移动通信信道2.pptx

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1、上次课重点回顾q VHF和UHF电波主要有几种传播方式？q 自由空间中电波传播损耗变化有何规律？q 大气对电波传播有何影响？q 绕射损耗与哪些因素有关？q反射模型中，电波传播损耗变化有何规律？第2章 移动通信信道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2.7 MIMO信道简介第一次课第二次课第三次课 本次课的要求与重难点要求与重点1. 掌握多径传播的基本特性和多径衰落对数字移动通信的影响。2. 理解描述多径信道的参数，了解小尺度衰落模型。重点：相关（干）

2、带宽、相关时间、相关距离 难点：多径衰落对接收信号的影响本次课需要解决的主要问题1.什么是电波传播三级模型？2.多径传播对接收信号有何影响？如何定量描述多径传播特性？3.多普勒扩展对接收信号有何影响？如何定量描述？4.描述信道特性的关键参数有哪些？5.多径衰落信道如何分类？2.2.1 移动通信信道中的电波传播损耗特性2.2.2 移动环境下的多径传播2.2.3 多普勒频移2.2.4 多径接收信号的统计特性（自学）2.2.5 衰落信号幅度的特征量2.2 移动通信信道的多径传播特性一、电波传播损耗特性p 移动信道是一种变参信道p 信号传播过程中会遭受不同类型的损耗 ( )( )( )( )P dL

3、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） 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( )nL dd一、电波传播损耗特性2、阴影衰落 阳光不能普照p 短程范围内的信号电平变化（数百波长量级）p 由大型障碍物的遮挡引起，包括传播环境中的地形起伏、人造建筑物等一、电波传播损耗特性3、小尺度衰落 余音绕梁p 主要由多径效应和多普勒效应引起p 数十波长量级内的信号电平变化p 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30d

4、B一、电波传播损耗特性传播损耗传播损耗一、电波传播损耗特性距离(km)场强02468806040200/dB Vm几百个波长（阴影衰落）几十个波长（多径衰落）p 大尺度路径损耗传播模型 描述发射机和接收机之间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，根据小尺度衰落确定应采取的抗衰落技术。 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度衰落的影响！一、电波传播损耗特性2.2.1 移动通信信道中的电波传播损耗特性2.2.2

5、移动环境下的多径传播2.2.3 多普勒频移2.2.4 多径接收信号的统计特性（自学）2.2.5 衰落信号幅度的特征量2.2 移动通信信道的多径传播特性二、移动环境的多径传播 1、多径传播的基本概念p 信道中存在各种反射物和散射物p 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波二、移动环境下的多径传播余音绕梁多径传播示意图 1、多径传播的基本概念二、移动环境下的多径传播2、多径传播对接收信号产生的影响p 当两个多径信号同相时，合成信号是什么样的？p 当两个多径信号相位相差180度时，合成信号是什么样的？p 多径传播会导致接收信号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

6、位摆动 。p 延长信号到达接收机的时间，引起码间串扰。二、移动环境下的多径传播2、多径传播对接收信号产生的影响二、移动环境下的多径传播2、多径传播对接收信号产生的影响p 典型实例 800MHz室内环境中典型传播时延扩展为1s，符号速率200kbps，符号宽度？重叠率？符号宽度5s，重叠覆盖率20%2.2.1 移动通信信道中的电波传播损耗特性2.2.2 移动环境下的多径传播2.2.3 多普勒频移2.2.4 多径接收信号的统计特性（自学）2.2.5 衰落信号幅度的特征量2.2 移动通信信道的多径传播特性三、多普勒频移p 1842年由奥地利数学家、物理学家克里斯琴.多普勒.约翰首先提出。p 定义：当

7、发射源与接收体之间发生相对运动时，接收频率与发射频率之差。p 火车汽笛声的变化？从远而近时，汽笛音调变尖从近而远时，汽笛音调变低p 对无线通信场景如何更直白的理解？1、何为多普勒频移？三、多普勒频移p 接收信号的频率与发射信号的频率不一致！p 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。 p 频率变化值 ：( )cos ( )dvftt2、多普勒频移与移动台运动间的关系三、多普勒频移p思考：频率变化有什么趋势？ 朝向入射波方向移动多普勒频移为正值； 背向入射波方向移动多普勒频移为负值。2、多普勒频移与移动台运动间的关系思考：移动台连续的运动，会造成什么现象？2.2.

8、1 移动通信信道中的电波传播损耗特性2.2.2 移动环境下的多径传播2.2.3 多普勒频移2.2.4 多径接收信号的统计特性（自学）2.2.5 衰落信号幅度的特征量2.2 移动通信信道的多径传播特性2.2.4 多径接收信号的统计特性（提示）p 移动通信信道统计分析：对接收信号的功率或电压包络进行定量描述。 以瑞利分布为例，接收信号的包络和相位(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）：3-242222( )0rrp rer1( )022p四、衰落信号幅度的特征量1、研究衰落信号幅度特征量的必要性p 链路设计需要得到链路性能的幅度特点 一条衰落信道每隔多长时间就会

9、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 工程应用中，常常用一些特征量表示衰落信号的幅度特点。2、衰落率/ 2AvFp 定义：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。四、衰落信号幅度的特征量3、电平通过率p包络在单位时间以正斜率通过某规定电平R的次数 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%。四、衰落信号幅度的特征量4、平均衰落持续时间p 定义：信号包络低于某个给定

