移动通信第三课 移动信道模型和简单定量分析
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移动通信信道模型的归纳
移动通信信道模型归纳报告13信息 XXXXXXX摘要移动通信中，无线电波传播特性非常复杂，在传播过程中信号收到各种干扰。
对无线通信信道的建模研究可以在理论上抑制部分干扰，因此信道模型的研究作为推动整个移动通信发展的关键技术之一，国内外都对它做了大量的研究，并得到了一些成果。
本文将对现有的移动通信信道模型进行分类，并举例对典型的移动通信信道模型进行详细介绍。
关键词：移动通信，信道模型1.简介移动通信的迅猛发展使移动信道无线电波传播预测成为移动通信领域的研究热点。
移动信道与其它信道相比是稳定性最差的一种，由于电波在移动信道中传输时在时域和空域上都会有较大随机性的波动和起伏，要对其进行控制和测量都比较困难，且实地设站检测费用极高。
如果能建噪声立一些模型，通过数值计算就可以较好地预知信道特性，那它们将比实地测量方法更可取。
近年来国内外都有不少相关论文发表，建立了一些较实用的电波传播预测模型，本文根据已有的研究成果进行归纳展示。
移动通信信道是多径衰落信道，数字信号在信道中传输时，容易发生突发性误码和严重的码间串扰。
对于多径衰落的信道，根据不同的标准有不同的分类方法。
根据尺度不同，可以分为大尺度模型（数米范围内的均值）和小尺度模型（在波长范围内的测量值）。
根据环境特征不同，可分为室内、室外、陆地、海洋、空间等等。
根据应用区域不同，可分为宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微微蜂窝。
根据建模方式可分为统计性模型 (经验模型 )、半经验或半确定性模型和确定性模型[1]。
统计性模型 (经验模型 )是根据大量的测量结果统计分析后得出的图表和公式 ,不需要相关环境的详细信息。
确定性模型是对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法。
半经验或半确定性模型是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的等式 ,有时为改善它们和实验结果的一致性，则根据实验结果对等式进行修正[2]。
本文将以建模方式为分类标准，从原理、特点、用途等方面剖析不同信道模型的特点。
第三章 移动信道与传播模型校正(书稿)
第三章 移动信道与传播模型校正 移动信道属于无线信道，其既不同于传统的固定式有线信道，也与一般具有可移动性完成无线接入功能的无线信道有所区别，它是移动的动态信道。
移动信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地环境条件的客观存在，其信道参数是时变的。
影响移动信道传输特性的因素有很多，其中最主要的是电波传播环境。
在不同频段下的电波传播，受到传播环境的影响，包括地形地貌、建筑物、街道走向、树木、气候、电磁干扰、移动台运动速度等。
利用这类复杂的移动信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，才能针对具体情况给出相应的技术解决方案。
然而针对移动信道的特点，目前无法建立一个固定的函数或表达式来准确衡量其特性。
因此，只能在统计意义上，根据移动信道的传播特性和电波传播方式进行建模，采用统计理论对信道进行表征。
传播模型正是国内外的研究人员在理论研究和实践基础上，采用统计理论提出的一种专门用于对无线传播环境进行计算和模拟的工具。
本章将简要介绍移动通信的无线电波传播特性，归纳总结移动信道特征，描述传播模型的基本理论及其在网络规划中的重要作用，并详细介绍传播模型校正的基本理论。
3.1无线电波传播特性3.1.1自由空间电波传播自由空间是指一种充满均匀、各向同性的理想介质的无限大的空间。
自由空间传播则是指电磁波在该种环境中的传播，这是一种理想的传播条件。
当电磁波在自由空间中进行传播时，其能量没有介质损耗，也不会发生反射、绕射或散射等现象，只有能量进行球面扩散时所引起的损耗。
在实际情况中，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，其相对介电常数r ε和相对磁导率r μ都等于1，发射点与接收点之间没有障碍物的阻挡，并且到达接收天线的地面反射信号的强度可以忽略，在这种情况下，电波可视为在自由空间传播。
根据电磁场与电磁波理论，在自由空间中，若发射点采用全向天线，且发射天线和接收天线增益分别为T G 、R G （单位：dB ），则距离发射点d 处的接收点的单位面积电波功率密度S 为：2R T T R T T R T T 0041203030dG G P d G G P d G G P H E S ππ=⋅=⨯= （3-1）式中，S 为接收点电波功率密度，单位为2W /m ；0E 为接收点的电场强度，单位为V/m ；0H 为接收点的磁场强度，单位为A/m ；T P 为发射点的发射功率，单位为W ；d 为接收点到发射点之间的距离，单位为m 。
移动通信第3章
5
自由空间传播（1）
◆什么叫自由空间？无任何衰减、无
任何阻挡、无任何多径的传播空间。
◆无线电波在自由空间传播时，其单位
面积中的能量会因为扩散而减少。这 种减少，称为自由空间的传播损耗。 如图所示，发射功率为PT，发射天线 为各向均匀辐射，则以发射源为中心， d为半径的球面上单位面积的功率为： S ＝ PT / 4 d2
(a) (b)
Pt (dBm) 10 log[Pt (mW ) /(1mW )] 10 log[50 10 3 ] 47.0dBm
Pt (dBW ) 10 log[Pt (W ) /(1W )] 10 log[50] 17.0dBW
(c)则100m处接受功率为：
11
即
Pr Gt Gr 2 50(1)(1)(1 / 3) 2 Pr 3.5 10 6W 3.5 10 3 mW (4 ) 2 d 2 (4 ) 2 (100 ) 2 (1)
2 exp[ ( m M ) 2 ( 2 L )]
1
2
2 2 Lt t2
29
无线传播模型
◆传播模型是小区规划的基础 ◆根据具体的使用环境，选用对应的传播模型 ◆传播模型校正
★CW测试 ★利用数字地图等进行校正
30
大尺度模型：室外模型 Okumura(奥村)模型
◆适用频率范围150MHz-3GHz， 距离1－100km，基站天线高度 30－200m。 ◆预测城区信号时使用最广泛的 模型，在日本已经成为系统规 划的标准。 ◆开发了一套在特定条件下自由 空间中值损耗的曲线。 ◆缺点：对城区和郊区的快速变 化反应较慢，和实际情况偏差 约10－14dB。
分贝化后得到：
L fs 32.44 20 lg d (k m) 20 lg f ( MHz)
自由空间传播（1）
◆什么叫自由空间？无任何衰减、无
任何阻挡、无任何多径的传播空间。
◆无线电波在自由空间传播时，其单位
面积中的能量会因为扩散而减少。这 种减少，称为自由空间的传播损耗。 如图所示，发射功率为PT，发射天线 为各向均匀辐射，则以发射源为中心， d为半径的球面上单位面积的功率为： S ＝ PT / 4 d2
(a) (b)
Pt (dBm) 10 log[Pt (mW ) /(1mW )] 10 log[50 10 3 ] 47.0dBm
Pt (dBW ) 10 log[Pt (W ) /(1W )] 10 log[50] 17.0dBW
(c)则100m处接受功率为：
11
即
Pr Gt Gr 2 50(1)(1)(1 / 3) 2 Pr 3.5 10 6W 3.5 10 3 mW (4 ) 2 d 2 (4 ) 2 (100 ) 2 (1)
2 exp[ ( m M ) 2 ( 2 L )]
1
2
2 2 Lt t2
29
无线传播模型
◆传播模型是小区规划的基础 ◆根据具体的使用环境，选用对应的传播模型 ◆传播模型校正
★CW测试 ★利用数字地图等进行校正
30
大尺度模型：室外模型 Okumura(奥村)模型
◆适用频率范围150MHz-3GHz， 距离1－100km，基站天线高度 30－200m。 ◆预测城区信号时使用最广泛的 模型，在日本已经成为系统规 划的标准。 ◆开发了一套在特定条件下自由 空间中值损耗的曲线。 ◆缺点：对城区和郊区的快速变 化反应较慢，和实际情况偏差 约10－14dB。
分贝化后得到：
L fs 32.44 20 lg d (k m) 20 lg f ( MHz)
移动通信-第3讲-移动信道1
图3.1 小尺度和大尺度衰减
10 0 -10 -20 -30
20 Wavelengths
Received Signal level (RSL)
Transmitter receiver Antennae distance
第11页
2020/4/9
3.1.1 概 述
(2) 传播模型的研究
