第四章 移动通信信道特性分析
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无线信道与有线信道的根本区别 决定了无线通信可能采用的无线传输技术 关系到无线通信系统的通信能力和服务质量
如何研究无线移动通信信道？
理论分析：用数学模型描述 现场电波预测：实验测量、验证、校正 计算机模拟
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 7
移动通信的电波传播方式
发射天线 直射波 接收天线
计算机与通信学院—Keith 30
2013-7-13
直射波传输特性
定义：在自由空间中, 电波沿直线传播而不被 吸收, 也不发生反射、 折射和散射等现象而直 接到达接收点的传播方式称为直射波传播。 直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损 耗Lfs, 表示式为
[ Lfs] 32.44 20lg d 20lg f ( dB)
2013-7-13
－2 0 4
绕射损耗 / dB
8 12 16 20
24 26 －2.5 －2
－1
x / x1
0
1
2
绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系
计算机与通信学院—Keith 23
4.1 概述
无线移动通信信道的基本特点
– 以地波形式传播
– 同时受电波传播时的衍(绕)射、反射、散射
和吸收等现象影响 – 从观察时间的角度，可分为长期慢衰落效应 和短期快衰落效应 – 对接收信号的主要影响是多径衰落 – 可从时间和空间描述、测试多径衰落
移动通信原理
主讲：杜青松
湖南大学计算机与通信学院
第四章 移动通信信道特性分析
学习重点和要求
理解无线通信的电波传播环境的特点 了解链路分析和传播损耗及其计算方法, 了解电波传播损耗预测模型 掌握无线信道的模型、表征及分类 理解无线信道中信号经历多径衰落的基 本特性，掌握多径传播与快衰落、阴影 衰落、时延扩展与相干带宽的关系 掌握描述信道衰落特性的特征量
基站天线与移动台天线存在显著高度差别
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
11
移动信道环境(图示)
近端区域物体的反射导致多径衰落
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
12
4.1 概述
长期慢衰落和短期快衰落的图示
实线：短期快衰 落
虚线：长期慢衰 落
移动台相对位移（距离） 基站发射天线 移动台运动 的小区域
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 20
障碍物和绕射损耗
在实际情况下,电波的直射路径上存在各种障碍 物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损 耗。 设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所 示:
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
21
菲涅尔余隙：障碍物顶点与直线TR间的 距离。 第一菲涅尔半径
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 5
4.1 概述
为什么研究无线信道的电波传播特性？ 如何研究无线移动通信信道？ 无线移动通信信道的基本特征是什么？ 如何解释多径衰落现象？ 无线信道电波传播的基本特点包括哪些？
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
6
4.1 概述
为什么研究无线信道的电波传播特性？
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 29
4.2 自由空间的无线电传播
自由空间电波传播
– 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，
无反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只 存在电磁波能量扩散引起的传播损耗 – 预备知识
天线的方向性 天线的方向性功率增益 天线的有效面积与功率增益的关系
Re k R0
式中，K为地球等效半径系数, R0为地球实际半 径，Re是等效半径。
计算机与通信学院—Keith 33
2013-7-13
在标准大气压条件下，
Re 6370 4 / 3 8500 Km
视线传播距离修正为:
2 d 1 （Re ht） Re2 2 Reht 2 d 2 （Re hr） Re2 2 Re hr
移动通信使用的频段
150MHz(VHF-very high frequency甚高频/特高 频) 450MHz、900MHz(UHF－ Ultrahigh Frequency超高频) 900/1800MHz(由于GSM发展极快，在其 900MHZ频段满以后，又开辟了GSMl800频段， 手机工作在900MHZ和1.8GHZ频 段以及 GSM1900MHz等几个频段。 )
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 3
主要内容
移动通信信道概述 移动通信信道的电波传播特性
自由空间传播 阴影衰落传播 多径传播信道
多径衰落的基本特性
多谱勒频移、瑞利衰落分布、莱斯衰落分 布、功率谱、时延扩展、相干带宽及衰落 特性的表征
