第2章 移動信道課件

2-1現(xiàn)代移動通信第2章移動通信信道2-2第2章移動通信信道主要內(nèi)容2.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.2

移動通信信道的多徑傳播特性2.3

描述多徑衰落信道的主要參數(shù)2.4陰影衰落的基本特性2.5電波傳播損耗預(yù)測模型2.6多徑衰落信道的建模和仿真2-3第2章移動通信信道要求與重點了解移動通信中電波傳播的主要方式，理解兩徑傳播模型的合成場強計算方法。掌握多徑傳播的基本特性，理解多徑衰落對數(shù)字移動通信的影響。掌握描述多徑信道的參數(shù)，理解小范圍衰落模型。理解電波傳播損耗的預(yù)測。了解移動通信信道的建模與仿真2-4第2章移動通信信道通過本章學(xué)習(xí)，著重解決以下問題：大尺度傳播特性(Largescale)大尺度傳播模型:描述的是發(fā)射機與接收機之間(T-R)長距離(幾千米、數(shù)百波長量級)上的場強變化。小尺度傳播特性(Smallescale)小尺度傳播模型:描述短距離(數(shù)十波長以下量級)內(nèi)的接收場強的傳播模型。統(tǒng)計特性主要參數(shù)建模與仿真1)對移動信道有一個全面深入的理解2)更好地理解經(jīng)歷信道后的信號變化機理2-5概述信道分類按傳輸媒質(zhì)分有線信道無線信道根據(jù)信道特性參數(shù)隨時間變化的快慢恒參信道：傳輸特性隨時間變化速度極慢，或者說在足夠長的時間內(nèi)，其參數(shù)基本不變。變參信道：傳輸特性隨時間的變化較快。移動通信信道典型的無線變參信道。為何要研究傳播特性發(fā)射機與接收機之間的傳播路徑非常復(fù)雜接收天線將接收從多條路徑傳來的信號(開放性）移動臺的運動（隨機移動性）周圍環(huán)境的變化（復(fù)雜性，地貌、人工建筑、氣候特征等）電磁干擾，頻段等傳播特性直接關(guān)系到以下因素天線高度的確定預(yù)測信號的覆蓋范圍為實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)可靠的通信需采用何種抗衰落技術(shù)無線通信系統(tǒng)的通信能力和服務(wù)質(zhì)量…………概述無線移動通信信道是一種電波傳播環(huán)境很復(fù)雜的無線信道，電波在不同的地形地貌和移動速度的環(huán)境條件下傳播。研究傳播特性的基本方法理論分析即用電磁場理論或統(tǒng)計理論分析電波在移動環(huán)境中的傳播特性，并用各種模型來描述移動信道?，F(xiàn)場電波傳播實測即在不同的傳播環(huán)境中，做電波傳播試驗。測試參數(shù)包括接收信號幅度、時延以及其它反映信道特征的參數(shù)。計算機模擬即利用計算機強大的計算能力，快速靈活地模擬各種移動環(huán)境。該方法可彌補前兩種方法的不足。

概述2-8概述目前典型移動通信使用頻段：

1、150MHz（VHF）

2、450MHz（UHF）

3、900MHz（UHF）

4、1800MHz（UHF） 第三代移動通信——IMT-2000使用1.8-2.2GHz頻段（UHF）。那么，VHF、UHF頻段電波傳播有些什么特性呢？2-92.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1電波傳播方式2.1.2直射波2.1.3大氣中的電波傳播2.1.4障礙物的影響與繞射損耗2.1.5反射波2.1.6散射波2-102.1.1電波傳播方式VHF與UHF頻段，典型傳播方式1、直射2、反射3、散射4、繞射2-112.1.2直射波采用模型自由空間傳播模型自由空間模型的定義天線周圍是均勻無損耗的無限大真空大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)電導(dǎo)率為0，相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率為1自由空間特性不存在電波的反射、折射、繞射、色散和吸收等現(xiàn)象，電波的傳播速率等于真空中光速C。理想傳播條件2-12自由空間損耗自由空間損耗的本質(zhì)球面波在傳播過程中，隨著傳播距離增大，球面單位面積上的能量減小了，而接收天線的有效截面積是一定的，故而接收天線所捕獲的信號功率是減小了，這是自由空間損耗的本質(zhì)。dPTPR2-13模型適用范圍傳播媒體的近似實際情況中，只要地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率為1，傳播路徑上沒有障礙物的阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計，這樣情況下，電波可視作在自由空間傳播。自由空間損耗的本質(zhì)球面波在傳播過程中，隨著傳播距離增大，球面單位面積上的能量減小了，而接收天線的有效截面積是一定的，故而接收天線所捕獲的信號功率是減小了，是由于輻射能量的擴散而引起的，這是自由空間損耗的本質(zhì)。2-14接收功率計算公式自由空間的接收功率：PT=發(fā)射功率(W)GT=發(fā)射天線增益GR=接收天線增益=c/f波長(m)，c=光速(3×108

m/s)d=發(fā)射機和接收機之間的距離(m)dPTPR2-15自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗可以定義為：(不考慮天線增益)以dB計，得到：或可見，自由空間電波傳播損耗只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)。電波在自由空間傳播時，其衰耗為100dB，當工作頻率增大一倍時，則傳輸衰耗為（

