当前课程知识点：移动通信原理 > 第二章 无线传播与移动信道 > 2.3 传播类型与信道模型的定量分析 > 2.3 传播类型与信道模型的定量分析
下面我们接着来看
传播模型它的分析
刚才我们已经谈到过
在移动信道的传播特点上来看
有三个层次的损耗
有小尺度
有阴影
有大尺度
那么大尺度损耗
小尺度损耗和阴影损耗
那么这三个损耗
我们可以把它叠加起来
以这样的一个公式来表征
大家看这就是那三个损耗
叠加之后的结果
Pd这实际上就是混叠之后的完整的
从发射机到接收机的
开放空间传播的
信道衰落 信道损耗的公式
这三个层次的损耗
实际上分别对应着
这个公式当中的三个量
我们看第一个量
这第一个量d(t)指的
是发射机到接收机之间的距离
那么这个n
它就是和距离有关的一个衰落因子
一般来讲
一般来讲
我们在移动通信系统当中
这个路径损耗它的这个衰落因子
这个衰落系数大概是2到5.5
这个2
实际上的是在开放空间
进行电磁波传播的时候
在真空里面进行电磁波传播的时候
信号衰减的规律
我们一般称为是平方反比定律
也就说
发射机到接收机
假如电磁波的是在真空里面传播
那么接收到的信号
随着距离的平方来进行衰减
而我们实际的这个传播环境
它都有很多的障碍物
还有很多的阻挡
那么它不像真空的
传播环境好
所以它的这个路径损耗还更大
就比这个平方衰减还更剧烈
有时候可以达到3次方
3.5次方甚至高达5.5次方
那么S[d(t)]
这就是我们刚才提到的阴影衰落
K[d(t)]就是小尺度衰落
我们下面
给大家讲一讲这个大尺度损耗
它的这个基本的规律
这个大尺度损耗的规律
我们可以用这样一个公式来表征
也就说这个路径损耗PL
还应当等于
k1乘上lgd
再加上k2乘上lgfc再加上C
其中我们看这个d
d指的是发射机到接收机之间的距离
这个k1
就是我们刚才提到的这个n
也就是
它的这个衰落的系数
那在真空环境里面
电磁波传播的应当是r
那如果我们是在实际地面传播到
它可能最高可以衰减到5.5
同时我们也能看到
第二项
第二项也就说明
收发之间的路径损耗
它是对数域的 dB
它也和载波频率有关系
载波频率越高
那么衰减就越大
下面我们来把
这样的一个基本规律再进行
进一步的一些解释和分析
首先 我们先假设说
这个第二项是常数
也是我们给垫的载波频率
C是地理环境的因子
我们也假设是常量
那我们以
收发之间距离的对数
lgd作为横坐标 作为自变量
那么纵坐标就是它的函数值
就是路径损耗
那显然我们可以画出来一条直线
因为这是条直线方程对吧
明显我们看到这个k1
就是这个直线方程的斜率
那我们在实际
移动通信的网络规划和优化当中
往往要做一些
传播模型的校正
具体校正什么东西呢
就是我们在路测
根据路测的数据去调整和优化
这个传播模型的斜率
优化那个k1以及截距
通过优化斜率和截距
能够让我们的这个传播模型更准确
能够符合实际传播特征的要求
我们再讲一下第二轮的稍微长方形
这个fc
明显能看到
这个载波频率越高
那么它的路径损耗越大
这就告诉我们说
覆盖相同的地理区域
假如说你是一个高频段
那它所需要的基站数目要更多一些
考虑到这个问题
我们在这个FDD系统
大家还记得上一章讲过这个
频分双工体制
在FDD系统当中
这个基站到移动台之间
上行和下行链路
我们用两个频率对吧
下行用fc1
上行用fc2
那一般我们都要求
下行的载波频率fc1
要高于上行的载波频率fc2
为什么要这么设计呢
就是因为这样的路径损耗的规律
因为越是高频
信号的损耗越大
那对于基站来讲
我们可以使用大功率的功放
靠大功率去补偿高频的损耗
而对移动台来讲
它的发射功率都比较小
所以一般我们用低频
低频段发送
这样尽量减少了这个路径损耗的影响
所以一般我们在移动通信的标准当中
频分双工体制都是下行是高一点的频率
而上行是稍微低一些的频率
我们刚才
给大家介绍了这个
大尺度传播损耗模型的一般性规律
我们刚才
看到了这个大尺度损耗
它其实应当是
和发射机和接收机之间的距离的对数
我们在对数上看有个比例关系
而那个比例因子
实际上就是那个衰落系数
