宽带无线通信 第二章 信道模型1
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信号的行程差 相位差频移
λ
1 ∆φ v cos θ = λ 2π ∆t
例如：f0=900MHz, λ=1/3 m Case 1: v=54km/h=15m/s; fmax= v /λ=45Hz Case 2:v=360km/h=100m/s; fmax= v /λ=300Hz
国家重点实验室
一、信道基本特性
A2 K= 2σ 2
3）从实际中测量得出的
m m 2 m −1 mα 2 2 pdf (α ) = ] α ≥ 0; m ≥ 1 / 2 •( ) α • exp[− Γ ( m) Ω Ω
m = 1 瑞利分布
1+ k ) ( m=
2
Nakagami-m
莱斯分布
2k + 1
国家重点实验室
ຫໍສະໝຸດ Baidu
大范围内的幅度均值分布
直射方向上发射和接收天线增益的乘积
R是地面反射系数，忽略反射面的衰耗。
反射波相对于直射波的时延
国家重点实验室
一、信道基本特性
如果发射信号相对时延扩展是窄带的 有： 窄带接收信号的功率为：
直射信号和反射 信号的相位差
国家重点实验室
两路信号 正向相加
小范围的衰落
临界距离 Pr ∝ n≈2
发送天线 高度=50m
国家重点实验室
信道基本特性
β=2 π / λ
国家重点实验室
信道基本特性
多径的多少取决于基站的高 度和周围的环境
国家重点实验室
信道基本特性
地面环境传输效应 （对数正态分布） 平均值的慢变化
宏观衰落：几十 个波长内平均
快变化 （瑞利分布）
微观衰落：几 个波长内平均
平均路径损耗
接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的 特征，这就是多径衰落引起的，又称为 快衰落，或小尺度衰落。
国家重点实验室
一、信道基本特性
1. 多径(Multiple Paths)
￭ 直射波 ￭ 大物体的反射(Reflect)和电磁波的绕射(Diffract) ￭ 信号的散射（Scattering）
R 灯柱 S
D
D
R
点到点的传输
国家重点实验室
一、信道基本特性
2π v∆t cos θ ∆φ =
= fD
2.多普勒频移（Doppler Shift） 发射台或接收台和/或信道中其他物体的运动造成
InH Umi Uma Rma SMa
曾召华:LTE基础原理和关键技术，西电版，2010
路径损耗决定，方差通常在4~8dB之间。
国家重点实验室
二、传播预测模型
• 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算 出接收信号的场强，或接收信号中值。这样，才能进一步 设计系统或设备的其他参数或指标。 • 给定条件：发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线 高度及收发信机之间距离等。 • 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预 测。信号的中值是指长区间中值。
COST 231-Hata 模型 （将Hata模型的频率范围扩展到1500－ 2000MHz） COST 231－Walfisch-Ikegami模型 （频率范围800－1800MHz） IMT-A ITU-R M.2135 3GPP LTE TR36.814
国家重点实验室
信道模型
IMT-A ITU-R M.2135 3GPP LTE TR36.814
在该波长范围内，信号的短区间中 心值也出现缓慢变化的特征，这是 阴影衰落，或大尺度衰落。
国家重点实验室
平坦衰落信道
= y (t ) a (t ) x(t ) + n(t )
时变的衰减，即衰落
α ( t ) 可服从以下分布
1）当存在大量统计独立的散射体，并且没有一个散射体占主导地位
α2 α pdf (α ) = 2 • exp[− 2 ] 0 ≤ α < ∞ σ 2σ
国家重点实验室
二、传播预测模型
• Hata模型
Hata模型是由Okumura提出的一个图解的平均路径损耗经验公式，适用 于150MHz到1500MHz。Hata将城市地区传播损耗表示为一个标准公式， 并给出了在其他情况下应用的校正公式。城市地区中值路径损耗标准公式 如下式：
L50 (urban)(dB) = 69.55 + 26.16 log f c − 13.82 log hte − a (hre ) + (44.9 − 6.55 log hte ) log d
二、传播预测模型
• Hata模型
对于中小城市，移动天线的修正因子为：
a (hre )(dB) = (1.1 lg f c − 0.7)hre − (1.56 lg f c − 0.8)
对于大城市，移动天线的修正因子为（建筑物平均高度超过15m）
当f c ≤ 300MHz 时， a (hre )(dB) = 8.29(lg 1.54hre ) 2 − 1.1
瑞利分布， Rayleigh
占主导地位信号分量的幅度
