无线移动信道的传输特性论文Word格式.docx

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摘要

21世纪将进入数字革命的新时代，数字工程正在世界各国蓬勃发展，而通信技术是实现数字工程的重要方面，其中的数字移动通信技术则更为突出，发展及其迅速。

我们知道，信号是在信道中进行传输的，所以研究和开发移动数字传输技术的第一步工作就是移动信道本身的特性，它不仅是解决移动通信关键技术的前提，也是移动移动通信中各类新技术的源泉。

与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种，就拿陆地蜂窝移动信道来说，移动台处于城市建筑群之中获地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号——多径信号，再加上移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的无线信道多变且难以控制，再这样的信道中传输的无线电信号，其强度骤然降低，即所谓的多径衰落现象是经常发生的，衰落深度有时可达40dB。

这种多径衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信系统的可靠性。

本论文根据数字蜂窝移动通信的最新发展，主要从移动信道中最具特色的部分——多径衰落特性的研究出发，运用理论分析与建模仿真相结合的方法，共分四章分别对多径衰落信道的传播损耗、快衰落特性进行了较为详细的论述，得出的结论更加丰富了数字移动信道的多径衰落特性。

关键词：

多径衰落信道，电波传播损耗，选择性衰落

、

CharacteristicsResearchoftheMultipathFadingChannel

inDigitalCellularMobileCommunications

Abstract

21thcenturywillenterthemoderneraofdigitalrevolution,digitalengineeringboominglaunchesintheinternationalcommunity,andcommunicationtechniquesaretheimportantaspectofthedigitalengineeringtorealize,amongthemdigitalmobilecommunicationtechniquesaremoreoutstanding,thedevelopmentisveryquick.Weknowthesignalistransmittedthroughthechannel,sothefirststepworkoftheresearchandtheexploituretothedigitaltransmittingtechniquesinsidethemobilechannelistoknowthecharacteristicsofitself,theyarenotonlythepremiseofkeytechniquesofmobilecommunications,butalsoeheadspringofeveryvarietynewtechniquesofmobilecommunications.

Comparedwiththeothercommunicationchannel,mobilechannelisthemostcomplicated.Inregardtotakethelandmobilechannel,MSisplacedthecitybuildingclusterorthecomplicatedgeographydistrict,itsantennawillreceivethesignalsfrommanypaths,pulsingtheremovaloftheMS,makingthewirelesschannelbetweenMSandBSbecomemuchchanginganddifficultlycontrolling,atlikethisafterdelivering,thesuddenlylowerofthesinglestrength,namelyso-calledmulti-pathfading,takesplaceusually,itsfadingdepthcansometimesamountto40dB,itcanworsenseriouslythequalityofthereceivesandinfluencethedependabilityofthecommunicationsystems.

Thispaper,basingthenewestdevelopmentofthedigitalmobilecommunications,andusingthemethodofacademicanalysisandsimulatedmodelingbandedtogether,talkaboutthecharacteristicsofmulti-pathfadingchannel,forexample:

radiowavepropagationloss,threeselectivefast-fadingandwavepath-numberdistribution,andsoon,departingfourchapters.Theeducedconclusionsenrichthecharacteristicsofmultipathfadingchannel.

Keywords:

Multipathfadingchannel,Radiowavepropagationloss,Selectivefading

1绪论

1.1移动通信概述

1.1.1当代世界通信的主要方式

当代世界通信的主要方式有四种：

（1）微波中继通信：

目前被广泛地用于长途干线通信。

（2）光纤通信：

可用于传输电话、电视和各类数据，从70年代起旧被世界各国列为通信技术发展和大规模推广应用的重点。

（3）卫星通信：

三颗卫星即可实现全球通信。

（4）移动通信：

移动通信是未来个人通信的重要组成部分，其灵活、机动以及高效的特点非常适合信息社会发展的需求。

移动通信包含的范围很广泛：

简单的无线电对讲机通信、无绳电话、无线寻呼、汽车电话系统、集群通信系统、蜂窝网电话系统等均属于移动通信的范围。

移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，是固定通信的延伸，也是实现人类理想通信必不可少的手段。