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 4
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
19
由路径差Δd引起的附加相移Δφ为 t 2 2 d T
式中， 2π/λ称为传播相移常数。 这时接收场强E可表示为
j j ( )
E E0 (1 Re
) E0 (1 R e
)
由上式可见，合成场强将随反射系数以及路径差的变化 而变化，有时会同相相加，有时会反相抵消，这就造成了合 成波的衰落现象。R 越接近于1，衰落就越严重。为此，在固 定地点通信中，选择站址时应力求减弱地面反射，或调整天 线的位置、高度，使地面反射区离开光滑界面
d d 1 d 2 2 Re ( ht hr )
d 4.12 ( ht hr )
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
34
4.3 阴影衰落传播的基本特性
什么是阴影衰落？
– 长期衰落（大尺度衰落），由移动无线通信
式中, d为距离(km), f为工作频率(MHz)。
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 31
1.视线传播距离 视线传播距离可由右图计算 天线高度分别为ht和hr
2 2 d 1 （R0 ht） R0 2 R0ht 2 2 d 2 （R0 hr） R0 2 R0hr
(2) 频率选择性衰落：在不同频率上，电磁波的衰落特性不同。 它是由于时延扩散引起的衰落，衰落周期与相对时延扩散成 正比。 (3) 时间选择性衰落：在不同的时间，电磁波的衰落特性不同。 由于移动台的移动速度变化，使得接收的信号发生频率扩散， B 在接收点产生时间选择性衰落。衰落周期为 ， 为相对频 B 移。
无线移动通信信道的基本概念 r(t)=m(t)×r0(t)
r0 (t ) i e ji
L
– 长期慢衰落：m(t) 由信道路径上的固定障碍物的阴影产生
l 1
– 短期快衰落：r0(t) 由移动台的运动和环境变化产生
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
10
移动信道环境(图示)
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
13
4.1 概述
多径衰落
– 电波通过各个路径的距离不同，导致传播时间和
– 在移动通信环境中，发射的电波经历了不同路径；
相位均不相同。多个不同相位的信号在接收天线 处叠加，时而同相叠加增强，时而反相叠加减弱。 – 接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产生了 衰落，由于它由多径引起，称之为多径衰落。
25
移动通信环境的几个效应
空间传播损耗---Path loss 阴影效应：由地形结构引起，表现为慢 衰落 多径效应：由移动体周围的局部散射体 引起的多径传播，表现为快衰落 多普勒效应：由于移动体的运动速度和 方向引起多径条件下多普勒频谱展宽
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 26
接收信号场强的变化速率，与车速以及电波波长有关，信号电平 的变化范围可达30dB,振幅每起伏一次，称为一次衰落，衰落的平 均速率为 2v ,衰落一次的平均距离为 。 2
计算机与通信学院—Keith
28
快衰落主要由多径传播产生，根据产生快衰落的主要因素， 可以细分为三类：
(1) 空间选择性衰落：在不同的地点，电磁波的衰落特性不同， 主要由于天线点波束的扩散，引起空间选择性衰落，衰落周 期为 ， 波长， 为扩散宽度。
绕射,也称衍射
2013-7-13
费涅尔区，Fresnel zone
计算机与通信学院—Keith 17
反射波
电波传播中遇到两种不同介质的光滑界 面时， 如果界面尺寸比电波波长大得多， 就会产生镜面反射。 由于大地和大气是 不同的介质， 所以入射波会在界面上产 T 生反射。
ht a c R b
d1
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
27
相对于中值电平/dB
局部中值——慢衰落 多径衰落——快衰落
10
信号的局部中值：其含义 是在局部时间中，信号电 平大于或小于它的时间各 为50％。
0
-10
-20 1 -30 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2 3 4 5
d /m
t/s
2013-7-13
则 d d d 2R ( h h ) 视线传播的极限距离d为
1 2 0 t r
d 3.57 ( ht hr )
式中， ht 、hr的单位是m，d 的单位是km
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
32
2.大气折射及对d值的修正 实际系统中，考虑大气的不均匀性对电波传输 的影响，将会产生折射现象，折射引起电波在 传播方向上发生弯曲。 工程上,通常用“地球等效半径”来等效。如下 式
在实际移动信道中，散射体很多，所以接收信
号是由多个电波合成的。直射波、反射波或散射 波在接收地点形成干涉场，使接收信号的幅度急 剧变化，即产生了衰落现象。这种由多径传播引 起的衰落，称为多径衰落。（快衰落、短期衰落） 衰落反映了微观小范围内数十波长量级接收电 平的均值变化而产生的损耗，其变化率比满衰落 快故成为快衰落。 由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又 称为短期衰落