2）有一个散射体占主导地位（通常称为视距LOS分量）
α αA A2 + α 2 pdf (α ) = 2 • exp[− • I ] ( ) 0 ≤ α < ∞ 莱斯分布，Rice 0 2 2 2σ σ σ
A → 0, K → −∞ ( dB )
莱斯分布转变为瑞利分布 第一类零阶贝塞尔函数 衰落参数，控制 信号衰落的程度 莱斯参数
f = t ) ( t ) si ( t ) ∗ c ( t ) si ( so=
信道单位冲击响应
si ( t )
C (t ) = c
+
n (t )
= r ( t ) csi ( t ) + n ( t )
si ( t )
线性滤波 器c(t)
+
n (t )
r ( t ) = c ( t ) ∗ si ( t ) + n ( t )
其中fc 是载波频率(MHz，150MHz－ 1500MHz)，hte是发端(基站)天线有效 高度(m，30m－200m)，hre是收端(移 动台)天线有效高度(m，1m－10m)，d 是收发端距离(km，1km－20km)， a(hre)是移动台天线的校正参数，是覆 盖面积的函数。 hte
国家重点实验室
si ( t )
线性时变 滤波器 c(t,τ)
+
n (t )
r ( t ) = c ( t ,τ ) ∗ si ( t ) + n ( t )
加性高斯噪声信道模型
带有加性噪声的线性滤 波器信道模型
带有加性噪声的线性时 变滤波器信道模型
国家重点实验室
信道模型
• 在无线移动通信工作环境中，电波不仅随着传播距离增加会发生弥散 损耗，并且受地形、建筑物的遮蔽影响将产生“阴影效应”； • 而且信号经过多点反射还会从多条路径到达接收点，这样，多径信号 的幅度、相位和到达时间不同，相互叠加会产生电平快衰落和时延扩 展； • 另外，移动通信由于快速移动，不仅引起多普勒频移产生随机调频， 而且会使电波传播特性发生快速的随机起伏。 • 因此，无线移动通信环境是一种随时间、环境和其他外部因素变化而 变化的传播环境。
国家重点实验室
第二章 信道模型
国家重点实验室
第二章预读文献
1. Richard B. Ertel， et al, Overview of Spatial Channel Models for Antenna Array Communication Systems, IEEE Personal Communications, February 1998, pp: 10-22.
国家重点实验室
2.1不考虑空间特性的信道模型
（采用全向天线）
国家重点实验室
一、信道基本特性
• 移动通信大多采用300MHz-10GHz的频段，这些频段的最大波长只有 10m，与信号传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的相比要小的 多，故电波主要是以直射、反射、散射、绕射等方式传播，因此到达 接收端的信号可能不是单一路径来的，而是通过许多路径到达的。 • 接收端的信号是这些多径信号的叠加。这些沿不同路径传播的信号大 体上是相互独立的，同时也是随机的，每一径的幅度、相位、到达时 延都不同，因此接收端的叠加有时候是同相叠加从而使信号强度增强， 有时候又是反向叠加使信号强度明显降低，而且随着距离的变化也会 出现这种情况，这就使得接收信号在时域和空域呈现急剧变化，称为 快衰落。
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第二章预读文献(2)
2. A. F. Molisch, Wideband Wireless Digital Communications, 电子工业出版社。 第3章：无线移动信道
国家重点实验室
信道模型
• 信道是指以传输媒质为基础的信号通道
输入
编 码 器
调 制 器
发 转 换 器
媒 质
3.2(lg11.75hre ) 2 − 4.97 当f c ≥ 300MHz时，a (hre )(dB ) =
国家重点实验室
二、传播预测模型
• IMT-2000室内路径损耗模型
室内办公室测试环境路径损耗模型
室内路径损耗(dB)模型以下面简化形式表示，它来自COST 231的附 录l提出的室内模型。
n+2 L= 37 + 30 log10 R + 18.3n − 0.46 n +1
式中，R 为收发信机的距离间隔(m)，n 为在传播路径中楼层的数目。L在任何 情况下应不小于自由空间损耗，可以期望12dB的对数正态阴影衰落标准偏差。
国家重点实验室
二、传播预测模型
• 其他路径损耗模型
• 瑞利衰落和莱斯衰落被称为小尺度衰落，描述的是大约10 个波长范围内幅度的变化。 • 大尺度上，实验表明平均幅度F服从对数正态分布
pdf ( F ) =
1
σF
(ln( F ) − µ F ) 2 • exp[− ] 2 2σ F 2π
平均值的慢变化： （F＝σ2 信号的功率）
µF , σ F 是ln(F)的均值和方差，其均值主要由基站和移动台之间的
Pr ∝ d − n
n≈4
国家重点实验室
一、信道基本特性