从图中看出：随着接收机的移动，信号衰落很快；但随距离 的变化很慢。
小尺度衰减模型：描述短距离（几个波长），或短时间（秒 级）内的接收场强快速波动的传播模型，称为小尺度衰减模 型。频段从1GHz～2GHz的蜂窝系统和PCS，相应的测量在 1m ～ 10m范围。
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3.1.1 概 述
(2) 传播模型的研究
小尺度衰减模型产生机理：原因是接收信号由不同方向信号 合成，并且由于相位变化的随机性，其信号变化范围很大， 当接收机移动距离与波长相等时，接收场强可以产生4个数量 级（30dB或40dB）的变化。
大尺度和小尺度衰减例子：当移动台远离发射机时，当地平 均接收场强逐渐减弱，该平均场强由大尺度传播模型预测。 图3.1给出一个室内无线通信系统的小尺度衰减和大尺度变化 的情况。
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3.1.1 概 述
(2) 传播模型的研究
Flat Terrain Median Signal Slow Fading (lognormal Shadowing) Fast Fading
模型只是在一定频率和环境下建立，适用性如何有待检验。 传统上集中于给定范围内平均场强预测，和特定位置附近场
强的变化。 传播模型分类
大尺度传播模型 小尺度传播模型
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移动通信信道分析
会发生绕射
散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内
阻挡体的个数非常巨大时，会发生散射。
3
概述（3）
研究传播特性的基本方法 理论分析
即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的 传播特性，并用各种模型来描述移动信道。
现场电波传播实测
即在不同的传播环境中，做电波传播试验。测试参数 包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。
时，如果尺寸比电波波大大得多时会产生镜面反射。
T(发射机 )
l
Ei
ELOS
ht
Er=Eg
θi
θ0
ETOT=ELOS+Eg R(接收机 )
l
hr
d
11
大尺度传播模型 –非自由空间
接收功率近似公式：
p r
Pt G t G r
ht 2 hr d4
2
=
K
Pt d4
l 接收功率随T-R之间距离的4次方而衰减。 l 接收信号的强度可以通过增加天线高度而增加。
城区、郊区 城区、郊区
BS和MS之间水平距离>2km时，采用宏蜂窝模型
BS和MS之间水平距离<2km时，采用微蜂窝模型WIM
13
2.2 移动信道的多径传播特性（小尺度衰落）
2.2.1 概述
1、移动信道的时变特性 无线电信号通过移动信道时 会遭受来自不同途径的衰减 损耗。 自由空间传播损耗与弥散 阴影衰落 系统设计 多径衰落 抗衰落技术
CCIR
宏蜂窝 宏蜂窝 宏蜂窝
WIM
.02～
5km
2、应用方法
频率 /MHz
150.~150 0
1500~20 00
散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内
阻挡体的个数非常巨大时，会发生散射。
3
概述（3）
研究传播特性的基本方法 理论分析
即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的 传播特性，并用各种模型来描述移动信道。
现场电波传播实测
即在不同的传播环境中，做电波传播试验。测试参数 包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。
时，如果尺寸比电波波大大得多时会产生镜面反射。
T(发射机 )
l
Ei
ELOS
ht
Er=Eg
θi
θ0
ETOT=ELOS+Eg R(接收机 )
l
hr
d
11
大尺度传播模型 –非自由空间
接收功率近似公式：
p r
Pt G t G r
ht 2 hr d4
2
=
K
Pt d4
l 接收功率随T-R之间距离的4次方而衰减。 l 接收信号的强度可以通过增加天线高度而增加。
城区、郊区 城区、郊区
BS和MS之间水平距离>2km时，采用宏蜂窝模型
BS和MS之间水平距离<2km时，采用微蜂窝模型WIM
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2.2 移动信道的多径传播特性（小尺度衰落）
2.2.1 概述
1、移动信道的时变特性 无线电信号通过移动信道时 会遭受来自不同途径的衰减 损耗。 自由空间传播损耗与弥散 阴影衰落 系统设计 多径衰落 抗衰落技术
CCIR
宏蜂窝 宏蜂窝 宏蜂窝
WIM
.02～
5km
2、应用方法
频率 /MHz
150.~150 0
1500~20 00
第02-03讲移动通信信道
l X v Y
26
2.2.3
多径接收信号的统计特性
瑞利分布－假设条件
在发信机与收信机之间没有直射波通路； 有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随 机的，相位也是随机的，且在0～2л内均匀分布： 各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。 离基站较远，反射物较多
s(t ) al cos(ct 2 f Dt l )
23
2.2、移动环境下的多径传播
通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线， 移动台用接近地面的低天线。 基站天线通常高30 m，可达90 m；移动台天线通 常为2～3 m以下。 移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物 体造成的反射是造成多径效应的主要原因。 离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域， 只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移 动台构成多径。
4
研究传播特性的基本方法
理论分析 即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的 传播特性，并用各种模型来描述移动信道。 现场电波传播实测 即在不同的传播环境中，做电波传播试验。测试参数 包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参 数。
计算机模拟 即利用计算机强大的计算能力，快速灵活地模拟各种 移动环境。该方法可弥补前两种方法的不足。
RayIeigh分布的概率密度函数(Pdf)为：
r r2 exp( 2 ) P(r ) 2 2 0 0r r0
其中，r表示包络信号电平，σ是包络检波之前所接收 的信号功率的rms值，是包络检波之前的接收信号的时 间平均功率。不超过某特定值R的接收信号的包络的概 率。 R R2 p( R) Pr (r R) p(r )dr 1 exp( ) 2 0 2 Rayleigh分布的平均值为：
移动通信电子课件教案-第3章_移动信道的传播特性
d(km )d1d2又d1 2Reht，d2 2Rehr 2Re( ht hr) 4.12( ht hr)(m)
第3章 移动信道的传播特性
3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗
P
x T
d1 h1
x 为菲涅尔余隙
T d1
d2
R d2
h2
x
h1
P
R h2
(a)
(b)
图 3 - 3 障碍物与余隙
(a) 负余隙； (b) 正余隙
第3章 移动信道的传播特性
t ＝ t0 t＝ t0＋
t1 t1＋ 1 1 t1＋ 1 2 (a)
t2 t2＋ 2 2t2＋ 2 3 t2＋ 2 1 (b)
t＝ t0＋
t3
(c)
图 3 - 11 时变多径信道响应例如 (a) N=3; (b) N=4; (c) N=5
t3＋ 3 4
第3章 移动信道的传播特性
第3章 移动信道的传播特性
3.2.4 多径时散与相关带宽 ——续
时延扩展Δ：最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后 一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值， 实际上就是脉冲展宽的时间。
表示时延扩展的程度。
归一化时延信号的包络E(t)：将移动通信中接收机接收 到的多径的时延信号强度进行归一化。
第3章 移动信道的传播特性
第3章 移动信道的传播特性
