2.1 無線電波的傳播

WCDMA系統的無線信號傳播可以用如圖2.1的模型來描述。根據該模型，信源產生信息后，經過編碼變成信號，通過無線信道傳播信號，而信號在無線信道的傳播過程中會被干擾，最后接收到的信號經過解碼變成信息，抵達信宿。

圖2.1的模型中信源和編碼部分就是發射機，解碼和信宿部分就是接收機，當然，由于移動通信系統是雙向通信的，因此無論基站還是終端，都是發射機和接收機的結合。

2.1.1 載波的頻率

承載信號的無線電波稱為載波（Carrier），無線信道就是載波傳播的通道（有時也稱為路徑），載波在無線信道中傳播，信號、載波與無線信道的關系非常類似乘客、交通工具和道路的關系。

頻率是載波最重要的屬性，首先是頻率范圍，即頻段。WCDMA空中接口使用的載波頻段遵循嚴格的規定：在規范TS 25.101中規定WCDMA空中接口可以使用6個頻段，如表2.1所示。其中第Ⅰ、Ⅱ個頻段是WCDMA空中接口早期使用的頻段，第Ⅲ～Ⅵ個頻段是后來根據運營商的要求追加的，主要是滿足擁有這些頻段的2G運營商順利過渡到3G的運營。例如，考慮到擁有GSM系統的運營商的平滑過渡，3GPP擴展了WCDMA空中接口的使用頻段，延伸到900 MHz頻段。

目前世界各國還是以使用第一頻段為主，而且各個國家也有各自的頻率規劃策略。我國目前采用第一頻段，中國聯通使用的具體頻段可參閱表1.2。

在一個頻段內可以設置多個WCDMA載波，WCDMA空中接口每個載波的寬度為5 MHz，載波的中心頻率稱為頻點。WCDMA空中接口的頻點稱為UARFCN（UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number，UTRA絕對頻點）。第一頻段的上行頻點為9612～9888，下行頻點為10562～10838，頻點除以5就可以得到頻點對應的頻率值（以MHz為單位）。

目前，中國聯通WCDMA系統使用了3個頻點，具體參數如表2.2所示。

載波的傳播特性與其波長密切相關：WCDMA空中接口使用1.9/2.1 GHz的載波，其波長約為16/14 cm。由于WCDMA的載波頻率較高，波長遠遠小于一般障礙物，穿透能力較弱，傳播的方式主要是直射波、反射波及它們的合成波。

2.1.2 信號強度

載波攜帶信號從發射機發出后，對接收機來說統稱為信號，下文中將不加以區分。

衡量信號強度有兩種物理量：電平（電壓）和功率。在移動通信系統中，后者較為常用。當信號強度用功率測量，衡量單位是dBm，計算公式為：

dBm = 10 lg功率值（功率值以mW為單位）

信號強度既可以用于發射機，又可以用于接收機。例如，一個發射機的信號發射功率為20 W，換算后對應信號強度為43 dBm；而另外一個發射機的信號發射功率為40 W，換算后對應信號強度為46 dBm。同樣，一個接收機接收信號的強度為?76 dBm，換算后對應信號強度為0.000000 4 mW，如此類推。

dBm是衡量信號強度絕對值大小的單位，而dB則是衡量物理量相對值大小的單位。dB也是一個對數量綱，可以看做兩個物理量之間的比值。

dB = 10 lg（功率值1÷功率值2）

例如，一個接收機的接收信號強度比另外一個接收機高46 dB，相當于前者接收到的信號功率比后者強40000倍。

接收機都有一定的靈敏度范圍，也就是最小的接收信號強度。接收到的信號強度必須高于此靈敏度，接收機才能正常工作。信號的最大發射功率一般是固定的，這樣信號在傳輸過程中衰耗的大小直接影響了信號的接收效果。對于無線電波傳播，人們關心的是在給定信號的發射功率和接收機的接收位置后，影響接收機接收信號強度的主要因素。計算接收機接收信號強度有如下公式：

接收機接收信號強度=信號的發射功率÷信號在傳輸過程中衰耗

由于信號的衰耗很大，實際應用時為了方便，將上式取對數后使用。信號的衰耗使用dB為單位。鏈路預算是發射機的發射功率和接收機靈敏度的差值，很明顯，若接收機能正常工作，傳輸過程中的衰耗應該小于鏈路預算。

2.1.3 信號衰耗

信號在傳輸過程中的衰耗主要來源于兩個效應：空間效應和陰影效應。

1.空間效應

無線電波在自由空間（真空）中傳播，接收信號的強度與發射機和接收機間距離的平方成反比，其衰耗L0有如下的公式：

L0 = 32.45 + 20lgd + 20lgf（L0的單位為dB，d的單位為km，f的單位為MHz）式中，d代表發射機和接收機之間的距離，f代表信號的頻率。

載波在大氣中傳播時，也可以套用以上的公式。從上面的公式可以看出，載波的頻率越高，傳播同樣的距離相對衰耗越大。L0有時又稱為視距（Line-Of-Sight，簡稱LOS）路徑衰耗LLos。

假設情況一：d = 0.1（100 m），f = 1900（1.9GHz），衰耗L0 = 78 dB；情況二：d = 1（1000 m），f = 900（900 MHz），衰耗L0 = 92 dB。當信號的發射功率為500 mW，接收機靈敏度為?95 dBm時，可以算出鏈路預算為122 dB，以上兩種情況的衰耗都在允許范圍內。

當然，由于載波是在大氣中傳播，大氣會吸收一些載波的能量，因此接收信號的強度與距離的立方甚至更高次冪成反比，這樣信號的衰耗將更多。因此，實際應用中要求更多的鏈路預算。

