移动通信-ch3-无线传播与信道-02

1、3-3-1 1 数字移动通信 第2章 移动通信信道 3-3-2 2 第2章 讲述内容 2.1 陆地无线电波传播特性 2.2移动通信信道的多径传播特性 2.3描述多径衰落信道的主要参数 2.4 阴影衰落的基本特性 2.5 电波传播损耗预测模型 2.6 多径衰落信道的建模和仿真 3-3-3 3 一、移动通信信道中的电波传播特性 p 移动信道是一种时变信道 p 信号传播过程中受到来自不同类型的损耗 ( )( )( )( )P dL dS dR d 传播损耗阴影衰落多径衰落 d：移动台与基站的距离 大尺度衰落小尺度衰落 3-3-4 4 1、传播损耗(路径损耗） 长程范围内的信号电平变化（几千米量级）

2、电波传播引起的平均接收功率衰减 取决于发射机与接收机之间的距离 自由空间时，n=2，一般情况下n=35 ( ) n L dd 3-3-5 5 2、阴影衰落阳光不能普照 由大型障碍物的遮挡引起，包括传播环境中的地形起伏、 人造建筑物等 短程范围内的信号电平变化（数百波长量级） 3-3-6 6 3、小尺度衰落余音绕梁跑得太快 主要由多径效应和多普勒效应引起 数十波长量级内的信号电平变化 接收信号场强的瞬时值快速变化，在几个波长间距内的 变化幅度可达30dB 图图2-6陆地移动通信信道中的电波传播特性陆地移动通信信道中的电波传播特性 3-3-8 8 p 大尺度路径损耗传播模型 描述发射机和接收机之间

3、长距离上平均场强的变化， 用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。 受到收发距离及地形地貌的影响 p 小尺度多径衰落传播模型 描述移动台在极小范围内移动时，短距离（几个波长） 或短时间（秒级）上接收场强的快速变化，用于确定 移动通信系统应该采取的抗衰落技术。 大尺度衰落可看成信号小尺度大尺度衰落可看成信号小尺度 衰落的空间平均！衰落的空间平均！ 当移动通信跨越比较大的区域当移动通信跨越比较大的区域 时，会同时受到大尺度衰落和小尺时，会同时受到大尺度衰落和小尺 度衰落的影响！度衰落的影响！ p 多径传播的产生及影响 信道中的反射物和散射物导致发射波到达接收机时形 成在时间、空间上相互区别的多个无线电

4、波。 不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号幅度波 动小尺度衰落。 延长信号到达接收机的时间，引起码间串扰。 3-3-9 9 800MHz室内环境中典型传播时室内环境中典型传播时 延扩展为延扩展为1s，符号速率，符号速率200kbps， 符号宽度？重叠覆盖率？符号宽度？重叠覆盖率？ 2-2-1010 024681012 -1 -0.5 0 0.5 1 Inputx(t) 024681012 -1 -0.5 0 0.5 1 Channelresponseh() 024681012 -1 -0.5 0 0.5 1 Outputy(t) 接收信号 脉冲响应 传递函数 2-2-1313 快变频率选择

5、信道快变频率选择信道慢变频率选择信道慢变频率选择信道 若时不变 在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电 平变化和剧烈的相位摆动平变化和剧烈的相位摆动 多普勒频移与移动台运动速度及 移动台方向与无线电波入射方向 之间的夹角有关。 频率变化值 朝向入射波方向移动多普勒 频移为正值；被向入射波方向移 动多普勒频移为负值。 ( )cos ( ) d v ftt *信号经不同方向传播，多径分量造成接收信号频谱的多普勒扩展。信号经不同方向传播，多径分量造成接收信号频谱的多普勒扩展。 3-3-1717 n移动的可以是收发端的相对运动或者传播环境 中主要散射体的运动。 p

6、 移动无线信道统计分析：对接收信号的功率或 电压包络进行定量描述。 瑞利分布 莱斯分布 Nakagami-m分布 3-3-1818 3-3-1919 p 产生的原因 在发信机与收信机之间没有直射波通路； 有大量反射波存在，到达接收天线的方向角和相位 随机，且在02内均匀分布； 各个反射波的幅度和相位统计独立。 p 接收信号的统计分析（为方差） 包络概率密度函数（瑞利分布）： 相位概率密度函数（均匀分布）： 0)( 2 2 2 2 re r rp r 20 2 1 )(p Rayleigh Distribution (PDF) 2-2-2020 3-3-2121 p 产生的原因 离基站较近的区域