在移动通信中广泛采用蜂窝移动通信，近几年，蜂窝移动通信在世界上得到了迅猛的发展，特别是蜂窝移动电话已经成为世界范围内的一项非凡成功之作，其发展如此迅速以至于其业务需求远远超过了原先的预测。

各种各样的移动电信产品进入了全盛时期[1-3]。

1.1.2移动通信系统的特征

移动通信是指通信双方中至少有一方是在移动中进行信息交换的，而信息交换不仅仅指双方的通话，随着移动通信的不断发展，不久还将包括数据、传真、图像等通信业务。

与其他通信方式相比，移动通信时最为复杂的一种，它是有线与无线的综合体，且具有以下几方面的特征：

（1）由于移动台的不断运动，导致接收信号强度和相位随时间、地点而不断变化，电波传播条件十分恶劣。

（2）移动形成的多普勒效应将产生附加调制，相当于随机调频。

（3）移动台的位置是在小区内不断发生变化的，这使得通信中的干扰变得很严重。

（4）移动通信，特别是陆地移动通信的用户数量较大，这就与有限的频道数目相矛盾。

（5）由于在广大区域内的移动台是不规则运动的，而且在某些系统中埠通话的移动台的发射机是关闭的，它与交换中心没有固定的联系。

（6）移动台应具有小型、轻量、低功耗和操作方便等优点，同时要求移动台能够稳定、可靠的工作。

1.2数字蜂窝移动通信的特征

蜂窝移动通信网的出现是移动通信的一次革命，它基于干扰受限，通过分割小区，有效的控制干扰，在相隔一定距离的基站，重复使用相同的频率，从而实现频率复用，大大提高了频谱的利用率，有效的提高了系统的容量。

而蜂窝网络的智能化又实现了越区切换和漫游功能，大大扩大了用户的服务范围。

蜂窝移动通信的问世，将陆地公众移动通信网推向了发展的高潮。

最早的蜂窝系统是模拟制的，但是随着移动通信业务量的激增，模拟蜂窝通信网络面临着容量不足的压力。

而由于计算机和数据终端的广泛应用，非话业务迅速增多，也使得当前的模拟蜂窝系统适应不了移动通信业务发展的需要了。

因此，数字蜂窝移动通信技术便应运而生。

现在，数字蜂窝移动通信系统已经成为移动通信领域中发展最快的一个分支，这是因为它比模拟蜂窝移动通信系统更符合移动通信技术数字化、微小化及个人化的发展方向，且具有以下突出的优点：

（1）频带利用率高：

数字方式比，模拟方式更能有效地利用有限的频率资源。

（2）保密性强：

模拟系统使用调频制，这样要想把声音信息完全密码化很不容易；

而数字调制是对信息本身编码后才进行调制的。

故容易进行加密和解密。

（3）易于通ISDN连接：

ISDN是指综合业务数字网，故易于同数字移动通信系统连接，

也可以利用ISDN的各种附加业务。

（4）可灵活地进行信息交换、存储等，通信质量大大提高。

这一特征能有效地克服移动通信中由于恶劣的电波传播条件所带来的弊病。

（5）数字信号抗干扰力强，无噪声积累，具有很强的“再生”能力（在媒体中，由于噪声和干扰的引入而产生的信号损害总是可以改正的，这种过程称为再生），所以可实现长距离、高质量的传输。

（6）易于元器件的通用化与大规模集成化，并可以大大降低设备的成本和体积，这些都有利于向个人通信方向发展。

通过以上分析可看出，在用户需求和技术发展的双重推动下，数字蜂窝系统必然取代模拟系统，其体制与技术对未来移动系统将产生重大影响。

下图是蜂窝小区形状示意图

图1-1蜂窝小区的形状

1.3建模仿真

对信道特性进行合理的建模与仿真在现代移动通信系统的设计中显得尤为重要[4]。

它能提供给设计者以准确、直观的设计结果，便于提早发现隐患、及时修改，缩短设计时间，降低设计成本。

本论文即基于此而展开论述的。

1.4本论文的研究主题

实际上，数字蜂窝移动通信多径衰落信道特性已成为许多理论分析和现场实测的课题，并以得出了许多有价值的结论。

然而，由于移动信道的复杂性，仍有许多待研究的课题。

本论文首先对多径衰落信道的传播损耗进行了建模与仿真，其特点是增加了路径损耗因子A，并且对微小区的传播损耗进行了较详细的论述，并在给出了物理模型的基础上，对于多径衰落信道中存在的三种相关区间进行了初步定量分析；