一般在自由空间当中的应当是2
甚至可以到3 3.5 5.5
那么具体到我们在实际当中
常用的一些
经验性的大尺度损耗的模型
我们给大家列举一下
第一个模型
就这个非常有名的叫奥村—哈塔模型
这个模型它主要是
当年是一个日本工程师叫奥村
后来有另外一个工程师叫哈塔
他们两人
把很多这个实测的数据
做这种线性回归
最后做拟合
得到的这个经典模型
我们在书上有详细的介绍
那么另外一个模型是Hata模型
Hata模型是在前者的基础上
做了进一步的频段的扩展
现在这两个模型叫奥村—哈达模型
及它的扩展模型
我们经常用于
移动通信网络的规划和优化
做一些网规网优的时候
常用的这两种基本模型
还有一些
就是这个WIM模型
这个是在欧洲
在3G标准之后
经常用到的一类经验测试的结果
还有一些典型的室内传播模型
我就不再详细列举
刚才我已经回顾了
给大家归纳了一下这个大尺度的衰落
还有这个小尺度的衰落
它的一些特点和统计特征
我们可以能把这个
结合上面的这个分析结果
那我们可以能把这个移动通信的
这种实际的信道模型的
就归纳为这样的一些类型
比如说第一类
就是宽带 高速的车载移动信道
就我们刚才提到的时频双选的衰落信道
它在时间上是快衰落
在频率上应当是频率选择性衰落
这是我们刚才提到的
是高速移动情况下
宽带通信所经历的典型衰落
第二类
就是这个宽带 慢速的移动信道
这种信道我们刚才也提到过
它就是说
它是宽带信号
会经历频率选择性衰落
但是因为它是慢速的
所以在时间上来看
什么慢变是一个慢衰落了
它主要对应是在3G之后
室内场景或者是步行场景当中
那这个宽带与移动通信的业务
所经历的衰落
第三类
就是这个所谓的宽带高速的
并且具有智能天线的信道
这类的就是我们不仅仅是在时频上
能看到信道的衰落特征
还要考虑空间上
因为我们有多天线
这是个MIMO或者多天线的信道
在空 时 频这三个维度上
它都有一些信道的衰落或者变化
第四类是一种窄带的高速移动的车载信道
第五类是窄带的步行信道
我们刚才也给大家归纳了
就给大家看的典型值
那影响信号
在空 时 频三个维度上的选择性衰落
那这个衰落的参量主要就是这样的
三组量
也就是
它的时间扩展
频率扩展
角度扩展
或者对应的相干带宽 相干时间
还有相干的距离或者相干的角度
那么这些参量我们在这种
典型环境当中都有相应的
一些典型取值可以供大家参考
下面我们举个例子来给大家做一些说明
同学们看
这是一个城区环境
那么根据我们这个表2.1
可以查阅
可以得到
它的频率扩展的区间是120Hz
也就是最大多普勒频移是120Hz
那最大多径时延是5μs
角度扩散是20°
那相应地我们就能算出来
它的相干的参量
那在相干时间上来看应当是8.3ms
频率上来看应当是
相干带宽是200kHz
那么它的空间上来看
相干的距离应当是3倍的波长
3倍的λ
3倍的波长
这些典型值
用于我们来进行
移动通信的体制或者标准设计的
主要的一些系统参数
供我们进行系统设计的时候的参考
那么另外一方面
我们再给大家介绍一些
移动通信这个信道
它在统计特征
或者是随机行为上的一些模型
概率模型
它的信道的样值
它的概率分布的一些特征
第一个就是
我们经常遇到的叫Rayleugh分布
或者Rayleugh信道
这个Rayleugh信道指的是说
假如发射机和接收机
之间我们都是经过了多径散射的
多径散射过来的
没有直射径
这种常见的一般
我们称为是NLOS
就所谓的无直射径场景
在这样的场景当中
它的信道响应的包络
或者幅度值的分布
那么这个分布
我们称它这个分布
Rayleugh分布
这就是Rayleugh分布的表达
那么与之相对应的
假设说我们这个发射机到接收机
除了有散射径之外
还有直射径大家看
比如说这条径 这是一条直射径
直接从基站到移动台之间
能够进行传播
不用经过散射或者衍射
那么这种场景
我们就称为是有直射径的场景
叫LOS场景
那么在LOS场景下面
因为它有直射径分量
那这个信道的包络
或者信道的衰落的样值
它的幅度的分布
它就不再是Rayleugh分布
我们称为是Rice分布