3.1 无线电波传播特性 3.2 移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的传输损耗 3.4 移动信道的传播模型 思考题与习题
第3章 移动信道的传播特性
引言
三种研究无线移动通信信道的根本方法： 理论分析：用电磁场理论和统计理论分析电波在移动
环境中的传播特性，并用数学模型来描述移动信道。 现场电波实测：在不同的传播环境中，做电波实测实
第3章 移动信道的传播特性
3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗
P
x T
d1 h1
x 为菲涅尔余隙
T d1
d2
R d2
h2
x
h1
P
R h2
(a)
(b)
图 3 - 3 障碍物与余隙
(a) 负余隙； (b) 正余隙
第3章 移动信道的传播特性
t ＝ t0 t＝ t0＋
t1 t1＋ 1 1 t1＋ 1 2 (a)
t2 t2＋ 2 2t2＋ 2 3 t2＋ 2 1 (b)
t＝ t0＋
t3
(c)
图 3 - 11 时变多径信道响应例如 (a) N=3; (b) N=4; (c) N=5
t3＋ 3 4
第3章 移动信道的传播特性
第3章 移动信道的传播特性
3.2.4 多径时散与相关带宽 ——续
时延扩展Δ：最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后 一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值， 实际上就是脉冲展宽的时间。
表示时延扩展的程度。
归一化时延信号的包络E(t)：将移动通信中接收机接收 到的多径的时延信号强度进行归一化。
第3章 移动信道的传播特性
第3章 移动信道的传播特性
3.1 无线电波传播特性 3.2 移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的传输损耗 3.4 移动信道的传播模型 思考题与习题
第3章 移动信道的传播特性
引言
三种研究无线移动通信信道的根本方法： 理论分析：用电磁场理论和统计理论分析电波在移动
环境中的传播特性，并用数学模型来描述移动信道。 现场电波实测：在不同的传播环境中，做电波实测实
第04讲 移动通信信道(三) 现代移动通信ppt(新版教材课件)-文档资料
第2章 移动信道
现代移动通信
BSS
MS Um OMC-R 操作维护中心 BTS 基站 BTS 收发信机 BTS基站 收发信机 基站 收发信机
MS
BSC 基站 控制器
A接口
MSC 移动交换中心
MS
Abis
第2章 移动信道
通过本章学习，着重解决以下问题：
大尺度传播特性
大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之 间(T-R)长距离(几百米或几千米)上的场强变 化
2.5.1 地形环境分类
1、地形特征定义
（1）地形波动高度
在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度。 定义为：沿通信方向，距接收地点10km范围内，10％ 高度线和90％高度线的高度差。 10％高度线是指在地形剖面图上有10％的地段高度超过 此线的一条水平线
基站天线 平均地面高度
2.5.3、Hata 模型
Hata模型：根据Okumura模型中的各种图表曲线归 纳出一个经验公式。
L 6 9 . 5 5 2 6 . 1 6 l g ( f ) 1 3 . 8 2 l g ( h ) a ( h ) 4 4 . 9 6 . 5 5 l g ( h ) l g ( d ) M b m b
分析和实验相结合的方法 分析——了解各因素的影响 实验——找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率、天线高 度之间的关系 实验方法的优点——通过场强测试考虑了所有的传播因素，包括 已知的和未知的。 实验方法的不足——在一定频率和环境下获得的模型，在其他条 件应用时是否正确，只能建立在新的测试数据基础上。
Ks为郊区修正因 子，kh为丘陵地形 修正因子，kA为斜 坡地形修正因子， kis为水陆混合传播 路径修正因子。
现代移动通信
BSS
MS Um OMC-R 操作维护中心 BTS 基站 BTS 收发信机 BTS基站 收发信机 基站 收发信机
MS
BSC 基站 控制器
A接口
MSC 移动交换中心
MS
Abis
第2章 移动信道
通过本章学习，着重解决以下问题：
大尺度传播特性
大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之 间(T-R)长距离(几百米或几千米)上的场强变 化
2.5.1 地形环境分类
1、地形特征定义
（1）地形波动高度
在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度。 定义为：沿通信方向，距接收地点10km范围内，10％ 高度线和90％高度线的高度差。 10％高度线是指在地形剖面图上有10％的地段高度超过 此线的一条水平线
基站天线 平均地面高度
2.5.3、Hata 模型
Hata模型：根据Okumura模型中的各种图表曲线归 纳出一个经验公式。
L 6 9 . 5 5 2 6 . 1 6 l g ( f ) 1 3 . 8 2 l g ( h ) a ( h ) 4 4 . 9 6 . 5 5 l g ( h ) l g ( d ) M b m b
分析和实验相结合的方法 分析——了解各因素的影响 实验——找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率、天线高 度之间的关系 实验方法的优点——通过场强测试考虑了所有的传播因素，包括 已知的和未知的。 实验方法的不足——在一定频率和环境下获得的模型，在其他条 件应用时是否正确，只能建立在新的测试数据基础上。
Ks为郊区修正因 子，kh为丘陵地形 修正因子，kA为斜 坡地形修正因子， kis为水陆混合传播 路径修正因子。
移动通信信道模型
该模型预测和测试的路径损耗偏差为 10dB到 14dB
Hata 模型
Okumura-Hata 模型（150MHz -1.5GHz） Cost231-Hata 模型（1.5GHz -2GHz）
Okumura-Hata 模型 适用频率范围150MHz -1.5GHz传播距离在 1~20km的城市场强预测。 根据Okumura曲线图所作的经验公式，以市区传 播损耗为标准，并对其它地区进行修正。 市区路径损耗的标准公式。在1km以上的情况下 ，预测结果和Okumura模型非常接近。 缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半 径为1km的个人通信系统。
大尺度模型——室外模型
Okumura模型（奥村模型） Hata模型 Walfisch-Ikegami模型
Okumura模型
预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经 成为系统规划的标准。 适用频率范围150MHz-3GHz，距离1－100km， 天线高度30－1000m。 由奥村等人，在日本东京，使用不同的频率，不 同的天线高度，选择不同的距离进行一系列测试 ，最后绘成经验曲线构成的模型。
计算任意地形地物情况下的信号中值：
LA LT KT
Okumura模型 例：某一移动电话系统，工作频率为450MHz，基站 天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在郊区 工作，传播路径为正斜坡，且角度为15mrad，通信 距离为20km，求传播路径的损耗中值。
Lbs 32.45 20lg f 20lg d
作业
假定f=800MHz,hm=1.5m,hb=30m,hroof=30m,平顶 =90， =15m。试比较Walfish模型和Hata 建筑， 模型的预测结果（要求：用matlab仿真软件计算并 画图，设收发距离为1km~5km，步长为200m)。
Hata 模型
Okumura-Hata 模型（150MHz -1.5GHz） Cost231-Hata 模型（1.5GHz -2GHz）
Okumura-Hata 模型 适用频率范围150MHz -1.5GHz传播距离在 1~20km的城市场强预测。 根据Okumura曲线图所作的经验公式，以市区传 播损耗为标准，并对其它地区进行修正。 市区路径损耗的标准公式。在1km以上的情况下 ，预测结果和Okumura模型非常接近。 缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半 径为1km的个人通信系统。
大尺度模型——室外模型
Okumura模型（奥村模型） Hata模型 Walfisch-Ikegami模型
