第2章 無線通信基礎 -4

1、第2章 無線通信基礎12.3.1 小尺度多徑傳播2.3.4 無線多徑信道特性參數(shù)2.3.3 無線多徑信道特性測量2.3.2 多徑信道的沖擊響應模型2.3.5 小尺度衰落的信道類型2.3 小尺度衰落和多徑效應小尺度衰落和多徑效應2.3.6 陰影衰落和衰落儲備第2章 無線通信基礎2基本概念：基本概念： 小尺度衰落：小尺度衰落：指指無線信號在短時間內(nèi)或短距離上傳無線信號在短時間內(nèi)或短距離上傳播后，其幅度、相位或時延等快速變化，以至于大尺度播后，其幅度、相位或時延等快速變化，以至于大尺度路徑損耗的影響可以忽略不計。路徑損耗的影響可以忽略不計。 多徑信號相互干涉并形成接收信號衰落的過程稱為多徑信號相互干

2、涉并形成接收信號衰落的過程稱為多徑效應多徑效應，引起的衰落稱為，引起的衰落稱為多徑衰落多徑衰落。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：由于同一信號沿兩個或多個路徑傳播，由于同一信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小的時間差到達接收機，造成總的合成信號的相位以微小的時間差到達接收機，造成總的合成信號的相位急劇變化所引起的。急劇變化所引起的。第2章 無線通信基礎3 小尺度衰落的主要表現(xiàn)：小尺度衰落的主要表現(xiàn)： 經(jīng)過短距或短時傳播后，經(jīng)過短距或短時傳播后，信號強度急速信號強度急速變化；變化； 在不同多徑信號上，存在多普勒頻移引起的在不同多徑信號上，存在多普勒頻移引起的隨機隨機頻率調制頻率調制； 多徑傳播的時延引起的多徑傳

3、播的時延引起的時延擴展時延擴展(回音回音)。 影響小尺度衰落的因素：影響小尺度衰落的因素： 多徑傳播；多徑傳播； 移動臺的運動速度；移動臺的運動速度； 傳播環(huán)境中物體的運動速度；傳播環(huán)境中物體的運動速度； 無線信號的傳輸帶寬；無線信號的傳輸帶寬；第2章 無線通信基礎4小尺度衰落的特點： 衰落深度可達衰落深度可達2040dB。 電平幅度分布一般遵循：瑞利（電平幅度分布一般遵循：瑞利（Rayleigh）分）分布、萊斯（布、萊斯（Rice）分布等。）分布等。 變化速率快。變化速率快。 具有選擇性。即在不同頻率、不同時間、不同具有選擇性。即在不同頻率、不同時間、不同空間，其衰落特性是不一樣的?？臻g，其

4、衰落特性是不一樣的。 是無線移動通信中最難克服的衰落。是無線移動通信中最難克服的衰落。第2章 無線通信基礎52.3.1 小尺度多徑傳播小尺度多徑傳播 1、時不變多徑效應、時不變多徑效應 2、時變多徑效應、時變多徑效應 3、小尺度衰落的統(tǒng)計特性、小尺度衰落的統(tǒng)計特性 4、多徑效應的多普勒頻譜、多徑效應的多普勒頻譜 5、電平通過率和平均衰落持續(xù)時間、電平通過率和平均衰落持續(xù)時間第2章 無線通信基礎6圖2-23 雙線傳播模型的幾何關系1. 時不變多徑效應時不變多徑效應 假設發(fā)射信號為一單頻正弦波信號，且滿足假設發(fā)射信號為一單頻正弦波信號，且滿足則經(jīng)兩條路徑到達接收機的信號場強幅度主要取決于反射體則經(jīng)

5、兩條路徑到達接收機的信號場強幅度主要取決于反射體的的反射系數(shù)反射系數(shù)，傳播路徑差只影響傳播路徑差只影響兩路到達信號的兩路到達信號的時延差或相位差時延差或相位差。2111dd2.3.1 小尺度多徑傳播小尺度多徑傳播下面通過簡單的雙線傳播模型解釋小尺度衰落。下面通過簡單的雙線傳播模型解釋小尺度衰落。首先分析發(fā)射機、接收機和空間物體均處于首先分析發(fā)射機、接收機和空間物體均處于相對靜止相對靜止狀態(tài)的狀態(tài)的情形（即無線信道具有情形（即無線信道具有時不變時不變的特性），然后分析時變情況。的特性），然后分析時變情況。第2章 無線通信基礎7式中，式中， 為兩條路徑的傳播距離差；為兩條路徑的傳播距離差； 為兩路

