2022年移动通信的信道环境 .pdf

第一章：移动通信的发展状况. 2第二章：无线信道. 22.1 无线信道的定义. 22.2 大尺度路径损耗及小尺度衰落. 32.3 电磁波基本知识. 42.4 无线信道的特点. 52.4.1 传播路径与信号衰落. 52.4.2 多径效应与瑞利衰落. 62.4.3 多径时散与相关带宽. 92.5 信道类别 . 12 2.5.1 短波信道 . 12 2.5.2 超短波信道 . 13 2.5.3 微波信道 . 13 2.6 无线信道的干扰特性. 14 第三章无线环境传播模型. 15 3.1 自由空间传播模型. 15 3.2 无线视距传播模型. 16 3.3 超越障碍的衍射传播模型. 17 3.4 无线信道经验模型. 18 3.4.1 哈特模型（ Hata Model ） . 18 3.4.2 COST-231 WalfishIkegami 模型 . 19 3.5 多径信道的冲激响应模型. 20 3.5.1 基本多径信道的冲激响应模型. 20 3.5.2 GSM 标准中的多径信道模型 . 22 3.5.3 COST-207 多径信道模型. 24 第四章信道对移动通信的影响. 26 第五章编写瑞丽信道. 28 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 31 页 - - - - - - - - - 第一章：移动通信的发展状况无线通信的开端可以追溯到公元1901 年，当年的 12 月 12 日，意大利科学家列莫2 马可尼实现了人类历史上首次无线电通信。而我们通常认为的现代数字通信的开端是以 1924 年奈奎斯特 (Nyquist)的工作为标志的。 当时，他研究并解决了在信道带宽给定的前提下，系统可实现的无码间干扰传输最高速率的问题。1948年，香农(C.E.Shannon) 在前人研究成果的基础上发表了那篇划时代的论文(A Mathematical Theory of Communication)。该文建立了信息传输的数学基础， 同时提出了通信系统无差错传输的极限信息速率。该文中的一个著名公式为 : )1log(WNopWCsbit /其中，C是信道容量， P是发射信号的平均功率， W是信道的带宽，0N是白噪声的单边功率谱密度。二十世纪六、七十年代美国贝尔实验室提出了蜂窝网的概念。二十世纪七十年代适于无线通信的高可靠、小型化的晶体射频硬件也发明了。这两者，一个是理论，一个是硬件，极大地推动了无线通信的发展。从此，无线通信进入了蓬勃发展的时期。 十几年间， 移动用户的迅猛增长， 既极大推动了无线通信的蓬勃发展，又证明着无线通信对社会生产力发展和人们生活水平提高的巨大推动作用。在当前的无线宽带通信领域中，MIMO 和 OFDM ，这两项技术特别引人注目。 MIMO 是英文 Multiple-Input Multiple-Output的简称，也就是多输多输出，它被认为是“现代通信中最重要的技术突破之一”。任何一个通信系统，信道是必不可少的组成部分。信道按传输媒质分为有线信道和无线信道。有线信道包括架空明线、电缆和光纤；无线信道中有中、长波地表面传播，短波电离层反射传播， 超短波和微波直接传播以及各种散射传播。根据信道特性参数随外界各种因素的影响而变化的快慢，通常可以分为恒参信道和变参信道。所谓恒参信道， 是指其传输特性的变化量极微且变化速度极慢；或者说，在足够长的时间内，其参数基本不变。变参信道与其相反，其传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型的变参信道。第二章：无线信道2.1 无线信道的定义无线信道指无线通信中发射天线到接收天线之间的电波通路。对于无线电波而言，从发送端到接收端并没有一个有形的连接，电波的传播路径也有可能不只一条( 多径传播、反射等 ) 。为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 31 页 - - - - - - - - - 象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。 信道有一定的频带宽度，正如公路有一定的宽度一样。 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有很大的随机性，通常难于分析。甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。无线通信是利用电磁波在空间的传播特性进行信息传输与信息交换的通信方式。掌握电磁波传输特性与分析方法是无线通信系统研究与应用的基础。对于无线通信系统来说， 电磁波可以通过多种传播方式从发射天线到达接受天线，如地球表面波传输、空间波传输、对流层反射和电离层反射等。不同的传播方式具有不同的传播机理， 传播特性会有很大的差别。 此外，无线通信系统大多工作在城市地物环境， 电磁波的传播环境非常复杂， 发射机和接收机之间基本上无视线传播路径， 电磁波从发射机到达接收机一般要经过多条路径，多径传播现象普遍存在，而且高层建筑物引起的绕射损耗也非常大。多径传播一方面会使接收信号产生多径衰落，接受信号电平急剧起伏， 严重影响通信效果， 甚至造成通信中断。 同时多径传播还会产生时间色散现象，造成码间干扰。 所以，多径传播是影响无线通信系统性能和通信效果的主要因素。目前，在无线通信系统中已经采取多种技术措施减少多径传播的影响，如各种分集接收技术（时间分集、空间分集、频率分集）和匹配滤波技术等。电磁波的传播机制总体上主要是反射、透射、散射和绕射等。 对这些传播机制的研究是掌握电磁波传输特性的基础。2.2 大尺度路径损耗及小尺度衰落在无线通信的不同传播环境下，我们主要关心电磁波的两个方面的传播特性：第一个主要的传播特性是在距发射机一定距离处，无线通信接收机可以接收到来自发射机的平均信号强度。 在一定的传播环境下， 这个平均接收信号强度主要取决于接收机与发射机的距离。反映无线电波传播过程的路径损耗特性，决定该无线通信系统的无线覆盖性能。 由于这个路径损耗描述的是发射机与接收机之间长距离上的信号强度变化， 所以称为大尺度路径损耗。 大尺度路径损耗是无线通信规划设计中的一个基本参数。 大尺度路径损耗决定了接收机与发射机相距一定距离时的平均接收信号电平。 但这个平均电平一般也是随接收机所处位置不同名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 31 页 - - - - - - - - - 而变化的。 电磁波传播路径上遇到高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物时会形成电磁波的阴影， 产生阴影衰落。 当接收机移动到这些阴影区域时，虽然接收机与发射机之间的距离没有变化，但平均接受电平会发生变化。另外，气象因素的变化也会影响信号传播的衰落特性。所以，在实际情况下， 距离发射机相同距离处实测接收信号的平均强度也是不相同的。这种因阴影效应或气象因素产生的电平起伏现象，一般随距离的变化比较缓慢，因此成为慢衰落或大尺度衰落。第二种主要的传播特性是在距离发射源一定距离处，接收机不移动， 或者只是在很多的距离上或者很短的时间内移动，接收信号电平表现出在平均接收信号电平附近的瞬间快速起伏变化特性，这就是多径传播造成的小尺度衰落现象。由于在无线电波的传播路径上会存在各种不同的地形、地物，电磁波会受到各种不同地形、 地物的阻挡而发生反射、 散射等，因此接收机收到的无线信号可能来自不同的传播方向， 经过不同的传播路径， 这种现象称为多径传播。 经由不同传播路径到达接收天线的电磁波会因传播距离不同而存在相位差。由于电场强度为矢量，因此经多条路径传播的电磁波， 在接收天线上合成的接收信号强度会出现比较大的起伏，往往达到几十个dB，即便是接收机位置不动，信号强度的快速起伏有时也会非常大，这就是多径衰落（或称小尺度衰落）产生的原因。多径衰落现象对通信效果影响比较大，当接收机天线处在深衰落位置点上，甚至会造成通信中断。2.3 电磁波基本知识变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，常称为电波或者无线电波。 因此电磁波是电磁场的一种运动形态。根据电磁场理论， 这种基本的辐射体将向空间辐射电磁场。依据辐射电磁场的空间特性不同，可以将其划分为三个不同的区域：1. 感应场成分占主导的发射天线近场区。在这一区域中， 电磁场的分布形式与静电场相似，也称为准静态场，其主要特点是场强随距离的3 次方成正比快速衰减，并且感应场的电场和磁场相位相差90 度，波印廷矢量为虚数，没有能量向外辐射；2. 以辐射场成分为主的远场区。 