Okumura模型
预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经 成为系统规划的标准。 适用频率范围150MHz-3GHz，距离1－100km， 天线高度30－1000m。 由奥村等人，在日本东京，使用不同的频率，不 同的天线高度，选择不同的距离进行一系列测试 ，最后绘成经验曲线构成的模型。
计算任意地形地物情况下的信号中值：
LA LT KT
Okumura模型 例：某一移动电话系统，工作频率为450MHz，基站 天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在郊区 工作，传播路径为正斜坡，且角度为15mrad，通信 距离为20km，求传播路径的损耗中值。
Lbs 32.45 20lg f 20lg d
作业
假定f=800MHz,hm=1.5m,hb=30m,hroof=30m,平顶 =90， =15m。试比较Walfish模型和Hata 建筑， 模型的预测结果（要求：用matlab仿真软件计算并 画图，设收发距离为1km~5km，步长为200m)。
移动通信第3讲信道
移动通信---第三讲 移动信道的传播特性
内容
无线电波传播特性分析
电波传播方式 直射波 大气中的电波传播 障碍物的影响与绕射损耗 反射波
移动信道的特征
传播路径与信号衰落 多径效应与瑞利衰落 满衰落特性和衰落储备 多径时散与相关带宽
陆地移动信道的传输损 耗
(a)负余隙； (b)正余隙
横坐标为x/x1,其中x1
是第一菲涅尔区在P点
横截面的半径：
x1
d1d2
d1 d2
图 3 – 4 绕射损耗与余隙关系
例 3 – 1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余 隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。试求出 电波传播损耗。
反射波 地表面波
移动信道 多径衰落
室内电波传播示意图
3.1.2 直射波
自由空间电波传播：指理想的、均匀的、各向同性的介 质中传播，电波不发生反射、折射、绕射、散射和吸收 现象，只存在电磁能量扩散而引起的传播损耗。 假设为远场(Fraunhofer region)
d>> D且d>> λ，其中 D为天线最大直线长度 λ为载波波长
自由空间中的电波传输损耗
在距离d处，接收信号功率为：
接收功率PR=功率通量密度S×接收天线有效面积AR
2 AR 4 GR
式中:λ为载波波长，λ2/4π为各向同性天线的有效面 积。 GR接收天线增益������
接收功率:
PR
PT
GT
GR
4d
2
自由空间中的电波传输损耗
d：距辐射源的距离，单位米
内容
无线电波传播特性分析
电波传播方式 直射波 大气中的电波传播 障碍物的影响与绕射损耗 反射波
移动信道的特征
传播路径与信号衰落 多径效应与瑞利衰落 满衰落特性和衰落储备 多径时散与相关带宽
陆地移动信道的传输损 耗
(a)负余隙； (b)正余隙
横坐标为x/x1,其中x1
是第一菲涅尔区在P点
横截面的半径：
x1
d1d2
d1 d2
图 3 – 4 绕射损耗与余隙关系
例 3 – 1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余 隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。试求出 电波传播损耗。
反射波 地表面波
移动信道 多径衰落
室内电波传播示意图
3.1.2 直射波
自由空间电波传播：指理想的、均匀的、各向同性的介 质中传播，电波不发生反射、折射、绕射、散射和吸收 现象，只存在电磁能量扩散而引起的传播损耗。 假设为远场(Fraunhofer region)
d>> D且d>> λ，其中 D为天线最大直线长度 λ为载波波长
自由空间中的电波传输损耗
在距离d处，接收信号功率为：
接收功率PR=功率通量密度S×接收天线有效面积AR
2 AR 4 GR
式中:λ为载波波长，λ2/4π为各向同性天线的有效面 积。 GR接收天线增益������
接收功率:
PR
PT
GT
GR
4d
2
自由空间中的电波传输损耗
d：距辐射源的距离，单位米
移动通信第三课 移动信道模型和简单定量分析
若 Bs > Bc：“频率选择性衰落（FSF）”
信号传输速率受多径时延的限制。
多径信道---多普勒扩展与相关时间
多径信道---多普勒扩展与相关时间
多普勒扩展与相关时间的关系 如下图所示：
相关时间的意义
一般情况下，Ts<<Tc，多普勒扩展可不 考虑：“慢衰落”
采用慢速自适应技术
非相干散射（US）
统计模型为高斯随机变量
WSSUS 的应用
多径瑞利衰落：
瑞利分布没有包括多径时延（频率 选择性） 多径模型为两个或多个独立延时的 瑞利随机变量之和
s(t) R1 R2
τ Σ r(t)
最简单的信道模型
路径跟踪
路径跟踪 2
路径跟踪 3
路径跟踪 4
抽头延时线模型
衰落的原因
接收机运动→多普勒频移 信号传输带宽
与信道带宽相比
多径传播
从接收机“看”多径传播的每条路径 对环境十分敏感
多径传播
多径效应 多径信号相位相反→合成信号 的幅度快速变化 多径信号传播路径不同→时延 散布 接收机或环境运动→多普勒频 移（多普勒调频）
移动通信面临的问题
τkl为从第 l 束多径起始时间开始测量到的第 k 条路 径的到达时间，服从具有参数 λ 的指数分布：
P (τ kl | τ ( k −1) l ) = λ exp(−λ (τ kl − τ ( k −1) l ))
θl、θkl 服从(0,2π)均匀分布：
2 β kl = β 2 (0,0) exp(−Tl / Γ) exp(−τ kl / γ )
移动通信课件第四版第3章
机，当频率f＞30 MHz时，典型的传播通路如图3-1 所示。 沿路径①从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波， 它是VHF和UHF频段的主要传播方式；沿路径②的电波经过 地面反射到达接收机，称为地面反射波； 路径③的电波沿地 球表面传播， 称为地表面波。
第3章 移动信道的传播特性 图 3 - 1 典型的传播通路
第3章 移动信道的传播特性
3.1.2 直射波
直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间 传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想 传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍 物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，只要地 面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数 ε和相对导磁率μ都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡， 到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这 样情况下，电波可视作在自由空间传播。
1ht hr21ht hr2
d
d
(3 - 27)
式中， d=d1+d2。
第3章 移动信道的传播特性
通常(ht+hr)<<d, 故上式中每个根号均可用二项式定 理展开， 并且只取展开式中的前两项。 例如：
1ht hr2 11ht hr2 d 2 d
在图 3 - 5 中， 由发射点T发出的电波分别经过直 射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R， 由于两 者的路径不同， 从而会产生附加相移。 由图 3 - 5 可 知， 反射波与直射波的路径差为
dabc (d1d2)2(hthr)2 (d1d2)2(hthr)2
d
n r
(3 - 14)
众所周知， 大气的相对介电系数与温度、 湿度和气压
有关。大气高度不同，εr也不同， 即dn/dh是不同的。根据折 射定律， 电波传播速度v与大气折射率n成反比， 即
第3章 移动信道的传播特性 图 3 - 1 典型的传播通路
第3章 移动信道的传播特性
3.1.2 直射波
直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间 传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想 传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍 物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，只要地 面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数 ε和相对导磁率μ都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡， 到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这 样情况下，电波可视作在自由空间传播。