举例：Determine the critical distance for the two-ray model in an urban microcell (ht = 10m, hr = 3 m) and an indoor microcell (ht = 3 m, hr = 2 m) for fc = 2 GHz. Solution:
收 转 换 器
解 调 器
译 码 器
输出
调制信道 编码信道
国家重点实验室
信道模型
si(t) 线性时变网络 so(t)
• 调制信道模型
r (t ) = so ( t ) + n ( t ) = f si ( t ) + n (t )
加性白噪声
调制信道对输入信号的响 输入的已调信号 应输出波形 f [ ] 反映了信道特征，不同的物理信道具有不同的特征
d c = 4ht hr / λ = 800m
for the urban microcell and
d c = 4ht hr / λ = 160m for the indoor system.
国家重点实验室
一、信道基本特性
A cell radius of 800 m in an urban microcell system is a bit large: urban microcells today are on the order of 100 m to maintain large capacity. However, if we used a cell size of 800 m under these system parameters, signal power would fall off as d2 inside the cell, and interference from neighboring cells would fall off as d4, and thus would be greatly reduced. Similarly, 160 m is quite large for the cell radius of an indoor system, as there would typically be many walls the signal would have to go through for an indoor cell radius of that size. So an indoor system would typically have a smaller cell radius, on the order of 10-20 m.
λ
1 ∆φ v cos θ = λ 2π ∆t
例如：f0=900MHz, λ=1/3 m Case 1: v=54km/h=15m/s; fmax= v /λ=45Hz Case 2:v=360km/h=100m/s; fmax= v /λ=300Hz
国家重点实验室
一、信道基本特性
A2 K= 2σ 2
3）从实际中测量得出的
m m 2 m −1 mα 2 2 pdf (α ) = ] α ≥ 0; m ≥ 1 / 2 •( ) α • exp[− Γ ( m) Ω Ω
m = 1 瑞利分布
1+ k ) ( m=
2
Nakagami-m
莱斯分布
2k + 1
国家重点实验室
ຫໍສະໝຸດ Baidu
大范围内的幅度均值分布
直射方向上发射和接收天线增益的乘积
R是地面反射系数，忽略反射面的衰耗。
反射波相对于直射波的时延
国家重点实验室
一、信道基本特性
如果发射信号相对时延扩展是窄带的 有： 窄带接收信号的功率为：
直射信号和反射 信号的相位差
国家重点实验室
两路信号 正向相加
小范围的衰落
临界距离 Pr ∝ n≈2
发送天线 高度=50m
国家重点实验室
信道基本特性
β=2 π / λ
国家重点实验室
信道基本特性
多径的多少取决于基站的高 度和周围的环境
国家重点实验室
信道基本特性
地面环境传输效应 （对数正态分布） 平均值的慢变化
宏观衰落：几十 个波长内平均
快变化 （瑞利分布）
微观衰落：几 个波长内平均
平均路径损耗
接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的 特征，这就是多径衰落引起的，又称为 快衰落，或小尺度衰落。
国家重点实验室
一、信道基本特性
1. 多径(Multiple Paths)
￭ 直射波 ￭ 大物体的反射(Reflect)和电磁波的绕射(Diffract) ￭ 信号的散射（Scattering）
R 灯柱 S
D
D
R
点到点的传输
国家重点实验室
一、信道基本特性
2π v∆t cos θ ∆φ =
= fD
2.多普勒频移（Doppler Shift） 发射台或接收台和/或信道中其他物体的运动造成
InH Umi Uma Rma SMa
曾召华:LTE基础原理和关键技术，西电版，2010
路径损耗决定，方差通常在4~8dB之间。
国家重点实验室
二、传播预测模型