）。A、增加6dBB、減小6dB C、增加12dB D、不變2-162.1.3大氣中的電波傳播實際移動信道在低層大氣中，電波在底層大氣中傳播。低層大氣并不是均勻介質(zhì)，溫濕度、氣壓等隨時間和空間變化，對電波傳播產(chǎn)生折射和吸收等現(xiàn)象有利：可使極限視線傳播的距離增大。不利：吸收等2-172.1.3大氣中的電波傳播折射產(chǎn)生機理大氣折射率是變化的，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，從而使電波射束發(fā)生彎曲，彎曲的方向和程度取決于大氣折射率的垂直梯度。這種由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，稱為折射。其彎曲程度取決于大氣折射率n的垂直梯度：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，也就是認為電波依然按直線方向行進，只是地球的實際半徑變成了等效半徑：2-18大氣折射標準大氣情況下，當dn/dh≈-4×10-8(l/m)，等效地球半徑系數(shù)k=4/3。地球?qū)嶋H半徑是6370km,地球等效半徑為8500km。大氣折射的結(jié)果是傳播距離比極限視距更遠了，即所謂的超視距傳播。但在視線距離內(nèi)，因為由折射現(xiàn)象所產(chǎn)生的折射波會同直射波同時存在，從而也會產(chǎn)生多徑衰落。2-19大氣折射假設(shè)A點架設(shè)一部發(fā)信機，天線的架高是H1，AB是和地球相切的一條射線。若要接收到來波，天線的架高必須超出這條切線，如果天線的高度不夠高，為了接收到來波，天線應(yīng)該向哪個方向移動?CABH1OC1H2C22-20視線傳播極限距離(LOS,LineofSight)2023年1月14日21繞射能夠使電磁波繞過地球彎曲的表面或障礙物傳播。即使接收機移動到障礙物的陰影區(qū)，接收場強衰減得非?？?，但是由于繞射場強的存在，接收機仍然能夠接收到有用信號。由障礙物引起的附加傳播損耗稱為繞射損耗。設(shè)障礙物與發(fā)射點和接收點的相對位置如圖所示。圖中，x表示障礙物頂點P至直射線TR的距離，稱作菲涅爾余隙。規(guī)定阻擋時余隙為負，如圖(a)所示；無阻擋時余隙為正，如圖(b)所示。(a)負余隙；(b)正余隙；2.1.4障礙物的影響與繞射損耗2-222.1.4障礙物的影響與繞射損耗原理波理論。繞射可以用惠更斯原理解釋?；莞乖恚翰ㄇ暗乃悬c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。繞射由次級波的傳播進入陰影區(qū)而形成。2023年1月14日23(c)繞射損耗與余隙關(guān)系

由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙的關(guān)系如圖(c)所示。圖中，縱坐標為繞射引起的附加損耗，即相對于自由空間傳播的分貝數(shù)。橫坐標x／x1中的x1是第一菲涅爾區(qū)在P點橫截面的半徑，它由下列關(guān)系式求得式中，λ=c/f,c為光速，f為頻率。

2.1.4障礙物的影響與繞射損耗x/x1＞0.5時附加損耗為0dB。X<0時，損耗急劇增加。X=0時，TR射線從障礙物頂點擦過在選擇天線高度時，根據(jù)地形盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾區(qū)余隙x/x1＞0.52023年1月14日24例設(shè)在P19(a)所示的傳播路徑中，菲涅爾余隙x=-82m，d1=5km，d2=10km，工作頻率為150MHz。試求電波傳播損耗。解先求出自由空間傳播損耗：［Lbs］=32.45+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB

求第一菲涅爾區(qū)半徑：由圖(c)查得附加損耗(x／x1≈-1)為17dB，所以電波傳播的損耗為［L］=［Lbs］+17=116.5dB繞射損耗2-252.1.5反射反射波：當電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，如果尺寸比電波波長大得多時會產(chǎn)生鏡面反射。反射波與直射波二徑合成2-262.1.5反射地面反射模型（雙線或兩徑傳播模型）：雙線地面反射模型是基于幾何光學(xué)的非常有用的傳播模型，不僅考慮了直接路徑，還考慮了發(fā)射機和接收機的地面反射路徑。引入反射系數(shù)R。定義為反射波場強與入射波場強的比值。鏡面反射時，R=-1。適用范圍幾千米范圍的大尺度信號和城區(qū)視距內(nèi)的微蜂窩環(huán)境。場強計算步驟路徑差、路徑差引起的附加相移、接收場強。2-27場強計算步驟反射波與直射波的路徑差為：