1ht hr21ht hr2
d
d
(3 - 27)
式中， d=d1+d2。
第3章 移动信道的传播特性
通常(ht+hr)<<d, 故上式中每个根号均可用二项式定 理展开， 并且只取展开式中的前两项。 例如：
1ht hr2 11ht hr2 d 2 d
在图 3 - 5 中， 由发射点T发出的电波分别经过直 射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R， 由于两 者的路径不同， 从而会产生附加相移。 由图 3 - 5 可 知， 反射波与直射波的路径差为
dabc (d1d2)2(hthr)2 (d1d2)2(hthr)2
d
n r
(3 - 14)
众所周知， 大气的相对介电系数与温度、 湿度和气压
有关。大气高度不同，εr也不同， 即dn/dh是不同的。根据折 射定律， 电波传播速度v与大气折射率n成反比， 即
常见移动信道模型
3.1 单状态模型3.1.1 Rayleigh 模型在移动无线信道中，瑞利模型是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种经典模型。
众所周知，两个正交的正态分布的随机过程之和的包络服从瑞利分布，即设X 和Y 为正态随机过程，则R=X+jY 的包络r =|R |则服从瑞利分布。
瑞利分布的概率密度函数（pdf ）为[24,27,28]：⎪⎩⎪⎨⎧<≥⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=0,00,2exp )(222r r r r r p σσ (3-1)其中，][22r E =σ是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率。
R 的相位θ服从0到2π之间的均匀分布，即⎪⎩⎪⎨⎧≤≤=其他，020,21)(πθπθp (3-2)则接收信号包络不超过某特定值R 的累计概率分布函数（CDF ）为⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛--==≤=RR dr r p R r p R F 0222exp 1)()()(σ (3-3)图3-1所示为瑞利模型的概率密度函数曲线图。
1234567891000.10.20.30.40.50.60.7接收信号包络rp d f瑞利分布包络的概率密度曲线图图3-1 瑞利模型的概率密度函数曲线图3.1.2 Ricean 模型当接收端存在一个主要的静态（非衰落）信号时，如LOS 分量（在郊区和农村等开阔区域中，接收端经常会接收到的）等，此时接收端接收的信号的包络就服从莱斯分布。
在这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量迭加在静态的主要信号上，即包络检波器的输出端就会在随机的多径分量上迭加一个直流分量。
当主要信号分量减弱后，莱斯分布就转变为瑞利分布。
莱斯分布的概率密度函数为：⎪⎩⎪⎨⎧<≥≥⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=0,00,0,2exp )(202222r r C Cr I C r r r p σσσ （3-4）其中C 是指主要信号分量的幅度峰值，()0I 是0阶第一类修正贝赛尔函数。
移动通信信道-3
移动通信信道-3在我们如今这个高度信息化的时代，移动通信已经成为了生活中不可或缺的一部分。
从简单的语音通话到高清视频传输，从即时通讯软件到在线游戏，我们的生活因为移动通信而变得更加便捷和丰富多彩。
而在这一切的背后，移动通信信道起着至关重要的作用。
移动通信信道，简单来说，就是信息在移动设备（比如手机）和基站之间传输的路径。
它可不是一条笔直、稳定的通道，而是充满了各种复杂和变化的因素。
想象一下，你正在用手机和朋友视频通话。
你的声音和图像信息要经过一系列的处理和转换，然后通过无线电波发送出去。
这些无线电波在空气中传播，可能会遇到建筑物、山脉、树木等各种障碍物，导致信号被反射、折射、散射甚至吸收。
这就像是你在一个充满镜子和迷宫的房间里扔出一个小球，小球的路径会因为镜子和墙壁的影响而变得难以预测。
移动通信信道的特点之一就是多径传播。
这意味着信号可能会通过多条不同的路径到达接收端。
这些路径的长度和传播条件可能不同，导致信号到达的时间和强度也不同。
这种多径传播会引起信号的衰落，也就是信号强度的快速变化。
有时候你可能会发现手机信号突然变弱或者出现断断续续的情况，这很可能就是多径衰落造成的。
除了多径传播，移动通信信道还受到多普勒效应的影响。
当移动设备（比如你正在行驶的汽车上的手机）相对于基站有速度变化时，接收信号的频率会发生改变。
这就好比一辆鸣笛的汽车向你驶来时，声音的音调会变高，而当它远离你时，音调会变低。
多普勒效应会导致信号的失真和误码率的增加，对通信质量产生不利影响。
另外，噪声也是移动通信信道中不可忽视的一个问题。
噪声可以来自各种来源，比如自然界的电磁干扰、其他电子设备的干扰等等。
这些噪声会叠加在有用信号上，使得接收端难以准确地还原出原始信息。
为了应对移动通信信道的这些挑战，工程师们想出了很多办法。
其中一种常见的技术就是分集接收。
通过在接收端使用多个天线，接收来自不同路径的信号，然后对这些信号进行合并和处理，可以有效地抵抗衰落和提高信号的可靠性。
第03讲 移动通信信道(二) 现代移动通信ppt(新版教材课件)
描述信道在角度上的色散。
时延扩展、相关时间、多普勒扩展、相关时间、角度扩 展和相干距离
2.3.1 时延扩展与相干带宽
时间色散(Time Dispersion Parameters)
定义：因多径传播造成信号时间扩散的现象。 成因：发射信号经过不同路径到达接收点的时间各不相同。 例子说明，以发射单脉冲为例。
k
ak2
P(k)
k
k
最大附加时延(XdB) 多径能量从初值衰落到低于最大能量处XdB的时延，即tx-t0
1、时延扩展
描述时间色散的重要参数
多径时间色散参数典型值（450MHz 900MHz）如下表所 示。
由表可见：市区的时延要比郊区大，也就是说，从多径时间色散考 虑，市区传播条件更为恶劣。为了避免码间干扰，如无抗多径措施， 则要求信号的传输速率必须比1/στ低得多。
Yo (t)
2、相干带宽
举例说明：双射线信道
双射线信道的幅频特性
A ( ,t) 1 a c o s js a in 1 a 2 2 a c o) s(
多径信道的冲激响应模型
数字域的移动无线信道模型
原理框图
x[n] h[n,k] y[n,k]
输出信号
w [n]
y [n ,k ] h [n ,k ]x [n k ] w [n ]
k
其中w[n]为加性噪声与干扰，h[n,k]是时变的信道响应，n代 表时变特性，k代表延时特性。可见：移动无线信道可建模成一
波形展宽，相应地在频域上规定了相关（干）带宽性能。当信 号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性衰落。 多普勒效应在频域上引起频谱扩展，使得接收信号的频谱产生 多普勒扩展，相应地在时域上规定了相关（干）时间性能。多 普勒效应会导致发送信号在传输过程中，信道特性发生变化， 产生所谓的时间选择性衰落。 散射效应会引起角度扩展。移动台或基站周围的本地散射以及 远端散射会使得天线的点波束产生角度扩散，在空间上规定了 相关距离性能。空域上波束的角度扩散造成了同一时间、不同 地点的信号衰落起伏不一样，即所谓的空间选择性。
时延扩展、相关时间、多普勒扩展、相关时间、角度扩 展和相干距离
2.3.1 时延扩展与相干带宽
时间色散(Time Dispersion Parameters)
定义：因多径传播造成信号时间扩散的现象。 成因：发射信号经过不同路径到达接收点的时间各不相同。 例子说明，以发射单脉冲为例。
k
ak2
P(k)
k
k
最大附加时延(XdB) 多径能量从初值衰落到低于最大能量处XdB的时延，即tx-t0
1、时延扩展
描述时间色散的重要参数
多径时间色散参数典型值（450MHz 900MHz）如下表所 示。
由表可见：市区的时延要比郊区大，也就是说，从多径时间色散考 虑，市区传播条件更为恶劣。为了避免码间干扰，如无抗多径措施， 则要求信号的传输速率必须比1/στ低得多。
Yo (t)
2、相干带宽
举例说明：双射线信道
双射线信道的幅频特性
A ( ,t) 1 a c o s js a in 1 a 2 2 a c o) s(
