第2章 无线通信基础 -4

1、第2章 无线通信基础12.3.1 小尺度多径传播2.3.4 无线多径信道特性参数2.3.3 无线多径信道特性测量2.3.2 多径信道的冲击响应模型2.3.5 小尺度衰落的信道类型2.3 小尺度衰落和多径效应小尺度衰落和多径效应2.3.6 阴影衰落和衰落储备第2章 无线通信基础2基本概念：基本概念： 小尺度衰落：小尺度衰落：指指无线信号在短时间内或短距离上传无线信号在短时间内或短距离上传播后，其幅度、相位或时延等快速变化，以至于大尺度播后，其幅度、相位或时延等快速变化，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。路径损耗的影响可以忽略不计。 多径信号相互干涉并形成接收信号衰落的过程称为多径信号相互干

2、涉并形成接收信号衰落的过程称为多径效应多径效应，引起的衰落称为，引起的衰落称为多径衰落多径衰落。 产生原因：产生原因：由于同一信号沿两个或多个路径传播，由于同一信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机，造成总的合成信号的相位以微小的时间差到达接收机，造成总的合成信号的相位急剧变化所引起的。急剧变化所引起的。第2章 无线通信基础3 小尺度衰落的主要表现：小尺度衰落的主要表现： 经过短距或短时传播后，经过短距或短时传播后，信号强度急速信号强度急速变化；变化； 在不同多径信号上，存在多普勒频移引起的在不同多径信号上，存在多普勒频移引起的随机随机频率调制频率调制； 多径传播的时延引起的多径传

3、播的时延引起的时延扩展时延扩展(回音回音)。 影响小尺度衰落的因素：影响小尺度衰落的因素： 多径传播；多径传播； 移动台的运动速度；移动台的运动速度； 传播环境中物体的运动速度；传播环境中物体的运动速度； 无线信号的传输带宽；无线信号的传输带宽；第2章 无线通信基础4小尺度衰落的特点： 衰落深度可达衰落深度可达2040dB。 电平幅度分布一般遵循：瑞利（电平幅度分布一般遵循：瑞利（Rayleigh）分）分布、莱斯（布、莱斯（Rice）分布等。）分布等。 变化速率快。变化速率快。 具有选择性。即在不同频率、不同时间、不同具有选择性。即在不同频率、不同时间、不同空间，其衰落特性是不一样的。空间，其

4、衰落特性是不一样的。 是无线移动通信中最难克服的衰落。是无线移动通信中最难克服的衰落。第2章 无线通信基础52.3.1 小尺度多径传播小尺度多径传播 1、时不变多径效应、时不变多径效应 2、时变多径效应、时变多径效应 3、小尺度衰落的统计特性、小尺度衰落的统计特性 4、多径效应的多普勒频谱、多径效应的多普勒频谱 5、电平通过率和平均衰落持续时间、电平通过率和平均衰落持续时间第2章 无线通信基础6图2-23 双线传播模型的几何关系1. 时不变多径效应时不变多径效应 假设发射信号为一单频正弦波信号，且满足假设发射信号为一单频正弦波信号，且满足则经两条路径到达接收机的信号场强幅度主要取决于反射体则经

5、两条路径到达接收机的信号场强幅度主要取决于反射体的的反射系数反射系数，传播路径差只影响传播路径差只影响两路到达信号的两路到达信号的时延差或相位差时延差或相位差。2111dd2.3.1 小尺度多径传播小尺度多径传播下面通过简单的双线传播模型解释小尺度衰落。下面通过简单的双线传播模型解释小尺度衰落。首先分析发射机、接收机和空间物体均处于首先分析发射机、接收机和空间物体均处于相对静止相对静止状态的状态的情形（即无线信道具有情形（即无线信道具有时不变时不变的特性），然后分析时变情况。的特性），然后分析时变情况。第2章 无线通信基础7式中，式中， 为两条路径的传播距离差；为两条路径的传播距离差； 为两路