通常，上式中每個根號都可以用二項式定理展開，并且只取展開式中的前兩項。

2-28場強計算步驟b.由路徑差引起的附加相移c.接收場強在T-R距離很大的情況下，dLOS與dg相差很小，兩者近似等于d，此時有

：可見：1）合成場強隨相位差的變化而變化，有時會相加，有時會抵消，造成衰落現(xiàn)象；2）接收場強幅度近似隨距離的2次方衰減，其大小與頻率無關(guān)，對應(yīng)的傳播損耗為：傳播相移系數(shù)2023年1月14日29散射：當電磁波穿行的介質(zhì)中存在小于波長的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個數(shù)非常巨大時，發(fā)生散射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面，小物體或其他不規(guī)則物體。在實際的通信系統(tǒng)中，樹葉、街道標志和燈柱等會引發(fā)散射。實際移動環(huán)境中，有時接收信號比單獨繞射和反射模型預(yù)測的要強，這是因為當電波遇到粗糙表面時，發(fā)生散射作用，這就給接收機提供了額外的能量。如左圖所示，兩個平面分別有光滑和粗糙的表面，入射波A和B有同樣入射角，則其反射波的路徑差表示表面的不平度。普遍接受的標準是路徑差小于1/4波長則表面對電波是平坦的。表面不平的臨界高度：2.1.6散射2-30無線電波傳播機制直射、折射、反射、繞射和散射。自由空間（無阻擋物）：直射，視距傳播LOS(line-of-sight))存在阻擋物（多條路徑）：反射：當電波在不同性質(zhì)的介質(zhì)交界處，會有一部分發(fā)生反射。繞射：惠更斯原理。尖銳邊緣，能夠傳播到阻擋物后面。散射：粗糙的表面會向所有方向散射電磁波。平滑表面—>反射模型。粗糙表面—>散射模型。傳播損耗自由空間模型：雙徑模型：

基本電波的傳播機制小結(jié)2-31大多數(shù)情況都是空間傳播損耗、反射、繞射、散射等多種因素的綜合。預(yù)測接收點的信號場強是研究傳播模型的主要目的，通過以上的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可以對預(yù)測接收點的信號場強有定性和一些定量的分析。要想較為準確地預(yù)測出接收點的信號場強大小，則還需要全面地考慮各種傳播方式的傳播損耗。

基本電波的傳播機制小結(jié)2-32第2章移動通信信道2.2移動通信信道的多徑傳播特性2-332.2移動通信信道的多徑傳播特性一、移動通信信道中的電波傳播特性移動信道是一種時變信道

信號傳播過程中受到來自不同類型的損耗

傳播損耗陰影衰落多徑衰落：移動臺與基站的距離大尺度衰落小尺度衰落一、移動通信信道的傳播特性2-341、傳播損耗(路徑損耗）長程范圍內(nèi)的信號電平變化（幾千米量級）電波傳播引起的平均接收功率衰減取決于發(fā)射機與接收機之間的距離

自由空間時，路徑衰落因子n=2，一般情況下n=3～52-35一、移動通信信道的傳播特性2、陰影衰落——陽光不能普照由大型障礙物的遮擋引起，包括傳播環(huán)境中的地形起伏、人造建筑物等短程范圍內(nèi)的信號電平變化（數(shù)百波長量級）2-36一、移動通信信道的傳播特性3、小尺度衰落——余音繞梁＋跑得太快主要由多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)引起數(shù)十波長量級內(nèi)的信號電平變化接收信號場強的瞬時值快速變化，在幾個波長間距內(nèi)的變化幅度可達30dB一、移動通信信道的傳播特性圖2-6陸地移動通信信道中的電波傳播特性2-38二、移動通信信道的二種傳播模型大尺度路徑損耗傳播模型描述發(fā)射機和接收機之間長距離上平均場強的變化，用于預(yù)測平均場強并估計無線覆蓋范圍。受到收發(fā)距離及地形地貌的影響小尺度多徑衰落傳播模型描述移動臺在極小范圍內(nèi)移動時，短距離（幾個波長）或短時間（秒級）上接收場強的快速變化，用于確定移動通信系統(tǒng)應(yīng)該采取的抗衰落技術(shù)。大尺度衰落可看成信號小尺度衰落的空間平均！當移動通信跨越比較大的區(qū)域時，會同時受到大尺度衰落和小尺度衰落的影響！三、移動環(huán)境的多徑傳播多徑傳播的產(chǎn)生及影響信道中的反射物和散射物導(dǎo)致發(fā)射波到達接收機時形成在時間、空間上相互區(qū)別的多個無線電波。不同多徑成分具有的隨機相位和幅度引起信號幅度波動－>小尺度衰落。延長信號到達接收機的時間，引起碼間串擾。2-39800MHz室內(nèi)環(huán)境中典型傳播時延擴展為1μs，符號速率200kbps，符號寬度？重疊覆蓋率？三、移動環(huán)境的多徑傳播遠端區(qū)域和近端區(qū)域衰落的程度依賴于多徑波的強度、相對傳播時間以及傳播信號的帶寬。多徑傳播示意圖余音繞梁看上去信號有什么變化呢？在不到一個波長范圍內(nèi)會出現(xiàn)幾十分貝的電平變化和劇烈的相位擺動多徑衰落四、多普勒頻移多普勒頻移與移動臺運動速度及移動臺方向與無線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。頻率變化值朝向入射波方向移動－>多普勒頻移為正值；被向入射波方向移動－>多普勒頻移為負值。成因：路程差造成的接收信號相位變化值，進而產(chǎn)生多普勒頻移。后果：信號經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機信號的多普勒擴展，進而增加信號帶寬。2-44四、多普勒頻移移動的可以是收發(fā)端的相對運動或者傳播環(huán)境中主要散射體的運動?？瓷先バ盘栍惺裁醋兓兀课?、多徑接收信號的統(tǒng)計特性移動無線信道統(tǒng)計分析：對接收信號的功率或電壓包絡(luò)進行定量描述。瑞利分布萊斯分布

Nakagami-m分布2-452-461、瑞利分布

產(chǎn)生的原因在發(fā)信機與收信機之間沒有直射波通路；有大量反射波存在，到達接收天線的方向角和相位隨機，且在0～2π內(nèi)均勻分布；各個反射波的幅度和相位統(tǒng)計獨立。接收信號的統(tǒng)計分析（σ為方差）包絡(luò)概率密度函數(shù)（瑞利分布）：相位概率密度函數(shù)（均勻分布）：2023年1月14日47

