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Documents/课程.移动通信
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补充
基本概念
基本概念2
无线电波频段
无线信道类型
? 3-30 kHz 甚低频（VLF）
?电离层波导（wave guide）
?电报
?导航系统
?潜水艇通信
无线信道类型2
? 30 kHz-3 MHz 低频（LM）& 中频
（MF）
? LM：表面波
?长距离通信
?导航
? MF：地面波和空中波
??干扰& 衰落
?商业AM 无线电
无线信道类型3
? 3-30 MHz 高频（HF）
?存在地面波
?以空中波为主
?全球通信
?通过电离层反射
?没有用于民用移动通信
无线信道类型4
? 30 MHz--3 GHz 甚高频
（VHF）& 超高频（UHF）
?以空间波为主
?传播受地平线限制
?反射& 绕射
?FM无线电& 电视频道，等...
无线信道类型5
? 3-30 GHz 极高频(微波：15–30
GHz)
?需视线（LOS）传播
?高增益天线
?卫星通信
?点对点陆地链路
?雷达
?超短距通信
无线信道类型6
? 30-300 GHz 特（Extra）高频（即
毫米波）
?有很多适用频段
?视线通信
?突发散射通信
?存在雾、水、和氧气吸收(e.g. 60
GHz)
?甚短距保密通信
?卫星之间的通信
移动通信---第三课
移动信道模型
和简单定量分析
内容
?移动通信面临的问题
?移动环境下的信道分析
?移动信道模型
?移动信道仿真实验方法
?空时信道模型
?移动信道的测量
衰落的原因
?接收机运动→多普勒频移
?信号传输带宽
?与信道带宽相比
?多径传播
?从接收机“看”多径传播的每条路径
?对环境十分敏感
多径传播
多径效应
?多径信号相位相反→合成信号
的幅度快速变化
?多径信号传播路径不同→时延
散布
?接收机或环境运动→多普勒频
移（多普勒调频）
移动通信面临的问题
?时延扩展（多径时延扩展）→频率选择性衰落
?相关带宽的意义
?从频域来看多径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
?在相关带宽内信号传输失真小若信号带宽超过相关带宽将产
生较大失真和符号间串扰
?信号传输速率受多径时延的限制
?频率扩展（多普勒扩展）→时间选择性衰落
?相关时间的意义
?当发送信号的持续时间Ts>Tc则会产生时间选择性衰落
?一般情况下Ts<<Tc多普勒扩展可不考虑
?角度扩展→空间选择性衰落
时延扩展---频率选择性衰落
频率扩展---时间选择性衰落
角度扩展---空间选择性衰落
多径信号---幅度统计特性
?多径延时信号的电平分布通常
用指数分布来描述
? GSM 05.05建议中采用指数
分布表示乡村地区的多径传播
信号的幅度分布
?还处在研究之中
多径信号包络分布---瑞利分布
?指在无直射波的N个路径，传播时若每条路径
的信号幅度为高斯分布、相位在0~2π内均匀
分布，则合成信号包络分布为瑞利(Rayleigh)
分布：
多径信号包络分布---莱斯分布
?指含有一个强直射波的N个路径，传播时若每
条路径的信号幅度为高斯分布、相位在0~2π
为均匀分布，则合成信号包络分布为莱斯
(Rician)分布
多径信号包络分布
---Nakagami分布
? M=1，瑞利分布
? M=0.5，单边指数分布
?，莱斯分布
多径信号---时延统计特性
?多径信号到达时刻的分布
?指数分布---对于有近距离散射体中距离高大建筑和远山
的环境
?等间隔分布---简化模型GSM 05.05建议
?多径信号到达数目的分布---泊松分布
多径信号---时延特性
时延扩展
时延方差(σ)
时延均值
噪声门限
时延→
功率
(dB)
→
σ的典型值：
室内：10-100 ns
室外：0.1-10 μs
多径信号---典型时延
多径信号---相位统计特性
?相位变化：反射附加相移＋时
延附加相移＋多普勒频移
多普勒频移
多普勒效应
多普勒频谱
?多普勒展宽：多径传播下，多径的
多普勒频移形成信号频率的扩展。
当多径电波与移动台的运动方向夹
角在[0~2π]内服从均匀分布时，
多普勒扩展的功率谱为：
多普勒频谱2
多径信号---典型多普勒扩展
内容
?移动通信面临的问题