在这一区域中， 电磁场强度随距离的增加而成反名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 31 页 - - - - - - - - - 比衰减，这一区域中的电磁场表现出向外辐射的特性，电场和磁场矢量在空间上成垂直关系，相位相同，波印廷矢量指向电磁波的传播方向。3. 在近场区和远场区之间的过渡区，称为中间区。 中间区的感应场和辐射场相差不大。电磁波在自由空间的传播速度等于光速C 。在传播方向上，距离最近的电场（或磁场强度相位相同的两点之间的距离就是该电磁波的波长。电场强度方向每秒钟变化的次数就是该电磁波的频率f。满足： =c/f; 由于电场和磁场都是既有方向又有大小的矢量，因此依据电场取向、 磁场取向以及电磁波传播方向三者之间的关系进行分类，电磁波有横电波、 横磁波、横电磁波三种。 在空间传播的电磁波其电场矢量、磁场矢量和波的传播方向三者相互垂直，且电场矢量和磁场矢量均垂直于传播方向的平面内，这样的电磁波称为横电磁波， 即 TEM 波。电场矢量的取向称为电磁波的极化方向，电场和磁场的振幅沿传播方向的垂直方向做周期性交变。按照波长或者频率的排序把电磁波排列起来，就是电磁波的频谱。 把每个波段的频率由低至高依次排列，它们是工频电磁波、无线电波、红外线、可见光、紫外线、 X射线及 y 射线等。2.4 无线信道的特点2.4.1 传播路径与信号衰落在 VHF 、 UHF移动信道中， 电波传播方式除了直射波和地面反射波之外，还需要考虑传播路径中各种障碍物所引起的散射波。图 2.4.1 移动信道的传播路径直射波的传播距离为d, 地面反射波的传播距离为1d，散射波的传播距离为2d。移动台接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。假设反射系数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 31 页 - - - - - - - - - R=-1(镜面反射 ) ，则合成场强 E为)ee1(212j22j10ddEE式中，0E是直射波场强，是工作波长，1和2分别是地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数，而ddd11，ddd22。图 2.4.2 典型信号的衰落特性2.4.2 多径效应与瑞利衰落在陆地移动通信中， 移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。图 2.4.3 移动台 N条接收路径信号假设基站发射的信号为)(exp)(0000tjatS式中，0为载波角频率，0为载波初相。经反射 (或散射 )到达接收天线的第i个信号为)(tSi，其振幅为ia, 相移为i。假设)(tSi与移动台运动方向之间的夹角为i, 其多普勒频移值为imiiffcoscos名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 31 页 - - - - - - - - - 式中，为车速，为波长，mf为i=0时的最大多普勒频移，因此)(tSi可写成)(exp)cos2(exp)(00jtjatSiiii假设 N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号为NiitstS1)()(令iiit cos2,NiNiiiixax11cos,NiNiiiiyay11sin则 S(t) 可写成S(t) = (x+jy)( jex p00由于 x 和 y 都是独立随机变量之和， 因而根据概率的中心极限定理， 大量独立随机变量之和的分布趋向正态分布，即有概率密度函数为22222221)(21)(yxyyxxeypexp式中，x、y分别为随机变量 x 和 y 的标准偏差。 x、 y 在区间 dx、dy 上的取值概率分别为p(x)dx 、 p(y)dy ，由于它们相互独立，所以在面积dxdy 中的取值概率为p(x,y)dxdy = p(x)dxp(y)dy 式中， p(x, y)为随机变量 x 和 y 的联合概率密度函数。假设222yx，且 p(x) 和 p(y) 均值为零，则22222e21),(yxyxp通常，二维分布的概率密度函数使用极坐标系(r, )表示比较方便。