2.1 无线电波的传播

WCDMA系统的无线信号传播可以用如图2.1的模型来描述。根据该模型，信源产生信息后，经过编码变成信号，通过无线信道传播信号，而信号在无线信道的传播过程中会被干扰，最后接收到的信号经过解码变成信息，抵达信宿。

图2.1的模型中信源和编码部分就是发射机，解码和信宿部分就是接收机，当然，由于移动通信系统是双向通信的，因此无论基站还是终端，都是发射机和接收机的结合。

2.1.1 载波的频率

承载信号的无线电波称为载波（Carrier），无线信道就是载波传播的通道（有时也称为路径），载波在无线信道中传播，信号、载波与无线信道的关系非常类似乘客、交通工具和道路的关系。

频率是载波最重要的属性，首先是频率范围，即频段。WCDMA空中接口使用的载波频段遵循严格的规定：在规范TS 25.101中规定WCDMA空中接口可以使用6个频段，如表2.1所示。其中第Ⅰ、Ⅱ个频段是WCDMA空中接口早期使用的频段，第Ⅲ～Ⅵ个频段是后来根据运营商的要求追加的，主要是满足拥有这些频段的2G运营商顺利过渡到3G的运营。例如，考虑到拥有GSM系统的运营商的平滑过渡，3GPP扩展了WCDMA空中接口的使用频段，延伸到900 MHz频段。

目前世界各国还是以使用第一频段为主，而且各个国家也有各自的频率规划策略。我国目前采用第一频段，中国联通使用的具体频段可参阅表1.2。

在一个频段内可以设置多个WCDMA载波，WCDMA空中接口每个载波的宽度为5 MHz，载波的中心频率称为频点。WCDMA空中接口的频点称为UARFCN（UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number，UTRA绝对频点）。第一频段的上行频点为9612～9888，下行频点为10562～10838，频点除以5就可以得到频点对应的频率值（以MHz为单位）。

目前，中国联通WCDMA系统使用了3个频点，具体参数如表2.2所示。

载波的传播特性与其波长密切相关：WCDMA空中接口使用1.9/2.1 GHz的载波，其波长约为16/14 cm。由于WCDMA的载波频率较高，波长远远小于一般障碍物，穿透能力较弱，传播的方式主要是直射波、反射波及它们的合成波。

2.1.2 信号强度

载波携带信号从发射机发出后，对接收机来说统称为信号，下文中将不加以区分。

衡量信号强度有两种物理量：电平（电压）和功率。在移动通信系统中，后者较为常用。当信号强度用功率测量，衡量单位是dBm，计算公式为：

dBm = 10 lg功率值（功率值以mW为单位）

信号强度既可以用于发射机，又可以用于接收机。例如，一个发射机的信号发射功率为20 W，换算后对应信号强度为43 dBm；而另外一个发射机的信号发射功率为40 W，换算后对应信号强度为46 dBm。同样，一个接收机接收信号的强度为−76 dBm，换算后对应信号强度为0.000000 4 mW，如此类推。

dBm是衡量信号强度绝对值大小的单位，而dB则是衡量物理量相对值大小的单位。dB也是一个对数量纲，可以看做两个物理量之间的比值。

dB = 10 lg（功率值1÷功率值2）

例如，一个接收机的接收信号强度比另外一个接收机高46 dB，相当于前者接收到的信号功率比后者强40000倍。

接收机都有一定的灵敏度范围，也就是最小的接收信号强度。接收到的信号强度必须高于此灵敏度，接收机才能正常工作。信号的最大发射功率一般是固定的，这样信号在传输过程中衰耗的大小直接影响了信号的接收效果。对于无线电波传播，人们关心的是在给定信号的发射功率和接收机的接收位置后，影响接收机接收信号强度的主要因素。计算接收机接收信号强度有如下公式：

接收机接收信号强度=信号的发射功率÷信号在传输过程中衰耗

由于信号的衰耗很大，实际应用时为了方便，将上式取对数后使用。信号的衰耗使用dB为单位。链路预算是发射机的发射功率和接收机灵敏度的差值，很明显，若接收机能正常工作，传输过程中的衰耗应该小于链路预算。

2.1.3 信号衰耗

信号在传输过程中的衰耗主要来源于两个效应：空间效应和阴影效应。

1.空间效应

无线电波在自由空间（真空）中传播，接收信号的强度与发射机和接收机间距离的平方成反比，其衰耗L0有如下的公式：

L0 = 32.45 + 20lgd + 20lgf（L0的单位为dB，d的单位为km，f的单位为MHz）式中，d代表发射机和接收机之间的距离，f代表信号的频率。

载波在大气中传播时，也可以套用以上的公式。从上面的公式可以看出，载波的频率越高，传播同样的距离相对衰耗越大。L0有时又称为视距（Line-Of-Sight，简称LOS）路径衰耗LLos。

假设情况一：d = 0.1（100 m），f = 1900（1.9GHz），衰耗L0 = 78 dB；情况二：d = 1（1000 m），f = 900（900 MHz），衰耗L0 = 92 dB。当信号的发射功率为500 mW，接收机灵敏度为−95 dBm时，可以算出链路预算为122 dB，以上两种情况的衰耗都在允许范围内。

当然，由于载波是在大气中传播，大气会吸收一些载波的能量，因此接收信号的强度与距离的立方甚至更高次幂成反比，这样信号的衰耗将更多。因此，实际应用中要求更多的链路预算。