多径信道的冲激响应模型
数字域的移动无线信道模型
原理框图
x[n] h[n,k] y[n,k]
输出信号
w [n]
y [n ,k ] h [n ,k ]x [n k ] w [n ]
k
其中w[n]为加性噪声与干扰，h[n,k]是时变的信道响应，n代 表时变特性，k代表延时特性。可见：移动无线信道可建模成一
波形展宽，相应地在频域上规定了相关（干）带宽性能。当信 号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性衰落。 多普勒效应在频域上引起频谱扩展，使得接收信号的频谱产生 多普勒扩展，相应地在时域上规定了相关（干）时间性能。多 普勒效应会导致发送信号在传输过程中，信道特性发生变化， 产生所谓的时间选择性衰落。 散射效应会引起角度扩展。移动台或基站周围的本地散射以及 远端散射会使得天线的点波束产生角度扩散，在空间上规定了 相关距离性能。空域上波束的角度扩散造成了同一时间、不同 地点的信号衰落起伏不一样，即所谓的空间选择性。
移动通信-ch3-移动信道(2)
第3章 移动信道的传播特性
此外，市区的场强中值还与街道走向(相对于电波传播 方向)有关。纵向路线(与电波传播方向相平行)的损耗中值 明显小于横向路线(与传播方向相垂直)的损耗中值。 这是 由于沿建筑物形成的沟道有利于无线电波的传播(称沟道效 应)， 使得在纵向路线上的场强中值高于基准场强中值， 而在横向路线上的场强中值低于基准场强中值。图3-25 给 出了它们相对于基准场强中值的修正曲线。
第3章 移动信道的传播特性 图 3 - 29 孤立山岳修正因子Kjs
第3章 移动信道的传播特性
其中， d1是发射天线至山顶的水平距离， d2是山顶至移动台 的水平距离。 图中， Kjs是针对山岳高度H=200m所得到的场 强中值与基准场强的差值。 如果实际的山岳高度不为200m， 则上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数α， 计算α的经验公式 为
第3章 移动信道的传播特性 图 3 移动信道的传播特性
3.3.5 任意地形地区的传播损耗的中值
1. 中等起伏地市区中接收信号的功率中值PP 中等起伏地市区接收信号的功率中值PP(不考虑街道 走向)可由下式确定：
［PP］ = ［P0］-Am(f,d)+Hb(hb,d)+Hm(hm, f) (3 - 63) 式中， P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率， 即
度情况下测得的，即基站天线高度hb=200m，移动台天线高度
hm=3 m。
第3章 移动信道的传播特性
如果基站天线的高度不是200m,则损耗中值的差异用基 站天线高度增益因子Hb(hb,d) 表示。图 3-24(a)给出了不同 通信距离d时，Hb(hb, d)与hb的关系。显然，当hb＞200m 时， Hb (hb, d)＞0 dB；反之，当hb＜200 m时，Hb(hb, d)＜0 dB。
《无线移动通信信道》课件
5G和未来的无线通信系统
多天线技术是5G和未来无线通信系统中的关键技术之一， 将进一步发挥其在高速数据传输、低延迟和大规模连接等 方面的优势。
智能天线和有源天线
随着天线技术的发展，智能天线和有源天线将进一步提高 多天线技术的性能和应用范围。
THANKS
多天线技术的原理与分类
原理
多天线技术利用多个天线在发射端和 接收端进行信号处理，以提高无线通 信系统的性能。
分类
多天线技术可以分为分集天线、波束 成形和空间复用等类型。
多天线技术的应用场景
分集天线
在移动通信中，由于移动终端的移动速度和地形等因素，信号强度 会快速变化，分集天线可以提供更稳定的信号接收。
互调干扰
互调干扰是指两个或多个信号 在非线性器件中相互作用，产 生新的频率分量，从而对通信 系统造成干扰。
互调干扰会影响信号的接收和 识别，导致通信质量下降。
解决互调干扰的方法包括提高 发射机性能、采用抗互调技术 等。
噪声对无线通信的影响
噪声是无线通信信道中不可避免 的因素，它会对信号的传输和接
02
无线移动通信信道模型
大尺度衰落模型
01
路径损耗模型
02
阴影衰落模型
描述信号随距离增加而减小的现象，通常采用对数距离路径损耗模型 。
由于建筑物、地形等因素造成的信号遮挡，导致信号强度在一定区域 内随机变化。
小尺度衰落模型
多径传播
由于无线信号在传输过程中会遇到多 种障碍物反射、折射和散射，形成多 条传播路径，导致信号幅度、相位和 到达时间发生变化。
无线移动通信信道的特点
• 无线移动通信信道具有动态性、随机性和复杂性等特点。由于 移动终端的位置不断变化，信道环境也随之变化，导致信号传 输的不稳定性。此外，无线信号在传输过程中会受到多种因素 的影响，如多径效应、阴影效应、衰落等，使得信道性能呈现 出随机性和复杂性。
多天线技术是5G和未来无线通信系统中的关键技术之一， 将进一步发挥其在高速数据传输、低延迟和大规模连接等 方面的优势。
智能天线和有源天线
随着天线技术的发展，智能天线和有源天线将进一步提高 多天线技术的性能和应用范围。
THANKS
多天线技术的原理与分类
原理
多天线技术利用多个天线在发射端和 接收端进行信号处理，以提高无线通 信系统的性能。
分类
多天线技术可以分为分集天线、波束 成形和空间复用等类型。
多天线技术的应用场景
分集天线
在移动通信中，由于移动终端的移动速度和地形等因素，信号强度 会快速变化，分集天线可以提供更稳定的信号接收。
互调干扰
互调干扰是指两个或多个信号 在非线性器件中相互作用，产 生新的频率分量，从而对通信 系统造成干扰。
互调干扰会影响信号的接收和 识别，导致通信质量下降。
解决互调干扰的方法包括提高 发射机性能、采用抗互调技术 等。
噪声对无线通信的影响
噪声是无线通信信道中不可避免 的因素，它会对信号的传输和接
02
无线移动通信信道模型
大尺度衰落模型
01
路径损耗模型
02
阴影衰落模型
描述信号随距离增加而减小的现象，通常采用对数距离路径损耗模型 。
由于建筑物、地形等因素造成的信号遮挡，导致信号强度在一定区域 内随机变化。
小尺度衰落模型
多径传播
由于无线信号在传输过程中会遇到多 种障碍物反射、折射和散射，形成多 条传播路径，导致信号幅度、相位和 到达时间发生变化。
无线移动通信信道的特点
• 无线移动通信信道具有动态性、随机性和复杂性等特点。由于 移动终端的位置不断变化，信道环境也随之变化，导致信号传 输的不稳定性。此外，无线信号在传输过程中会受到多种因素 的影响，如多径效应、阴影效应、衰落等，使得信道性能呈现 出随机性和复杂性。
移动信道
其中分母是折射率n随高度变化的梯度
1 dn dh
等效地球半径
电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空沿直线传 播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效，如图所示。
所谓等效就是直线传播轨迹上任一点到等效 地面的距离与曲线传播轨迹上的相应点到实 际地面的距离相等。 根据几何学原理，如果两组曲线的曲率之差 相等，则它们之间的距离相等，可得
对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。 建立电波传播模型。 无线电信号在移动信道中可能发性的变化以及发生这些变化 的原因。 对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能 有什么影响。 有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响。
为解决移动通信系统的设计问题，必须搞清三个问题：
（3）直射波传播 从发射天线发出的电波直接到达在视距内的接收天线的 传播方式，又称视距传播，为VHF和UHF频段的主要 传播方式 （4）地面反射波 从发射天线发出经过地面反射到达接收天线的电波。 在视距传播中，直射波与地面反射波之间的干涉构成 对信号传播的主要影响，从而也成为地面移动通信中 影响信号传播的重要因素
2.1 引言
移动信道是连接发射机和接收机的媒介，其特性决定了信息论的容量， 也决定了移动系统的表现。所以，理解移动信道是非常必要的。 本章将回答传播的电磁现象，以及他们如何影响每一个多径分量 （Multi Path Component,MPC)。分析信道参数的统计规律，即不关心功 率或场强如何被特定的多径分量影响，而在于描述信道参数到达某个值得 概率。本章最后给出链路计算的原理和方法
三、 平滑表面反射
（1）反射系数 ：入射波与其反射波的复振幅比值 称为反射系数 。
反射系数与入射角θ ，电波极化方式和反射介 质的特性有关。用公式表示为：
1 dn dh
等效地球半径