此时，接收天线处的信号振幅为r, 相位为，对应于直角坐标系为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 31 页 - - - - - - - - - xyyxrarctan222在面积ddr中的取值概率为p(r,)drd = p(x,y)dxdy 得联合概率密度函数为arrpr2222e2)0 ,(对积分，可求得包络概率密度函数p(r) 为2222222202ee21)(rrrdrrp同理，对 r 积分可求得相位概率密度函数p( )为2121)(22202drrepr由式(2 - 14)不难得出瑞利衰落信号的如下一些特征：253.12)()(0drrrprEm均方值20222d)()(rrprrE瑞利分布的概率密度函数p(r) 与 r 的关系如图 2.4.4所示图 2.4.4瑞利分布的概率密度名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 31 页 - - - - - - - - - 图 2.4.5 瑞利衰落的累积分布2.4.3 多径时散与相关带宽多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽: 图 2.4.6多径失散实例假设基站发射一个极短的脉冲信号)()(0tatSi，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲， 结果使脉冲宽度被展宽了。 这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散。必须指出，多径性质是随时间而变化的。如果进行多次发送脉冲试验，则接收到的脉冲序列是变化的（即便是地点不变），它包括脉冲数目N 的变化、脉冲大小的变化及脉冲延时差的变化。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 31 页 - - - - - - - - - 图 2.4.7 时变多径信道相应示例（a）N=3 （b）N=4 （c）N=5 一般情况下，接收到的信号为N个不同路径传来的信号之和，即)()(10ttSatSiNiii式中，ia是第 i 条路径的衰减系数；)(tti为第 i 条路径的相对延时差。表 2.4.1多径时散参数典型值参数市区郊区平均时延s/对应路径距离差/m 1.5 2.5 450750 0.1 2.0 30600 时延扩展s/1.0 3.0 0.2 2.0 最大时延s/max5.0 12 3.0 7.0 从频域观点而言， 多径时散现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。 若信号带宽过大， 就会引起严重的失真。 为了说明这一问题，先讨论两条射线的情况， 即如图 2.4.8 所示的双射线信道。 为分析简便， 不计信道的固定衰减，用“1”表示第一条射线， 信号为)(tSi; 用“2”表示另一条射线，其信号为)()(tjietrS，这里 r 为一比例常数。于是，接收信号为两者之和，即)e1)()()(j0tirtStS双射线信道等效网络的传递函数为)(01)()(),(tjieretStStH名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 31 页 - - - - - - - - - 信道的幅频特性为)(sin)(cos1),(tjrtrtA由上式可知， 当(t)=2n 时(n 为整数 ) ，双径信号同相叠加， 信号出现峰点；而当(t)=(2n+1)时，双径信号反相相消，信号出现谷点。图 2.4.8双射线信道等效网络由图可见，其相邻两个谷点的相位差为 =3 (t) = 2)(12)(2tBtc由此可见，两相邻场强为最小值的频率间隔是与相对多径时延差(t) 成反比的，通常称cB为多径时散的相关带宽。若所传输的信号带宽较宽，以至与cB可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变。实际上，移动信道中的传播路径通常不止两条，而是多条， 且由于移动台处于运动状态，相对多径时延差(t) 也是随时间而变化的，因而合成信号振幅的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间而变化，使信道的传递函数呈现复杂情况，这就很难准确地分析相关带宽的大小。