?移动环境下的信道分析
?移动信道模型
?移动信道仿真实验方法
?空时信道模型
?移动信道的测量
移动信道分析---研究目标
?移动通信信道是多径衰落信道
?模拟信号SNR
?信道特性：以信号在自由空间传播损耗、衰
落深度、衰落次数和衰落持续时间等参数表
示
?数字信号SNR+误码率
?多径传播→多径衰落→突发性误码
?多径时延扩展→严重的码间串扰
多径信道模型
?基本思想: 将多径干扰效应用一
个滤波器来表示。
?测量或计算信道的冲击响应（响应
频率为f
c
窄脉冲）。
τ
τ
t
信道
信号表示
?发送的信号：
? f
c
为载波频率，s
l
(t)是等效基带信号。
?接收信号---经过多条传播路径
?α
n
(t)是第n径接收信号的衰落因子，τ
n
(t)是
第n条路径的传播时延，f
D
为多普勒频移，φ
n
为第n径沿途反射产生的附加相移。
时变冲击响应函数
?等效低通信号
?等效低通信道的时变冲激响应为
?信道的时变冲激响应与幅度因子、相移和
时延有关
移动信道模型---所关切的参数
?最大时延
?路径数目的概率分布
?多径延迟时间的分布
?多径信号的强度分布
?延迟扩展与路径损耗的相关性
?路径损耗的累积分布
?多普勒频移与扩展
多径信道---时延扩展与相关带宽
?信道的时变冲激响应：c(τ；t)为广义平稳过程
?自相关函数：
?当两个不同延时的散射是不相关的，即各路信号的信道
衰减和相移是不相关的
?当Δt＝0时，相关函数被称为信道时延功率谱
Tm为信道的多径扩展
多径信道---时延扩展与相关带宽
多径信道---时延扩展与相关带宽
?多径扩展和相关带宽的关系如
下图所示：
相关带宽的意义
?从频域来看，多径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。即
在相关带宽内信号传输失真小；若信号带宽超
过相关带宽，将产生较大失真和符号间串扰。
?若B
s
<< B
c
：“平坦衰落”
?仅发生幅度和相位失真
?若B
s
> B
c
：“频率选择性衰落（FSF）”
?若T
s
< T
m
，发生符号间干扰（ISI）
?对于窄带系统（B
s
≈ 1/T
m
），FSF ? ISI.
?在宽带系统中（B
s
>> 1/T
m
），不再发生ISI
?信号传输速率受多径时延的限制。
多径信道---多普勒扩展与相关时间
多径信道---多普勒扩展与相关时间
?多普勒扩展与相关时间的关系
如下图所示：
相关时间的意义
?一般情况下，Ts<<Tc，多普勒扩展可不
考虑：“慢衰落”
?采用慢速自适应技术
?当发送信号的持续时间Ts>Tc，则会产生
时间选择性衰落：“快衰落”
?需采用快速自适应技术
?对典型系统而言，信号速率比信道变化要快
移动环境信道分析---信道分类
?根据相关带宽Bc、相关时间Tc、信号带宽Bs、
信号持续时间Ts的相对关系分类。
内容
?移动通信面临的问题
?移动环境下的信道分析
?移动信道模型
?移动信道仿真实验方法
?空时信道模型
?移动信道的测量
?信道估计方法
统计衰落模型
?是发生在特定位置（小尺度）的信号
衰落概率模型
?通常是冲击响应模型；
?固定无线信道慢速时变；
?移动信道快速时变。
?最简单的模型是基于广义平稳非相干
散射（WSSUS）准则
WSSUS
?广义平稳（WSS）
?统计特性独立于时间和位置的小抖
动，即固定节点的统计参数固定。
?非相干散射（US）
?各分离路径在相位和幅度损耗方面
是不相关的，即多径分量是独立的
随机变量。
?统计模型为高斯随机变量
WSSUS 的应用
?多径瑞利衰落：
?瑞利分布没有包括多径时延（频率
选择性）
?多径模型为两个或多个独立延时的
瑞利随机变量之和
s(t)
R
1
R
2
Σ
r(t)
τ
最简单的信道模型
路径跟踪
路径跟踪2
路径跟踪3
路径跟踪4
抽头延时线模型
抽头延时线模型2
抽头延时线模型3
抽头延时线模型4
频率选择性多径信道模型
频率选择性多径信道模型
室内信道基带冲击响应模型
∑
?=
k
k
j
k
teth
k
)()( τδβ
θ
式中：
delaypath
shift phase
gainpath
=
=
=
k
k
k
τ
θ
β
这些参数都可以看成是与信号速率相比为慢
速时变的随机变量。
室内信道基带冲击响应特性
典型的
脉冲冲击响应
脉冲冲击响应
模型
τ
|h(
t
,
τ
)|
τ
Γ? /T
γτ /?