2.陰影效應

除了大氣對載波的傳播造成衰耗外，地型和地貌也會對載波的傳播造成衰耗。

由于高頻的載波以直射波為主，高大建筑和山峰自然會成為載波傳播的障礙，這就象陽光被高大建筑遮擋后會產生陰影一樣。在高大建筑和山峰背后，接收信號的強度大幅度下降，這種效應稱為陰影衰減。叢林會吸收一些載波的能量，因此叢林是載波傳播的一種障礙，也屬于陰影衰減。

陰影衰減是慢衰落的一種，也就是接收信號的強度主要隨空間變化而變化，隨時間變化不大。陰影衰減服從對數正態分布。

2.1.4 噪聲與干擾

信號在無線信道的傳播過程中，會如影隨形地伴隨著噪聲與干擾，影響信號的接收。

1.噪聲

噪聲是信號傳播中不可避免的。理想狀態下，接收機除了接收到有用信號外，還會接收到熱噪聲，熱噪聲是一種隨機的現象，可以用統計分布來描述。信道的熱噪聲通常用高斯隨機過程的統計來描述，因此信道也稱為AWGN（Additive White Gaussian Noise，加性白高斯噪聲）信道。

電磁波的熱噪聲功率Nrs大小可以由下式計算得到：

Nrs = K×T×B

式中，K代表波耳茲曼常數，K=1.38×10-23J/K；T代表內阻的絕對溫度，一般用16.85℃也就是290 K（開爾文）；K×T定義為熱噪聲密度，在290 K時為?174 dBm/Hz；B代表系統信道帶寬。

例如，WCDMA的信道帶寬B為3.84 MHz，則熱噪聲功率Nrs為：

Nrs=K×T×B=1.38×10-23×290×3840×103 = 1.54×10?14 W = ?108.2 dBm

另外，接收機本身的元器件也會產生熱噪聲，其功率大小可以用噪聲系數f來衡量。噪聲系數 f 定義為放大器輸入端信號的信噪比 Sin/Nin與輸出端信號的信噪比 Sout/Nout之比值，即有：

f =（Sin/Nin）/（Sout/Nout）

式中，Sin 表示輸入信號功率，Nin表示輸入噪聲功率，Sout表示輸出信號功率，Nout表示輸出噪聲功率。

噪聲系數Nf是噪聲系數f用dB的表示形式，其計算公式如下：

N f =10lg（f）

2.干擾

在實際系統中，除了熱噪聲以外，接收機還會接收到來自信號自身的多徑干擾、系統內其他設備和系統外工業設備產生的干擾信號，其中多徑干擾來源于多徑效應。

由于直射波和反射波的傳遞路徑不同，而且移動通信系統中的發射機和接收機都可以移動，這就構成了發射機到接收機的不同傳輸路徑，稱為多徑效應。圖2.2是信號多徑傳播的示意圖。多徑效應是影響接收效果的主要因素，包括三個方面：接收信號的延遲分布、信號強度的快速衰落——瑞利衰落和多普勒效應。

信號的反射路徑肯定比直射路徑長，因此接收到的反射信號必然延遲于直射信號，形成接收信號的延遲分布。而信號總會延續一段時間，在這段時間內，后到的信號就對先到的信號形成了干擾。

如果反射信號的相位與直射信號的相位不同，當相位相差180°時，就造成信號的抵消，引起接收信號強度的大幅度下降，即衰落。移動信道常遇到有瑞利衰落和萊斯衰落兩種衰落，這兩種衰落是快速衰落，簡稱快衰落，快衰落的變化與時間有密切關系。瑞利衰落是多條反射路徑疊加的結果，可以用瑞利分布來描述；萊斯衰落是一條主導傳播路徑（如視距路徑）和多條反射路徑疊加的結果，可以用萊斯分布來描述。相對而言，萊斯衰落可以看成是瑞利衰落的一種特例。

瑞利衰落是移動信道最常遇到的問題，在城市環境更為明顯，最大衰落深度可達30 dB。瑞利衰落的頻率與移動速度有關，移動速度越高，瑞利衰落的頻率就越快。一般地，當接收機以每小時20 km的速度運動時，每秒鐘平均會遭遇80次衰落，依此類推。

多普勒效應是載波頻率的移動。當接收機移向發射機時，載波頻率變高；當遠離發射機時，載波頻率變低。多普勒效應在高速移動時比較明顯，一般情況下不必考慮。

2.1.5 信號質量

對于接收機而言，噪聲N和干擾I是無法區分的，因此我們把噪聲N和干擾I統稱為干擾信號，有用信號和干擾信號之間強度的差距影響著接收機的接收效果，反映了接收信號的質量。

在通信模型中，通常用信噪比S/N來表示信號的質量，代表有用信號和干擾信號之間強度（功率）的比值，其單位也是dB。顯然S/N越大，信號質量越好，接收效果越好。在移動通信系統中，信號利用載波傳遞，由于載干比 C/I（載波與干擾強度比值）比較容易測量，加上C/I與S/N關系密切，因此常用載干比C/I來表示信號的質量。

正如第1章強調的，C/I是本書的技術主線，因此在后續章節的內容將圍繞C/I展開。

比特信噪比（Eb/No）是常用的另外一種表征信號質量的指標，代表單位比特能量與噪聲譜密度的比值，也就是信號能量與干擾能量的比值。Eb的單位是J（焦耳），No的單位是W/Hz（也就是焦耳）。如果信道的帶寬為W，信號的速率為R，那么：

C/I=（R×Eb）/（W×No）

=（R/W）×（Eb/No）

這樣，我們就得到了載干比 C/I 與 Eb/No之間的關系。可見隨著信道帶寬的增加，相同比特信噪比對應的載干比可以大大減小。