工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算：21cB名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 31 页 - - - - - - - - - 式中， 为时延扩展。2.5 信道类别2.5.1 短波信道短波按照国际无线电咨询委员会(CCIR，现在的 ITU-R) ，的划分是指波长在l00ml0m，频率为 3MHz30MHz 的电磁波。利用短波进行的无线电通信称为短波通信，又称高频 (HF)通信。实际上，为了充分利用短波近距离通信的优点，短波通信实际使用的频率范围为1.5MHz30MHz 。与卫星通信、地面微波、同轴电缆、光缆等通信手段相比，短波通信也有着许多显著的优点：(1) 短波通信不需要建立中继站即可实现远距离通信，因而建设和维护费用低，建设周期短 ; (2) 设备简单，可以根据使用要求固定设置，进行定点固定通信。也可以背负或装入车辆、舰船、飞行器中进行移动通信; (3) 电路调度容易，临时组网方便、迅速，具有很大的使用灵活性; (4) 对自然灾害或战争的抗毁能力强。通信设备体积小，容易隐蔽，便于改变工作频率以躲避敌人干扰和窃听，破坏后容易恢复。短波通信也存在着一些明显的缺点：(1) 可供使用的频段窄，通信容量小。按照国际规定，每个短波电台占用3.7kHz的频率宽度，而整个短波频段可利用的频率范围只有28.5MHz 。为了避免相互间的干扰，全球只能容纳 7700多个可通信道， 通信空间十分拥挤。 并且 3kHz通信频带宽度，在很大程度上限制了通信的容量和数据传输的速率。(2) 短波的天波信道是变参信道，信号传输稳定性差。短波无线电通信主要是依赖电离层进行远距离信号传输的， 电离层作为信号反射媒质的弱点是参量的可变性很大。它的特点是路径损耗、延时散步、噪声和干扰，都随昼夜、频率、地点而不断变化着。 一方面电离层的变化使信号产生衰落，衰落的幅度和频次不断变化。 另一方面天波信道存在着严重的多径效应，造成频率选择性衰落和多径延时。选择性衰落使信号失真， 多径延时使接收信号在时间上扩散，成为短波链路数据传输的主要限制。(3) 大气和工业无线电噪声干扰严重。随着工业电器化的发展，短波频段工业电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 31 页 - - - - - - - - - 器辐射的无线电噪声干扰平均强度很高，加上大气无线电噪声和无线电台间干扰，在过去，几瓦、十几瓦发射功率就能实现的远距离短波无线电通信，而在今天，10 倍、几十倍于这样的功率也不一定能够保证可靠的通信。大气和工业无线电噪声主要集中在无线电频谱的低端，随着频率的升高， 强度逐渐降低。虽然，在短波频段这类噪声干扰比中长波段低，但强度仍很高， 影响着短波通信的可靠性，尤其是脉冲型突发噪声， 经常会使数据传输出现突发错误，严重影响通信质量。2.5.2 超短波信道利用 30300 兆赫波段的无线电波传输信息的信道。由于超短波的波长在110 米之间，所以也称米波通信。 整个超短波的频带宽度有 270 兆赫，是短波频带宽度的 10 倍。(1 ）超短波通信利用视距传播方式，比短波天波传播方式稳定性高，受季节和昼夜变化的影响小。(2 ）天线可用尺寸小、结构简单、增益较高的定向天线。这样，可用功率较小的发射机。(3 ）频率较高 , 频带较宽 , 能用于多路通信。(4 ）调制方式通常用调频制，可以得到较高的信噪比。通信质量比短波好。2.5.3 微波信道微波常指频率在 1000兆赫（ MHz ）以上（波长在30 厘米以下）的电磁波。微波的传播特性类似于光的传播，一般沿直线传播， 绕射能力很弱， 一般进行视距内的通信， 对于长距离通信可采用接力的方式，为微波接力通信， 或称微波中继通信也可利用对流层传播进行通信，称为对流层散射通信； 或利用人造卫星进行转发，即卫星通信。微波通信的特点是：(1 ）通信频段的频带宽，传输信息容量大。(2 ）通信稳定、可靠。(3 ）在进行地面上的远跟离通信时，必须采用接力的方式， 发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。