7、，通常存在占支配地位的直射波 信号。 当存在一个主要的静态(非衰落)信号分量时，接收 信号包络服从莱斯分布。 p 接收信号的统计分析 22 0 222 () ( )exp() 2 ss r rrrrr p rI 当主要分量减弱后，当主要分量减弱后， 莱斯分布退化为瑞利莱斯分布退化为瑞利 分布！分布！ Rician Distribution (PDF) 2-2-2222 3-3-2323 p 由Nakagami在20世纪60年代提出 基于现场测试的实验方法 用曲线拟合得到近似分布的经验公式 p 对无线信道的描述有很好的适应性 当m1时， 退化为瑞利分布。 当m较大时， 接近于高斯分布。 m：sh

8、ape parameter，omega：spread para 212 2 ( )exp ( ) mm r m m rmr p r m Nakagami-m Distribution (PDF) 2-2-2424 2-2-2525 p 对于链路设计而言，希望得到影响链路性能的 重要统计量 一条衰落信道每隔多长时间就会衰落到某一 特定的电平之下？ 这条信道将在该门限下持续多长时间？ p 工程实用中，常常用一些特征量表示衰落信号 的幅度特点。 3-3-2626 3-3-2727 /2 A v F p 信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的 次数 与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播的路

9、径数有关。 当移动台的行进方向朝着或背着电波传播方向时，衰 落最快。 3-3-2828 p 包络在单位时间以正斜率通过某规定电平R的次 数 实测发现，深度衰落发生的次数较少，浅度衰落发生得 相当频繁。 衰减20dB概率为1%，衰减30dB和40dB的概率分别为0.1% 和0.01%。 3-3-2929 p 定义：信号包络低于某个给定电平值的概率 与该电平值所对应的电平通过率之比。 接收信号电平低于接收机门限电平时，就可能造成 语音中断或误比特率突然增大。 由于每次衰落的持续时间是随机的，只能给出平均 衰落持续时间。 思考：对工程设计的意义在哪里？ 3-3-3030 p 电波通过移动信道后，信号

10、在时域上、频域 上 和 空 间 （ 角 度 ） 上 都 产 生 色 散 （dispersion），使信号产生衰落失真。 多径效应：时延扩展 多普勒效应：频谱扩展 散射效应：角度扩展 频率选择性衰落频率选择性衰落 时间选择性衰落时间选择性衰落 空间选择性衰落空间选择性衰落 1、什么是时延扩展？ p多径传播造成信号时间扩散 假设发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，接 收信号呈现为一串脉冲 时延扩展大小：最大传输时延和最小传输时延的差值 3-3-3131 3-3-3232 P()相对幅度/dB 0dB o 30dB P() （相对时延时间） m 典型的时延（功率）谱曲线 2、如何描述时延扩展?

11、p 时延功率谱：由不同时延信号分量的平均功率构 成 2、如何描述时延扩展? p 时延扩展的相关参数 : 相对时延值 P()：归一化时延谱 ：平均多径时延， P()的一阶矩 ：时延扩展， P()的均方根 ：最大多径时延， P()下降到-30 dB时的时延差 3-3-3333 m m T 3-3-3434 平均多径时延 0 ( ) m Pd 22 ( ) m Pd 222 2 2 () () kkkk kk kk kk aP aP 时延扩展 2 2 () () kkkk kk m kk kk aP aP 离散化 22 m 离散化 2、如何描述时延扩展? 3-3-3535 多径时散参数典型值 3-3

12、-3636 多径对信号频域的影响 He(w,t) Si(t)S0(t) (t)(t) 图图2-13 2-13 双径信道等效网络双径信道等效网络 以双径模型为例，且不计信道的固定衰减 ( ) 0 ( )( )(1) jt i s ts te 3-3-3737 多径对信号频域的影响 双径信道等效网络的传递函数为: ( ) 0( ) (, )1 ( ) jt e i s t Hjte s t 信道的幅频特性为: 2 ( , )1cos( )sin( )12 cos( )Attjtt 3-3-3838 多径对信号频域的影响 图2-14双射线信道的幅频特性 当 时，双径信号同相叠加，信号出现峰点； 当

13、时，双径信号反相相消，信号出现谷点。 ( )2tn ( )(21)tn 3-3-3939 相关带宽 定义 指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有 很强的幅度相关性 即在此范围内的所有频率分量几乎具有相同的增益 及线性相位。 3-3-4040 相关带宽 定量计算 相关系数大于0.9的某特定带宽 将定义放宽至相关系数大于0.5 工程上，见教材 1 50 c B 1 5 c B 1 2 c B 相关带宽由信道的时延扩展决定，两者之间成反比 关系。 3-3-4141 时延扩展和相关带宽的关系 信道实际情况 时延扩展（多径结构） 相关带宽 实例：时延扩展为1.37s，相关带宽为146kHz 思考：

