現(xiàn)代移動通信 第3版 教學課件 蔡躍明 03次課 第02章 移動信道的傳播特性

在線教務輔導網(wǎng)：在線教務輔導網(wǎng)：http:/教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務輔導網(wǎng)教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務輔導網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：或者直接輸入下面地址：http:/3-3-2 2數(shù)字移動通信數(shù)字移動通信3-3-3 3數(shù)字移動通信第2章移動通信信道3-3-4 4第2章講述內(nèi)容2.1 陸地無線電波傳播特性2.2 移動通信信道的多徑傳播特性2.3 描述多徑衰落信道的主要參數(shù)2.4 陰影衰落的基本特性2.5 電波傳播損耗預測模型2.6 多徑衰落信道的建模和仿真3-3-5 5第2章 第2講要求與重點1.了解了解多徑衰落信號幅度的特征量多徑衰落信號幅度的特征量2.掌握掌握描述多徑信道參數(shù)的物理意義描述多徑信道參數(shù)的物理意義3.理解理解多徑衰落對通信系統(tǒng)的影響多徑衰落對通信系統(tǒng)的影響4.理解理解衰落類型和衰落類型和陰影衰落的特性陰影衰落的特性重點：重點：描述多徑信道的主要參數(shù)描述多徑信道的主要參數(shù)難點：難點：相關(guān)（干）帶寬、相關(guān)時間、相關(guān)距離相關(guān)（干）帶寬、相關(guān)時間、相關(guān)距離 3-3-6 6本次課解決的問題1.移動通信信道中的電波傳播三級模型？2.描述信道特性的參數(shù)：相干帶寬？相干時間？相干距離？3.信道衰落類型的關(guān)系？3-3-7 7一、移動通信信道中的電波傳播特性p 移動信道是一種時變信道p 信號傳播過程中受到來自不同類型的損耗()()()()P dL dS dR d傳播損耗陰影衰落多徑衰落d：移動臺與基站的距離大尺度衰落小尺度衰落3-3-8 81、傳播損耗(路徑損耗）長程范圍內(nèi)的信號電平變化（幾千米量級）電波傳播引起的平均接收功率衰減 取決于發(fā)射機與接收機之間的距離 自由空間時，n=2，一般情況下n=35()nL dd3-3-9 92、陰影衰落陽光不能普照由大型障礙物的遮擋引起，包括傳播環(huán)境中的地形起伏、人造建筑物等短程范圍內(nèi)的信號電平變化（數(shù)百波長量級）3-3-10103、小尺度衰落余音繞梁跑得太快主要由多徑效應和多普勒效應引起數(shù)十波長量級內(nèi)的信號電平變化接收信號場強的瞬時值快速變化，在幾個波長間距內(nèi)的變化幅度可達30dB圖圖2-6陸地移動通信信道中的電波傳播特性陸地移動通信信道中的電波傳播特性3-3-1212p 大尺度路徑損耗傳播模型 描述發(fā)射機和接收機之間長距離上平均場強的變化，用于預測平均場強并估計無線覆蓋范圍。受到收發(fā)距離及地形地貌的影響p 小尺度多徑衰落傳播模型 描述移動臺在極小范圍內(nèi)移動時，短距離（幾個波長）或短時間（秒級）上接收場強的快速變化，用于確定移動通信系統(tǒng)應該采取的抗衰落技術(shù)。大尺度衰落可看成信號小尺度大尺度衰落可看成信號小尺度衰落的空間平均！衰落的空間平均！當移動通信跨越比較大的區(qū)域當移動通信跨越比較大的區(qū)域時，會同時受到大尺度衰落和小時，會同時受到大尺度衰落和小尺度衰落的影響！尺度衰落的影響！p 多徑傳播的產(chǎn)生及影響 信道中的反射物和散射物導致發(fā)射波到達接收機時形成在時間、空間上相互區(qū)別的多個無線電波。不同多徑成分具有的隨機相位和幅度引起信號幅度波動小尺度衰落。延長信號到達接收機的時間，引起碼間串擾。3-3-1313 800MHz室內(nèi)環(huán)境中典型傳播時室內(nèi)環(huán)境中典型傳播時延擴展為延擴展為1s，符號速率，符號速率200kbps，符號寬度？重疊覆蓋率？符號寬度？重疊覆蓋率？在不到一個波長范圍內(nèi)會出現(xiàn)幾十分貝的電在不到一個波長范圍內(nèi)會出現(xiàn)幾十分貝的電平變化和劇烈的相位擺動平變化和劇烈的相位擺動 多普勒頻移與移動臺運動速度及移動臺方向與無線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。