无线信道基本知识

功率延迟分布 PDP
多普勒功率谱密度 DPSD
时间色散
频率色散
角度谱 PAP
角度色散
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衰落的分类及判定

分类
频率选择性衰落
非频率选择性衰落 （平坦衰落）
不同频率分量的衰落 不一致 相关的 一致的
信号波形
失真
不失真
判定
由信道和信号两方面决定
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移动无线信道及特性参数
多径衰落的基本特性 多普勒频移 多径信道的信道模型 描述多径信道的主要参数
多径信道的统计分析 多径衰落信道的分类 衰落特性的特征量 衰落信道的建模与仿真
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多径衰落的基本特性
信号传输质量
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衰落特性的算式描述
衰落特性的算式描述 r ( t) m( t) r0 ( t)
式中，r(t)表示信道的衰落因子；m(t)表示大尺度衰落； r0(t)表示小尺度衰落。
小尺度衰落
大尺度衰落
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自由空间的电波传播
在理想的、均 匀的、各向同 性的介质中传 播，只存在电 磁波能量扩散 而引起的传播 损耗
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COST-231 Hata模型
路径损耗计算的经验公式
L50 dB 46.3 33.9 log f c 13.82log hte hre
式中 C M —大城市中心校正因子
44.9 6.55log hte log d Ccell Cterrain CM
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室外传播模型
Hata模型 CCIR模型
LEE模型
COST 231 Walfisch-Ikegami 模型
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Okumura-Hata 模型
路径损耗计算的经验公式
Lp dB 69.55 26.16log f c 13.82log hte hre 44.9 6.55log hte log d Ccell Cterrain
信道具有恒定增益和相位的带宽 信道具有恒定增益和 范围小于发送信号带宽 相位的带宽范围大于 发送信号带宽 时间色散 码间干扰 不同频率获得不同增益 Bs> Bc Ts <

在接收端保持不变 Bs<< Bc Ts >>

Ts为信号周期（一般是信号带宽Bs的倒数） 是信道时延扩展均方根值； Bc为相干带宽 通常若 Ts 10 ，可认为该信道是频率选择性的
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COST 231 Walfisch-Ikegami 模型
应用
用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境 常用于移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS）设计 可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等不同情况 的路径损耗
两种情况
视距传播情况，路径损耗
L 42.6 26log d 20log f



2 ( ) p( )d 0
意义
p( )d
0
式中
p( )d
0
p( )d
0
描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在 0, 360 之间分布。 角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度 越高
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幅度衰落 幅度随移动台移动距离的变动而衰落 空间角度 模拟系统主要考虑 原因 • 本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落 • 地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰 落
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多径衰落的基本特性
时延扩展 脉冲宽度扩展 时间角度 数字系统主要考虑 原因 信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导 致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号
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LEE宏蜂窝模型
决定移动台接收信号大小的因素
人为建筑物 地形地貌
基本思路
先把城市当成平坦的，只考虑人为建筑物的影响，在此 基础上再把地形地貌的影响加进来
地形地貌影响的三种情况
无阻挡 有阻挡 水面反射
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无线通信信道基本概念 与技术
目录
1 2 3 4 5 6
概述 自由空间的电波传输 3种基本电波的传播机制 阴影衰落的基本特性 移动无线信道及特性参数 电波传播损耗预测模型
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电波传播的基本特性
基站天线、移 移动通信 动用户天线和 信道 两付天线之间 的传播路径 移动信道的 基本特性 衰落特性 直射、反射、 绕射和散射以 及它们的合成
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快衰信道和慢衰信道
快衰落
慢衰落
冲激响应变化快于 信道冲激响应变化比不 原因 基带信号变化 上基带信号变化
条件
Ts>Tc Bs<Bd
Tc为信道相干时间 BD为多普勒扩展
Ts<<Tc Bs>>Bd
无线移动通信一般按慢衰落处理 声波通信按快衰落处理
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3种基本电波传播机制
直射：LOS 无直射：NLOS
反射
阻挡体比传输波 长大的多的物体 产生多径衰落的 主要因素
绕射
阻挡体为尖利边缘
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散射 产生于粗糙表面、小物体或其 它不规则物体
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阴影衰落的基本特性
阴影衰落（慢衰落）
地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成
特点
与传播地形和地物分布、高度有关
表达式
m
传播路径损耗和阴影衰落 l (r , ) r 1010 10log l (r , ) 10m log r 分贝式 式中 r 移动用户和基站的距离 ζ 由阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏 差σdB的对数正态分布 m 路径损耗指数 实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB对于城区是比较合理的
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相关距离与空间选择性衰落
相关距离Dc
信道冲激响应保证一定相关度的空间距离
空间选择性衰落
空选衰落:天线空间距离大于相关距离>Dc 非空选衰落:天线空间距离远小于相关距离<<Dc
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平坦衰落和频率选择性衰落
频率选择性衰落 原因 频谱特性 条件 平坦衰落
传播 损耗
接收 功率
Ar Pr PG 2 t t 4d
有效接收天线面积
自由空间 电波传播
2 G r Ar 4
接收 换算
分贝表示
L 32.45 20log f 20logd
传播 损耗
Pr (dBm) 10log Pr (mW )
Pr (dBW ) 10log Pr (W )
f c — 工作频率（MHz） hte — 基站天线有效高度（ m ），定义为基站天线实际海拔高度与基 站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差，即 hre — 移动台天线有效高度（m），定义为移动台天线高出地表的高度
式中
d — 基站天线和移动台天线之间的水平距离 （km） hre — 有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数 中小城市 1.11log f c 0.7 hre 1.56 log f c 0.8 8.29log1.54hre 2 1.1 f c 300MHz hre 大城市、郊区、 乡城 2 f c 300MHz 3.2log11.75hre 4.97
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多普勒频移
原因 移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移 表达式 多普勒频移
fd
v