(4 ）通信灵活性较大。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 31 页 - - - - - - - - - (5 ）天线增益高、方向性强。(6 ）投资少、建设快。2.6 无线信道的干扰特性1、外部噪声干扰外部噪声干扰一是来源于天电、宇宙和太阳的自然噪声，其特点是强度大、时间短，往往很难克服， 但干扰只是瞬间的。 二是来源于工业电器、 高压输电线、电汽车辆等人为噪声， 其特点是频谱宽、 噪声强度随频率的升高而下降，噪声源的数量随地点和时间而随机变化。2、通信设备本身的干扰通信设备本身产生的干扰主要是指收、发信机及天线等内部产生的噪声干扰。包括发信和边带噪声，发信和杂散辐射，接收机杂散响应，邻道辐射干扰等干扰因素。在超短波通信电台的收、发信机中，主振晶体振荡器、调制器、倍频器、放大器等部件在工作时都会产生热噪声，这些噪声一旦被调制就会形成干扰信号发射出去。 当电源滤波不好时， 外界的杂散电磁波及噪声也会串扰进电源电路，经各次交流脉动谐波进入发射电路形成发射噪声。发射机的寄生辐射和邻道辐射以及接收机的寄生响应 （组合波干扰） 等设备自身机制因素都会对通信的效果带来影响。3、无线信道中的干扰在无线电通信网中， 由于众多电台之间的相互作用，相互影响， 可产生互调干扰、阻塞干扰、邻道干扰和同频干扰，其中互调干扰、阻塞干扰和同频干扰对通信网影响较严重。 互调干扰的基本原因是由于部件的非线性引起的。一是多个频率信号加至非线性器件上产生大量组合频率。二是无线系统内部， 系统之间频率和功率关系不协调。互凋干扰中，高次谐波由于其分量小，能量也小，并且受输入回路衰减严重，对通信质量影响不大，影响最严重的是三阶互调干扰。4、信道间的干扰在同一区域内， 往往存在着隶属于不同系统的许多通信网，每个网络自成体系。这些网络之间的相互影响就形成了网间干扰。另外使用通信干扰设备发射专门的干扰信号，破坏或扰乱敌方的无线通信， 是通信对抗的进攻手段。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 31 页 - - - - - - - - - 第三章 无线环境传播模型各类信号从发射端送出之后， 在到达接收端之前所经过的路径，我们统称为信道。通道对传送信号所产生的影响， 是各类通信系统接收机设计的一个关键考量。其中，如果传送的是无线电信号，电磁波传播所经过的路径，我们特别称为无线信道。无线信道可能是很简单的直线传播，也可能会被许多不同的因素所干扰，例如信号经过建筑物、 山丘等反射所产生的多径效应，多径效应会造成信号放大或衰减，最大和最小可以相差30 到 40dB；此外，发射端和接收端的相对运动，会使信号产生多普勒效应， 多普勒效应会使通道的特性随着时间而改变，增加了信号品质的不确定性。 对无线通信系统而言， 因为传播路径的多样性与时变性，无线信道的特性便在接收机的设计中，扮演者关键的角色。3.1 自由空间传播模型无线电自发射端送出后， 在空间中呈现发散的特性向四面八方传播出去，情况就像一个不断膨胀的球体， 基于能量守恒的原理， 无论半径为多少， 整个球体表面积所散布的能量必须守恒， 而球体的表面积是与距离的平方成正比，这也就是为何在真空中， 接收功率和传播距离平方成反比的缘故。此模型是用来估测当发射端和接收端之间没有任何障碍物，此时发射端和接收端之间的距离也是最短的。基本上，在这种传播模式底下， 接收机所接收到的信号强度和距离的平方成反比，这也是依据球面积和能量守恒定律所得来的结果。由电磁场理论可知，若各向同性天线的辐射功率为TP瓦，则距辐射源得出的电场强度有效值0E为dPET300（V/m）磁场强度有效值0H为dPHT120300 (A/m) 单位面积上的电波功率密度S为24 dPST（2/mW）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 31 页 - - - - - - - - - 接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即RRSAP式中，RA为接收天线的有效面积，它与接收天线增益RG满足下列关系：RRGA42式中，42为各向同性天线的有效面积。