多徑效應(yīng)與瑞利衰落(Rayleighfading)

在陸地移動通信中，移動臺往往受到各種障礙物和其它移動體的影響，以致到達移動臺的信號是來自不同傳播路徑的信號之和，如圖所示。假設(shè)基站發(fā)射的信號為式中，ω0為載波角頻率，φ0為載波初相。經(jīng)反射(或散射)到達接收天線的第i個信號為Si(t)，其振幅為αi,相移為φi。假設(shè)Si(t)與移動臺運動方向之間的夾角為θi,其多普勒頻移值為1、瑞利分布移動臺接收N條路徑信號2023年1月14日48

式中，v為車速，λ為波長，fm為θi=0°時的最大多普勒頻移，因此Si(t)可寫成假設(shè)N個信號的幅值和到達接收天線的方位角是隨機的且滿足統(tǒng)計獨立，則接收信號為1、瑞利分布2023年1月14日49則S(t)可寫成

S(t)=(x+jy)exp［j(ω0t+φ0)］由于x和y都是獨立隨機變量之和，因而根據(jù)概率的中心極限定理，大量獨立隨機變量之和的分布趨向正態(tài)分布，即有概率密度函數(shù)為

假設(shè)

，且p(x)和p(y)均值為零，則1、瑞利分布2023年1月14日50得聯(lián)合概率密度函數(shù)為

對θ積分，可求得包絡(luò)概率密度函數(shù)p(r)為r≥0通常，二維分布的概率密度函數(shù)使用極坐標系(r,θ)表示比較方便。此時，接收天線處的信號振幅為r,相位為θ，對應(yīng)于直角坐標系為1、瑞利分布2023年1月14日51同理，對r積分可求得相位概率密度函數(shù)p(θ)為0≤θ≤2π不難得出瑞利衰落信號的如下一些特征：均值均方值方差1、瑞利分布瑞利分布的概率密度1、瑞利分布2-532、萊斯分布產(chǎn)生的原因離基站較近的區(qū)域，通常存在占支配地位的直射波信號。當存在一個主要的靜態(tài)(非衰落)信號分量時，接收信號包絡(luò)服從萊斯分布。接收信號的統(tǒng)計分析當主要分量rs減弱后，萊斯分布退化為瑞利分布！54萊斯分布的概率密度函數(shù)Play瑞利分布萊斯分布高斯分布2-553、Nakagami-m分布由Nakagami在20世紀60年代提出基于現(xiàn)場測試的實驗方法用曲線擬合得到近似分布的經(jīng)驗公式對無線信道的描述有很好的適應(yīng)性當m＝1時，退化為瑞利分布。當m較大時，接近于高斯分布。六、衰落信號幅度的特征量對于鏈路設(shè)計而言，希望得到影響鏈路性能的重要統(tǒng)計量一條衰落信道每隔多長時間就會衰落到某一特定的電平之下？這條信道將在該門限下持續(xù)多長時間？工程實用中，常常用一些特征量表示衰落信號的幅度特點，即衰落率、電平通過率和衰落持續(xù)時間。2-562-571、衰落率信號包絡(luò)在單位時間內(nèi)以正斜率通過中值電平的次數(shù)，即信號包絡(luò)衰落的速度。與發(fā)射頻率、移動臺行進速度、方向及多徑傳播的路徑數(shù)有關(guān)。

當移動臺的行進方向朝著或背著電波傳播方向時，衰落最快。平均衰落率2-582、電平通過率包絡(luò)在單位時間以正斜率通過某規(guī)定電平R的次數(shù)實測發(fā)現(xiàn)，深度衰落發(fā)生的次數(shù)較少，淺度衰落發(fā)生得相當頻繁。衰減20dB概率為1%，衰減30dB和40dB的概率分別為0.1%和0.01%。2-593、衰落持續(xù)時間

定義：信號包絡(luò)低于某個給定電平值的概率與該電平值所對應(yīng)的電平通過率之比。接收信號電平低于接收機門限電平時，就可能造成語音中斷或誤比特率突然增大。由于每次衰落的持續(xù)時間是隨機的，只能給出平均衰落持續(xù)時間。

思考：對工程設(shè)計的意義在哪里？了解接收信號包絡(luò)低于某個門限的持續(xù)時間的統(tǒng)計規(guī)律，就可以判斷語音受影響的程度，或者可以確定是否會發(fā)生突發(fā)錯誤及突發(fā)錯誤的長度。2-602.3描述多徑衰落信道的主要參數(shù)第2章移動通信信道2-612.3描述多徑衰落信道的主要參數(shù)電波通過移動信道后，信號在時域上、頻域上和空間（角度）上都產(chǎn)生色散，使信號產(chǎn)生衰落失真。多徑效應(yīng)：時延擴展

多普勒效應(yīng)：頻譜擴展散射效應(yīng)：角度擴展頻率選擇性衰落時間選擇性衰落空間選擇性衰落功率時延分布（PDP，PowerDelayProfile）描述信道在時間上的色散；多普勒功率譜密度（DPSD，DopplerPowerSpreadDensity）描述信道在頻率上的色散；功率角度譜（PAS，PowerAzimuthSpectrum）描述信道在角度上的色散。時延擴展、相關(guān)帶寬、多普勒擴展、相關(guān)時間、角度擴展和相干距離

2.3描述多徑衰落信道的主要參數(shù)1、什么是時延擴展(timedelayspread)？多徑傳播造成信號時間擴散假設(shè)發(fā)射一個極短的脈沖信號，經(jīng)過多徑信道后，接收信號呈現(xiàn)為一串脈沖

時延擴展大?。鹤畲髠鬏敃r延和最小傳輸時延的差值2-63一、時延擴展和相關(guān)帶寬

時變多徑信道響應(yīng)示例(a)N=3(b)N=4(c)N=52-64一、時延擴展和相關(guān)帶寬P(τ)相對幅度/dB0dBo30dBP(τ)τ（相對時延時間）Δ典型的時延（功率）譜曲線2、如何描述時延擴展?時延功率譜：由不同時延信號分量的平均功率構(gòu)成

2、如何描述時延擴展?