最后，对于“多径”，即电波径数到底有几条展开了分析与论述，本论文认为其特点是：

电波径数应变化于一个有限容量的状态空间。

2多径衰落信道的特性概述

2.1引言

陆地移动通信系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，再加上移动台本身的移动性，使得移动台（MS）和基站（BS）之间的无线信道多变且难以控制，所以复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征。

移动无线信道的主要特点是多径传播及衰落，从发射机发出的无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用，产生反射、绕射或散射，导致接收机天线从多条路径传来的电波信号——多径信号。

引起多径的主要原因是移动台周围的建筑物各种反射体，包括车辆甚至行人。

移动台的近端区域内的物体造成的反射式引起多径的主要原因。

在蜂窝移动通信环境中，同道干扰是必须要考虑的问题。

当发生衰落时，要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号要弱，导致接收机锁定在错误信号上。

对于市值系统来说，这种多径衰落将使接收信号的比特数错误率大大增加。

另外，多径衰落特性还会受到系统工作频率和移动台运动状况的影响：

在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况也会有差异，而静止与低速运动的车辆所面临的移动环境问题与高速运动车辆又有很多的不同。

由此可见，移动信道的多径衰落现象将导致移动通信系统中无线传播信道的性能损伤和接收信号的质量下降，严重影响了系统的有效性和可靠性。

所以，数字移动信道的多径衰落特性进行研究具有重要的意义。

2.2多径衰落信道中电波传播的特点及对接收信号的影响

多径衰落信道中电波传播特点的研究是任何通信系统首先遇到的问题，而其对接收信号产生的影响是在电波传播上产生了三类损耗和三种效应。

（1）特点：

直射波：

指在视距覆盖区域内无建筑物遮挡的传播，其信号强度最强。

反射波：

指由同一波源产生的电磁波径不同建筑物或其它物体反射后到达接收点的传播信号，其强度次之。

绕射波：

是由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。

（2）三类损耗：

信号经过时变移动衰落信道，到达接收机前端，其接收功率Pr（t）可以表示为如下三项乘积：

Pr（t）=P（t）·

S（t）·

F（t）（2-1）

其中：

P（t）表示路径传播损耗；

S（t）表示慢衰落损耗；

F（t）表示快衰落损耗。

·

路径传播损耗：

指电波在空间传播所产生的损耗，反映了在宏观大范围的距离上接收信号场强的均值变化。

假定信号的发射功率为Pt,则P（t）∝Pt／dn（其中：

d表示移动台与基站之间的距离，当移动台运动时，它是一个时变量；

n为常数，一般取3-4；

d＞15Km时，n取5-6。

慢衰落损耗：

是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的损耗，反映了中等范围内数百波常量级接收信号场强均值的变化，故又称为长期衰落损耗;

又由于其变化速率较慢，所以有时还称为慢衰落损耗。

电波在传播路径上遇到障碍物时就会产生电磁场的阴影区，当移动台通过不同的阴影区时，就会引起均值的变动，因此这种变化也叫做阴影衰落。

根据国内外的实测和统计分析，一般认为在近似相等距离处的场强均值的累积分布近似服从对数正态分布[5],其概率密度函数为:

（2-2）

式中：

y为对数正态变量，若设

为归一化慢衰落功率，则y（t）=lnS（t）；

m为y的均值；

为y的标准偏差，取决于地形变化的情况，反映了阴影衰落的程度。

它们均以dB为单位。

：

沿移动台的运动方向，接收信号场强的瞬时值呈现较快的变化，其局部均值为随距离增加而起伏下降的曲线。

快衰落损耗主要是由于移动信道对信号的多径传播而产生的，反映了微观小范围内数十波量级接收场强的变化情况，通常称其为短期衰落损耗；

又由于其变化速率比慢衰落快，故还可称其为快衰落损耗。

一般认为城市环境中的快衰落损耗服从瑞利分布[7]。

所谓瑞利分布，最简单的理解就是有衰落时收信电平取某个值的可能性多大。

由概率统计理论可知，瑞利分布的概率密度函数为：

（2-3）

r为快衰落信号的包络；

为r的均方根值。

在瑞利概率值上，该函数的积累分布函数是一条直线，有时利用这一特点来判断实测场强瞬时值变化是否服从瑞利分布。

在离基站较近的区域中，通常有较强的直射波分量，即存在着占支配地位的信号，理论推导和现场实测都表明：

这时的大量随机变量之和服从莱斯分布[5-7],其概率密度函数为:

在蜂窝环境中进行电波传播测试，并作统计分析，所得到结果证实了在有直射波存在的条件下，接收信号幅度的确服从莱斯分布。

其概率密度函数为：

（2-4）

r为衰落信号的包络；

为r的均方根值；

a为直射波信号幅度；

J0为零阶修正贝塞尔函数，其数学表达式为：

（2-5）

在微蜂窝环境中进行电波传播测试，并作统计分析，所得结果证实了在有直射波存在的条件下，接收信号幅度的确服从莱斯分布[5]。

（3）三种效应:

阴影效应:

是由大型建筑物和其它物体的阻挡而形成的在传播接收区域上的半盲区。

远近效应：

是由于接收用户的随机移动性，移动台与基站之间的距离也在随机地变化。

若各移动台发射机功率，那么到达基站的信号强弱就不同，离基站近的信号强，离基站远的信号弱，使通信系统的非线性进一步加重，出现强着更强、弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。

多普勒效应：

由于接收的移动台高速运动而引起传播频率的扩散而产生的，其扩散程度与移动台的运动速度成正比。

本章小结

本章节主要介绍了多径衰落信道的特性概述。

从多径衰落信道中电波传播的特点及对接收信号的影响入手，分析了多径衰落信道的特性。

三类损耗分别是路径传播损耗、慢衰落损耗、快衰落损耗；

三种效应分别是阴影效应、远近效应多普勒效应。

3多径衰落信道中电波传播损耗的测试

3.1引言

无线电通信中的一个基本问题就是计算机接收机信号的功率Pr,这是为保证移动通信系统电磁兼容性所必须的。

信号在多径信道中传输时总是有衰减的：

一方面，随着电波传播距离的增加，由于球面波的自然扩散会引起衰减；

另一方面，周围的传播传播环境包括各种障碍物等对电波的吸收、散射、绕射或反射等作用也会使得信号产生衰减。

通常用传播损耗来对电波通过这种信道时的衰减特性进行度量，前者称为自由空间传播损耗，后者统称为路径传播损耗。

在移动通信的环境中，传播损耗和功率、距离、收发天线的高度、地形地貌有关。

如何计算电波传播损耗，必须在进行系统设计以前加以预测，这不仅是模拟蜂窝，在当前更是数字蜂窝移动通信网组网规划工作中极为重要的组成部分。

3.2预测模型

3.2.1自由空间传播损耗

无线电波在自由空间中的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种，它是一种理想化的电波传播方式。

自由空间又称为理想介质空间，相当于真空状态的理想空间，在这个空间中充满着均匀、理想介质，它的导电率

，介电常数

（法拉/米），导磁系数

（亨利/米）[8]。

在自由空间中传播的电磁不产生反射、折射、绕射、吸收和散射等现象，也就是说，电磁波的总能量并没有被上述作用损耗掉，但其能量会因为向空间扩散而衰耗，并且距离越远，这种衰耗就会越大，这是因为电波信号经由发射天线辐射后，便向周围空间传播，而到达接收天线的能量仅是一小部分，大部分能量都散失掉了。

信号传播的距离越远，接收信号的能量越小，如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩散出去，显而易见，距光源越远的地方，单位面积上接收到的能量也就越少。

这种电磁波的扩散衰耗就称为自由空间传播损耗。

我们知道，球面单位面积上的平均功率可表示为[9]:

（3-1）

式中:

Pt为发信设备采用无方向性天线向周围空间辐射的电磁波功率；

d为等效球面半径。

因为一个向均匀辐射的天线，其有效面积为[10,11]:

（3-2）

为载波工作波长。

则此天线接收到的信号功率为：

（3-3）

f为载波工作频率;

C为光速（30万公里/秒：

由于工作载波的波长人较小，因此频率f就会很高，所以其传播类似于光波，这样电磁波就可近似地认为以光速C进行传播）;

d代表收发天线之间的距离。

公式（3-3）就是路径传播损耗中d-n律的特例，即n=2。

也以说，在自由空间的传播条件下，接收信号功率与距离及频率的平方成反比。

在移动通信电路设计中，通常用传播损耗来表示电波通过移动多径衰落信道后的功率损耗。

定义发送功率Pt与接收功率Pr之比为传播损耗，用Lb表示。

有公式（3-3）可得出Lb的表达式为[12]：

（3-4）

这就是自由空间的传播损耗公式。

损耗通常用分贝（dB）表示，则由（（3-4）式可得：

（3-5）

Lb仅与频率f和距离d有关，可见Lb确实反映的是传输信道的特征，因此又把Lb称为电波传播基本损耗。

当系统的工作频率f及传播距离d确定后，此损耗Lb就为一定值公式（3-5）并没有考虑到收发天线增益及收发信两端的分路系统对传播损耗，因此，常把由其它因素所引起的损耗同它相比较，可知当频率f或距离d扩大一倍时，Lb均增加6dB。

如果出传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略，则这种条件下的电波传播就可以认为是自由空间传播。

3.2.2微蜂窝小区内的电波传播损耗特性

最小拐点距离D的定量分析

由于同一波源产生的电磁波，经不同的路径达到某接收点，则该接收点的场强是由不同路径来的电波的合成，就会产生多径衰落现象。

从道理上讲，对这样的衰落模型进行研究应该由几条波束进行合成，但是三条以上波束干涉所造成的衰落使系统质量变化的概率很小[13]，故一般都是对两条波束模型产生的干涉机理进行研究。

在很少建筑物的开阔地区，这种两径模型可以近似反映出实际的传播环境，它的损耗中值可以认为与自由空间的损耗相当，如图3-1所示。

图3-1两射线模型的理论值与自由空间的比较

假设：

收发天线均高架，即满足hr>

λ、hR>

λ、hr、hR小于与移动台之间的距离d，其中d在视距内；

地表平坦光滑，地面为平面：

空间充满着空气。

此时空间只存在着直线传播的直射波和地面反射波18°

。

两径传播模型如图3-2所示：

图3-2两径传播模型

它包括一条直射波和一条理想的地面反射波，其中：

hR、hr分别为首收发天线高度；

d为收发天线之间的距离；

ho为直射波的路径长度；

dr为反射波的路径长度。

借助于此模型，在这一节中将重点分析和解决以下几个问题：

（1）确定拐点D的位置；

（2）频率对传播损耗的影响；

（3）天线高度对传播的影响。

由图中的几何关系可知：

=

（3-6）=

若规定：

，则当

时，有下式成立：

（3-7）

参考布林顿的推导公式[19]及在理想平面条件下采用全向天线,接收到的信号功率Pr可用下式表示[20]：

（3-8）

若使得Pr最大，则会发生在第一个使

处，即为：

，在把公式（3-7）带入，有下式成立：

，即

（3-9）

公式（3-9）表明，拐点D的位置与收发天线的高度成正比，天线越高，符合资源空间传播特性的距离就越大。

实际情况也是如此，如果天线高度越高，接收信号的功率应越强，意味着路径传播损耗就越小，这是因为较高的天线使得“视距传播”的覆盖范围增大，而由散射环境造成的反射波的影响就会越弱。

另外，从公式（3-9）中海可知，当频率增加，即信号波长减小时，D也会加大，即也会使得符合自由空间传播特性的距离加大。

由公式（3-8）和公式（3-9）可以得到接收点处合成功率Pr的一些基本性