頻率變化值 朝向入射波方向移動多普勒頻移為正值；被向入射波方向移動多普勒頻移為負值。()cos()dvftt*信號經(jīng)不同方向傳播，多徑分量造成接收信號頻譜的多普勒擴展。信號經(jīng)不同方向傳播，多徑分量造成接收信號頻譜的多普勒擴展。3-3-1919n移動的可以是收發(fā)端的相對運動或者傳播環(huán)境中主要散射體的運動。p 移動無線信道統(tǒng)計分析：對接收信號的功率或電壓包絡(luò)進行定量描述。瑞利分布 萊斯分布 Nakagami-m分布3-3-20203-3-2121p 產(chǎn)生的原因 在發(fā)信機與收信機之間沒有直射波通路；有大量反射波存在，到達接收天線的方向角和相位隨機，且在02內(nèi)均勻分布；各個反射波的幅度和相位統(tǒng)計獨立。p 接收信號的統(tǒng)計分析（為方差）包絡(luò)概率密度函數(shù)（瑞利分布）：相位概率密度函數(shù)（均勻分布）：0)(2222rerrpr2021)(p3-3-2222p 產(chǎn)生的原因離基站較近的區(qū)域，通常存在占支配地位的直射波信號。當存在一個主要的靜態(tài)(非衰落)信號分量時，接收信號包絡(luò)服從萊斯分布。p 接收信號的統(tǒng)計分析220222()()exp()2ssrrrrrrp rI當主要分量減弱后，當主要分量減弱后，萊斯分布退化為瑞利萊斯分布退化為瑞利分布！分布！3-3-2323p 由Nakagami在20世紀60年代提出 基于現(xiàn)場測試的實驗方法 用曲線擬合得到近似分布的經(jīng)驗公式p 對無線信道的描述有很好的適應性 當m1時，退化為瑞利分布。當m較大時，接近于高斯分布。2122()exp()mmrmm rmrp rmp 對于鏈路設(shè)計而言，希望得到影響鏈路性能的重要統(tǒng)計量 一條衰落信道每隔多長時間就會衰落到某一特定的電平之下？這條信道將在該門限下持續(xù)多長時間？p 工程實用中，常常用一些特征量表示衰落信號的幅度特點。3-3-24243-3-2525/2AvFp 信號包絡(luò)在單位時間內(nèi)以正斜率通過中值電平的次數(shù) 與發(fā)射頻率、移動臺行進速度、方向及多徑傳播的路徑數(shù)有關(guān)。當移動臺的行進方向朝著或背著電波傳播方向時，衰落最快。3-3-2626p 包絡(luò)在單位時間以正斜率通過某規(guī)定電平R的次數(shù) 實測發(fā)現(xiàn)，深度衰落發(fā)生的次數(shù)較少，淺度衰落發(fā)生得相當頻繁。衰減20dB概率為1%，衰減30dB和40dB的概率分別為0.1%和0.01%。3-3-2727p 定義：信號包絡(luò)低于某個給定電平值的概率與該電平值所對應的電平通過率之比。接收信號電平低于接收機門限電平時，就可能造成語音中斷或誤比特率突然增大。由于每次衰落的持續(xù)時間是隨機的，只能給出平均衰落持續(xù)時間。思考：對工程設(shè)計的意義在哪里？3-3-2828p 電波通過移動信道后，信號在時域上、頻域上和空間（角度）上都產(chǎn)生色散，使信號產(chǎn)生衰落失真。多徑效應：時延擴展 多普勒效應：頻譜擴展 散射效應：角度擴展 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落時間選擇性衰落時間選擇性衰落空間選擇性衰落空間選擇性衰落1、什么是時延擴展？p多徑傳播造成信號時間擴散 假設(shè)發(fā)射一個極短的脈沖信號，經(jīng)過多徑信道后，接收信號呈現(xiàn)為一串脈沖 時延擴展大?。