第5章1 移动通信系统

5,综上所述
fd
V cos
l
X
Y
最大多谱勒频移：fm

v

V
第二章 移Βιβλιοθήκη Baidu通信电波与传播预测模型
25
2.5 移动无线信道及特性参数
❖多谱勒效应的解释
相位发生随机变化，即随机调频信号
多径信道中，一个单频信号f扩展为f＋fd，导致 频谱扩展。
❖相干时间
Tcoh=1/fm，表征时变信道影响信号衰落的衰 落节拍，信道随这个节拍在时域上对信号有不同 的选择性。－－时间选择性衰落。
-40
-50
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
Time (s)
图 2-5车速20km/h的瑞利衰落 信号包络（经典谱）
20
10
0
dB -10
-20
-30 fm=40Hz sampling rate=1.28M
-40
-50
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
多径衰落的基本特性 多普勒频移 多径信道的信道模型 描述无线信道的主要参数 多径信道的统计分析 多径信道的分类 衰落特性的特征量 衰落信道的建模与仿真
5
主要内容
• 2.6 电波传播损耗预测模型
– 室外传播模型 – 室内传播模型 – 传播模型校正
6
主要内容
• 2.1概述
了衰落。
第二章 移动通信电波与传播预测模型
19
2.5 移动无线信道及特性参数
❖多径衰落现象
图(a) 两径传播的叠加 （加强和减弱）
图(b) 衰落包络随两径不同 相位的变化
第二章 移动通信电波与传播预测模型
20
2.5 移动无线信道及特性参数
❖ 2.5.3 多径信道模型
❖ 假设输入信号为 s(t) Re u(t)e j2 fct
LTE: Long Term Evolution长期演进
GSM: Global System for Mobile Communications全球移动通信系统
2
学习重点和要求
• 理解电波传播的基本特性 • 了解3种电波传播的机制 • 掌握自由空间和阴影衰落概念 • 掌握多径信道模型的原理和多径信道的参数 • 理解无线信道中信号经历多径衰落的基本特
• 2.2自由空间的电波传播 • 2.3 3种基本电波传播机制 • 2.4 阴影衰落的基本特性 • 2.5 移动无线信道及特性参数 • 2.6 电波传播损耗预测模型
7
2.1 概述
• 2.1.1 电波传播的基本特性
• 按视距分类
– 视距信道：直射传播（LOS：Light-Of-Sight），如卫星传播信 道
N (t )
h(t , ) n (t )e jn (t ) (t n (t )) n0
❖ 接收信号
r(t) Re

h(t, )u(t )d
e j 2 fct

第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
N
ht, Cne jn t n n1
• 小尺度衰落：用于描述发射机与接收机之间的短距离（几个波长）或 短时间（秒级）内信号强度的快速变化，又叫做短期快衰落。
两种衰落并非独立，同时存在与无线信道中
描述 原因 影响
大尺度衰落 长距离上信号强度的缓慢变化 信道路径上固定障碍物的阴影
业务覆盖区域
小尺度衰落（主要特征是多径） 短距离上信号强度的快速波动 移动台运动和地点的变化 信号传输质量
通信系统概论
第5章 移动通信系统 I. 基础知识
张 文胜
School of Information Science and Engineering
Shandong University Shandong, China
移动通信发展历程
ITU: International Telecommunications Union 国际电信联盟
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖ 时延扩展
平均时延：归一化时延谱曲线的数学期望

p()

a
p( )d
0
均方值时延扩展
2
0
(

a
)2
p(
)d
a Tm
均方值时延扩展描述了多径信道时延的统 计特性。
第二章 移动通信电波与传播预测模型
24
2.5 移动无线信道及特性参数
1, 假设X 与Y 相距较远，可以认为两处的入射角 相同信号频率fc，波长