時延擴展的相關(guān)參數(shù)τ:相對時延值P(τ)：歸一化時延譜

：平均多徑時延，P(τ)的一階矩

：時延擴展，P(τ)的均方根

：最大多徑時延，P(τ)下降到-30dB時的時延差2-65一、時延擴展和相關(guān)帶寬2-66一、時延擴展和相關(guān)帶寬平均多徑時延（一階矩）時延擴展（均方根值rms）離散化離散化2、如何描述時延擴展?2-67多徑時散參數(shù)典型值2-68從時延擴展角度說明相關(guān)帶寬He(w,t)Si(t)S0(t)Σ

Δ(t)

β圖2-13雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò)以雙徑模型為例，且不計信道的固定衰減2-69雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:

信道的幅頻特性為:當時，雙徑信號同相疊加，信號出現(xiàn)峰點；當時，雙徑信號反相相消，信號出現(xiàn)谷點。從時延擴展角度說明相關(guān)帶寬70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Δφ=Δω×Δ(t)=2π實際上，移動信道中的傳播路徑通常為多條，且由于移動臺處于運動狀態(tài)，相對多徑時延差Δ(t)也是隨時間而變化的，因而合成信號振幅的谷點和峰點在頻率軸上的位置也將隨時間而變化，這就很難準確地分析相關(guān)帶寬的大小。工程上，對于角度調(diào)制信號，相關(guān)帶寬可按下式估算：Δ為時延擴展。說明相關(guān)帶寬是信道本身的特性參數(shù)，與信號無關(guān)

從時延擴展角度說明相關(guān)帶寬合成信號兩相鄰幅值為最小值的頻率間隔是與多徑時延差成反比的，通常Bc稱為信道的相關(guān)帶寬2023年1月14日從包絡(luò)相關(guān)性角度推導(dǎo)相關(guān)帶寬(＊)設(shè)兩個信號的包絡(luò)為和，頻率差為，則包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

此處，相關(guān)函數(shù)

若信號衰落符合瑞利分布，則

式中，為零階Bessel函數(shù)，為最大多普勒頻移。不失一般性，可令，簡化后通常，根據(jù)包絡(luò)的相關(guān)系數(shù)

來測度相關(guān)帶寬代入得相關(guān)帶寬2-72相關(guān)帶寬定義指一特定頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個頻率分量有很強的幅度相關(guān)性，也就是當頻率間隔小于相關(guān)帶寬時，是相關(guān)的，其衰落具有一致性，否則就不相關(guān)。即在此范圍內(nèi)的所有頻率分量幾乎具有相同的增益及線性相位。定量計算相關(guān)系數(shù)大于0.9的某特定帶寬將定義放寬至相關(guān)系數(shù)大于0.5工程上，見教材相關(guān)帶寬由信道的時延擴展決定，兩者之間成反比關(guān)系。2-73時延擴展和相關(guān)帶寬的關(guān)系信道實際情況時延擴展（多徑結(jié)構(gòu)）相關(guān)帶寬實例：時延擴展為1.37s，相關(guān)帶寬為116kHz思考：時延擴展為1.37s，相關(guān)帶寬為116kHz，帶寬分別為30kHz的信號和200kHz的信號，在經(jīng)過該信道后，從時域和頻域上看，各有什么區(qū)別？平坦衰落（30kHz-33.3s）

頻率選擇性衰落（200kHz–5s）2-74時延擴展和相關(guān)帶寬的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長，帶寬窄，多徑信號不會干擾整個碼元，信號帶寬小于信道相關(guān)帶寬。數(shù)據(jù)傳輸速率高，則碼元寬度小，帶寬寬，多徑信號干擾碼元程度高，信號帶寬大于信道相關(guān)帶寬。2-75平坦衰落在信號帶寬范圍內(nèi)，各頻點的幅度有基本相同的增益，即發(fā)送信號的頻譜基本保持不變；信道的增益是隨著時間變化的，接收端信號的功率可能不斷變化，導(dǎo)致信號忽大忽小的變化就是衰落。信號帶寬遠遠小于相干帶寬的情況如右圖所示，通過圖的動態(tài)變化我們可以看出：2-76頻率選擇性衰落在信號帶寬范圍內(nèi)，對不同的頻率成份有了不同的響應(yīng)，也就是說對信號的頻率具有了選擇性，信號發(fā)生了失真；所傳輸?shù)男盘枎挻笥谙喔蓭?則所傳輸?shù)男盘枌a(chǎn)生明顯的畸變?nèi)鐖D所示。通過圖的動態(tài)變化，我們可以看出：針對平坦衰落，從頻域看，不同頻率分量經(jīng)歷了相同衰落，從時域看，接收信號只經(jīng)歷一個可分辨徑的衰落（包括多個不可分辨徑），無ISI。針對選擇性衰落，從頻域看，信道對不同頻率成分有不同的衰落，從時域看，接收信號經(jīng)歷多個可分辨徑的衰落，有ISI。在相關(guān)帶寬內(nèi)信號傳輸失真小，若信號帶寬超過相關(guān)帶寬將產(chǎn)生較大的失真和符號間干擾信號傳輸速率受相關(guān)帶寬的限制（上限）

