配套教案移动通信-ch3

移动通信Mobile Communication兰州交通大学电信学院 主讲：李翠然 主讲：李翠然: licr@425bf106b52acfc789ebc9a6 蒋占军: 蒋占军 jiangzhanjun@425bf106b52acfc789ebc9a6 谢健骊: 谢健骊 xiejl@425bf106b52acfc789ebc9a6
目录第一章 概述（4学时） 第二章 移动通信组网原理（8学时） 第三章 移动信道中的电波传播（8学时） 第四章 数字移动通信关键技术（8学时） 第五章 GSM/GPRS数字蜂窝移动通信系统（8学时） 第六章 窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统（6学时） 第七章 第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统（8学时） 第八章 移动数据传输（4学时） 第九章 未来移动通信展望（2学时） 习题讲解与课堂练习（6学时） 复习（2学时）2
第三章 移动信道中的电波传播3.1 三种基本传输机制3.1.1 反射与多径信号 3.1.2 绕射损耗 3.1.2 散射
3.2 3.3 3.4 3.5
无线电波传播概述 自由空间的无线电传播 阴影衰落 多径衰落
3.5.1 多径衰落的基本特性 3.5.2 多普勒频移3
3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 3.5.7 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.6.5
瑞利（Rayleigh）和莱斯（Rician）分布 衰落特征量 时延扩展与相关带宽 多普勒频展与相干时间 多径衰落类型 Okumura模型 Okumura-Hata模型 COST-231 Hata模型 COST-231 Walfisch-Ikegami(WIM)模型 COST-231室内电波传播路径损耗模型4
3.6 电波传播路径损耗模型
3.1 三种基本传输机制电波利用电离层的折射、反射和散射 作用进行传播的方式称为天波
沿地球表面 进行传播的 电波传播模 式称为地表 面波。
在对流层中进行的电波传 播方式称为空间波
5
在移动通信系统中，影响电磁波传播的三种基本传播机制： 反射 、绕射、散射。
反射：当电磁波遇到比其波长大得多得物体时发生反射，发 射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面 绕射：当接收机与发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡 时发生绕射 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，发生散射。散射产生于粗糙表 面、小物体或其他不规则物体。
6
基站天线
反射波
直射波
反射、散射地面散射波
移动台天线
基站天线绕射波 移动台天线
绕射：山峰
7
两径（直射+反射）传播模型? λ ? j? φ 接收信号功率：Pr = Pt ? ? G R GT 1 + Re ? 4π d ?2 2
考虑由N条路径构成的多径传播模型时： 2 N ?1 ? λ ? j? φ Pr = Pt ? ? G R G T 1 + ∑ Ri e ? 4πd ? i =1
2i
8
绕射损耗
菲涅尔余隙：表示障碍物顶点P至直射线TR的距离x； 规定—阻挡时余隙为负；无阻挡时余隙为正
1
2
2 1 2 2 1 1
( ) 负余隙
( ) 正余隙
9
绕射损耗和菲涅尔余隙的关系： 当直射线TR从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6dB； 当直射线TR低于障碍物顶点时，损耗急

剧增加。
A
.
10
3.2 无线电波传播概述
三种衰落
路径损耗衰落：它指电波在空间传播所产生的损耗，反映了 传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号 电平平均值的变化趋势。它随着距离基站的距离而变，衰减 特性服从 PR ∝ 1 dn
11
阴影衰落：它是指由于在电波传播路径上受到建筑物及 山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗，反映了 中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的 损耗，其衰落特性服从对数正态分布。这种衰落变化率 较慢，又称为慢衰落。
12
小尺度衰落（多径衰落、瑞利衰落）：它主要是由多径传播 而产生的衰落，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，其衰落特性服从瑞利（Rayleigh） 分布或莱斯（Rician）分布。
13
多径衰落可分为三种：
1）空间选择性衰落：在不同地点（空间）衰落特性不一样
成因：开放型移动信道 2) 频率选择性衰落：在不同的频率衰落特性不一样 成因：宽带移动信道 3) 时间选择性衰落：在不同的时间衰落特性不一样 成因：高速移动用户的信道
14
15
3.3 自由空间的无线电传播
在自由空间中，电波的传播是直线传播（无阻挡的 视距路径）。适用范围是：卫星通信系统和微波视距 无线链路? 接收信号功率 Pr (d ) = Pt ? λ ? GT GR ? ? 4πd ? 自由空间路径损耗2
Pt L fs = 10 log = 32.45 + 20 lg d (km) + 20 lg f (MHz) Pr
式中，f:通信频率，与波长λ的关系为： f=c/λ d:通信距离16
17
0
接收信号电平(dBm) 接收信号电平
-10
-20
f =100 MHz
f =1 GHz -30
-40
-50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
距离 (m)
18
GSM 1800强场变化举例 强场变化举例
-10
短期衰落-20 -30 测量 自由空间
? λ/2 ±2m
强场 (dBm)
-40 -50 -60 -70
长期衰落-80 -90 100 0 2500
500
1000
1500
2000
3000
3500
4000
4500
5000
距离 (m)
19
3.4 阴影衰落当电波在传播路径上遇到障碍物的阻挡时，会产生电 磁场的阴影，造成接收天线处场强中值的变化，从而 引起衰落，这种衰落又称阴影衰落
对任意的d值，特定位置的路径损耗为随机正态对数 （以分贝表示时，服从正态分布）PL(d )[dB] = PL(d ) + X σ
Pr (d )[dB m] = Pt [dB m] ? PL(d )[dB](含天线增益)
其中， 计）
X σ为均值为零的高斯随机变量；标准偏差为
σ（dB
20
21
衰落储备
为了防止因衰落（包括多径衰落和阴影衰落）引起的 通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足 够的余量，以使中断率R小于规定指标，这种电平余量 称为衰落储备
22
A
.
23
3.5 多径衰落3.5.1 多径衰落的基本特性
多径效应在时域上引起信号的时延扩展，相应地在 频域

上规定了相干带宽。当信号带宽大于相干带宽 时就会发生频率选择性衰落。
多普勒效应在频域上引起信号频谱扩展，相应地在 时域上规定了相干时间。当符号周期大于相干时间 时就会发生时间选择性衰落。
24
25
3.5.2 多普勒频移由于移动台和基站的相对运动，每个多径波都经历了明显 的频移过程。移动引起的接机信号频移称为多普勒频移。
路径差?l ≈ d cos θ = v?t cos θ相位差 ? ? = 2π? l
λ λ 1 ?? v ? = cos θ 频率差 f d = λ 2π ? t = f m cos θ
=
2πv? t
cos θ?l
θ
最大多普勒频移 fm= v/λ =
v fc c
频率弥散frequency dispersion26
3.5.3 瑞利和莱斯分布 1、瑞利分布假设：（1）收、发间存在多条反射路径且各个反射波的幅度 和到达接收天线的方向角是随机的且满足统计独立；（2）收、 发信机之间没有直射波通路 设基站发射的信号为 S 0 (t ) = a 0 exp[ j (ω 0 t + ? 0 )] 考虑到多普勒频移，则经反射（或散射）到达接收天线的第i个 接收信号可表示为 Si (t ) = ai exp ? j ? ?i + 2π vt cos θ i ?? exp[ j (ω0t + ? 0 )] ?? ? ? λ ?? ? ? 接收信号为：S (t ) = ∑ Si (t )i =1 N
27
经推导，结论：
当多径数N很大时， 合成信号的相位服从 ~U[0,2π]
当不存在LOS信号时，多径衰落信号的包络服从瑞利 分布；当存在LOS信号时，其包络服从莱斯分布；实测环 境中，有时其包络服从Nakagami分布
28
多径接收信号的幅度服从瑞利分布，其概率密度函数为? r ? r2 ? exp ? ? ? ? 2σ 2 ? 0 ≤ r ≤ ∞ ? p (r ) = ?σ 2 ? ? ? 0 r<0 ?
其中，σ 为包络检波之前所接收信号的均方根（rms）值 相位φ(t)的概率密度函数为1 p(? ) = 2π
(0 ≤ ? ≤ 2π )
29
瑞利分布特点：存在很多径，没有一个特别突出的径
Play
30
瑞利分布的均值rmean = E[r ] = ∫ rp(r )dr = 1.2533σ0 ∞
瑞利分布的均方值E r 2 = ∫ r 2 p (r )dr = 2σ 20
[ ]
∞
瑞利分布的方差
σ r2 = E [r 2 ]? E 2 [r ] = 0.4292σ 2r的中值rmedian = 1.177σ
31
R(t) (dB) 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30
v=20km/h
0
0.2
0.4 t (s)
0.6
0.8
1
32
33
2、莱斯分布
莱斯分布特点：存在很多径，有一个特别突出的径
Play
34
多径接收信号的幅度服从莱斯分布，其概率密度函数为（ ? r － r + A ） ? Ar ? ? 2 e 2σ 2 I 0 ? 2 ? p ( r ) = ?σ ?σ ? ? 0 ?2 2
for ( A ≥ 0, r ≥ 0) r<0
I 为零阶第一类贝赛尔函数 其中，A为主信号幅度的峰值；0 (.)
定义莱斯因子K：主信号的功率与多径分量方差之比
A2 K (dB) = 10 lg (dB) 2 2σ
35
36
3、Nakagami-m分布
多径接收信号的幅度服从Nakagami分布，其概率密度函数 为
? mr 2 ? 2 m m r 2 m ?1 ? p (r ) = exp ? ? m ? Γ (m )? ? ?

? ?E 2 (r 2 ) m= (m≥1/2) ; 2 var (r )? = E r2
( )
;
Γ(m ) =
+∞
x m ?1e ? x dx ∫0
37
3.5.4 衰落特征量
衰落深度衰落持续时间
衰落速率 电平通过率
38
1、衰落率和衰落深度 衰落率是指信号包络沿正斜率通过中值电平的速率v = 1.85 × 10 ?3 vf 平均衰落率：A = λ/2 (Hz)
可见，平均衰落率与信号频率、移动台运动速度有关
衰落深度是指信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值
39
2、电平通过率 信号包络沿正斜率通过某一规定电平的速率
40
对于瑞利分布，电平通过率可表示为：
NR =
2π f m ρ e
?ρ
2
其中，f m 为最大多普勒频移； = R / R rm s = R / 2 σ 为规定 ρ 电平值R normalized to 衰落信号包络的均方根值
讲解书上例题3.1
41
3、平均衰落持续时间
接收信号包络低于某一特定电平的持续时间 t1 t2 t3
R
P(r ≤ R) τR = = NR
1 2π f m ρ
(e
ρ2
? 1) （Rayleigh 分布）
讲解书上例题3.2
42
43
3.5.5 时延扩展与相关带宽时延扩展和相干带宽是描述宽带多径信号时间色散特性的 参数
多径衰落：无线信号在经过短距离（几个波长）或短时 间（秒级）的传播后其幅度快速衰落。这种衰落是由于 同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差 到达接收机的信号相互干涉引起的。
44
1、时延扩展 经不同路径达到接收机的时间不同而引起的脉冲宽度扩 展的现象。
多径传播
→时间色散 time dispersion
最大时延扩展45
宽带多径信道的时间色散特性通常用平均多径时延和均 方根（rms）时延扩展Δ来定量描述
归一化的多径功率延迟分布46
平均多径时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为τ = ∫ tE (t )dt0 ∞
均方值时延扩展是功率延迟分布的二阶矩，定义为? = τ ? (τ ) =2 2
∫
∞
0
t E (t ) dt ? (τ )2
2
最大时延τmax ，即归一化的包络曲线E(t)下降到－30dB时 对应的时延差
47
讲解书上例题3.348
2、多径传播对接收信号的影响
时域衰落（fading） 符号间干扰（inter-symbol interference，ISI）
典型瑞利衰落包络（900MHz，120km/h）49
频域衰落的频率选择性（frequency selectivity） 频率选择（frequency selective） 非频率选择（non-frequency selective or flat）
h(t)
0
Tm
t
相关带宽(coherent bandwidth) ?fc≈1/Tm
50
3、相干带宽
两个接收信号的幅度、相位具有高度相关性的频率范围。 若相关带宽定义为频率相关函数值大于0.5的某特定带宽， 则可表示为 1
Bc =
5?
相干带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率 间隔。也就是说，衰落信号中的两个频率分量，当其频 率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有一 致性；当频率间隔大于相关带宽时，它们就

不相关了， 其衰落不具有一致性（频率选择性衰落）。
51
举例：
某市区实测均方根时延扩展为1.37μs，试问该系统在不使 用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适？
解： B c ≈
1 5σ τ
1 = = 146 kHz 5 (1 . 37 μ s )
因为 B c > 30kHz，所以AMPS不需要均衡器就能正常工作； 而GSM系统所需的200kHz带宽超过了 B c ，所以GSM需要 均衡器才能正常工作
52
3.5.6 多普勒频展与相干时间多普勒频展与相干时间是描述小尺度内信道时变特性的参数时变（time variation）
→时间选择性 time selectivity
用户或信道中反射体和散射体移动53
1、多普勒频展 最大多普勒(Doppler)频移，也称多普勒频展BD
54
多普勒频展：它表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这 种衰落是由于移动台运动产生的，即就是信道在时域具有 选择性，这种衰落又称为时间选择性衰落。若基带信号带 宽远大于 f D ，则多普勒扩展的影响可忽略，此时信道称为 慢衰落信道
多普勒扩展功率谱55
2. 相干时间 多普勒频展在时域的表示，信道特性没有显著变化的持 续时间，可表示为0.423 Tc = fD
相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达 信号有很强的幅度相关性。若比特持续时间小于信道相 干时间Tc时，信道衰减和相移对于至少一个比特持续时 间内基本上固定不变，此时，信道呈现慢衰落性。否则， 信道呈现快衰落性，引起信号失真。
56
相干时间与速度的关系 7000.006345.00
6000.00 相干时间 相干时间(μs) 5000.004230.00
4000.003172.50
3000.002538.00 2030.40
2000.001692.00
1000.00 0.00 80 120 160 200 250 速度(km/h) 300
1450.29
350
57
3.5.7 多径衰落类型信号通过移动无线信道传播时，其衰落类型取决于发送 信号的特性及信道特性。信号参数（如带宽、符号周期 等）和信道参数（如rms时延扩展和多普勒频展）之间 的关系决定了不同的发送信号将经历不同的衰落类型
多径时延扩展引起的衰落效应：频率选择性衰落 多普勒频展引起的衰落效应：时间选择性衰落 角度色散 ：空间选择性衰落
58
（基于多径时延扩展）
信号带宽Bs << 信道相干带宽Bc 或 时延扩展 Δ<< 符号周期Ts
信号带宽Bs > 信道相干带宽Bc 或 时延扩展Δ> 符号周期Ts
（基于多普勒频展）
符号周期Ts << 信道 相干时间Tc 或多普勒频展BD << 信号带宽Bs
符号周期Ts > 信道 相干时间Tc 或多普勒频展BD > 信号带宽Bs
多径衰落类型59
60
61
3.6 电波传播路径损耗模型
根据测试数据找出各种地形地区下的传播损耗（或接收 信号场强）与距离、频率以及天线高度之间的关系，建 立基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校 正，使其更加接近实

际，更准确。
在移动通信领域，常用的几种室外电波传播损耗预测模 型有奥村（Okumura）模型、Hata模型、COST-231 Hata模型和COST-231 Walfisch-Ikegami模型(WIM)
62
3.6.1 Okumura模型适用于UHF和VHF频段、适用于宏小区，但不适用于微 小区和微微小区
这一模型的特点是：以准平滑地形大城市的场强中值或 路径损耗作为基准，对于不同的传播环境给出相应修正 因子
频率范围为：150MHz-1500MHz 距离为：1～100km 基站天线高度：30～1000m 移动台天线高度：1～10m63
准平滑地形市区传播损耗中值
LT ( dB ) = L fs + Am ( f , d ) ? H b ( hb , d ) ? H m ( hm , f )任意地形地区的传播损耗中值
LA = LT ? KTL 其中， LT 为所在市区中的路径损耗中值； fs 为自由空间 A 传播损耗； m(f, d)为当基站天线高度200米、移动台天线高度 H 3米时，市区路径损耗相对于自由空间的路径损耗； b(hb, d) 为 H 基站天线高度增益因子；m(hm, f) 为移动台天线高度增益因子； KT 为环境类型所带来的增益64
大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f, d)
讲解例题3.465
3.6.2 Okumura-Hata模型
适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。哈塔模 型是根据奥村曲线图所作的经验公式
频率范围为：150MHz-1500MHz 距离为：1～100km 基站天线高度：30～200m 移动台天线高度：1～10m
66
路径损耗公式
L p (dB ) = 69.55 + 26.16 lg f ? 13.82 lg hb ? a(hm )
+ (44.9 ? 6.55 lg hb ) ? lg d + C cell + C terrian
式中，f为工作频率（MHz），hb为基站天线有效高度 （m），hm为移动台天线有效高度（m），d为收、发天线 之间的距离（km），a(hm)为移动台天线高度修正因子， Ccell为小区类型校正因子，Cterrian为地形校正因子，反映一 些重要的地形环境因素对路径损耗的影响
67
频率 基站高度 移动台高度
900MHz 50 m 1.5 m
68
3.6.3 Cost 231模型HATA模型的扩展，适用于宏小区，但不适用于微小区和 微微小区频率范围为：1500MHz-2000MHz 距离为：1～20km 基站天线高度：30～200m 移动台天线高度：1～10m
路径损耗公式
L p (dB ) = 46.3 + 33.9 lg f ? 13.82 lg hb ? a(hm )+ (44.9 ? 6.55 lg hb ) ? lg d + C cell + C terrian + C M其中， CM =0dB 3dB
（中等城市和郊区） （大城市中心）69
3.6.4 Walfisch-Ikegami(WIM)模型广泛用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，适用于宏 小区和微小区，但不适用于微微小区频率范围为：800MHz-2000MHz 距离为：0.02～5km 基站天线高度：4～50m 1 3m 移动台天线高度：1～3m
视距路径损耗公式 Lb (dB) = 42.6 + 26 lg d (km) + 20 lg f (MHz) 非视距路径损耗公式：Lb (dB) = L fs + Lrts + Lmsd其中，Lfs为自由空间损耗；Lrts 为从屋顶到街面的衍射和散射损耗; Lmsd为多遮蔽物衍射损耗70
3.6.5 C

OST-231室内电波传播路径损耗模型室内路径损耗公式：L(dB) = L fs + Lc + ∑ k wi Lwi + n? n+ 2 ? ?b ? ? n +1 ? ?
? Lf
式中：Lfs是发射机和接收机之间的自由空间传播损耗，Lc为固定损 耗，kwi为被穿透的i类墙的数量，Lwi为i类墙的损耗，n为被穿透楼层 的数量，Lf为相邻层之间的损耗，b为经验参数
简化形式：L(dB) = 37 + 30 lg d + 18.3n? n+ 2 ? ?0.46 ? ? ? n+1 ?
71
本章小结掌握大尺度衰落的产生原因 掌握小尺度衰落的产生原因、多径接收信号的包络和相 位各服从何种分布 掌握时延扩展、相关带宽的含义及其二者之间的关系； 发生平坦/频率选择性衰落的条件 掌握多普勒频展与相干时间的含义及其二者之间的关系； 发生非时间选择性/时间选择性衰落的条件 理解并掌握典型的路径损耗预测模型
72
作业
参考本章《思考练习题》
73
74


本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i9yq.html