6、信号之间的相位差；为两路信号之间的相位差； k=2/=2fc/c，为自由空间波数。，为自由空间波数。由（由（2-3-1）可知，两路信号在不同空间位置处出现相长和）可知，两路信号在不同空间位置处出现相长和相消的干涉情况。相消的干涉情况。（2-3-1）1111jjjj000000121jj001ee1ee1eekdk(d)kdkkdE dE dE dE()dddE d()d 可以求得接收机的总信号为可以求得接收机的总信号为第2章 无线通信基础812( )cos(2)cos(2()ccr tf tf t120051015-101signal1time (milliseconds)051015-101

7、signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)121 2cf051015-101signal1time (milliseconds)051015-101signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)051015-101signal1time (milliseconds)051015-101signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)051015-101signal1time (m

8、illiseconds)051015-101signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)两个矢量求和，则有接收信号：( )cos(2)cr tf t其中：2212122cos(2)cf 第2章 无线通信基础9当接收机处于不同位置时，两路信号具有不同的相位差当接收机处于不同位置时，两路信号具有不同的相位差。1、相位差、相位差为为的偶数倍，两路信号同相相加；的偶数倍，两路信号同相相加；2、相位差、相位差为为的奇数倍，两路信号反相相减。的奇数倍，两路信号反相相减。 特别是在反射系数特别是在反射系数的模值接近于的模值接近于1的时

9、候，在相长干涉位的时候，在相长干涉位置处接收信号为置处接收信号为电平峰值电平峰值，在相消干涉位置处信号电平接近，在相消干涉位置处信号电平接近零值，这时就出现零值，这时就出现衰落深陷。衰落深陷。接收信号峰值电平位置与衰落深陷位置对应的双线传接收信号峰值电平位置与衰落深陷位置对应的双线传播路径差大约为播路径差大约为半个波长半个波长。第2章 无线通信基础10 由于多径传播现象的存在，接收机处由于多径传播现象的存在，接收机处于某些位置时，接收信号会比较强；接收于某些位置时，接收信号会比较强；接收机处于另一些位置时，会出现深陷衰落。机处于另一些位置时，会出现深陷衰落。因此，在建设固定地址无线通信系统时，

10、因此，在建设固定地址无线通信系统时，发射机和接收机发射机和接收机地址的选择地址的选择必须必须避开避开可能可能产生产生深陷衰落深陷衰落的位置点。的位置点。 实际上传播路径一般多余两条，衰落实际上传播路径一般多余两条，衰落情况要复杂得多。情况要复杂得多。第2章 无线通信基础112. 时变多径效应时变多径效应在通常情况下，发射机、接收机和空间反射物体三者处在通常情况下，发射机、接收机和空间反射物体三者处于于相对运动状态相对运动状态。这时，多径传播的路径差（或时延差）是。这时，多径传播的路径差（或时延差）是随时间变化随时间变化的，从而造成的，从而造成时变的多径时变的多径衰落。衰落。 当接收机移动很小的

11、距离（波长的数量级），甚至不移动当接收机移动很小的距离（波长的数量级），甚至不移动(周围物体也在移动周围物体也在移动)，接收信号电平也会快速大范围地起伏，接收信号电平也会快速大范围地起伏，这就是多径衰落的原因。这就是多径衰落的原因。第2章 无线通信基础12为了简化讨论，下面考虑只有为了简化讨论，下面考虑只有接收机处于运动接收机处于运动的情况。的情况。在式（在式（2-3-1）中，如果只有接收机处于运动状态，其位置）中，如果只有接收机处于运动状态，其位置不断变化，则双线传播的不断变化，则双线传播的路径差路径差是是时变时变的，的，因而两路信号因而两路信号相位差相位差也是也是时变时变的，的，从而引起接