2.阴影效应

除了大气对载波的传播造成衰耗外，地型和地貌也会对载波的传播造成衰耗。

由于高频的载波以直射波为主，高大建筑和山峰自然会成为载波传播的障碍，这就象阳光被高大建筑遮挡后会产生阴影一样。在高大建筑和山峰背后，接收信号的强度大幅度下降，这种效应称为阴影衰减。丛林会吸收一些载波的能量，因此丛林是载波传播的一种障碍，也属于阴影衰减。

阴影衰减是慢衰落的一种，也就是接收信号的强度主要随空间变化而变化，随时间变化不大。阴影衰减服从对数正态分布。

2.1.4 噪声与干扰

信号在无线信道的传播过程中，会如影随形地伴随着噪声与干扰，影响信号的接收。

1.噪声

噪声是信号传播中不可避免的。理想状态下，接收机除了接收到有用信号外，还会接收到热噪声，热噪声是一种随机的现象，可以用统计分布来描述。信道的热噪声通常用高斯随机过程的统计来描述，因此信道也称为AWGN（Additive White Gaussian Noise，加性白高斯噪声）信道。

电磁波的热噪声功率Nrs大小可以由下式计算得到：

Nrs = K×T×B

式中，K代表波耳兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；T代表内阻的绝对温度，一般用16.85℃也就是290 K（开尔文）；K×T定义为热噪声密度，在290 K时为−174 dBm/Hz；B代表系统信道带宽。

例如，WCDMA的信道带宽B为3.84 MHz，则热噪声功率Nrs为：

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

另外，接收机本身的元器件也会产生热噪声，其功率大小可以用噪声系数f来衡量。噪声系数 f 定义为放大器输入端信号的信噪比 Sin/Nin与输出端信号的信噪比 Sout/Nout之比值，即有：

f =（Sin/Nin）/（Sout/Nout）

式中，Sin 表示输入信号功率，Nin表示输入噪声功率，Sout表示输出信号功率，Nout表示输出噪声功率。

噪声系数Nf是噪声系数f用dB的表示形式，其计算公式如下：

N f =10lg（f）

2.干扰

在实际系统中，除了热噪声以外，接收机还会接收到来自信号自身的多径干扰、系统内其他设备和系统外工业设备产生的干扰信号，其中多径干扰来源于多径效应。

由于直射波和反射波的传递路径不同，而且移动通信系统中的发射机和接收机都可以移动，这就构成了发射机到接收机的不同传输路径，称为多径效应。图2.2是信号多径传播的示意图。多径效应是影响接收效果的主要因素，包括三个方面：接收信号的延迟分布、信号强度的快速衰落——瑞利衰落和多普勒效应。

信号的反射路径肯定比直射路径长，因此接收到的反射信号必然延迟于直射信号，形成接收信号的延迟分布。而信号总会延续一段时间，在这段时间内，后到的信号就对先到的信号形成了干扰。

如果反射信号的相位与直射信号的相位不同，当相位相差180°时，就造成信号的抵消，引起接收信号强度的大幅度下降，即衰落。移动信道常遇到有瑞利衰落和莱斯衰落两种衰落，这两种衰落是快速衰落，简称快衰落，快衰落的变化与时间有密切关系。瑞利衰落是多条反射路径叠加的结果，可以用瑞利分布来描述；莱斯衰落是一条主导传播路径（如视距路径）和多条反射路径叠加的结果，可以用莱斯分布来描述。相对而言，莱斯衰落可以看成是瑞利衰落的一种特例。

瑞利衰落是移动信道最常遇到的问题，在城市环境更为明显，最大衰落深度可达30 dB。瑞利衰落的频率与移动速度有关，移动速度越高，瑞利衰落的频率就越快。一般地，当接收机以每小时20 km的速度运动时，每秒钟平均会遭遇80次衰落，依此类推。

多普勒效应是载波频率的移动。当接收机移向发射机时，载波频率变高；当远离发射机时，载波频率变低。多普勒效应在高速移动时比较明显，一般情况下不必考虑。

2.1.5 信号质量

对于接收机而言，噪声N和干扰I是无法区分的，因此我们把噪声N和干扰I统称为干扰信号，有用信号和干扰信号之间强度的差距影响着接收机的接收效果，反映了接收信号的质量。

在通信模型中，通常用信噪比S/N来表示信号的质量，代表有用信号和干扰信号之间强度（功率）的比值，其单位也是dB。显然S/N越大，信号质量越好，接收效果越好。在移动通信系统中，信号利用载波传递，由于载干比 C/I（载波与干扰强度比值）比较容易测量，加上C/I与S/N关系密切，因此常用载干比C/I来表示信号的质量。

正如第1章强调的，C/I是本书的技术主线，因此在后续章节的内容将围绕C/I展开。

比特信噪比（Eb/No）是常用的另外一种表征信号质量的指标，代表单位比特能量与噪声谱密度的比值，也就是信号能量与干扰能量的比值。Eb的单位是J（焦耳），No的单位是W/Hz（也就是焦耳）。如果信道的带宽为W，信号的速率为R，那么：

C/I=（R×Eb）/（W×No）

=（R/W）×（Eb/No）

这样，我们就得到了载干比 C/I 与 Eb/No之间的关系。可见随着信道带宽的增加，相同比特信噪比对应的载干比可以大大减小。