• 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算 出接收信号的场强，或接收信号中值。这样，才能进一步 设计系统或设备的其他参数或指标。 • 给定条件：发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线 高度及收发信机之间距离等。 • 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预 测。信号的中值是指长区间中值。
COST 231-Hata 模型 （将Hata模型的频率范围扩展到1500－ 2000MHz） COST 231－Walfisch-Ikegami模型 （频率范围800－1800MHz） IMT-A ITU-R M.2135 3GPP LTE TR36.814
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信道模型
IMT-A ITU-R M.2135 3GPP LTE TR36.814
在该波长范围内，信号的短区间中 心值也出现缓慢变化的特征，这是 阴影衰落，或大尺度衰落。
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平坦衰落信道
= y (t ) a (t ) x(t ) + n(t )
时变的衰减，即衰落
α ( t ) 可服从以下分布
1）当存在大量统计独立的散射体，并且没有一个散射体占主导地位
α2 α pdf (α ) = 2 • exp[− 2 ] 0 ≤ α < ∞ σ 2σ
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二、传播预测模型
• Hata模型
Hata模型是由Okumura提出的一个图解的平均路径损耗经验公式，适用 于150MHz到1500MHz。Hata将城市地区传播损耗表示为一个标准公式， 并给出了在其他情况下应用的校正公式。城市地区中值路径损耗标准公式 如下式：
L50 (urban)(dB) = 69.55 + 26.16 log f c − 13.82 log hte − a (hre ) + (44.9 − 6.55 log hte ) log d
二、传播预测模型
• Hata模型
对于中小城市，移动天线的修正因子为：
a (hre )(dB) = (1.1 lg f c − 0.7)hre − (1.56 lg f c − 0.8)
对于大城市，移动天线的修正因子为（建筑物平均高度超过15m）
当f c ≤ 300MHz 时， a (hre )(dB) = 8.29(lg 1.54hre ) 2 − 1.1
瑞利分布， Rayleigh
占主导地位信号分量的幅度
2）有一个散射体占主导地位（通常称为视距LOS分量）
α αA A2 + α 2 pdf (α ) = 2 • exp[− • I ] ( ) 0 ≤ α < ∞ 莱斯分布，Rice 0 2 2 2σ σ σ
A → 0, K → −∞ ( dB )
莱斯分布转变为瑞利分布 第一类零阶贝塞尔函数 衰落参数，控制 信号衰落的程度 莱斯参数
f = t ) ( t ) si ( t ) ∗ c ( t ) si ( so=
信道单位冲击响应
si ( t )
C (t ) = c
+
n (t )
= r ( t ) csi ( t ) + n ( t )
si ( t )
线性滤波 器c(t)
+
n (t )
r ( t ) = c ( t ) ∗ si ( t ) + n ( t )
其中fc 是载波频率(MHz，150MHz－ 1500MHz)，hte是发端(基站)天线有效 高度(m，30m－200m)，hre是收端(移 动台)天线有效高度(m，1m－10m)，d 是收发端距离(km，1km－20km)， a(hre)是移动台天线的校正参数，是覆 盖面积的函数。 hte
国家重点实验室
si ( t )
线性时变 滤波器 c(t,τ)
+
n (t )
r ( t ) = c ( t ,τ ) ∗ si ( t ) + n ( t )
加性高斯噪声信道模型
带有加性噪声的线性滤 波器信道模型
带有加性噪声的线性时 变滤波器信道模型
国家重点实验室
信道模型
• 在无线移动通信工作环境中，电波不仅随着传播距离增加会发生弥散 损耗，并且受地形、建筑物的遮蔽影响将产生“阴影效应”； • 而且信号经过多点反射还会从多条路径到达接收点，这样，多径信号 的幅度、相位和到达时间不同，相互叠加会产生电平快衰落和时延扩 展； • 另外，移动通信由于快速移动，不仅引起多普勒频移产生随机调频， 而且会使电波传播特性发生快速的随机起伏。 • 因此，无线移动通信环境是一种随时间、环境和其他外部因素变化而 变化的传播环境。
国家重点实验室
第二章 信道模型
国家重点实验室
第二章预读文献
1. Richard B. Ertel， et al, Overview of Spatial Channel Models for Antenna Array Communication Systems, IEEE Personal Communications, February 1998, pp: 10-22.