12、收信号频率的变化。从而引起接收信号频率的变化。 接收机每移动一个很小的距离，接收信号就可能经历接收机每移动一个很小的距离，接收信号就可能经历一次深陷衰落，一次深陷衰落，而且接收机而且接收机运动越快，深陷衰落发生得就运动越快，深陷衰落发生得就越频繁越频繁。该现象是由接收机运动产生的。该现象是由接收机运动产生的多普勒频移效应多普勒频移效应引引起的。起的。1jj0011eekdE dE()d 式（式（2-3-1）第2章 无线通信基础13 由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。因移动引起的接收机信号产生的频移被称为显的频移过程。因

13、移动引起的接收机信号产生的频移被称为多普勒频移多普勒频移。 多普勒频移的影响：多普勒频移的影响：1、多普勒频移越大，信号的衰落率就会越大；多普勒频移、多普勒频移越大，信号的衰落率就会越大；多普勒频移是信道变化速率的一个度量；是信道变化速率的一个度量；2、很多较小多普勒频移的信号叠加在一起，会导致总的接、很多较小多普勒频移的信号叠加在一起，会导致总的接收信号发生相移，引起接收信号的随机频率调制，从而破坏收信号发生相移，引起接收信号的随机频率调制，从而破坏角度调制信号的接收。角度调制信号的接收。 第2章 无线通信基础14*cos*cos22*cos1cos2ddlvtdvtkdvft相位变化：相位

14、的时间导数是接收信号的瞬时频率频率变化(多普勒频移）：分析多普勒频移的产生机理分析多普勒频移的产生机理 （2-3-2）dcdmaxvff cosfcosc 其中，表示其中，表示多普勒频移最大值多普勒频移最大值。 cmaxdfcvfdlSvAB第2章 无线通信基础15式（式（2-3-2）表明，多普勒频移的大小）表明，多普勒频移的大小取决于取决于通信系统的工作通信系统的工作频率、接收机相对发射机的移动速度以及相对运动的方向。频率、接收机相对发射机的移动速度以及相对运动的方向。d max10 (,);22) 0 (,);23)4)0 180dddffvff 结论：）00是主导多径分量的振幅。是主导多

15、径分量的振幅。（2-3-14）2222cos22e2),(rAArrrP有主导分量的多径传播有主导分量的多径传播对相位进行积分可以求得，存在一个对相位进行积分可以求得，存在一个LOS分量时振幅分量时振幅的概率密度符合的概率密度符合莱斯分布莱斯分布： 式中，式中， 是是0阶第一类修正贝塞尔函数。阶第一类修正贝塞尔函数。（2-3-15）rrAIrrPAr0,e)(2022r2222001( )exp( cos )2Ixxd第2章 无线通信基础34莱斯分布完全由莱斯因子确定。莱斯分布完全由莱斯因子确定。222AK 莱斯因子：直射分量功率直射分量功率 所有其他散射分量总功率所有其他散射分量总功率 l

16、随着随着K0，莱斯，莱斯分布趋于瑞利分布分布趋于瑞利分布。l 随着随着K无穷，只无穷，只有主导分量起作用，有主导分量起作用，不存在其他衰落。不存在其他衰落。l K取较大的值时就取较大的值时就近似为高斯分布近似为高斯分布。第2章 无线通信基础35三种小尺度衰落测量值三种小尺度衰落测量值比较：比较：1. 场景场景C：有障碍，杂波：有障碍，杂波较少；小尺度衰落不明较少；小尺度衰落不明显，近似为对数显，近似为对数正态分布正态分布。2.场景场景E：无障碍，杂波：无障碍，杂波严重；严重； 主信号的主导作用主信号的主导作用不明显，趋于不明显，趋于瑞利分布瑞利分布。3.场景场景D：无障碍，杂波：无障碍，杂波较

17、少；主信号的主导作用较少；主信号的主导作用明显，服从明显，服从莱斯分布莱斯分布。第2章 无线通信基础36l 当主要的信号到达时附有许多弱多径信号，如视当主要的信号到达时附有许多弱多径信号，如视距传播，接收信号的小尺度衰落包络分布服从距传播，接收信号的小尺度衰落包络分布服从莱斯莱斯分布分布。l 当主信号减弱时，混合信号近似于一个具有瑞利当主信号减弱时，混合信号近似于一个具有瑞利分布的噪声信号。当主要分量减弱后，莱斯分布就分布的噪声信号。当主要分量减弱后，莱斯分布就转变为转变为瑞利分布瑞利分布。第2章 无线通信基础37l 衰落信道的幅度和相位的概率密度函数告诉衰落信道的幅度和相位的概率密度函数告诉