6、信號之間的相位差；為兩路信號之間的相位差； k=2/=2fc/c，為自由空間波數(shù)。，為自由空間波數(shù)。由（由（2-3-1）可知，兩路信號在不同空間位置處出現(xiàn)相長和）可知，兩路信號在不同空間位置處出現(xiàn)相長和相消的干涉情況。相消的干涉情況。（2-3-1）1111jjjj000000121jj001ee1ee1eekdk( d)kdkkdE dE dE dE()dddE d()d 可以求得接收機的總信號為可以求得接收機的總信號為第2章 無線通信基礎812( )cos(2)cos(2()ccr tf tf t120051015-101signal1time (milliseconds)051015-10

7、1signal2time (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 (

8、milliseconds)051015-101signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)兩個矢量求和，則有接收信號：( )cos(2)cr tf t其中：2212122cos(2)cf 第2章 無線通信基礎9當接收機處于不同位置時，兩路信號具有不同的相位差當接收機處于不同位置時，兩路信號具有不同的相位差。1、相位差、相位差為為的偶數(shù)倍，兩路信號同相相加；的偶數(shù)倍，兩路信號同相相加；2、相位差、相位差為為的奇數(shù)倍，兩路信號反相相減。的奇數(shù)倍，兩路信號反相相減。 特別是在反射系數(shù)特別是在反射系數(shù)的模值接近于的模值接近于1的

9、時候，在相長干涉位的時候，在相長干涉位置處接收信號為置處接收信號為電平峰值電平峰值，在相消干涉位置處信號電平接近，在相消干涉位置處信號電平接近零值，這時就出現(xiàn)零值，這時就出現(xiàn)衰落深陷。衰落深陷。接收信號峰值電平位置與衰落深陷位置對應的雙線傳接收信號峰值電平位置與衰落深陷位置對應的雙線傳播路徑差大約為播路徑差大約為半個波長半個波長。第2章 無線通信基礎10 由于多徑傳播現(xiàn)象的存在，接收機處由于多徑傳播現(xiàn)象的存在，接收機處于某些位置時，接收信號會比較強；接收于某些位置時，接收信號會比較強；接收機處于另一些位置時，會出現(xiàn)深陷衰落。機處于另一些位置時，會出現(xiàn)深陷衰落。因此，在建設固定地址無線通信系統(tǒng)時

10、，因此，在建設固定地址無線通信系統(tǒng)時，發(fā)射機和接收機發(fā)射機和接收機地址的選擇地址的選擇必須必須避開避開可能可能產(chǎn)生產(chǎn)生深陷衰落深陷衰落的位置點。的位置點。 實際上傳播路徑一般多余兩條，衰落實際上傳播路徑一般多余兩條，衰落情況要復雜得多。情況要復雜得多。第2章 無線通信基礎112. 時變多徑效應時變多徑效應在通常情況下，發(fā)射機、接收機和空間反射物體三者處在通常情況下，發(fā)射機、接收機和空間反射物體三者處于于相對運動狀態(tài)相對運動狀態(tài)。這時，多徑傳播的路徑差（或時延差）是。這時，多徑傳播的路徑差（或時延差）是隨時間變化隨時間變化的，從而造成的，從而造成時變的多徑時變的多徑衰落。衰落。 當接收機移動很小

11、的距離（波長的數(shù)量級），甚至不移動當接收機移動很小的距離（波長的數(shù)量級），甚至不移動(周圍物體也在移動周圍物體也在移動)，接收信號電平也會快速大范圍地起伏，接收信號電平也會快速大范圍地起伏，這就是多徑衰落的原因。這就是多徑衰落的原因。第2章 無線通信基礎12為了簡化討論，下面考慮只有為了簡化討論，下面考慮只有接收機處于運動接收機處于運動的情況。的情況。在式（在式（2-3-1）中，如果只有接收機處于運動狀態(tài)，其位置）中，如果只有接收機處于運動狀態(tài)，其位置不斷變化，則雙線傳播的不斷變化，則雙線傳播的路徑差路徑差是是時變時變的，的，因而兩路信號因而兩路信號相位差相位差也是也是時變時變的，的，從而引起