叫Rice
Rice分布
这就是Rice分布的一个典型的公式
那Rice分布 Rayleugh分布
以及我们在通讯原理曾经讲过
就是一般的电子通信设备
它都会有电子热运动产生的噪声
我们建模为白噪声AWGN信道
那么这三个分部之间是什么关系呢
它实际上是一个渐进关系
也就是说
Rayleugh分布
它是最差的
AWGN 也就是对应的是高斯分布
是最好的
那这两者之间的过渡就是ice分布
假如说
我这个Rice分布
直射径分量
如果是趋于0
就没有直射径分量了
那么Rice信
道就趋近于一个Rayleugh信道
假如说
我这个直射径分量非常强
Rice信道就趋近于高斯信道
也就是AWGN信道
也叫白噪声信道
这就是我们经常用到的一些分布
还有一类
这个分布我们在理论分析的时候也经常用
这叫Nakagami-m分布
这个分布它也是一个带参数的分布
那在Nakagami-m分布
它这个参数取值
这个参数取值m取不同值
也可以涵盖Rayleugh Rice
还有高斯
它都可以涵盖
所以做理论分析的时候
我们是经常用到的一种通用的概念模型
我们刚才在介绍这个路径损耗的时候
还有一类损耗叫做是阴影衰落
或者是中等尺度的损耗
那么我们刚才提到过的这个阴影衰落
它指的是说
或者慢衰落
它指的是说
我这个接收到的信号的
场强中值会随着时间的
变化而缓慢变化
那么这个场强的中值服从什么分布呢
那么这种分布一般的我们称它为是
对数正态分布
请大家注意这个地方所谓的
场强中值
就在分布当中的F
F就指的是这个场强值
而这个场强值
它的对数
我们取它的对数
这个对数就服从正态分布
所以我们管这个分布就叫做
对数正态分布
那对于阴影衰落来讲
那么对数正态分布
是它的典型的行为特征
那么对于小尺度衰落来讲
我们刚才提到过
它这个有多普勒效应
多普勒效应导致的信号的频谱
信号的相关谱也就是
自相关函数所对应的这个功率谱
是什么样的形式呢
就是这种形式
这个模型
一般我们称为是Clarke模型
这种谱的特性大家不用管分子上
因为这可以认为是常量
我们关键看这个分母上
分母上
我们可以把它这种公式
简写为分子是个常量
分母上我们写成是fm
1减掉f 减掉fc
除以fm的形式
如果我们画一个图
看一下它所对应的功率谱密度
那么这个功率谱密度的形式
实际上是一个渐进线的关系
大家可以看
横坐标是频率
纵坐标我们看
是这样的形式
是一个二次 就是
实际上
是一个U形谱的形式
U形谱的形式
那么这两条渐近线是不可达的
那这两条渐近线取值
就是最大多普勒频移
就fmax 和-fmax
换言之 我们称
这个Clarke模型所对应的
这样的信道的谱
叫U型谱或者是叫典型谱
那对于实际的移动通信的信道而言
只要你有多普勒效应
那么它的
功率谱密度就是这个样子
那么我们把它做逆傅里叶变换
就能够得到它的自相关函数
而它所对应的自相关函数
而R(τ)应当是
0阶贝塞尔函数
是第一类修正的0阶贝塞尔函数的形式
那么这一对自相关函数工程密度
它们服从傅里叶变换关系对
所以这就是
我们在数字特征上面的一些典型取值
我们把移动通信当中的噪声与干扰
做一下这个归纳和总结
在移动通信系统当中
严重影响通信质量的
主要噪声和干扰
我们可以划分为这样三类
第一类就是加性白噪声
这个是朴实存在的
只要我们是电子通信的设备
它都会存在的白噪声
第二类
是多径干扰
我们刚才提到过这个多径效应
就会引入的多径干扰
也就是刚才提到过的MPI
那么本质上讲它就是码间干扰
码间干扰
大家还记得通讯原理
我们讲过的基本知识
为了消除码间干扰
其实
我们需要采用一些均衡的技术
在移动通信当中
我们可以采用一些CDMA
还有接收机的技术
或者我们在4G移动通信当中的
要采用的平均**
OFDM平均**来消除
或者对抗码间干扰
第三类就是多址干扰
多址干扰
刚才也提到
也就是远近效应导致的
MAI多址多用户干扰
对于多址干扰而言
在移动通信系统当中
我们也需要采用一些高级的
或者说一些专门化的
信号处理技术来进行对抗
比如说
我们在CDMA系统当中采用的功率控制