18、我们幅度和相位在各个时刻的特性，但是没有我们幅度和相位在各个时刻的特性，但是没有说明随时间变化的快慢。说明随时间变化的快慢。l 电平通过率（电平通过率（LCR）与平均衰落持续时间）与平均衰落持续时间（AFD）是描述衰落频率的两个统计量，他）是描述衰落频率的两个统计量，他们与多普勒频移密切相关。们与多普勒频移密切相关。5. 电平通过率和平均衰落持续时间电平通过率和平均衰落持续时间第2章 无线通信基础38 电平通过率：电平通过率：在瑞利衰落情况下，接收信号包络归一化在瑞利衰落情况下，接收信号包络归一化为本地信号为本地信号rms电平电平Rrms后，沿正向每秒钟穿过某一指定门后，沿正向每秒钟穿过某一指

19、定门限电平限电平R的期望数目。的期望数目。反应了多径衰落使接收信号电平发生反应了多径衰落使接收信号电平发生衰落深陷的频繁程度。衰落深陷的频繁程度。tS信号强度信号强度R1T时间时间R2t2t1t4t3t5t6t7第2章 无线通信基础39设接收信号电平的时间函数为设接收信号电平的时间函数为r(t)，电平通过率，电平通过率NR(r)可以用式可以用式(2-3-23)进行计算：进行计算：显然，电平通过率取决于门限电平显然，电平通过率取决于门限电平R的具体定义，并且与的具体定义，并且与移动台的运动速度和载波频率成正比。移动台的运动速度和载波频率成正比。2mamaxax0m x(),2( )( ,)Rdd

20、RdNp Rdfer tp RrNRffrrrrrrr，其中：对时间的导数处， 与的联合概率密度最大多普勒频移可见，是的函数。（2-3-23）/=2rmsRRRR/?为规定电平 与幅度衰落均方根值之比。第2章 无线通信基础40平均衰落持续时间平均衰落持续时间ADF：每次衰落期间信号电平低于每次衰落期间信号电平低于某规定电平某规定电平R的平均时间长度。对的平均时间长度。对瑞利衰落信号，设接收信瑞利衰落信号，设接收信号电平号电平r小于或等于指定电平小于或等于指定电平R的概率为的概率为Pr(rR)， 则接收信则接收信号包络低于电平号包络低于电平R的的ADF计算式为计算式为（2-3-24）)()(AD

21、FrrrNRrP接收信号电平接收信号电平r小于或等于指定电平小于或等于指定电平R的概率由瑞利分布求得：的概率由瑞利分布求得：（2-3-25）2e1d )()(0rrrPRrPRtS信号强度Rt2t1t4t3第2章 无线通信基础41可得到平均衰落持续时间为可得到平均衰落持续时间为 由式（由式（2-3-26）可以看出，）可以看出，平均衰落持续时间与移动速平均衰落持续时间与移动速率和载波频率成反比。信号衰落平均时段有助于率和载波频率成反比。信号衰落平均时段有助于确定衰落确定衰落期间最可能丢失的信令比特数。期间最可能丢失的信令比特数。 若移动通信系统有特定的衰落余量，则可以通过这两若移动通信系统有特定的衰落余量，则可以通过这两个参数来个参数来评价接收机的性能评价接收机的性能。对于设计信道的差错控制方。对于设计信道的差错控制方案具有重要的指导意义。案具有重要的指导意义。（2-3-26）21eADFmaxd2f第2章 无线通信基础42例例2-7 当移动台以60 km/h的速度随汽车朝向基站运动时，基站的发射频率为900 MHz，求移动台接收信号包络均方值电平为Rrms的电平通过率。解解：已知发射信号载波频率fc=900 M