2)4(dGGPPRTTR当收、发天线增益为0dB，即当1RTGG时，接收天线上获得的功率为24 dPPTR由上式可见，自由空间传播损耗fsL可定义为24 dPPLRTfs以 dB计，得)(4lg20)(4lg10)(2dBddBddBLfs式中， d 的单位为 km ，频率单位以 MHz计。3.2 无线视距传播模型1. 无线视距由于大气的存在引起电磁波的折射，电磁波的传播路径并非直线， 而是一条向地球弯曲的弧线，曲率约为地球半径的4 倍。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 31 页 - - - - - - - - - 图 3.2.1 无线视距传播示意图对于理想平滑地面，无线视距路径距离为：)(17)(342343422mhkmdhrrhrdaLSaaLS无线电波传输距离比直视视距更远。2. 地形对无线视距的影响假设：不规则地形的平均起伏高度差为h 天线有效高度aeh为天线高于地形平均海拔的高度，则无线视距路径距离的统计均值为：mhhLSLIaeedd5,max/07.0不规则地形使无线视距减小。表 3.2 地形对h的影响地形描述h（m ）水面或非常平滑地面05 平滑地面520 轻微起伏地形2040 起伏地形4080 丘陵地形80150 山地地形150300 崎岖山地300700 极其崎岖山地700 3.3 超越障碍的衍射传播模型无线电波可以通过衍射进入障碍物阻挡的阴影区，但会形成衍射损耗， 与障碍物高度、距离、频率等有关。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 31 页 - - - - - - - - - 图 3.3.1 超越障碍的衍射传播示意图根据经典光学衍射理论，有障碍时阴影区的衍射损耗约为：lg2095.1227.111.902.6)(2ArTdddH2图 3.3.2 障碍衍射损耗3.4 无线信道经验模型3.4.1 哈特模型（ Hata Model ）在市区的中值路径损耗的标准公式为(CCIR采纳的建议 ) dhhahfdBLurbanbbbclg)lg55.69 .44()(lg82.13lg16.2655.69)(式中：cf是在 1501500MHz 内的工作频率；bh是基站发射机的有效天线高度 （单位为 m ，适用范围 30200 m ） ，其定义为天线相对海平面高度tsh减去距离从 3 km到 15 km之间的平均地面高度gah; reh是移动台接收机的有效天线高度（单位为m ，适用范围 110 m ） ; d 是收发天线之间的距离 （单位为 km ，适用范围 110km ） ；a(reh) 是移动台接收机的有效天线高度的修正因子。对于小城市到中等城市，a(reh)的表达式为a(reh)=(1.1lgfc-0.7)hre-(1.56lgfc-0.8)dB 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 31 页 - - - - - - - - - 对于大城市 , a(reh) 的表达式为a(reh)=8.29(lg1.54reh)2-1.1dB ， fc300 MHz a(reh)=3.2(lg11.754reh)2-4.97dB ， fc300 MHz 3.4.2 COST-231 Walfish Ikegami 模型欧洲研究委员会 COST-231 在 Walfish 和 Ikegami 分别提出的模型的基础上，对实测数据加以完善而提出了COST-231 Walfish Ikegami 模型。这种模型考虑到了自由空间损耗、 沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗。 COST-231 模型已被用于微小区的实际工程设计。该模型中的主要参数有：建筑物高度 hroof(m)；道路宽度 w(m)；建筑物的间隔 b(m)；相对于直达无线电路径的道路方位。图 3.4.1 COST-231 模型参数定义该模型适用的范围：频率 f ： 800 2000 MHz ；距离 d： 0.02 5 km；基站天线高度 hb： 4 50m ；移动台天线高度 hm： 1 3 m。（1) 可视传播路径损耗可视传播路径损耗的计算公式为fdLblg20lg266.42式中损耗bL以 dB计算，距离 d 以 km计算，频率 f 以 MHz计算。