C fc
，C为光速
2,由于移动带来路径差 l d cos vt cos
3,路径差对应信号相位的变化 2 l
4,该相位差对应频率的变化
fd

1
2

t
– 非视距信道：非直射传播（Non-LOS）：绕射、散射、反射
• 按不同距离内信号强度变化的快慢分类
– 大尺度衰落 – 小尺度衰落
• 按信号与信道变化快慢程度的比较分类
– 长期慢衰落 – 短期快衰落
8
2.1 概述
• 直射传播：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。直射波传播损耗可看成自由 空间的电波传播损耗:
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers 美国电气和电子工程师协会
IMT-2000:International Mobile Telecommunications-2000 国际移动电话系统-2000
3GPP :The 3rd Generation Partnership Project 3G技术规范机构
❖多谱勒效应主要影响接收机的误码性能
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖2.5.4 多径信道主要参数&2.5.6多径衰落信道 分类
❖ 时域上分析（频率选择性衰落）
基于时延扩展
平坦衰落
1.信号带宽<<信道相干带宽 2.信号符号周期>>时延扩展
频率选择性衰落
1.信号带宽>信道相干带宽 2.信号符号周期<时延扩展
基本方法 •理论分析方法（如射线跟踪法） •现场测试方法（如冲激响应法）
2.2 自由空间的电波传播
16
关键概念
• 相干带宽 （coherent bandwidth） ：
指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具 有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的 增益和线性相位。相干带宽近似等于最大多径时延的倒数。从频域 看，如果相干带宽小于发送信道的带宽，则该信道特性会导致接收 信号波形产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值可以增 强，而另外一些频率成分信号的幅值会被削弱。
28
2.5 移动无线信道及特性参数
❖ 相干带宽
信号中不同频率分量通过多径信道后，所受衰落是否 相同依赖于信号带宽与相干带宽；
信号带宽 > 相干带宽：频率选择性衰落 信号带宽 <<相干带宽：非频率选择性衰落
相干带宽BC＝1/(2πΔ)
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
基于多普勒扩展
非时间选择性衰落（慢衰落）
时间选择性衰落（快衰落）
多普勒频移低
多普勒频移高
1.信号符号周期<<信道相干时间 1.信号符号周期>信道相干时间
2.基带信号变化>>信道变化
2.基带信号变化<信道变化
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖时间选择性衰落与非时间选择性衰落
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
3
主要内容
• 2.1概述
– 电波传播的基本特性 – 电波传播特性的研究
• 2.2自由空间的电波传播 • 2.3 3种基本电波传播机制
– 反射与多径信号 – 绕射 – 散射
4
主要内容
❖2.4 阴影衰落的基本特性 ❖2.5 移动无线信道及特性参数
❖多普勒扩展 ❖相干时间
BD fm cos
Tc

1 fm
❖若时间相关函数大于0.5时
9
Tc 16 fm
❖普遍定义方法
Tc
9 0.423
16
f
2 m
fm
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
20
10
0
-10
dB
-20
-30
fm=20Hz
sampling rate=1.28M
12
2.1 概述
• 无线移动通信信道的基本概念 r(t)=m(t)×r0(t)
– 长期慢衰落：m(t)
• 路径损耗：自由空间损耗 • 由信道路径上的固定障碍物的阴影产生，
– 短期快衰落：r0(t)
• 由移动台的运动和环境变化产生
L
r0 (t) i t e ji t l 1
可分辨多径数目
❖ 多径环境下的接收信号
每径时延
r(t )

Re


N (t ) n0

n
(t
)e

jn ( t )u(t


n
(t
))

e
j 2
fct

每径衰落系数
每径相移
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖ 信道冲激响应函数
时间选择性衰落（快衰落）
TS > TC 并且BS < BD(多谱勒扩展) 既有平坦快衰落，也有频率选择性快衰落
非时间选择性衰落（慢衰落）
TS << TC 并且BS >> BD(多谱勒扩展) 既有平坦慢衰落，也有频率选择性慢衰落
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
• 相干时间 （coherent time） ：
相干时间就是信道保持恒定的最大时间差范围，发射端的同一信号
在相干时间之内到达接收端，信号的衰落特性完全相似，接收端认
为是一个信号。如果该信号的自相关性不好，还可能引入干扰，类
似照相照出重影让人眼花缭乱。从发射分集的角度来理解：时间分
集要求两次发射的时间要大于信道的相干时间，即如果发射时间小
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖2.5.2 多普勒频移
❖多谱勒效应：移动台在移动中通信，接收信 号频率会发生变化的现象。
❖多谱勒频移(Doppler Frequency Shift)与移动速
度、方向
fd

v

cos
最大多谱勒频移：fm

v

第二章 移动通信电波与传播预测模型
Lbs 32.45 20 lg d (km) 20 lg f (MHz)dB
其中,d为距离(km), f为工作频率(MHz)。
(a)
(b)
(c)
9
2.1 概述
• 反射(reflection) ：当电磁波遇到比波长大得多 的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建 筑物和墙壁表面。
• 散射(scattering) ：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，发生散射。散射波产生于粗糙表面、 小物体或其他不规则物体。
• 绕射(diffraction) ：当接收机和发射机之间的无 线传播被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。
10
2.1 概述
散射体 1.直射波(最强) 2.反射波(次强) 3.绕射波(次强)
4.散射波(最弱) 图2-1 典型的移动信道电波传播方式
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2.1 概述
• 大尺度衰落：用于描述发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米） 或长时间上信号强度的变化，又叫做长期慢衰落。
于信道的相干时间，则两次发射的信号会经历相同的衰落，分集抗
衰落的作用就不存在了。
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖2.5.1 多径衰落的基本特性
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖多径衰落
在移动通信环境中，发射的电波经历了不同路 径；
导致传播时间和相位均不相同。 接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产生
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2.1 概述
• 长期慢衰落和短期快衰落
r0(t)
移动台运动的 小区域
移动台相对位移（距离）
实线：短期 快衰落 虚线：长期 慢衰落
基站发射天线
m(t)
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电波传播特 性的研究
2.1 概述
考虑问题 •衰落的物理机制 •功率的路径损耗 •接收信号的变化和分布特性
应用成果 •传播预测模型的建立 •为实现信道仿真提供基础
频率选择性衰落
BS > BC ( TS <Δ)
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖频率选择性衰落与平坦衰落
平坦衰落信道（非弥散信道）
BS << BC (TS >> Δ)
第二章 移动通信电波与传播预测模型
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2.5 移动无线信道及特性参数
❖ 频域上分析（时间选择性衰落）