移動信道的衰落特性

§2-2移動信道的衰落特性大尺度傳播特性：描述的是發(fā)射機與接收機之間長距離上的場強變化路徑傳播損耗：它反映了傳播在宏觀大范圍 （幾百米或幾千米）的空間距離上的接收信號電平平均值的變化趨勢。由于陰影效應和氣象條件變化造成的接收場強中值的緩慢變化， 這種損耗是中等范圍內（數十至數百個波長范圍）接收電平的均值變化而產生的損耗。一般認為慢衰落與工作頻率無關， 僅取決于移動臺的移動速度， 衰落深度取決于障礙物的狀態(tài)；且衰落后信號的幅度服從于對數正態(tài)分布。 移動用戶和基站之間的距離為 r時，傳播路徑損耗和陰影衰落用 dB可以表示為：10lgl（r,E）=10nlgr+E小尺度傳播特性：描述短距離（幾個波長）或短時間（秒級）內的接收場強的快速波動情況?？焖ヂ鋼p耗：由于多徑傳播而產生的損耗。 它反映微小范圍（幾個至數十個波長范圍）接收電平的均值變化而產生的損耗。一、快衰落/多徑衰落/瑞利衰落：多徑傳播是陸地移動通信系統(tǒng)的主要特征?！锒嗥绽疹l移成因：路程差造成的接收信號相位變化值，進而產生多普勒頻移。后果：信號經不同方向傳播，其多徑分量造成接收機信號的多普勒擴展，進而增加移動環(huán)境：基站咼、移動臺低?；咎炀€通常咼 30m，可達90m;移動臺天線通常為 2?3m以下。移動臺周圍的區(qū)域稱為近端區(qū)域，該區(qū)域內的物體造成的反射是造成多徑效應的主要原因。離移動臺較遠的區(qū)域稱為遠端區(qū)域，在遠端區(qū)域，只有高層建筑、較高的山峰等的反射才能對該移動臺構成多徑。、多經信號的統(tǒng)計特性1）瑞利Rayleigh衰落：在多徑傳播信道中，若 N條路經彼此相互獨立且沒有個信道的信號占支配地位，或者沒有直射波信號，僅有很多的反射波，則接收信號的包絡將服從瑞利分布。2）萊斯Ricean衰落：在多徑傳播信道中，若接收信號中有一個信道的信號占支配地位（常常是直射波），則其包絡將服從萊斯分布。3） Nakagami-m分布：在20世紀60年代，Nakagami通過基于現場測試的實驗方法，用曲線擬合得到近似分布的經驗公式，對于無線信道的描述有很好的適應性。瑞利分布-假設條件在發(fā)信機與收信機之間沒有直射波通路；有大量反射波存在，且到達接收天線的方向角是隨機的，相位也是隨機的，且在0?2刃內均勻分布：各個反射波的幅度和相位都是統(tǒng)計獨立的。離基站較遠，反射物較多若N個信號的幅值和到達接收天線的方位角是隨機的且滿足統(tǒng)計獨立，則接收信號為：S(t)「Si(t)Jaiej(“譏…)i唱 i珀式中，Si（t）為經反射（或散射）到達接收天線的第i個信號，其振幅為ai,相移為?i。0i為S（t）與移動臺運動方向之間的夾角，其多普勒頻移值為：fj=—COS^i=fmCOS^i。w0為載波角頻率，?0為k載波初相。當N很大，由中心極限定理可知，接收信號的同相分量和正交分量均服從高斯分布，其包絡服從瑞利分布：型(0)二丄衛(wèi)乞0乞2打2?r度值。P(r)二2二0度值。P(r)二2二0P(r,Rd、：式中，二2為信號的平均功率,2 2r2 r2re^?dB=,e転,

c(-為包絡檢波前接收信號的均方根值)r為信號的幅不超過某特定值R的接收信號包絡的概率。R Rp(R)=P(rER)=0p(r)dr=1—exp(—廠) 0 2CT(2.7)=1.253=1.253二 qQ(一階矩)均值：m=E(r)=[rp(r)dr=(2.8)2 2 2(二階矩)均方值(信號包絡的功率)：E(r)=J0rp(r)dr=2^ (2.9)2 2 2 2兀2 2方差(信號包絡的交流功率)：二r=E[r]-E[r]=2二 =0.4292二---2r/irr/ir(2.10)圖2-4瑞利分布的概率密度11當r=b時，p(r)為最大值，表示r在值出現的可能性最大：p(；「)exp()2當r=：221n2二＞1.177二時，p(r)=0.5，因此1.177匚為信號包絡樣本的中值，記作rmid。