cos
最大多普勒(Doppler)频移
v

Байду номын сангаас
fm
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描述多径信道的主要参数
由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对 传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。 通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色 散
l ( AC CB) AB
2
N 1 Pr Pt G r G t 1 Ri exp( j i ) 4d i 1 其中，N为路径数。当N很大时，无法用公式准确计算出 接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率
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C cell — 小区类型校正因子
城市 0 2 Ccell 2log f c 28 5.4 郊区 －4.78log f 2 18.33log f 40.98 乡村 c c C terrain — 地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响
衰落的 原因
复杂的无线 电波传播环 境
无线电 波传播 方式
衰落的 表现
传播损耗和色散 阴影衰落 多径衰落 多普勒频移
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一种典型的信号传播环境
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4
信道的分类
信道的分类
大尺度衰落 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{
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CCIR模型
给出了反映自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗联合 效果的经验公式
L50 dB 69.55 26.16log f c 13.82log hte hre
分比数值 校正因子 B 30 25log被建筑物覆盖区域的百 右图给出了Hata和CCIR 路径损耗公式的对比， 由图可见，路径损耗随 建筑物密度而增大
小尺度衰落 长期慢衰落
根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{ 短期快衰落
大尺度衰落与小尺度衰落
大尺度衰落（阴影衰落） 描述 原因 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 小尺度衰落（多径衰落） 短距离上信号强度的快速波动 移动台运动和地点的变化
影响
业务覆盖区域
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0 dB 中等城市和郊区 CM 大城市中心 3 dB
两种Hata模型的主要区别
频率衰减系数不同 COST-231Hata模型频率衰减因子为33.9 Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16 COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减，大城市中心 地区路径损耗增加3dB。
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多径信号
A
两径传播模型 接收信号功率
2
d B hm
hb C
简化后
2 Pr Pt G G 1 Re ( 1 R ) Ae .... r t 4d

直射波
2 2
相位差 多径传播模型
2
Pr Pt Gr Gt 1 Re 4d 2l
信号带宽小于信道相干带宽 Bs<Bc 信号带宽远大于信道相干带宽 Bs>>Bc 平坦衰落
数字通信系统
频选衰落
码间干扰
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角度扩展
角度功率谱（PAS）
信号功率谱密度在角度上的分布。一般为均匀分布、截 短高斯分布和截短拉普拉斯分布
角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即
44.9 6.55log hte log d B
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LEE模型
优点 模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合 本地无线传播环境，准确性高 路径损耗预测算法简单，计算速度快 应用 无线通信系统 分类 LEE宏蜂窝模型 LEE微蜂窝模型