2-77相關(guān)帶寬的意義2-78例計算下圖所給出的多徑分布的平均附加時延、rms時延擴展及最大附加時延（10dB）。設(shè)信道相干帶寬取50%，則該系統(tǒng)在不使用均衡器的條件下對AMPS或GSM業(yè)務(wù)是否合適？2-79二、

多普勒擴展和相關(guān)時間多普勒擴展（Dopplerspread）--頻率色散

描述信道的時變性，由移動臺與基站的相對運動，或傳播路徑中物體的運動引起。2-80多普勒擴展多普勒擴展：接收的多普勒譜為非0值的頻率范圍，一般定義為BD＝最大多普勒頻移fm＝含義：多普勒擴展BD是譜展寬的測量值，這個譜展寬是移動無線信道的時間變化率的一種量度。2-81相關(guān)時間定義相關(guān)時間就是信道沖激響應(yīng)維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值。在相關(guān)時間內(nèi)，兩個到達信號有很強的幅度相關(guān)性，信道特性沒有明顯變化。相關(guān)時間表征了時變信道對信號的衰落節(jié)拍，由多普勒效應(yīng)引起的，發(fā)生在傳輸波形的特定時間段上，呈現(xiàn)時間選擇性。多普勒擴展在時域的表現(xiàn)形式，用于在時域描述信道頻率色散的時變特性。時間相關(guān)函數(shù)與多普勒功率譜之間是傅里葉變換關(guān)系。2-82相關(guān)時間定量計算1）2）若時間相關(guān)函數(shù)定義為兩個信號包絡(luò)相關(guān)度大于0.5時，相干時間近似為：3）工程上：2-83多普勒擴展與相關(guān)時間的關(guān)系運動速度和信號頻率多普勒擴展相關(guān)時間實例：移動臺速率為60km/h，載頻為900MHz，相關(guān)時間3.58ms，若不產(chǎn)生時間選擇性，符號速率要大于1/Tc=279bps相關(guān)時間由多普勒擴展決定，兩者之間成反比關(guān)系。思考：在上面的例子中，傳輸速率為200bit/s和2000bit/s時，在經(jīng)過該信道后，從時域域上看，有什么區(qū)別？

慢衰落（2000bit/s–0.5ms）

快衰落（200bit/s–5ms）2-84多普勒擴展與相關(guān)時間的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長，信道變化的包絡(luò)以快于傳輸符號率的速度波動，易受時間選擇性衰落影響。2-85相關(guān)時間的意義從時域上看，慢變信道具有大的相關(guān)時間，從頻域上看，等效為小的多普勒擴展。移動臺的速度(或信道路徑中物體的速度)及基帶信號發(fā)送速率，決定了信號是經(jīng)歷快衰落還是慢衰落?？焖ヂ浯_定了信號帶寬的下限。2-86相關(guān)時間的意義

思考：快衰落有沒有好處？如何利用？防止長期處于深度衰落

時間分集的設(shè)計思考：慢衰落有沒有壞處？如何克服？當處于深度衰落時，可采用慢跳頻的方式克服2023年1月14日87時間選擇性衰落時間選擇性衰落是由多普勒效應(yīng)引起的，并且發(fā)生在傳輸波形的特定時間段上，即信道在時域具有選擇性要保證信號經(jīng)過信道不會在時間軸上產(chǎn)生失真，就必須保證傳輸符號速率遠大于相關(guān)時間的倒數(shù)碼元間隔大于信道相關(guān)時間Ts>Tc時選衰落誤碼描述信道角度色的參數(shù)。起因：由移動臺或基站周圍的本地散射體以及遠端散射體引起的。角度擴展定義：為歸一化角度功率譜的均方根值。特性：角度擴展越大，表明散射越強，信號在空間的色散度越高；反之，角度擴展越小，表明散射越弱，信號在空間的色散度越低。三、角度擴展和相關(guān)距離定義：信道沖擊響應(yīng)維持不變（或一定相關(guān)度）的空間間隔的統(tǒng)計平均值

。含義：在相干距離間隔內(nèi)，兩個到達信號有很強的幅度相關(guān)性。與角度擴展的關(guān)系：是角度擴展在空域的表示，具體為相關(guān)距離除了與角度擴展有關(guān)外，還與來波到達角有關(guān)。為了保證相鄰兩根天線經(jīng)歷的衰落不相關(guān)，在弱散射下的天線間隔要比在強散射下的天線間隔要大一些。

三、角度擴展和相關(guān)距離2-902.3.4多徑衰落信道的分類第2章移動通信信道2-912.3.4多徑衰落信道的分類移動信道中的時間色散和頻率色散可能產(chǎn)生4種衰落效應(yīng)根據(jù)信號帶寬和信道帶寬的比較平坦衰落頻率選擇性衰落根據(jù)發(fā)送信號與信道變化快慢程度快衰落慢衰落2-92一、平坦衰落與頻率選擇性衰落平坦衰落：形成條件：信道帶寬遠大于發(fā)送信號的帶寬，且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益及線性相位判定條件：Bs<<BcTs