10、电平值的概率与该电平值所对应的电平通过率之比。 思考：如何理解物理含义？ 信号包络低于某个给定电平值的概率 -值越大，衰落情况越严重 电平通过率 - 值越大，衰落变化速度越快，停留在某状态的时间越短四、衰落信号幅度的特征量4、平均衰落持续时间p思考：平均衰落持续时间对工程设计的意义在哪里？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。由平均衰落持续时间可判断通信受影响的程度，确定是否会发生突发错误及突发错误的长度。四、衰落信号幅度的特征量2.3.1 时延扩展和相关带宽2.3.2 多普勒扩展和相关时间2.3.3 角度扩展和相关距离（自学）2.3.4 多径衰落信道的分类2

11、.3 描述多径衰落信道的主要参数1、时延扩展的概念p定义：多径传播造成的信号时间扩散 假设发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，接收信号是什么样的？n 接收信号呈现为一串脉冲，出现时间色散现象。五、时延扩展与相关带宽五、时延扩展和相关带宽典型的时延（功率）谱曲线2、时延扩展的描述p 时延功率谱：由不同时延信号分量的平均功率构成P()相对时延值归一化时延谱平均时延时延扩展， P()的均方根最大多径时延， P()下降到-30dB时的时延差p 平均时延 0( )mPd22( )mPd 22222()()kkkkkkkkkkaPaPp 时延扩展22()()kkkkkkmkkkkaPaP 离散化22m

12、 离散化五、时延扩展和相关带宽2、时延扩展的描述3、时延扩展典型实测数据参数市区郊区平均时延 (s)1.52.5 0.10.2 时延扩展 (s)1.03.0 0.22 最大时延 (-30dB) (s)5.012.0 3.07.0 平均时延扩展 (s)1.3 0.5 五、时延扩展和相关带宽五、时延扩展和相关带宽图2-13 双径信道等效网络p 以双径模型为例，且不计信道的固定衰减( )0( )( )(1)jtis ts te 4、多径对信号频域的影响衰减系数两径时延差第一射线信号为第一射线信号为S Si i(t)(t)第二射线信号为第二射线信号为 S Si i(t)(t)e ej j（t t）五、

13、时延扩展和相关带宽p 双径信道等效网络的传递函数为: ( )0( )(, )1( )jteis tHjtes t p 信道的幅频特性为:2( , )1cos( )sin( )12 cos( )Attjtt 4、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，出现峰点； 当 时，双径信号反相相消，出现谷点。( )2tn ( )(21)tn ( , )At11(21)( )nt(23)( )nt五、时延扩展和相关带宽4、多径对信号频域的影响p 进一步思考物理含义？当多径时延差一定时，从频域上看，当信号带宽较宽时，会发生畸变！五、 时延扩展和相关带宽p指一特定频率范围

14、，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性；p 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。（1）相关带宽的定义5、多径对信号频域影响的量化五、 时延扩展和相关带宽p 相关系数大于0.9时，相关带宽为：p 将定义放宽至相关系数大于0.5，相关带宽为：p 实际工程上，一般采用下式估算：（2）相关带宽的定量计算5、多径对信号频域影响的量化150cB 15cB 12cBp 相关带宽由信道的时延扩展决定，两者之间成反比关系。p 信道实际情况 时延扩展（多径结构） 相关带宽五、时延扩展和相关带宽6、时延扩展和相关带宽的关系p 实例分析：时延扩展为1.37s，采用式(2-70)计算可得相关带宽

15、为116kHz。p 思考：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？信号1：30kHz - 33.3 s信号2： 200kHz - 5 s五、时延扩展和相关带宽6、时延扩展和相关带宽的关系 平坦衰落 vs. 频率选择性衰落！-多径干扰程度小，带宽小于相关带宽-多径干扰程度大，带宽大于相关带宽五、时延扩展和相关带宽【例2-6】未归一化的时延谱如图例2.6所示，试计算多径分布的平均附加时延和rms时延扩展。若设信道相关带宽按式（2-70）计算，则该系统在不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适?( )aP30dB() s 012520

16、dB10dB0dB图例2.6某时延谱的测量结果五、时延扩展和相关带宽解：信号总功率： 50()akkP5050()()akkkmakkPP平均附加时延： 时延平方的平均值：522050()()kakkakkPP0.01 00.1 10.1 20 30 4 1 54.38s1.21 22222220.01 00.1 10.1 20 30 41 521.07s1.21 0.01 0.1 0.1 00 11.21W 五、时延扩展和相关带宽解（续）： 用均方根值（rms）表示的时延扩展：2222( )mmPd （）12cB相关带宽为：221.07(4.38)1.37s61116 kHz21.37 10（）五、时延扩展和相关带宽AMPS系统带宽为30kHz小于相关带宽 ， 所以不使用均衡器，系统就能正常工作；GSM系统带宽为200kHz大于相关带宽 ， 需要使用均衡器，系统才能正常工作。解（续）：讨论： ，该系统在不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适？ cB116 kHzcB （）取决于：系统带宽和相关带宽的关系cB（1）平坦衰落五、时延扩展和相关带宽7、平坦衰落与频率选择性衰落p