x1
d d
1
2
d1 d 2
阻挡时为负余隙；无阻挡时为正余隙 绕射损耗与菲涅尔余隙及第一菲涅尔半径 的比值x/x1有关。
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
22
当x/x1>0.5时，则 障碍物对直射波 的传播基本上没 有影响。 当x=0时，TR直 射线从障碍物顶 点擦过时，绕射 损耗约为6 dB。 当x<0时，TR直 射线低于障碍物 顶点，损耗急剧 增加。
o
d2
hr
20百度文库3-7-13
计算机与通信学院—Keith
18
在上图中， 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。 由图可知， 反射波与直射波的路径差 为 2ht hr
d a b c d
式中， d=d1+d2。
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
14
4.1 概述
多径衰落现象的本质
图(a) 两径传播的叠加（加强和减弱）
2013-7-13
图(b) 衰落包络随两径不同相位的变化
15
计算机与通信学院—Keith
4.1 概述
多径衰落现象的本质
散射 反射
基站
衍(绕)射
阴影 散射
移动终端 （手机）
2013-7-13
反射波
直射波---视距传播 反射波 地表面波 散射波
2013-7-13
地表面波
计算机与通信学院—Keith
8
d2 d hT
d—直射波传播距离 d 1 —地面反射波传播距离 d 2 —散射波传播距离
d1
hR
典型的移动信道电波传播路径
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 9
4.1 概述
计算机与通信学院—Keith
16
4.1 概述：多径衰落现象的本质
移动通信环境存在大量的
– 反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信
号波长的障碍物时发生反射。
导体与绝缘体材料（折射）
– 散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长
障碍物或多面体时发生散射
“混乱” 相对波长较小
– 绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 24
4.1 概述
从时间和空间两个角度描述衰落现象
•本地反射物所引起的多 径效应呈现较快的幅度 变化; •局部均值(locaL mean) 为随距离增加而起伏下 降的曲线，反映地形起 伏所引起的衰落以及空 间扩散损耗。
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
如何研究无线移动通信信道？
理论分析：用数学模型描述 现场电波预测：实验测量、验证、校正 计算机模拟
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 7
移动通信的电波传播方式
发射天线 直射波 接收天线
计算机与通信学院—Keith 30
2013-7-13
直射波传输特性
定义：在自由空间中, 电波沿直线传播而不被 吸收, 也不发生反射、 折射和散射等现象而直 接到达接收点的传播方式称为直射波传播。 直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损 耗Lfs, 表示式为
[ Lfs] 32.44 20lg d 20lg f ( dB)
2013-7-13
－2 0 4
绕射损耗 / dB
8 12 16 20
24 26 －2.5 －2
－1
x / x1
0
1
2
绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系
计算机与通信学院—Keith 23
4.1 概述
无线移动通信信道的基本特点
– 以地波形式传播
– 同时受电波传播时的衍(绕)射、反射、散射
和吸收等现象影响 – 从观察时间的角度，可分为长期慢衰落效应 和短期快衰落效应 – 对接收信号的主要影响是多径衰落 – 可从时间和空间描述、测试多径衰落
移动通信原理
主讲：杜青松
湖南大学计算机与通信学院
第四章 移动通信信道特性分析
学习重点和要求
理解无线通信的电波传播环境的特点 了解链路分析和传播损耗及其计算方法, 了解电波传播损耗预测模型 掌握无线信道的模型、表征及分类 理解无线信道中信号经历多径衰落的基 本特性，掌握多径传播与快衰落、阴影 衰落、时延扩展与相干带宽的关系 掌握描述信道衰落特性的特征量
基站天线与移动台天线存在显著高度差别
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
11
移动信道环境(图示)
近端区域物体的反射导致多径衰落
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
12
4.1 概述
长期慢衰落和短期快衰落的图示
实线：短期快衰 落
虚线：长期慢衰 落
移动台相对位移（距离） 基站发射天线 移动台运动 的小区域
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 20
障碍物和绕射损耗
在实际情况下,电波的直射路径上存在各种障碍 物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损 耗。 设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所 示:
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
21
菲涅尔余隙：障碍物顶点与直线TR间的 距离。 第一菲涅尔半径
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 5
4.1 概述
为什么研究无线信道的电波传播特性？ 如何研究无线移动通信信道？ 无线移动通信信道的基本特征是什么？ 如何解释多径衰落现象？ 无线信道电波传播的基本特点包括哪些？
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
6
4.1 概述
为什么研究无线信道的电波传播特性？
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 29
4.2 自由空间的无线电传播
自由空间电波传播
– 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，
无反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只 存在电磁波能量扩散引起的传播损耗 – 预备知识
天线的方向性 天线的方向性功率增益 天线的有效面积与功率增益的关系
Re k R0
式中，K为地球等效半径系数, R0为地球实际半 径，Re是等效半径。
计算机与通信学院—Keith 33
2013-7-13
在标准大气压条件下，
Re 6370 4 / 3 8500 Km
视线传播距离修正为:
2 d 1 （Re ht） Re2 2 Reht 2 d 2 （Re hr） Re2 2 Re hr
移动通信使用的频段
150MHz(VHF-very high frequency甚高频/特高 频) 450MHz、900MHz(UHF－ Ultrahigh Frequency超高频) 900/1800MHz(由于GSM发展极快，在其 900MHZ频段满以后，又开辟了GSMl800频段， 手机工作在900MHZ和1.8GHZ频 段以及 GSM1900MHz等几个频段。 )
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 3
主要内容
移动通信信道概述 移动通信信道的电波传播特性
自由空间传播 阴影衰落传播 多径传播信道
多径衰落的基本特性
多谱勒频移、瑞利衰落分布、莱斯衰落分 布、功率谱、时延扩展、相干带宽及衰落 特性的表征
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 4
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
19
由路径差Δd引起的附加相移Δφ为 t 2 2 d T
式中， 2π/λ称为传播相移常数。 这时接收场强E可表示为
j j ( )
E E0 (1 Re
) E0 (1 R e
)
由上式可见，合成场强将随反射系数以及路径差的变化 而变化，有时会同相相加，有时会反相抵消，这就造成了合 成波的衰落现象。R 越接近于1，衰落就越严重。为此，在固 定地点通信中，选择站址时应力求减弱地面反射，或调整天 线的位置、高度，使地面反射区离开光滑界面
d d 1 d 2 2 Re ( ht hr )
d 4.12 ( ht hr )
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
34
4.3 阴影衰落传播的基本特性
什么是阴影衰落？
– 长期衰落（大尺度衰落），由移动无线通信
式中, d为距离(km), f为工作频率(MHz)。
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 31
1.视线传播距离 视线传播距离可由右图计算 天线高度分别为ht和hr
2 2 d 1 （R0 ht） R0 2 R0ht 2 2 d 2 （R0 hr） R0 2 R0hr
(2) 频率选择性衰落：在不同频率上，电磁波的衰落特性不同。 它是由于时延扩散引起的衰落，衰落周期与相对时延扩散成 正比。 (3) 时间选择性衰落：在不同的时间，电磁波的衰落特性不同。 由于移动台的移动速度变化，使得接收的信号发生频率扩散， B 在接收点产生时间选择性衰落。衰落周期为 ， 为相对频 B 移。
无线移动通信信道的基本概念 r(t)=m(t)×r0(t)
r0 (t ) i e ji
L
– 长期慢衰落：m(t) 由信道路径上的固定障碍物的阴影产生
l 1
– 短期快衰落：r0(t) 由移动台的运动和环境变化产生
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
10
移动信道环境(图示)
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
13
4.1 概述
多径衰落
– 电波通过各个路径的距离不同，导致传播时间和
– 在移动通信环境中，发射的电波经历了不同路径；
相位均不相同。多个不同相位的信号在接收天线 处叠加，时而同相叠加增强，时而反相叠加减弱。 – 接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产生了 衰落，由于它由多径引起，称之为多径衰落。
25
移动通信环境的几个效应
空间传播损耗---Path loss 阴影效应：由地形结构引起，表现为慢 衰落 多径效应：由移动体周围的局部散射体 引起的多径传播，表现为快衰落 多普勒效应：由于移动体的运动速度和 方向引起多径条件下多普勒频谱展宽