或者更进一步采用的多用户检测来对抗
在4G系统当中
我们采用多用户MIMO
采用多天线和MIMO进行组合
来对抗多址干扰
-1.1 前言
--1.1 前言
-1.2 移动通信发展的回顾
-1.3 第四代移动通信技术
-1.4 第五代移动通信技术
-1.5 未来移动通信技术
-第一章 作业
--第一章 作业
-2.1 移动信道的特点
-2.2 三类主要快衰落
-2.3 传播类型与信道模型的定量分析
-2.4 无线信道模型
-第二章 作业
--第二章 作业
-3.1 多址技术的基本概念
-3.2 移动通信中的典型多址接入方式
-3.3 码分多址CDMA中的地址码
-3.4 伪随机序列(PN)和扩频码的理论基础与分析
-第三章 作业
--第三章 作业
-4.1 语音压缩编码
-4.2 移动通信中的语音编码
-4.3 图像压缩编码
-4.4 我国音视频标准
-第四章 作业
--第四章 作业
-5.1 概述
--5.1 概述
-5.2 保密学的基本原理
-5.3 GSM系统的鉴权与加密
-5.4 IS-95系统的鉴权与加密
-5.5 3G系统的信息安全
-5.6 B3G与4G系统的信息安全
-第五章 作业
--第五章 作业
-6.1 移动通信系统的物理模型
-6.2 调制/调解的基本功能与要求
-6.3 MSK/GMSK调制
-6.4 π/4-DQPSK调制
-6.5 3π/8-8PSK调制
-6.6 用于CDMA的调制方式
-6.7 MQAM调制
-第六章 作业
--第六章 作业
-7.1 信道编码的基本概念
-7.2 线性分组码
-7.3 卷积码
--7.3 卷积码
-7.4 级联码
--7.4 级联码
-7.5 Turbo码
-7.6 交织编码
--7.6 交织编码
-7.7 ARQ与HARQ简介
-7.8 信道编码理论上的潜在能力与最大编码增益
-7.9 GSM系统的信道编码
-7.10 IS-95系统中的信道编码
-7.11 CDMA2000系统的信道编码
-7.12 WCDMA系统的信道编码
-第七章 作业
--第七章 作业
-8.1 分集技术的基本原理
-8.2 RAKE接收与多径分集
-8.3 均衡技术
--8.3 均衡技术
-8.4 增强技术与应用
-第八章 作业
--第八章 作业
-9.1 多用户检测的基本原理
-9.2 最优多用户检测技术
-9.3 线性多用户检测技术
-9.4 干扰抵消多用户检测器
-第九章 作业
--第九章 作业
-10.1 OFDM基本原理
-10.2 OFDM中的信道估计
-10.3 OFDM中的同步技术
-10.4 峰平比(PAPR)抑制
-第十章 作业
--第十章 作业
-11.1 多天线信息论简介
-11.2 空时块编码（STBC）
-11.3 分层时空码
-11.4 空时格码（STTC）
-11.5 空时预编码
-11.6 MIMO技术在宽带移动通信系统中的应用
-第十一章 作业
--第十一章 作业
-12.1 引言
--12.1 引言
-12.2 多功率控制原理
-12.3 功率控制在移动通信中的应用
-12.4 无限资源的最优分配
-12.5 速率自适应
-第十二章 作业
--第十二章 作业
-13.1 标准化进程
-13.2 HSPA系统
-13.3 EVDO系统
-13.4 LTE系统
-13.5 WiMax系统
-第十三章 作业
--第十三章 作业
-14.1 TDD原理
-14.2 TD-SCDMA
-14.3 UTRA TDD
-14.4 TD-HSPA
-第十四章 作业
--第十四章 作业
-15.1 移动网络的概念与特点
-15.2 从GSM/GPRS至WCDMA网络演讲
-15.3 第三代（3G）移动通信与3GPP网络
-15.4 从IS-95至CDMA2000网络演讲
-15.5 B3G与4G移动通信网络
-第十五章 作业
--第十五章 作业
-16.1 移动通信中的业务类型
-16.2 呼叫建立与接续
-16.3 移动性管理
-16.4 无线资源管理RRM
-16.5 跨层优化
-第十六章 作业
--第十六章 作业