12、接收信號頻率的變化。從而引起接收信號頻率的變化。 接收機每移動一個很小的距離，接收信號就可能經(jīng)歷接收機每移動一個很小的距離，接收信號就可能經(jīng)歷一次深陷衰落，一次深陷衰落，而且接收機而且接收機運動越快，深陷衰落發(fā)生得就運動越快，深陷衰落發(fā)生得就越頻繁越頻繁。該現(xiàn)象是由接收機運動產(chǎn)生的。該現(xiàn)象是由接收機運動產(chǎn)生的多普勒頻移效應多普勒頻移效應引引起的。起的。1jj0011eekdE dE()d 式（式（2-3-1）第2章 無線通信基礎13 由于移動臺與基站的相對運動，每個多徑波都經(jīng)歷了明由于移動臺與基站的相對運動，每個多徑波都經(jīng)歷了明顯的頻移過程。因移動引起的接收機信號產(chǎn)生的頻移被稱為顯的頻移過程。

13、因移動引起的接收機信號產(chǎn)生的頻移被稱為多普勒頻移多普勒頻移。 多普勒頻移的影響：多普勒頻移的影響：1、多普勒頻移越大，信號的衰落率就會越大；多普勒頻移、多普勒頻移越大，信號的衰落率就會越大；多普勒頻移是信道變化速率的一個度量；是信道變化速率的一個度量；2、很多較小多普勒頻移的信號疊加在一起，會導致總的接、很多較小多普勒頻移的信號疊加在一起，會導致總的接收信號發(fā)生相移，引起接收信號的隨機頻率調制，從而破壞收信號發(fā)生相移，引起接收信號的隨機頻率調制，從而破壞角度調制信號的接收。角度調制信號的接收。 第2章 無線通信基礎14*cos*cos22*cos1cos2ddlvtdvtkdvft相位變化：相

14、位的時間導數(shù)是接收信號的瞬時頻率頻率變化(多普勒頻移）：分析多普勒頻移的產(chǎn)生機理分析多普勒頻移的產(chǎn)生機理 （2-3-2）dcdmaxvff cosfcosc 其中，表示其中，表示多普勒頻移最大值多普勒頻移最大值。 cmaxdfcvfdlSvAB第2章 無線通信基礎15式（式（2-3-2）表明，多普勒頻移的大?。┍砻鳎嗥绽疹l移的大小取決于取決于通信系統(tǒng)的工作通信系統(tǒng)的工作頻率、接收機相對發(fā)射機的移動速度以及相對運動的方向。頻率、接收機相對發(fā)射機的移動速度以及相對運動的方向。d max10 (,);22) 0 (,);23)4)0 180dddffvff 結論：）00是主導多徑分量的振幅。是主導

15、多徑分量的振幅。（2-3-14）2222cos22e2),(rAArrrP有主導分量的多徑傳播有主導分量的多徑傳播對相位進行積分可以求得，存在一個對相位進行積分可以求得，存在一個LOS分量時振幅分量時振幅的概率密度符合的概率密度符合萊斯分布萊斯分布： 式中，式中， 是是0階第一類修正貝塞爾函數(shù)。階第一類修正貝塞爾函數(shù)。（2-3-15）rrAIrrPAr0,e)(2022r2222001( )exp( cos )2Ixxd第2章 無線通信基礎34萊斯分布完全由萊斯因子確定。萊斯分布完全由萊斯因子確定。222AK 萊斯因子：直射分量功率直射分量功率 所有其他散射分量總功率所有其他散射分量總功率 l

16、 隨著隨著K0，萊斯，萊斯分布趨于瑞利分布分布趨于瑞利分布。l 隨著隨著K無窮，只無窮，只有主導分量起作用，有主導分量起作用，不存在其他衰落。不存在其他衰落。l K取較大的值時就取較大的值時就近似為高斯分布近似為高斯分布。第2章 無線通信基礎35三種小尺度衰落測量值三種小尺度衰落測量值比較：比較：1. 場景場景C：有障礙，雜波：有障礙，雜波較少；小尺度衰落不明較少；小尺度衰落不明顯，近似為對數(shù)顯，近似為對數(shù)正態(tài)分布正態(tài)分布。2.場景場景E：無障礙，雜波：無障礙，雜波嚴重；嚴重； 主信號的主導作用主信號的主導作用不明顯，趨于不明顯，趨于瑞利分布瑞利分布。3.場景場景D：無障礙，雜波：無障礙，雜波

17、較少；主信號的主導作用較少；主信號的主導作用明顯，服從明顯，服從萊斯分布萊斯分布。第2章 無線通信基礎36l 當主要的信號到達時附有許多弱多徑信號，如視當主要的信號到達時附有許多弱多徑信號，如視距傳播，接收信號的小尺度衰落包絡分布服從距傳播，接收信號的小尺度衰落包絡分布服從萊斯萊斯分布分布。l 當主信號減弱時，混合信號近似于一個具有瑞利當主信號減弱時，混合信號近似于一個具有瑞利分布的噪聲信號。當主要分量減弱后，萊斯分布就分布的噪聲信號。當主要分量減弱后，萊斯分布就轉變?yōu)檗D變?yōu)槿鹄植既鹄植肌５?章 無線通信基礎37l 衰落信道的幅度和相位的概率密度函數(shù)告訴衰落信道的幅度和相位的概率密度函數(shù)告

18、訴我們幅度和相位在各個時刻的特性，但是沒有我們幅度和相位在各個時刻的特性，但是沒有說明隨時間變化的快慢。說明隨時間變化的快慢。l 電平通過率（電平通過率（LCR）與平均衰落持續(xù)時間）與平均衰落持續(xù)時間（AFD）是描述衰落頻率的兩個統(tǒng)計量，他）是描述衰落頻率的兩個統(tǒng)計量，他們與多普勒頻移密切相關。們與多普勒頻移密切相關。5. 電平通過率和平均衰落持續(xù)時間電平通過率和平均衰落持續(xù)時間第2章 無線通信基礎38 電平通過率：電平通過率：在瑞利衰落情況下，接收信號包絡歸一化在瑞利衰落情況下，接收信號包絡歸一化為本地信號為本地信號rms電平電平Rrms后，沿正向每秒鐘穿過某一指定門后，沿正向每秒鐘穿過某一

19、指定門限電平限電平R的期望數(shù)目。的期望數(shù)目。反應了多徑衰落使接收信號電平發(fā)生反應了多徑衰落使接收信號電平發(fā)生衰落深陷的頻繁程度。衰落深陷的頻繁程度。tS信號強度信號強度R1T時間時間R2t2t1t4t3t5t6t7第2章 無線通信基礎39設接收信號電平的時間函數(shù)為設接收信號電平的時間函數(shù)為r(t)，電平通過率，電平通過率NR(r)可以用式可以用式(2-3-23)進行計算：進行計算：顯然，電平通過率取決于門限電平顯然，電平通過率取決于門限電平R的具體定義，并且與的具體定義，并且與移動臺的運動速度和載波頻率成正比。移動臺的運動速度和載波頻率成正比。2mamaxax0m x(),2( )( ,)Rd

20、dRdNp Rdfer tp RrNRffrrrrrrr，其中：對時間的導數(shù)處， 與的聯(lián)合概率密度最大多普勒頻移可見，是的函數(shù)。（2-3-23）/=2rmsRRRR/?為規(guī)定電平 與幅度衰落均方根值之比。第2章 無線通信基礎40平均衰落持續(xù)時間平均衰落持續(xù)時間ADF：每次衰落期間信號電平低于每次衰落期間信號電平低于某規(guī)定電平某規(guī)定電平R的平均時間長度。對的平均時間長度。對瑞利衰落信號，設接收信瑞利衰落信號，設接收信號電平號電平r小于或等于指定電平小于或等于指定電平R的概率為的概率為Pr(rR)， 則接收信則接收信號包絡低于電平號包絡低于電平R的的ADF計算式為計算式為（2-3-24）)()(A

21、DFrrrNRrP接收信號電平接收信號電平r小于或等于指定電平小于或等于指定電平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信號強度Rt2t1t4t3第2章 無線通信基礎41可得到平均衰落持續(xù)時間為可得到平均衰落持續(xù)時間為 由式（由式（2-3-26）可以看出，）可以看出，平均衰落持續(xù)時間與移動速平均衰落持續(xù)時間與移動速率和載波頻率成反比。信號衰落平均時段有助于率和載波頻率成反比。信號衰落平均時段有助于確定衰落確定衰落期間最可能丟失的信令比特數(shù)。期間最可能丟失的信令比特數(shù)。 若移動通信系統(tǒng)有特定的衰落余量，則可以通過這兩若移動通信系統(tǒng)有特定的衰落余量，則可以通過這兩個參數(shù)來個參數(shù)來評價接收機的性能評價接收機的性能。對于設計信道的差錯控制方。對于設計信道的差錯控制方案具有重要的指導意義。案具有重要的指導意義。（2-3-26）21eADFmaxd2f第2章 無線通信基礎42例例2-7 當移動臺以60 km/h的速度隨汽車朝向基站運動時，基站的發(fā)射頻率為900 MHz，求移動臺接收信號包絡均方值電平為Rrms的電平通過率。解解：已知發(fā)射信號載波頻率fc=900 M