)(
2
tβ
0
T
1
T
2
T10
τ
20
τ
11
τ
21
τ
22
τ
12
τ
室内信道基带模型参数
T
l
为第l 束多径的到达时间，服从具有参数Λ的
指数分布：
τ
kl
为从第l 束多径起始时间开始测量到的第k 条路
径的到达时间，服从具有参数λ的指数分布：
))(exp()|(
11 ??
?Λ?Λ=
llll
TTTTP
))(exp()|(
)1()1( lkkllkkl
P
??
??= ττλλττ
θ
l
、θ
kl
服从(0,2π)均匀分布：
)/exp()/exp()0,0(
22
γτββ
kllkl
T ?Γ?=
室内信道基带模型参数(续)
为指数分布，这意味着服从瑞利分布：
2
kl
β
kl
β
)exp(
2
)(
)exp(
1
)(
2
2
2
2
2
2
2
kl
kl
kl
kl
kl
kl
kl
kl
kl
P
P
β
β
β
β
β
β
β
β
β
?=
?=
基带冲击响应模型为：
∑∑
∞
=
∞
=
??=
00
)()(
lk
kll
j
kl
Tteth
kl
τδβ
θ
移动环境信道---GSM信道模型
? GSM 05.05建议的信道类型
?典型郊区(RAx)
?典型山区(HTx)
?典型城市地区(Tux)
? GSM 05.05建议的传播模型
?典型郊区(RAx)：6支路典型郊区模型
?典型山区(HTx)：12/6支路典型山区模型
?典型城市地区(Tux)：12/6支路典型城市地
区模型
移动环境信道---GSM信道模型参数
? GSM 05.05建议的信道模型参数
?多径支路数目：12或6个
?每路径的信号参数：路径的时延和平均功率
?每路径的幅度分布：瑞利分布，依据多普勒频谱S(f)
? GSM 05.05建议的多普勒频谱S(f)
?典型多普勒频谱用于除郊区最短路径外所有环境
?莱斯(Rice)多普勒频谱用于郊区最短路径环境
移动环境信道---WCDMA多径模型
?多径模型参数
移动环境信道---WCDMA室内多径
移动环境信道---WCDMA室外多径
?室外车辆测试环境
内容
?移动通信面临的问题
?移动环境下的信道分析
?移动信道模型
?移动信道仿真实验方法
?空时信道模型
?移动信道的测量
多径衰落信道仿真实验
?根据《无线通信原理与应用》，p.145，
第4.20题；
?采用《无线通信原理与应用》，p.144，
图P4.18所示的延时功率谱；
?假设符号速率Rs分别为100kbps和
1Mbps；最大多普勒频率f
m
分别为10Hz
和1000Hz；N取64或128。
?观测QPSK信号分别通过AWGN信道和多
径衰落信道情况下的眼图和星座图失真情
况。
瑞利衰落仿真方法
多径衰落仿真方法
仿真步骤
?按照瑞利衰落仿真方法，指定用于代表Classic谱的样本
点数N 及最大多普勒频率f
m
，N 值一般取2的幂。
?用式计算相邻谱线的频率间隔，由此可
得衰落波形的时间周期。
?为噪声源的每N/2的正频率分量产生复数高斯随机变
量。
?将正频率值取共轭并赋给相应的负频率，以得到噪声源
的负频率分量。
?将同相和正交两路噪声源与Classic谱相乘。
?在同相和正交两路上对所得频域信号进行IFFT运算，并
将正交路乘以j后与同相路相加，得到长度为N 的时间域
瑞利衰落复数序列。
?按照多径衰落仿真方法图示将测试信号分别与多径瑞利
