噪声,它主要来自于一切无源器件，如电阻、电容、电路板的分子热运动所引起的噪声。,无源热噪声,内部噪声又可分为两类：,无线信道噪声分类,它主要来自于通信设备中有源器件，如电子管、晶体管及各类大规模,2.3.1 移动通信中的噪声,2移动通
29、信中的噪声,影响移动通信性能的噪声主要是加性高斯白噪声(AWGN),这并非移动通信所特有，这在大多数通信系统中都存在，其主要来源是热噪声。,2.3.1 移动通信中的噪声2移动通信中的噪声 影响移动通,2.3 噪声和干扰,2.3.1 移动通信中的噪声,2.3.2 移动通信中的干扰,2.3 噪声和干扰2.3.1 移动通信中的噪声2.3.2,2.3.2 移动通信中的干扰,若频率管理或系统设计不当,就会造成同频干扰；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。采用同频复用时，同频复用距离设置不当，会引起同频干扰。,1.同频干扰,引起的原因：,指相同载
30、频电台之间的干扰。,2.3.2 移动通信中的干扰若频率管理或系统设计不当,就会造,2.3.2 移动通信中的干扰,2.邻频干扰,是指相邻的或邻近的频道之间的干扰。,由于发射机的调制边带扩展和边带噪声辐射，离基站近的第K1频道的MS强信号干扰离基站远的第K频道的MS弱信号；共信道干扰，即干扰分量落在被干扰接收机带内。,引起的原因：,2.3.2 移动通信中的干扰2.邻频干扰是指相邻的或邻近的,2.3.2 移动通信中的干扰,由传输信道中的非线性电路产生的。它指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。,互调干扰的类型：,3.互调干扰,发射机互调；接收机互调；外部效应引起的互调。,2.3.2 移动通信中的干扰由传输信道中的非线性电路产生的。,