鹤畲髠鬏敃r延和最小傳輸時延的差值3-3-29293-3-3030P()相對幅度/dB0dBo30dBP()（相對時延時間）m典型的時延（功率）譜曲線2、如何描述時延擴展?p 時延功率譜：由不同時延信號分量的平均功率構(gòu)成2、如何描述時延擴展?p 時延擴展的相關(guān)參數(shù) :相對時延值 P()：歸一化時延譜 ：平均多徑時延，P()的一階矩 ：時延擴展，P()的均方根 ：最大多徑時延，P()下降到-30 dB時的時延差3-3-3131mmT3-3-3232 平均多徑時延 0()mPd22()mPd 22222()()kkkkkkkkkkaPaP 時延擴展22()()kkkkkkmkkkkaPaP 離散化22m 離散化2、如何描述時延擴展?3-3-3333多徑時散參數(shù)典型值3-3-3434多徑對信號頻域的影響He(w,t)Si(t)S0(t)(t)(t)圖圖2-13 2-13 雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò)雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò) 以雙徑模型為例，且不計信道的固定衰減()0()()(1)jtis ts te3-3-3535多徑對信號頻域的影響雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:()0()(,)1()jteis tHjtes t 信道的幅頻特性為:2(,)1cos()sin()12 cos()Attjtt 3-3-3636多徑對信號頻域的影響圖2-14 雙射線信道的幅頻特性 當 時，雙徑信號同相疊加，信號出現(xiàn)峰點；當 時，雙徑信號反相相消，信號出現(xiàn)谷點。()2tn()(21)tn 3-3-3737相關(guān)帶寬 定義 指一特定頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個頻率分量有很強的幅度相關(guān)性 即在此范圍內(nèi)的所有頻率分量幾乎具有相同的增益及線性相位。3-3-3838相關(guān)帶寬 定量計算 相關(guān)系數(shù)大于0.9的某特定帶寬 將定義放寬至相關(guān)系數(shù)大于0.5 工程上，見教材150cB 15cB 12cB相關(guān)帶寬由信道的時延擴展決定，兩者之間成反比關(guān)系。3-3-3939時延擴展和相關(guān)帶寬的關(guān)系 信道實際情況 時延擴展（多徑結(jié)構(gòu)）相關(guān)帶寬 實例：時延擴展為1.37s，相關(guān)帶寬為146kHz 思考：在上面的例子中，帶寬分別為30kHz的信號和200kHz的信號，在經(jīng)過該信道后，從時域和頻域上看，各有什么區(qū)別？平坦衰落（30kHz-33.3s）頻率選擇性衰落（200kHz 5s）3-3-4040時延擴展和相關(guān)帶寬的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長，帶數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長，帶寬窄，多徑信號不會干擾整個碼元，信寬窄，多徑信號不會干擾整個碼元，信號帶寬小于信道相關(guān)帶寬。號帶寬小于信道相關(guān)帶寬。數(shù)據(jù)傳輸速率高，則碼元寬度小，帶數(shù)據(jù)傳輸速率高，則碼元寬度小，帶寬寬，多徑信號干擾碼元程度高，信號寬寬，多徑信號干擾碼元程度高，信號帶寬大于信道相關(guān)帶寬。帶寬大于信道相關(guān)帶寬。3-3-4141平坦衰落在信號帶寬范圍內(nèi)，各頻點的幅度有基本相同的增益，即發(fā)送信號的頻譜基本保持不變；信道的增益是隨著時間變化的，接收端信號的功率可能不斷變化，導致信號忽大忽小。3-3-4242頻率選擇性衰落 信道對信號的不同頻率成分具有不同的響應，產(chǎn)生頻率選擇性，使信號發(fā)生失真。從頻域來看多徑現(xiàn)象將導致頻率選擇性衰落，即信道對不同頻率成分有不同的響應在相關(guān)帶寬內(nèi)信號傳輸失真小，若信號帶寬超過相關(guān)帶寬將產(chǎn)生較大的失真和符號間干擾信號傳輸速率受相關(guān)帶寬的限制3-3-4343相關(guān)帶寬的意義3-3-4444二、多普勒擴展和相關(guān)時間多普勒擴展（Doppler spread）-頻率色散 由移動臺與基站的相對運動，或傳播路徑中物體的運動引起。3-3-4545多普勒擴展多普勒擴展：接收的多普勒譜為非0值的頻率范圍，一般定義為 BD最大多普勒頻移fm/v3-3-4646相關(guān)時間 定義相關(guān)時間就是信道沖激響應維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值。在相關(guān)時間內(nèi)，兩個到達信號有很強的幅度相關(guān)性。