电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空沿直线传 播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效，如图所示。
所谓等效就是直线传播轨迹上任一点到等效 地面的距离与曲线传播轨迹上的相应点到实 际地面的距离相等。 根据几何学原理，如果两组曲线的曲率之差 相等，则它们之间的距离相等，可得
对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。 建立电波传播模型。 无线电信号在移动信道中可能发性的变化以及发生这些变化 的原因。 对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能 有什么影响。 有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响。
为解决移动通信系统的设计问题，必须搞清三个问题：
（3）直射波传播 从发射天线发出的电波直接到达在视距内的接收天线的 传播方式，又称视距传播，为VHF和UHF频段的主要 传播方式 （4）地面反射波 从发射天线发出经过地面反射到达接收天线的电波。 在视距传播中，直射波与地面反射波之间的干涉构成 对信号传播的主要影响，从而也成为地面移动通信中 影响信号传播的重要因素
2.1 引言
移动信道是连接发射机和接收机的媒介，其特性决定了信息论的容量， 也决定了移动系统的表现。所以，理解移动信道是非常必要的。 本章将回答传播的电磁现象，以及他们如何影响每一个多径分量 （Multi Path Component,MPC)。分析信道参数的统计规律，即不关心功 率或场强如何被特定的多径分量影响，而在于描述信道参数到达某个值得 概率。本章最后给出链路计算的原理和方法
三、 平滑表面反射
（1）反射系数 ：入射波与其反射波的复振幅比值 称为反射系数 。
反射系数与入射角θ ，电波极化方式和反射介 质的特性有关。用公式表示为：
3-1、无线移动通信信道解读
S0 (t ) ai Si t i (t )
i 1 N
式中， ai是第i条路径的衰减系数；τi(t)为第i条路径 的相对延时差。
27
3.5 多普勒频移
• 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发
移 动 通 信 原 理
生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频
移称为多普勒频移（Doppler Shift），造成多
移 动 通 信 原 理
则
或
2π (t ) 1 Bc 2 (t )
由此可见，两相邻场强为最小值的频率间隔是与相对多 径时延差Δ(t)成反比的，通常称Bc为多径时散的相关带 宽。 若所传输的信号带宽较宽，以至与 Bc 可比拟时，
则所传输的信号将产生明显的畸变。
35
实际上， 移动信道中的传播路径通常不止两条， 而是多
图
多径时散示例
25
多径效应
移 动 通 信 原 理
•假设基站发射一个极短的脉冲信号 Si(t)=a0δ(t)， 经过多径信道后， 移动台 接收信号呈现为一串脉冲， 结果使脉冲 宽度被展宽了。 • 这种因多径传播造成信号时间扩散的现 象， 称为多径时散。
26
移 动 通 信 原 理
• 一般情况下， 接收到的信号为 N 个不同路 径传来的信号之和， 即
S0 (t ) Si (t )(1 re
j (t )
)
31
移 动 通 信 原 理
双射线信道等效网络
32
双射线信道等效网络的传递函数为
移 动 通 信 原 理
S0 (t ) j ( t ) H e ( , t ) 1 re Si (t )
信道的幅频特性为
A(, t ) 1 r cos(t ) jr sin (t )
i 1 N
式中， ai是第i条路径的衰减系数；τi(t)为第i条路径 的相对延时差。
27
3.5 多普勒频移
• 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发
移 动 通 信 原 理
生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频
移称为多普勒频移（Doppler Shift），造成多
移 动 通 信 原 理
则
或
2π (t ) 1 Bc 2 (t )
由此可见，两相邻场强为最小值的频率间隔是与相对多 径时延差Δ(t)成反比的，通常称Bc为多径时散的相关带 宽。 若所传输的信号带宽较宽，以至与 Bc 可比拟时，
则所传输的信号将产生明显的畸变。
35
实际上， 移动信道中的传播路径通常不止两条， 而是多
图
多径时散示例
25
多径效应
移 动 通 信 原 理
•假设基站发射一个极短的脉冲信号 Si(t)=a0δ(t)， 经过多径信道后， 移动台 接收信号呈现为一串脉冲， 结果使脉冲 宽度被展宽了。 • 这种因多径传播造成信号时间扩散的现 象， 称为多径时散。
26
移 动 通 信 原 理
• 一般情况下， 接收到的信号为 N 个不同路 径传来的信号之和， 即
S0 (t ) Si (t )(1 re
j (t )
)
31
移 动 通 信 原 理
双射线信道等效网络
32
双射线信道等效网络的传递函数为
移 动 通 信 原 理
S0 (t ) j ( t ) H e ( , t ) 1 re Si (t )
信道的幅频特性为
A(, t ) 1 r cos(t ) jr sin (t )
移动通信-第三章
直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗:
Lbs 32.45 20lg d(km) 20lg f (MHz)dB
其中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。
3.1.2 视距传播的极限距离
视线所能到达的最远距离称为视线距离
d0。 已知地球半径为R=6370km，设发射天
LT Lbs Am ( f , d )
(3.18)
若基地站天线有效高度不是200m，可利用图3-7查
出修正因子Hb（hb，d），对基本衰耗中值加以修 正，称为基站天线高度的增加因子。
若移动台天线高度不等于3m时，可利用图3-8查出
修正因子Hm（hm，f），对基本衰耗中值进行修正， 称为移动台天线高度的增益因子。
3.1.6 多径效应与瑞利型衰落特性
设发射机发出的信号为： Acosct 则接收机接收端收到的合成信号为：
n
R(t) Ri (t) cos{c[t i (t)]} i 1
n
Ri (t) cos{[ct i (t)]} i 1
（3-8）
式中 Ri (t) 为第i条路径的接收信号； i (t) 为第i条 路径的传输时间；i (t)为第i条路径的相位滞后，
(dB)
若 A 0, K 莱斯分布 瑞利分布
3.2 电波传播特性的估算（工程计算）
3.2.1 Egli.John.J. 场强计算公式 ☆在实际中，由于移动通信的移动体在不停地
运动。计算绕射损耗中的x、x1的数值处于 变化中。 ☆Egli.John.J.提出一种经验模型，并根据此模 型提出经验修正公式，认为不平坦地区的场 强等于平面大地反射公式算出的场强加上一 个修正值，其修正值为：
图 台 基中天 准是线 (0d在高B)基度，地h求m站=得3天m的，线衰以有耗自效中由高值空度的间h修b=传正2播0值0m衰A，m耗(f移为,d动)
Lbs 32.45 20lg d(km) 20lg f (MHz)dB
其中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。
3.1.2 视距传播的极限距离
视线所能到达的最远距离称为视线距离
d0。 已知地球半径为R=6370km，设发射天
LT Lbs Am ( f , d )
(3.18)
若基地站天线有效高度不是200m，可利用图3-7查
出修正因子Hb（hb，d），对基本衰耗中值加以修 正，称为基站天线高度的增加因子。
若移动台天线高度不等于3m时，可利用图3-8查出
修正因子Hm（hm，f），对基本衰耗中值进行修正， 称为移动台天线高度的增益因子。
3.1.6 多径效应与瑞利型衰落特性
设发射机发出的信号为： Acosct 则接收机接收端收到的合成信号为：
n
R(t) Ri (t) cos{c[t i (t)]} i 1
n
Ri (t) cos{[ct i (t)]} i 1
（3-8）
式中 Ri (t) 为第i条路径的接收信号； i (t) 为第i条 路径的传输时间；i (t)为第i条路径的相位滞后，
(dB)
若 A 0, K 莱斯分布 瑞利分布
3.2 电波传播特性的估算（工程计算）
3.2.1 Egli.John.J. 场强计算公式 ☆在实际中，由于移动通信的移动体在不停地
运动。计算绕射损耗中的x、x1的数值处于 变化中。 ☆Egli.John.J.提出一种经验模型，并根据此模 型提出经验修正公式，认为不平坦地区的场 强等于平面大地反射公式算出的场强加上一 个修正值，其修正值为：
图 台 基中天 准是线 (0d在高B)基度，地h求m站=得3天m的，线衰以有耗自效中由高值空度的间h修b=传正2播0值0m衰A，m耗(f移为,d动)
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GSM 05.05建议的传播模型
移动环境信道---GSM信道模型参数
GSM 05.05建议的信道模型参数
多径支路数目：12或6个 每路径的信号参数：路径的时延和平均功率 每路径的幅度分布：瑞利分布，依据多普勒频谱S(f) 典型多普勒频谱用于除郊区最短路径外所有环境 莱斯(Rice)多普勒频谱用于郊区最短路径环境
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补充
基本概念
基本概念 2
无线电波频段
无线信道类型
3-30 kHz 甚低频（VLF）
电离层波导（wave guide） 电报 导航系统 潜水艇通信
GSM 05.05建议的多普勒频谱S(f)
移动环境信道---WCDMA多径模型
多径模型参数
移动环境信道---WCDMA室内多径
移动环境信道---WCDMA室外多径
室外车辆测试环境
内容
移动通信面临的问题 移动环境下的信道分析 移动信道模型 移动信道仿真实验方法 空时信道模型 移动信道的测量
当发送信号的持续时间 Ts>Tc 则会产生时间选择性衰落 一般情况下 Ts<<Tc 多普勒扩展可不考虑
角度扩展→空间选择性衰落
时延扩展---频率选择性衰落
频率扩展---时间选择性衰落
角度扩展---空间选择性衰落
多径信号---幅度统计特性 多径延时信号的电平分布通常 用指数分布来描述 GSM 05.05建议中采用指数 分布表示乡村地区的多径传播 信号的幅度分布 还处在研究之中
多径信号---时延特性
时延扩展
时延方差 (σ)
σ 的典型值： 室内：10-100 ns 室外：0.1-10 µs
时延均值 功率(dB)→ 噪声门限
时延→
多径信号---典型时延
多径信号---相位统计特性
相位变化：反射附加相移＋时 延附加相移＋多普勒频移
多普勒频移
多普勒效应
多普勒频谱
多普勒展宽：多径传播下，多径的 多普勒频移形成信号频率的扩展。 当多径电波与移动台的运动方向夹 角在[0~2π]内服从均匀分布时， 多普勒扩展的功率谱为：
非相干散射（US）
统计模型为高斯随机变量
WSSUS 的应用
多径瑞利衰落：
瑞利分布没有包括多径时延（频率 选择性） 多径模型为两个或多个独立延时的 瑞利随机变量之和
s(t) R1 R2
τ Σ r(t)
最简单的信道模型
路径跟踪
路径跟踪 2
路径跟踪 3
路径跟踪 4
抽头延时线模型
数字信号SNR+误码率
多径信道模型
基本思想: 将多径干扰效应用一 个滤波器来表示。
测量或计算信道的冲击响应（响应 频率为fc窄脉冲）。
τ
t
信道
τ
信号表示
发送的信号：
fc为载波频率，sl(t)是等效基带信号。
接收信号---经过多条传播路径
αn(t)是第n径接收信号的衰落因子，τn(t)是 第n条路径的传播时延，fD为多普勒频移，φn 为第n径沿途反射产生的附加相移。
多普勒频谱 2
多径信号---典型多普勒扩展
内容
移动通信面临的问题 移动环境下的信道分析 移动信道模型 移动信道仿真实验方法 空时信道模型 移动信道的测量
移动信道分析---研究目标
移动通信信道是多径衰落信道 模拟信号SNR
信道特性：以信号在自由空间传播损耗、衰 落深度、衰落次数和衰落持续时间等参数表 示 多径传播→多径衰落→突发性误码 多径时延扩展→严重的码间串扰
多径衰落信道仿真实验
根据《无线通信原理与应用》，p.145， 第4.20题； 采用《无线通信原理与应用》，p.144， 图P4.18所示的延时功率谱； 假设符号速率Rs分别为100kbps和 1Mbps；最大多普勒频率fm分别为10Hz 和1000Hz；N取64或128。 观测QPSK信号分别通过AWGN信道和多 径衰落信道情况下的眼图和星座图失真情 况。
抽头延时线模型 2
抽头延时线模型 3
抽头延时线模型 4
频率选择性多径信道模型
频率选择性多径信道模型
室内信道基带冲击响应模型
h(t ) = ∑ β k e δ (t − τ k )
jθ k k
式中： β k = path gain θ k = phase shift τ k = path delay 这些参数都可以看成是与信号速率相比为慢 速时变的随机变量。
多径信号包络分布 ---Nakagami 分布
M=1，瑞利分布 M=0.5，单边指数分布 ，莱斯分布
多径信号---时延统计特性
多径信号到达时刻的分布
指数分布---对于有近距离散射体中距离高大建筑和远山 的环境 等间隔分布---简化模型GSM 05.05建议
多径信号到达数目的分布---泊松分布
室内信道基带模型参数 (续)
2 为指数分布，这意味着 βkl 服从瑞利分布： β kl 2 β 1 2 P( β kl )= exp(− kl ) 2 2 β kl β kl 2 β kl 2 β kl P( β kl ) = exp(− ) 2 2 β kl β kl
基带冲击响应模型为：
h(t ) = ∑∑ β kl e
多径扩展和相关带宽的关系如 下图所示：
相关带宽的意义
从频域来看，多径现象将导致频率选择性衰 落，即信道对不同频率成分有不同的响应。即 在相关带宽内信号传输失真小；若信号带宽超 过相关带宽，将产生较大失真和符号间串扰。 若 Bs << Bc：“平坦衰落”
仅发生幅度和相位失真 若 Ts < Tm，发生符号间干扰（ISI） 对于窄带系统（Bs ≈ 1/Tm），FSF ⇒ ISI. 在宽带系统中（Bs >> 1/Tm），不再发生ISI
无线信道类型 4
30 MHz--3 GHz 甚高频 （VHF）& 超高频（UHF）
以空间波为主 传播受地平线限制 反射 & 绕射 FM无线电 & 电视频道，等...
无线信道类型 5
3-30 GHz 极高频 (微波：15–30 GHz)
需视线（LOS）传播 高增益天线 卫星通信 点对点陆地链路 雷达 超短距通信
时变冲击响应函数
等效低通信号
等效低通信道的时变冲激响应为
信道的时变冲激响应与幅度因子、相移和 时延有关
移动信道模型---所关切的参数
最大时延 路径数目的概率分布 多径延迟时间的分布 多径信号的强度分布 延迟扩展与路径损耗的相关性 路径损耗的累积分布 多普勒频移与扩展
无线信道类型 6
30-300 GHz 特（Extra）高频（即 毫米波）
有很多适用频段 视线通信 突发散射通信 存在雾、水、和氧气吸收 (e.g. 60 GHz) 甚短距保密通信 卫星之间的通信
移动通信---第三课
移动信道模型 和简单定量分析
内容
移动通信面临的问题 移动环境下的信道分析 移动信道模型 移动信道仿真实验方法 空时信道模型 移动信道的测量
l =0 k =0
∞
∞
jθ kl
δ (t − Tl − τ kl )
移动环境信道---GSM信道模型
GSM 05.05建议的信道类型
典型郊区(RAx) 典型山区(HTx) 典型城市地区(Tux) 典型郊区(RAx)：6支路典型郊区模型 典型山区(HTx)：12/6支路典型山区模型 典型城市地区(Tux)：12/6支路典型城市地 区模型
无线信道类型 2
30 kHz-3 MHz 低频（LM）& 中频 （MF） LM：表面波
长距离通信 导航
MF：地面波和空中波
臋 干扰 & 衰落 商业 AM 无线电
无线信道类型 3
3-30 MHz 高频（HF）
存在地面波 以空中波为主 全球通信 通过电离层反射 没有用于民用移动通信
多径信道---时延扩展与相关带宽
信道的时变冲激响应：c(τ；t)为广义平稳过程 自相关函数：
当两个不同延时的散射是不相关的，即各路信号的信道 衰减和相移是不相关的 当Δt＝0时，相关函数被称为信道时延功率谱
Tm为信道的多径扩展
多径信道---时延扩展与相关带宽
多径信道---时延扩展与相关带宽
瑞利衰落仿真方法
多径衰落仿真方法
仿真步骤
按照瑞利衰落仿真方法，指定用于代表Classic谱的样本 点数N 及最大多普勒频率fm，N 值一般取2的幂。 用式 ∆f = 2 f m ( N − 1) 计算相邻谱线的频率间隔，由此可 得衰落波形的时间周期 T = 1 ∆f 。 为噪声源的每N/2的正频率分量产生复数高斯随机变 量。 将正频率值取共轭并赋给相应的负频率，以得到噪声源 的负频率分量。 将同相和正交两路噪声源与Classic谱相乘。 在同相和正交两路上对所得频域信号进行IFFT运算，并 将正交路乘以j后与同相路相加，得到长度为N 的时间域 瑞利衰落复数序列。 按照多径衰落仿真方法图示将测试信号分别与多径瑞利 衰落序列卷积后求和，其中测试信号应与瑞利衰落序列 进行速率匹配，即瑞利衰落序列应重复T/(7Ts)。