衰落序列卷积后求和，其中测试信号应与瑞利衰落序列
进行速率匹配，即瑞利衰落序列应重复T/(7T
s
)。
( )12 ?=? Nff
m
fT ?=1
仿真结果举例1 --- Rs=0.1M
仿真结果举例1 --- Rs=1M
瑞利平坦衰落产生方法
JAKES瑞利信道产生模型
式中：
ω
D0
为最大多普勒频率；
K-1＝m 为波达方向取值数。
内容
?移动通信面临的问题
?移动环境下的信道分析
?移动信道模型
?移动信道仿真实验方法
?空时信道模型
?移动信道的测量
空间信道模型和空时联合模型
?智能天线的引入
?每一径都有不同的到达角
?整个接收信号有一个空间角分
布
?每一径有径的分布特性
?每一主径有分布特性
?分析方法：测量法和模型法
User 1
User 2
User K
r
1
(t )
r
2
(t )
r
P
(t )
多－“用户、天线、路径”信道
空间时间多径信号
空时多径信道模型
?基于散射体几何分布特性的模
型
?12种
?可分为圆模型和椭圆模型两大
类
?基于测量值统计特性的模型
?5种
椭圆模型的仿真结果
内容
?移动通信面临的问题
?移动环境下的信道分析
?移动信道模型
?移动信道仿真实验方法
?空时信道模型
?移动信道的测量
移动信道模型的测量
?数字移动通信的信道特性与传输信号带宽
相关
?平衰落信道，连续载波法测场强分布
?信道脉冲响应测试方法
?单脉冲法：发端每秒发射窄脉冲信号(脉宽100ns)，
收端用高稳定度的铷原子钟，收发时钟差<10ns，
用示波器观测波形。
?序列相关法：发射窄脉冲信号序列信号，收端用相关
接收来获得多径波形。
?扫频法：发射信号为扫频信号，测试信道的频率选择
性衰落特性，再转换到时域得到时延扩展特性。
移动信道模型的测量---G.L.Turin
? 1972年，TURIN用单脉冲法在美国加州
旧金山测试
?测试频率为：488MHz、1280MHz、
2920MHz
?测试结论
?到达路径数目的分布符合泊松分布，且λ越
大越符合。
?合成路径损耗分布(在半径1km内)符合对数
正态分布
?延迟扩展与路径损耗的相关性很小(约-0.4)
移动信道模型的测量---D.C.COX
? COX用序列相关法于1972、1975和1977年，
分别在美国纽约市区和新泽西州的郊区测试
?测试频率910MHz，PSK调制
? 9级移位寄存器产生的PN码，10Mbps码率
?接收端用Rake接收机
?测试结论
?一种良好的GWSSUS信道模型是复高斯过程
?合成路径损耗分布在半径1km内符合对数正态分布
?延迟展宽与路径损耗电相关性很好
?通信性能对延迟扩展非常敏感
?固定延时条件下合成信号的幅度分布符合瑞利分布
Saleh & Valenzuela (1987)
?测量同楼层室内环境多径信道
?对于固定接收机，室内信道随时间的变
化甚为缓慢。
?时延分布的RMS：均值为25ns，max
50ns
?在没有LOS 时，衰落变换范围达
60dB 且服从对数距离衰减公式，衰减
指数3 > n > 4
?模型中假设多径分量具有相关性。
Saleh & Valenzuela 2
?多径模型
?多径分量成束到达，服从泊松分布。多
径“束”与建筑结构相关。
?在“束”内，各个分量也是服从泊松分
布。“束”分量与接近收发信机的反射物
有关。
?各分量的幅度是独立的瑞利随机变量，
“束”和“束”内多径分量的延时服从指数
分布。