相關(guān)時間是多普勒擴展在時域的表現(xiàn)形式，用于在時域描述信道頻率色散的時變特性。3-3-4747相關(guān)時間定量計算1）2）若時間相關(guān)函數(shù)定義為大于0.5時，相干時間近似為：3）工程上：1cmTfmmcffT423.01692916cmTf3-3-4848多普勒擴展與相關(guān)時間的關(guān)系運動速度和信號頻率 多普勒擴展 相關(guān)時間實例：移動臺速率為60km/h，載頻為900MHz，相關(guān)時間2.22ms 相關(guān)時間由多普勒擴展決定，兩者之間成反比關(guān)系。GSM系統(tǒng)（系統(tǒng)（900MHz）步行（步行（5km/h）:4.1667Hz 車載（車載（60km/h）:50Hz 高鐵（高鐵（300km/h）:250Hz GSM系統(tǒng)信道帶寬200kHz！思考：在上面的例子中，傳輸速率為200bit/s和2000bit/s時，在經(jīng)過該信道后，從時域域上看，有什么區(qū)別？慢衰落（2000bit/s 0.5ms）快衰落（200bit/s 5ms）3-3-4949多普勒擴展與相關(guān)時間的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長，信數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長，信道變化的包絡(luò)以快于傳輸符號率的速度道變化的包絡(luò)以快于傳輸符號率的速度波動，易受時間選擇性衰落影響。波動，易受時間選擇性衰落影響。3-3-5050相關(guān)時間的意義 從時域上看，慢變信道具有大的相關(guān)時間，從頻域上看，等效為小的多普勒擴展。移動臺的速度(或信道路徑中物體的速度)及基帶信號發(fā)送速率，決定了信號是經(jīng)歷快衰落還是慢衰落。3-3-5151相關(guān)時間的意義 思考：快衰落有沒有好處？如何利用？防止長期處于深度衰落 時間分集的設(shè)計 思考：慢衰落有沒有壞處？如何克服？當處于深度衰落時，可采用慢跳頻的方式克服3-3-5252三、角度擴展和相關(guān)距離（自學）散射效應會引起角度擴展移動臺或基站周圍的本地散射以及遠端散射會使得天線的點波束產(chǎn)生角度擴散。空域上波束的角度擴散造成了同一時間、不同地點的信號衰落起伏不一樣，即所謂的空間選擇性。3-3-53532.3.4 多徑衰落信道的分類移動信道中的時間色散和頻率色散可能產(chǎn)生4種衰落效應根據(jù)信號帶寬和信道帶寬的比較 平坦衰落 頻率選擇性衰落根據(jù)發(fā)送信號與信道變化快慢程度 快衰落 慢衰落3-3-5454一、平坦衰落與頻率選擇性衰落平坦衰落：形成條件：信道帶寬遠大于發(fā)送信號的帶寬，且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益及線性相位判定條件：Bs 3-3-5555一、平坦衰落與頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落形成條件：信道具有恒定增益和線性相位的帶寬范圍小于發(fā)送信號帶寬判定條件克服方法：均衡等 Bs Bc Ts Tc BD Bs3-3-5757二、快衰落與慢衰落慢衰落形成條件：信道沖激響應在碼元寬度內(nèi)變化很小，即信道的相干時間比發(fā)送信號碼元寬度大。定量判據(jù) Ts Tc BD時間色散頻率選擇性衰落多普勒擴展頻率色散時間選擇性衰落多徑時延擴展多徑時延擴展時間色散時間色散頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落多普勒擴展多普勒擴展 頻率色散頻率色散時間選擇性衰落時間選擇性衰落內(nèi)容小結(jié)3-3-6262電波傳播電波傳播的基本特的基本特性性衰落衰落衰落的原因衰落的表現(xiàn)移動通信信道電波傳播方式復雜的復雜的無線電波無線電波傳播環(huán)境傳播環(huán)境傳播損耗傳播損耗陰影衰落陰影衰落多徑衰落多徑衰落多普勒頻多普勒頻移移基站天線基站天線和移動用戶和移動用戶天線間的傳天線間的傳播路徑播路徑直射、反直射、反射、繞射和射、繞射和散射及它們散射及它們的合成的合成3-3-6363P51.111415