( 下面公式中的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 31 页 - - - - - - - - - 参量单位与该式相同 ) （2) 非可视传播路径损耗非可视传播路径损耗的计算公式为msdrtsbLLLL0式中，L0是自由空间传播损耗； Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗；Lmsd是多重屏障的绕射损耗。对 COST-231/Walfish/Ikegami模型在某城市的预测值与实测值作比较，平均误差在 3 dB 的范围内，标准偏差为57 dB。假定 f=880MHz ，mh=1.5m，bh =30m，roofh =30m， 平顶建筑， =90， w=15m ，则 COST-231/Walfish/Ikegami模型和 Hata 模型的比较如图所示。 从图中可以看出，Hata 模型给出的路径损耗要低1316 dB。图 3.4.2 COST-231/Walfish/Ikegami模型和 Hata 模型的比较3.5 多径信道的冲激响应模型3.5.1 基本多径信道的冲激响应模型我们已对多径的传输原理进行了讨论，在多径环境下， 信道的冲激响应可以表示为Nkjkkkettath0)()(式中: N表示多径的数目；ka表示每个多径的幅值（衰减系数） ；kt表示多径的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 31 页 - - - - - - - - - 时延（相对时延差）；K表示多径的相位。该多径信道可以采用图3.5.1 所示的方法来仿真。 设最大多普勒频率为mf。图中假定每一条路径的幅度均服从瑞利分布，即每一条路径的信号幅度可以看成是窄带高斯过程（该模型称为Clarke 模型，每一路径由若干个具有相同功率的从不同角度（按均匀分布）到达接收机的信号组成），则其功率谱可以表示为2/12)/(11)(mmavfffPfSmff式中, avP是每一路信号的平均功率。该式被称为典型的多普勒谱（简称为典型谱） 。利用该式产生瑞利衰落的过程如图2-21 所示。首先产生独立的复高斯噪声的样本，并经过FFT后形成频域的样本，然后与S(f) 开方后的值相乘，经IFFT后变换成时域波形， 再经过平方， 将两路的信号相加和开方运算后，形成瑞利衰落的信号。图 3.5.1 多径信道的仿真模型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 31 页 - - - - - - - - - 图 3.5.2 瑞利衰落的产生示意图当每一路径信号中有直射分量时， 其信号幅度的功率谱由典型谱和一条直射路径谱组成，可以表示为)7 .0(91.0)/(11241.0)(2/12mmmffffffS该式被称为莱斯谱。3.5.2 GSM 标准中的多径信道模型在 GSM 标准中规定了乡村地区 (RA)、典型市区 (TU)、典型山区 (HT)等情况下的多径模型。其中乡村地区 (RA)和典型市区 (TU)及简化的典型市区模型分别如表 3.5.1 、3.5.2和 3.5.3所示。表中给出了两组等效的参数（1）和（ 2） ；表3.5.1 和 3.5.3 由 6 条多径组成，表3.5.2 由 12 条多径组成，对于每一条多径给出了它的相对时间、 平均相对功率和其多普勒谱的类型，它们主要由莱斯频谱和典型谱组成。表 3.5.1 乡村地区 (RA)模型(6 支路) 多径支路好相对时间 /us 平均相对功率/dB 多普勒频谱类型（1）（2）（1）（2）1 0.0 0.0 0.0 0.0 莱斯2 0.1 0.2 4.0 2.0 典型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 31 页 - - - - - - - - - 3 0.2 0.4 8.0 10.0 典型4 0.3 0.6 12.0 20.0 典型5 0.4 16.0 典型6 0.5 20.0 典型表 3.5.2 典型市区 (TU)模型(12 支路) 多径支路号相对时间 /us 平均相对功率/dB 多普勒频谱类型（1）（2）（1）（2）1 0.0 0.0 4.0 4.0 典型2 0.1 0.2 3.0 3.0 典型3 0.3 0.4 0.0 0.0 典型4 0.5 0.6 2.6 2.0 典型5 0.8 0.8