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 26
接收信号场强的变化速率，与车速以及电波波长有关，信号电平 的变化范围可达30dB,振幅每起伏一次，称为一次衰落，衰落的平 均速率为 2v ,衰落一次的平均距离为 。 2
计算机与通信学院—Keith
28
快衰落主要由多径传播产生，根据产生快衰落的主要因素， 可以细分为三类：
(1) 空间选择性衰落：在不同的地点，电磁波的衰落特性不同， 主要由于天线点波束的扩散，引起空间选择性衰落，衰落周 期为 ， 波长， 为扩散宽度。
绕射,也称衍射
2013-7-13
费涅尔区，Fresnel zone
计算机与通信学院—Keith 17
反射波
电波传播中遇到两种不同介质的光滑界 面时， 如果界面尺寸比电波波长大得多， 就会产生镜面反射。 由于大地和大气是 不同的介质， 所以入射波会在界面上产 T 生反射。
ht a c R b
d1
2013-7-13
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27
相对于中值电平/dB
局部中值——慢衰落 多径衰落——快衰落
10
信号的局部中值：其含义 是在局部时间中，信号电 平大于或小于它的时间各 为50％。
0
-10
-20 1 -30 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2 3 4 5
d /m
t/s
2013-7-13
则 d d d 2R ( h h ) 视线传播的极限距离d为
1 2 0 t r
d 3.57 ( ht hr )
式中， ht 、hr的单位是m，d 的单位是km
2013-7-13
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32
2.大气折射及对d值的修正 实际系统中，考虑大气的不均匀性对电波传输 的影响，将会产生折射现象，折射引起电波在 传播方向上发生弯曲。 工程上,通常用“地球等效半径”来等效。如下 式
在实际移动信道中，散射体很多，所以接收信
号是由多个电波合成的。直射波、反射波或散射 波在接收地点形成干涉场，使接收信号的幅度急 剧变化，即产生了衰落现象。这种由多径传播引 起的衰落，称为多径衰落。（快衰落、短期衰落） 衰落反映了微观小范围内数十波长量级接收电 平的均值变化而产生的损耗，其变化率比满衰落 快故成为快衰落。 由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又 称为短期衰落
x1
d d
1
2
d1 d 2
阻挡时为负余隙；无阻挡时为正余隙 绕射损耗与菲涅尔余隙及第一菲涅尔半径 的比值x/x1有关。
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
22
当x/x1>0.5时，则 障碍物对直射波 的传播基本上没 有影响。 当x=0时，TR直 射线从障碍物顶 点擦过时，绕射 损耗约为6 dB。 当x<0时，TR直 射线低于障碍物 顶点，损耗急剧 增加。
o
d2
hr
20百度文库3-7-13
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18
在上图中， 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。 由图可知， 反射波与直射波的路径差 为 2ht hr
d a b c d
式中， d=d1+d2。
2013-7-13
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14
4.1 概述
多径衰落现象的本质
图(a) 两径传播的叠加（加强和减弱）
2013-7-13
图(b) 衰落包络随两径不同相位的变化
15
计算机与通信学院—Keith
4.1 概述
多径衰落现象的本质
散射 反射
基站
衍(绕)射
阴影 散射
移动终端 （手机）
2013-7-13
反射波
直射波---视距传播 反射波 地表面波 散射波
2013-7-13
地表面波
计算机与通信学院—Keith
8
d2 d hT
d—直射波传播距离 d 1 —地面反射波传播距离 d 2 —散射波传播距离
d1
hR
典型的移动信道电波传播路径
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 9
4.1 概述
计算机与通信学院—Keith
16
4.1 概述：多径衰落现象的本质
移动通信环境存在大量的
– 反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信
号波长的障碍物时发生反射。
导体与绝缘体材料（折射）
– 散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长
障碍物或多面体时发生散射
“混乱” 相对波长较小
– 绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为
2013-7-13 计算机与通信学院—Keith 24
4.1 概述
从时间和空间两个角度描述衰落现象
•本地反射物所引起的多 径效应呈现较快的幅度 变化; •局部均值(locaL mean) 为随距离增加而起伏下 降的曲线，反映地形起 伏所引起的衰落以及空 间扩散损耗。
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith