无线信道基本知识ppt课件

无线通信信道基本概念无线通信信道基本概念与技术与技术无线通信信道基本概念与技术2Mobile Communication Theory目录目录概述概述1自由空间的电波传输自由空间的电波传输23 3种基本电波的传播机制种基本电波的传播机制种基本电波的传播机制种基本电波的传播机制3阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性4移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数5电波传播损耗预测模型电波传播损耗预测模型电波传播损耗预测模型电波传播损耗预测模型6Mobile Communication Theory目录概3Mobile Communication Theory电波传播的基本特性电波传播的基本特性基站天线、移基站天线、移动用户天线和动用户天线和两付天线之间两付天线之间的传播路径的传播路径传播损耗和色散传播损耗和色散阴影衰落阴影衰落多径衰落多径衰落多普勒频移多普勒频移直射、反射、直射、反射、绕射和散射以绕射和散射以及它们的合成及它们的合成复杂的无线复杂的无线电波传播环电波传播环境境移动通信移动通信信道信道衰落的衰落的原因原因无线电无线电波传播波传播方式方式衰落的衰落的表现表现移动信道的移动信道的基本特性基本特性 衰落特性衰落特性Mobile Communication Theory电波传4Mobile Communication Theory一种典型的信号传播环境一种典型的信号传播环境 Mobile Communication Theory一种典5Mobile Communication Theory信道的分类信道的分类vv信道的分类信道的分类信道的分类信道的分类 大尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为根据不同距离内信号强度变化的快慢分为根据不同距离内信号强度变化的快慢分为根据不同距离内信号强度变化的快慢分为 小尺度衰落小尺度衰落小尺度衰落小尺度衰落 长期慢衰落长期慢衰落长期慢衰落长期慢衰落 根据信号与信道变化快慢程度的比较分为根据信号与信道变化快慢程度的比较分为根据信号与信道变化快慢程度的比较分为根据信号与信道变化快慢程度的比较分为 短期快衰落短期快衰落短期快衰落短期快衰落 大尺度衰落（阴影衰落）大尺度衰落（阴影衰落）大尺度衰落（阴影衰落）大尺度衰落（阴影衰落）小尺度衰落（多径衰落）小尺度衰落（多径衰落）小尺度衰落（多径衰落）小尺度衰落（多径衰落）描述描述描述描述长距离上信号强度的缓慢变化长距离上信号强度的缓慢变化长距离上信号强度的缓慢变化长距离上信号强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动短距离上信号强度的快速波动短距离上信号强度的快速波动短距离上信号强度的快速波动原因原因原因原因信道路径上固定障碍物的阴影信道路径上固定障碍物的阴影信道路径上固定障碍物的阴影信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和地点的变化移动台运动和地点的变化移动台运动和地点的变化移动台运动和地点的变化影响影响影响影响业务覆盖区域业务覆盖区域业务覆盖区域业务覆盖区域信号传输质量信号传输质量信号传输质量信号传输质量v大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落Mobile Communication Theory信道的6Mobile Communication Theory衰落特性的算式描述衰落特性的算式描述v衰落特性的算式描述衰落特性的算式描述式中，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。大尺度衰落小尺度衰落Mobile Communication Theory衰落特7Mobile Communication Theory自由空间的电波传播自由空间的电波传播在理想的、均在理想的、均在理想的、均在理想的、均匀的、各向同匀的、各向同匀的、各向同匀的、各向同性的介质中传性的介质中传性的介质中传性的介质中传播，只存在电播，只存在电播，只存在电播，只存在电磁波能量扩散磁波能量扩散磁波能量扩散磁波能量扩散而引起的传播而引起的传播而引起的传播而引起的传播损耗损耗损耗损耗传播传播损耗损耗接收接收功率功率传播传播损耗损耗接收接收换算换算自由空间自由空间电波传播电波传播分贝表示分贝表示有效接收天线面积有效接收天线面积有效接收天线面积有效接收天线面积有效接收天线面积有效接收天线面积Mobile Communication Theory自由空8Mobile Communication Theory3 3种基本电波传播机制种基本电波传播机制w w阻挡体比传输波长阻挡体比传输波长阻挡体比传输波长阻挡体比传输波长大的多的物体大的多的物体大的多的物体大的多的物体w w产生多径衰落的主产生多径衰落的主产生多径衰落的主产生多径衰落的主要因素要因素要因素要因素 w w产生于粗糙表面、小物体或其产生于粗糙表面、小物体或其产生于粗糙表面、小物体或其产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体它不规则物体它不规则物体它不规则物体 w w阻挡体为尖利边缘阻挡体为尖利边缘阻挡体为尖利边缘阻挡体为尖利边缘反射反射散射散射绕射绕射直射：直射：直射：直射：直射：直射：LOSLOSLOSLOSLOSLOS无直射：无直射：无直射：无直射：无直射：无直射：NLOSNLOSNLOSNLOSNLOSNLOSMobile Communication Theory3种基9Mobile Communication Theory多径信号多径信号vv两径传播模型两径传播模型两径传播模型两径传播模型接收信号功率接收信号功率接收信号功率接收信号功率简化后简化后简化后简化后相位差相位差相位差相位差 vv多径传播模型多径传播模型多径传播模型多径传播模型 其中，其中，其中，其中，NN为路径数。当为路径数。当为路径数。当为路径数。当NN很大时，无法用公式准确计算出很大时，无法用公式准确计算出很大时，无法用公式准确计算出很大时，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接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率 直射波反射波地表面波可忽略可忽略地面二次效应可忽略可忽略可忽略可忽略Mobile Communication Theory多径信11Mobile Communication Theory阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性v阴影衰落阴影衰落阴影衰落阴影衰落（慢衰落）（慢衰落）（慢衰落）（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v特点特点特点特点 与传播地形和地物分布、高度有关与传播地形和地物分布、高度有关与传播地形和地物分布、高度有关与传播地形和地物分布、高度有关v表达式表达式表达式表达式 传播路径损耗和阴影衰落传播路径损耗和阴影衰落传播路径损耗和阴影衰落传播路径损耗和阴影衰落 分贝式分贝式分贝式分贝式 式中式中式中式中 r r 移动用户和基站的距离移动用户和基站的距离移动用户和基站的距离移动用户和基站的距离 由阴影产生的对数损耗（由阴影产生的对数损耗（由阴影产生的对数损耗（由阴影产生的对数损耗（dBdB），服从零平均和标准偏），服从零平均和标准偏），服从零平均和标准偏），服从零平均和标准偏 差差差差dBdB的对数正态分布的对数正态分布的对数正态分布的对数正态分布 m m 路径损耗指数路径损耗指数路径损耗指数路径损耗指数 实验数据表明实验数据表明实验数据表明实验数据表明mm4 4，标准差，标准差，标准差，标准差 8dB8dB对于城区是比较合理的对于城区是比较合理的对于城区是比较合理的对于城区是比较合理的Mobile Communication Theory阴影衰12Mobile Communication Theory移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数多径信道的多径信道的多径信道的多径信道的统计分析统计分析统计分析统计分析多径衰落信道的多径衰落信道的多径衰落信道的多径衰落信道的分类分类分类分类衰落特性的衰落特性的衰落特性的衰落特性的特征量特征量特征量特征量衰落信道的衰落信道的衰落信道的衰落信道的建模与仿真建模与仿真建模与仿真建模与仿真多径衰落的多径衰落的多径衰落的多径衰落的基本特性基本特性基本特性基本特性多普勒频移多普勒频移多普勒频移多普勒频移多径信道的多径信道的多径信道的多径信道的信道模型信道模型信道模型信道模型描述多径信道的描述多径信道的描述多径信道的描述多径信道的主要参数主要参数主要参数主要参数Mobile Communication Theory移动无13Mobile Communication Theory多径衰落的基本特性vv幅度衰落幅度衰落幅度衰落幅度衰落 幅度随移动台移动距离的变动而衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落 空间角度空间角度空间角度空间角度 模拟系统主要考虑模拟系统主要考虑模拟系统主要考虑模拟系统主要考虑 原因原因原因原因 本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落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地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落落落落Mobile Communication Theory多径衰14Mobile Communication Theory多径衰落的基本特性vv时延扩展时延扩展时延扩展时延扩展 脉冲宽度扩展脉冲宽度扩展脉冲宽度扩展脉冲宽度扩展 时间角度时间角度时间角度时间角度 数字系统主要考虑数字系统主要考虑数字系统主要考虑数字系统主要考虑 原因原因原因原因 信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导信号传播路径不同，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致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号Mobile Communication Theory多径衰15Mobile Communication Theory多普勒频移多普勒频移vv原因原因原因原因 移动时会引起多普勒（移动时会引起多普勒（移动时会引起多普勒（移动时会引起多普勒（DopplerDoppler）频率漂移）频率漂移）频率漂移）频率漂移vv表达式表达式表达式表达式 多普勒频移多普勒频移多普勒频移多普勒频移 最大多普勒最大多普勒最大多普勒最大多普勒(Doppler)(Doppler)频移频移频移频移Mobile Communication Theory多普勒16Mobile Communication Theory描述多径信道的主要参数描述多径信道的主要参数vv由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对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。传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。vv通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散散散散功率延迟分布功率延迟分布PDP时间色散时间色散多普勒功率谱密度多普勒功率谱密度DPSD角度谱角度谱PAP频率色散频率色散角度色散角度色散Mobile Communication Theory描述多17Mobile Communication Theoryvv vv 判定判定判定判定 由信道和信号两方面决定由信道和信号两方面决定由信道和信号两方面决定由信道和信号两方面决定衰落的分类及判定衰落的分类及判定分类 不同频率分量的衰落 信号波形频率选择性衰落 不一致 失真失真非频率选择性衰落（平坦衰落）相关的 一致的 不失真不失真数字通信系统信号带宽小于信道相干带宽信号带宽小于信道相干带宽BsBc平坦衰落平坦衰落频选衰落频选衰落码间干扰码间干扰Mobile Communication Theory衰落的18Mobile Communication Theory角度扩展角度扩展v角度功率谱（角度功率谱（角度功率谱（角度功率谱（PASPAS）信号功率谱密度在角度上的分布。一般为均匀分布、截信号功率谱密度在角度上的分布。一般为均匀分布、截信号功率谱密度在角度上的分布。一般为均匀分布、截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短高斯分布和截短拉普拉斯分布短高斯分布和截短拉普拉斯分布短高斯分布和截短拉普拉斯分布v角度扩展角度扩展角度扩展角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即 式中式中式中式中v意义意义意义意义 描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在 之间分布。之间分布。之间分布。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角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度越高越高越高越高 Mobile Communication Theory角度扩19Mobile Communication Theory相关距离与空间选择性衰落相关距离与空间选择性衰落v相关距离相关距离相关距离相关距离DcDcv空间选择性衰落空间选择性衰落空间选择性衰落空间选择性衰落Mobile Communication Theory相关距21Mobile Communication TheoryvvTsTs为信号周期（一般是信号带宽为信号周期（一般是信号带宽为信号周期（一般是信号带宽为信号周期（一般是信号带宽BsBs的倒数）的倒数）的倒数）的倒数）是信道时延扩展均方根值；是信道时延扩展均方根值；是信道时延扩展均方根值；是信道时延扩展均方根值；BcBc为为为为相干带宽相干带宽相干带宽相干带宽vv通常若通常若通常若通常若 ，可认为该信道是频率选择性的，可认为该信道是频率选择性的，可认为该信道是频率选择性的，可认为该信道是频率选择性的平坦衰落和频率选择性衰落平坦衰落和频率选择性衰落频率选择性衰落平坦衰落 原因信道具有恒定增益和相位的带宽范围小于发送信号带宽 时间色散 码间干扰信道具有恒定增益和相位的带宽范围大于发送信号带宽频谱特性不同频率获得不同增益在接收端保持不变 条件 Bs Bc Ts Bs Mobile Communication TheoryTs为22Mobile Communication Theory快衰信道和慢衰信道快衰信道和慢衰信道快衰落慢衰落原因冲激响应变化快于基带信号变化信道冲激响应变化比不上基带信号变化条件TsTc BsBd TsBdT Tc c为信道相干时间为信道相干时间为信道相干时间为信道相干时间BBDD为多普勒扩展为多普勒扩展为多普勒扩展为多普勒扩展 vv无线移动通信一般按慢衰落处理无线移动通信一般按慢衰落处理vv声波通信按快衰落处理声波通信按快衰落处理Mobile Communication Theory快衰信23Mobile Communication Theory室外传播模型室外传播模型Hata模型模型CCIR模型模型LEE模型模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型模型Mobile Communication Theory室外传24Mobile Communication TheoryOkumura-Hata Okumura-Hata 模型模型vv路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式式中式中式中式中 工作频率（工作频率（工作频率（工作频率（MHzMHz）基站天线有效高度（基站天线有效高度（基站天线有效高度（基站天线有效高度（m m），定义为基站天线实际海拔高度与基），定义为基站天线实际海拔高度与基），定义为基站天线实际海拔高度与基），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，即站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差，即站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差，即站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差，即 移动台天线有效高度（移动台天线有效高度（移动台天线有效高度（移动台天线有效高度（mm），定义为移动台天线高出地表的高度），定义为移动台天线高出地表的高度），定义为移动台天线高出地表的高度），定义为移动台天线高出地表的高度 基站天线和移动台天线之间的水平距离基站天线和移动台天线之间的水平距离基站天线和移动台天线之间的水平距离基站天线和移动台天线之间的水平距离 （kmkm）有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数 小区类型校正因子小区类型校正因子小区类型校正因子小区类型校正因子 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 Mobile Communication TheoryOku25Mobile Communication TheoryCOST-231 HataCOST-231 Hata模型模型vv路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式路径损耗计算的经验公式 式中式中式中式中 大城市中心校正因子大城市中心校正因子大城市中心校正因子大城市中心校正因子vv两种两种两种两种HataHata模型的主要区别模型的主要区别模型的主要区别模型的主要区别 频率频率衰减系数衰减系数不同不同 COST-231HataCOST-231Hata模型频率衰减因子为模型频率衰减因子为模型频率衰减因子为模型频率衰减因子为33.933.9 Okumura-Hata Okumura-Hata模型的频率衰减因子为模型的频率衰减因子为模型的频率衰减因子为模型的频率衰减因子为26.1626.16 COST-231HataCOST-231Hata模型还模型还增加增加了一个大城市中心衰减，大城市中心了一个大城市中心衰减，大城市中心地区路径损耗增加地区路径损耗增加3dB3dB。Mobile Communication TheoryCOS26Mobile Communication TheoryCCIRCCIR模型模型vv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效果的经验公式效果的经验公式效果的经验公式 校正因子校正因子校正因子校正因子vv右图给出了右图给出了右图给出了右图给出了HataHata和和和和CCIRCCIR 路径损耗公式的对比，路径损耗公式的对比，路径损耗公式的对比，路径损耗公式的对比，由图可见，由图可见，由图可见，由图可见，路径损耗随路径损耗随路径损耗随路径损耗随 建筑物密度而增大建筑物密度而增大建筑物密度而增大建筑物密度而增大Mobile Communication TheoryCCI27Mobile Communication TheoryLEELEE模型模型v优点优点优点优点模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合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，准确性高本地无线传播环境，准确性高本地无线传播环境，准确性高本地无线传播环境，准确性高路径损耗预测算法简单，计算速度快路径损耗预测算法简单，计算速度快路径损耗预测算法简单，计算速度快路径损耗预测算法简单，计算速度快v应用应用应用应用无线通信系统无线通信系统无线通信系统无线通信系统v分类分类分类分类LEELEE宏蜂窝模型宏蜂窝模型宏蜂窝模型宏蜂窝模型 LEELEE微蜂窝模型微蜂窝模型微蜂窝模型微蜂窝模型 Mobile Communication TheoryLEE28Mobile Communication TheoryLEELEE宏蜂窝模型宏蜂窝模型v决定移动台接收信号大小的因素决定移动台接收信号大小的因素决定移动台接收信号大小的因素决定移动台接收信号大小的因素 人为建筑物人为建筑物人为建筑物人为建筑物 地形地貌地形地貌地形地貌地形地貌v基本思路基本思路基本思路基本思路 先把城市当成平坦的，只考虑人为建筑物的影响，在此先把城市当成平坦的，只考虑人为建筑物的影响，在此先把城市当成平坦的，只考虑人为建筑物的影响，在此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基础上再把地形地貌的影响加进来基础上再把地形地貌的影响加进来基础上再把地形地貌的影响加进来v地形地貌影响的三种情况地形地貌影响的三种情况地形地貌影响的三种情况地形地貌影响的三种情况 无阻挡无阻挡无阻挡无阻挡 有阻挡有阻挡有阻挡有阻挡 水面反射水面反射水面反射水面反射Mobile Communication TheoryLEE29Mobile Communication TheoryCOST 231 Walfisch-Ikegami COST 231 Walfisch-Ikegami 模型模型v应用应用应用应用 用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境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（常用于移动通信系统（常用于移动通信系统（常用于移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCSGSM/PCS/DECT/DCS）设计）设计）设计）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的路径损耗的路径损耗的路径损耗v两种情况两种情况两种情况两种情况 视距传播情况，路径损耗视距传播情况，路径损耗视距传播情况，路径损耗视距传播情况，路径损耗 非视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗 式中式中式中式中 L L0 0 由空间损耗由空间损耗由空间损耗由空间损耗 L L1 1 由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗 L L2 2 2 2 沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）Mobile Communication TheoryCOS30Mobile Communication TheoryCOST 231 Walfisch-Ikegami模型各参数意义vv1 1 式中式中式中式中 ww 接收机所在的街道宽度（接收机所在的街道宽度（接收机所在的街道宽度（接收机所在的街道宽度（mm）,h hRR建筑物的平均高度（建筑物的平均高度（建筑物的平均高度（建筑物的平均高度（mm）h hRR，h hmm接收天线的高度接收天线的高度接收天线的高度接收天线的高度 其中其中其中其中 街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角vv2 2 式中式中式中式中 上面各式中，上面各式中，上面各式中，上面各式中，h hBB 发射天线高度，发射天线高度，发射天线高度，发射天线高度，b b相邻行建筑物中心距离相邻行建筑物中心距离相邻行建筑物中心距离相邻行建筑物中心距离Mobile Communication 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