>>στ2-93一、平坦衰落與頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落形成條件：信道具有恒定增益和線性相位的帶寬范圍小于發(fā)送信號帶寬判定條件克服方法：均衡等Bs>BcTs<στ

2-94二、快衰落與慢衰落快衰落形成條件：信道沖激響應(yīng)在碼元寬度內(nèi)變化很快，即信道的相干時間比發(fā)送信號碼元寬度短。定量判據(jù):Ts>Tc，BD>Bs慢衰落形成條件：信道沖激響應(yīng)在碼元寬度內(nèi)變化很小，即信道的相干時間比發(fā)送信號碼元寬度大。定量判據(jù)Ts

<<Tc，BD<<Bs2-95多徑衰落分類多徑衰落分類2-972.4陰影衰落的基本特性第2章移動通信信道2.4陰影衰落的基本特性陰影衰落：當移動臺通過不同障礙物的陰影時，就構(gòu)成接收天線處場強中值的變化，從而引起衰落。障礙物包括：起伏地形、建筑物、植被（高大的樹林）陰影衰落屬于：慢衰落（長期衰落、大尺度衰落）

陰影衰落特點：與無線電傳播地形和地物的分布、高度有關(guān)2.4陰影衰落的基本特性2023年1月14日100

陰影衰落一般表示為電波傳播距離r的m次冪與表示陰影損耗的正態(tài)對數(shù)分量的乘積。移動用戶和基站之間的距離為r時，傳播路徑損耗和陰影衰落可以表示為式中，ζ是由于陰影產(chǎn)生的對數(shù)損耗（單位符號：dB），服從零平均和標準偏差σdB的對數(shù)正態(tài)分布。m為路徑損耗指數(shù)。當用dB表示時，上式變?yōu)?.4陰影衰落的基本特性2023年1月14日1012-1022.5電波傳播損耗預(yù)測模型第2章移動通信信道2-1032.5電波傳播損耗預(yù)測模型

為什么要預(yù)測（估算）？1、移動通信系統(tǒng)工程設(shè)計的需要2、對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)“考核”的需要3、理論研究的需要設(shè)計無線通信系統(tǒng)時，首要問題是在給定條件下如何算出接收信號的場強或者接收信號的中值。2-104電波傳播損耗預(yù)測模型工程中的求解模型的方法1、大量的場強測試2、通過數(shù)據(jù)處理，找出各種地形地物下的傳播損耗與距離、頻率及天線高度的關(guān)系，給出傳播特性的各種圖表和計算公式，建立電波傳播預(yù)測模型。優(yōu)點——通過場強測試考慮了所有的傳播因素，包括已知的和未知的。不足——在一定頻率和環(huán)境下獲得的模型，在其他條件應(yīng)用時是否正確，只能建立在新的測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。2-105電波傳播損耗預(yù)測模型模型建立的方法1、它是先以自由空間傳播為基礎(chǔ)2、再分別考慮各種地形、地物對電波傳播的影響3、并逐一予以必要的修正2-106電波傳播損耗預(yù)測模型模型：目標：中值損耗=自由空間損耗+地形損耗+修正條件：由大量測試數(shù)據(jù)獲得的圖表、公式2-1072.5.1地形環(huán)境分類1.地形特征定義2.地形分類3.傳播環(huán)境分類2-1081、地形特征定義（1）地形波動高度Δh定義：沿通信方向，距接收地點10km范圍內(nèi)，10％高度線和90％高度線的高度差。10％高度線是指在地形剖面圖上有10％的地段高度超過此線的一條水平線。在平均意義上描述了電波傳播路徑中地形變化的程度。2-1091、地形特征定義（2）移動臺天線有效高度hm移動臺天線有效高度定義為移動臺天線距地面的實際高度。（3）基站天線有效高度hb基站天線有效高度定義為沿電波傳播方向，距基站天線3～15km的范圍內(nèi)平均地面高度以上的天線高度。2-1102、地形分類從電波傳播角度，根據(jù)地形波動高度大小分類：準平坦地形（準平滑地形、中等起伏地形）指該地區(qū)的地形波動高度在20m以內(nèi)，而且起伏緩慢，地形峰頂與谷底之間的水平距離大于地面波動高度，在以公里計的范圍內(nèi)，其平均地面高度差仍在20m以內(nèi)。不規(guī)則地形指除準平坦地形之外的其它地形。2-1112、地形分類不規(guī)則地形按其形態(tài)，又可分為若干類，如丘陵地形、孤立山峰、斜坡和水陸混合地形等。地形Δh（m）地形Δh（m）非常平坦地形0~5小山區(qū)80~150平坦地形5~10山區(qū)150~300準平坦地形10~20陡峭山區(qū)300~700小土崗式起伏地形20~40特別陡峭山區(qū)700丘陵地形40~802-1123、傳播環(huán)境分類根據(jù)地物的密集程度不同將傳播環(huán)境分類：開闊地區(qū):在電波傳播方向上沒有建筑物或高大樹木等障礙的開闊地帶，平原地區(qū)，廣場。郊區(qū):有1～2層建筑，但分布不密集，還可有小樹林等。城區(qū)中小城市地區(qū):建筑物較多，有商業(yè)中心，可有高層建筑，但數(shù)量較少，街道也比較寬。大城市地區(qū):建筑物密集，街道較窄，高層建筑也較多。2-1133、傳播環(huán)境分類工程設(shè)計中，通常按照其穿透損耗的大小分類：如CDMA二期將地域類型分成密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村等幾類。2-1143、傳播環(huán)境分類2-1152.5.2Okumura模型日本科學(xué)家奧村（Okumura）于1962年、1965年在日本東京及其周圍的100Km范圍內(nèi)，使用不同頻率（200、453、922、1310、1430及1920MHz）、不同天線高度、選擇不同的距離進行一系列測試，并對實測結(jié)果進行總結(jié)得出相應(yīng)的曲線。Okumura模型是根據(jù)測試結(jié)果繪成經(jīng)驗曲線構(gòu)成的模型。2-1162.5.2Okumura模型Okumura模型特點：以準平坦（中等起伏）地形的大城市市區(qū)（基站有效天線高度hb為200米，移動天線高度hm為3米）的路徑損耗中值（或場強中值）為基礎(chǔ),因而被稱為基準中值或基本中值。其它天線高度、地形、環(huán)境，則需加校正因子。Okumura模型適用條件：1．f為100～1500MHz；2．基站天線有效高度hb為30～200米；3．移動臺天線高度hm為1～10米；4．通信距離d為1～20km。2-1171、準平坦地形大城市其中，