14、在上面的例子中，带宽分别为30kHz的信号 和200kHz的信号，在经过该信道后，从时域和频域 上看，各有什么区别？ 平坦衰落（30kHz - 33.3s） 频率选择性衰落（200kHz 5s） 3-3-4242 时延扩展和相关带宽的关系 数据传输速率低，则码元宽度长，带数据传输速率低，则码元宽度长，带 宽窄，多径信号不会干扰整个码元，信宽窄，多径信号不会干扰整个码元，信 号带宽小于信道相关带宽。号带宽小于信道相关带宽。 数据传输速率高，则码元宽度小，带数据传输速率高，则码元宽度小，带 宽宽，多径信号干扰码元程度高，信号宽宽，多径信号干扰码元程度高，信号 带宽大于信道相关带宽。带宽大于信道相关

15、带宽。 3-3-4343 平坦衰落 在信号带宽范围内，各频点的幅度有基本相同的增益， 即发送信号的频谱基本保持不变； 信道的增益是随着时间变化的，接收端信号的功率可 能不断变化，导致信号忽大忽小。 3-3-4444 频率选择性衰落 信道对信号的不同频率成分具有不同的响应，产生频率 选择性，使信号发生失真。 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的失真和符号间干扰 信号传输速率受相关带宽的限制 3-3-4545 相关带宽的意义 3-3-4646 二、 多普勒扩展和相关时间 多普勒扩展（Dopple

16、r spread）- 频率色散 由移动台与基站的相对运动，或传播路径中物 体的运动引起。 3-3-4747 多普勒扩展 多普勒扩展：接收的多普勒谱为非0值的频率范围， 一般定义为 BD最大多普勒频移fm /v 3-3-4848 相关时间 定义 相关时间就是信道冲激响应维持不变的时间 间隔的统计平均值。 在相关时间内，两个到达信号有很强的幅度 相关性。 相关时间是多普勒扩展在时域的表现形式，用 于在时域描述信道频率色散的时变特性。 3-3-4949 相关时间 定量计算 1） 2）若时间相关函数定义为大于0.5时，相干时间 近似为： 3）工程上： 1 c m T f mm c ff T 423.

17、0 16 9 2 9 16 c m T f 3-3-5050 多普勒扩展与相关时间的关系 运动速度和信号频率 多普勒扩展 相关时间 实例：移动台速率为60km/h，载频为900MHz，相关 时间20ms，保守估计为 3.58ms 相关时间由多普勒扩展决定，两者之间成 反比关系。 GSM系统（系统（900MHz） 步行（步行（5km/h）: 4.1667Hz 车载（车载（60km/h）: 50Hz 高铁（高铁（300km/h）: 250Hz GSM系 统信道带 宽200kHz！ 思考：在上面的例子中，传输速率为200bit/s和 2000bit/s时，在经过该信道后，从时域域上看， 有什么区别？

18、 慢衰落（2000bit/s 0.5ms） 快衰落（200bit/s 5ms） 3-3-5151 多普勒扩展与相关时间的关系 数据传输速率低，则码元宽度长，信数据传输速率低，则码元宽度长，信 道变化的包络以快于传输符号率的速度道变化的包络以快于传输符号率的速度 波动，易受时间选择性衰落影响。波动，易受时间选择性衰落影响。 3-3-5252 相关时间的意义 从时域上看，慢变信道具有大的相关时间， 从频域上看，等效为小的多普勒扩展。 移动台的速度(或信道路径中物体的速度)及 基带信号发送速率，决定了信号是经历快衰落 还是慢衰落。 3-3-5353 相关时间的意义 思考：快衰落有没有好处？如何利用？

19、 防止长期处于深度衰落 时间分集的设计 思考：慢衰落有没有坏处？如何克服？ 当处于深度衰落时，可采用慢跳频的方式克服 3-3-5454 三、角度扩展和相关距离（自学） 散射效应会引起角度扩展 移动台或基站周围的本地散射以及远端散射会 使得天线的点波束产生角度扩散。 空域上波束的角度扩散造成了同一时间、不同 地点的信号衰落起伏不一样，即所谓的空间选择 性。 3-3-5555 2.3.4 多径衰落信道的分类 移动信道中的时间色散和频率色散可能产生4种 衰落效应 根据信号带宽和信道带宽的比较 平坦衰落 频率选择性衰落 根据发送信号与信道变化快慢程度 快衰落 慢衰落 3-3-5656 一、平坦衰落与频率选择性衰落 平坦衰落： 形成条件：信道带宽远大于发送信号的带宽，且在带宽 范围内有恒定增益及线性相位 判定条件： Bs 3-3-5757 一、平坦衰落与频率选择性衰落 频率选择性衰落 形成条件：信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小 于发送信号带宽 判定条件 克服方法：均衡等 Bs Bc Ts Tc BD Bs 3-3-5959 二、快衰落与慢衰落 慢衰落 形成