国家重点实验室
2.1不考虑空间特性的信道模型
（采用全向天线）
国家重点实验室
一、信道基本特性
• 移动通信大多采用300MHz-10GHz的频段，这些频段的最大波长只有 10m，与信号传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的相比要小的 多，故电波主要是以直射、反射、散射、绕射等方式传播，因此到达 接收端的信号可能不是单一路径来的，而是通过许多路径到达的。 • 接收端的信号是这些多径信号的叠加。这些沿不同路径传播的信号大 体上是相互独立的，同时也是随机的，每一径的幅度、相位、到达时 延都不同，因此接收端的叠加有时候是同相叠加从而使信号强度增强， 有时候又是反向叠加使信号强度明显降低，而且随着距离的变化也会 出现这种情况，这就使得接收信号在时域和空域呈现急剧变化，称为 快衰落。
国家重点实验室
第二章预读文献(2)
2. A. F. Molisch, Wideband Wireless Digital Communications, 电子工业出版社。 第3章：无线移动信道
国家重点实验室
信道模型
• 信道是指以传输媒质为基础的信号通道
输入
编 码 器
调 制 器
发 转 换 器
媒 质
3.2(lg11.75hre ) 2 − 4.97 当f c ≥ 300MHz时，a (hre )(dB ) =
国家重点实验室
二、传播预测模型
• IMT-2000室内路径损耗模型
室内办公室测试环境路径损耗模型
室内路径损耗(dB)模型以下面简化形式表示，它来自COST 231的附 录l提出的室内模型。
n+2 L= 37 + 30 log10 R + 18.3n − 0.46 n +1
式中，R 为收发信机的距离间隔(m)，n 为在传播路径中楼层的数目。L在任何 情况下应不小于自由空间损耗，可以期望12dB的对数正态阴影衰落标准偏差。
国家重点实验室
二、传播预测模型
• 其他路径损耗模型
• 瑞利衰落和莱斯衰落被称为小尺度衰落，描述的是大约10 个波长范围内幅度的变化。 • 大尺度上，实验表明平均幅度F服从对数正态分布
pdf ( F ) =
1
σF
(ln( F ) − µ F ) 2 • exp[− ] 2 2σ F 2π
平均值的慢变化： （F＝σ2 信号的功率）
µF , σ F 是ln(F)的均值和方差，其均值主要由基站和移动台之间的
Pr ∝ d − n
n≈4
国家重点实验室
一、信道基本特性
举例：Determine the critical distance for the two-ray model in an urban microcell (ht = 10m, hr = 3 m) and an indoor microcell (ht = 3 m, hr = 2 m) for fc = 2 GHz. Solution:
收 转 换 器
解 调 器
译 码 器
输出
调制信道 编码信道
国家重点实验室
信道模型
si(t) 线性时变网络 so(t)
• 调制信道模型
r (t ) = so ( t ) + n ( t ) = f si ( t ) + n (t )
加性白噪声
调制信道对输入信号的响 输入的已调信号 应输出波形 f [ ] 反映了信道特征，不同的物理信道具有不同的特征
d c = 4ht hr / λ = 800m
for the urban microcell and
d c = 4ht hr / λ = 160m for the indoor system.
国家重点实验室
一、信道基本特性
A cell radius of 800 m in an urban microcell system is a bit large: urban microcells today are on the order of 100 m to maintain large capacity. However, if we used a cell size of 800 m under these system parameters, signal power would fall off as d2 inside the cell, and interference from neighboring cells would fall off as d4, and thus would be greatly reduced. Similarly, 160 m is quite large for the cell radius of an indoor system, as there would typically be many walls the signal would have to go through for an indoor cell radius of that size. So an indoor system would typically have a smaller cell radius, on the order of 10-20 m.