LM為傳播路徑的損耗中值；

Lfs為自由空間傳播損耗；

Am為中等起伏地形市區(qū)，基站天線高度為200m,移動臺天線高度為3m時相對于自由空間的中值損耗，又稱基本中值損耗；

Hb(hb,d)、Hm(hm,f)為天線高度增益因子。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)2-1181、準平坦地形大城市Am（f,d)為準平坦地市區(qū)傳播損耗中值：基本/基準損耗中值）自由空間傳播損耗的相對值；在hb=200m,hm=3m下得到的。當基站或移動臺天線高度不是基準高度時，通過天線高度增益因子Hb(hb,d)、Hm(hm,f)進行修正。Am（f,d)與f的關(guān)系？2-1191、準平坦地形大城市基站天線高度增益因子Hb(hb,d)LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)當hb>200m時？

2-1201、準平坦地形大城市移動臺天線高度增益因子Hm(hm,f)LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)當hm>3m時？當hm>5m時？

1、準平坦地形大城市2-121Okumura模型計算中值路徑損耗的思路是：（1）首先算出對應(yīng)于基站有效天線高度hb為200米，移動天線高度hm為3米的基本中值損耗

（2）然后再根據(jù)天線的實際高度加以修正

如果考慮地形對它的影響呢？2-1222、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)-ks-kh-kA-kis傳播路徑損耗中值自由空間傳播損耗準平坦地傳播損耗中值移動臺天線高度增益因子基站天線高度增益因子郊區(qū)修正因子丘陵地形修正因子斜坡地形修正因子水陸混合傳播路徑修正因子

還有開闊區(qū)校正因子、城市道路走向及道路寬度校正因子、孤立山丘校正因子和植被校正因子等。2-1232、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗市區(qū)街道走向修正值，分別查圖中（a）和（b）得縱向線路（與電波平行）修正值和橫向線路的修正值?？v向線路的傳播損耗中值小于橫向線路。溝道效應(yīng)：沿建筑物方向形成的溝道，有利于電波的傳播。2-1242、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗郊區(qū)修正因子：郊區(qū)好于市區(qū)，場強中值大，損耗小。2-1252、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗開闊地、準開闊地地形校正因子：好于市區(qū)。2-1262、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld接收機收到的中值信號功率(dBW)發(fā)射機輸出功率(dBW)中值路徑損耗(dBW)移動臺天線增益(dB）基站天線增益(dB)基站饋線損耗(dB)移動臺饋線損耗(dB)基站天線共用器損耗(dB)移動臺接收到的信號功率：陸地移動通信信道中的傳播損耗估算2-127例2.8某移動通信系統(tǒng)，工作頻率為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動臺天線高度為3m，天線增益為0dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為準平坦地形，通信距離為10km。試求（1）傳播路徑的中值路徑損耗。（2）若基站發(fā)射機送至天線的信號功率為10W，不考慮饋線損耗和公用器損耗，求移動臺天線接收到的信號功率。2-128陸地移動通信信道中的傳播損耗估算(1)自由空間傳播損耗Lfs為查得市區(qū)基本損耗中值基站天線高度增益因子移動臺天線高度增益因子2-129陸地移動信道中的傳播損耗估算可得傳播路徑損耗中值為(2)求得中等起伏地市區(qū)中接收信號的功率中值2-130陸地移動通信信道中的傳播損耗估算對于例題的擴展：舉一反三的難度例題中是已知基站、移動臺的天線參數(shù)，發(fā)射功率等，求解的是接收功率的大小。擴展1：若已知移動臺所需接收功率的大小，基站、移動臺的參數(shù)，能求解出基站至少需要多大的發(fā)射功率嗎？擴展2：若已知基站的發(fā)射功率、移動臺的接收功率，傳播距離以及移動臺的天線高度，能求解出基站天線至少需要架設(shè)多高嗎？

2-131陸地移動信道中的傳播損耗估算對于例題的擴展：舉一反三的難度例題中是已知基站、移動臺的天線參數(shù)，發(fā)射功率等，求解的是接收功率的大小。擴展3：若已知基站的發(fā)射