萊斯分布(Rician)當接收信號中有視距(LOS)傳播的直達波時，視距信號成為主接收信號分量，而從不同角度隨機到達的多徑分量疊加在此主信號上，此時的接收信號就呈現出萊斯分布。丄r*) 2r22AP(r)2e、 Io(t)，A_O,r一0 (2.11)a a萊斯因子k=A萊斯因子k=A22；「2當k>0，即主信號減弱到與其他多徑信號分量的功率一樣時，混合信號的分布有轉變?yōu)槿鹄植迹?當k>1，即主信號很強時，混合信號的分布接近為高斯分布。瑞利分布存在主接收信號>萊斯分布瑞利分布存在主接收信號>萊斯分布主接收信號進一步加強 i高斯分布、慢衰落慢衰落的衰落速率與頻率無關，這一點與快衰落不同。 慢衰落的衰落速率主要取決于傳播環(huán)境，即移動臺周圍的地形，包括山丘起伏、建筑物的分布與高度、街道走向、基站天線的位置與高度以及移動臺的速度。 關于速度這一因素可從直觀上這樣理解， 當移動臺通過許多高層建筑物形成的電磁波陰影區(qū)時，速度不同 ，引起的衰落速率就不相同。慢衰落的深度，即接收信號局部中值電平變化的幅度取決于信號頻率與障礙物的狀況。頻率較高的信號比頻率較低的信號容易穿透建筑物， 而頻率較低的信號比頻率較高的信號具有較強的繞射能力?？焖ヂ涞闹兄捣Q為短區(qū)間中值或局部中值。 用一定寬度的平滑窗對接收信號包絡進行平滑處理就得到局部中值的變化曲線。 該曲線反映了接收信號慢衰落的變化。 對實測數據的統(tǒng)計規(guī)律表明，不管是市區(qū)還是郊區(qū)，接收信號的局部均值 rm都近似服從對數正態(tài)分布，其概率密度函數為表2—1標準偏差；「（dB）頻率（MHz）準平坦地形不規(guī)則地形（起伏高度/m）市區(qū)郊區(qū)50150300150-.5?6.7911134505.57.5111518900681418246.5可見：標準偏差二：郊區(qū)比市區(qū)大，頻率越高值越大。四、衰落信號幅度的特征量工程實用中，常常用一些特征量表示衰落信號的幅度特點1）場強中值：具有50%概率的場強值場強值高于規(guī)定電平值的持續(xù)時間占統(tǒng)計時間的一半時， 則規(guī)定的那個電平值即為場強中值。在T時間內場強超過Eo電平值的概率為：TOC\o"1-5"\h\ztit2■t3 Jp- - -100%八ti/T100%\o"CurrentDocument"T y當p=50%時，E0為場強中值；當p=80%時，E0為超過80%場強值。-）衰落率N:單位時間內的場強包絡與場強中值相交次數的一半vvf J3N= =1.8510vf（MHz） （-.1-）■/- c/2衰落率與發(fā)射頻率、移動臺行進速度、方向及多徑傳播的路徑數有關。 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。對于900MHz移動用戶，當其以60Km/h的速度在傳播方向上行駛時，其平均衰落率：N=1.85*103*60*900=100Hz。電平通過率（LevelCrossingRate，LCR）:單位時間內的場強包絡與給定電平相交次數的一半。在數學上可表示EzfTfmW （-.1-）其中r=RrmS，Rms=''-'3）衰落深度：接收電平與場強中值之差。衰落深度=20log尋dB一般情況，衰落深度與衰落率有關。 即深度衰落發(fā)生次數較少，淺度衰落發(fā)生頻繁。衰

減20dB概率為1%，衰減30dB和40dB的概率分別為0.1%和0.01%4）平均衰落持續(xù)時間：場強低于某一給定電平值的平均持續(xù)時間。在移動通信中，當接收機電平低于接收機門限電平時， 就可能造成話音中斷或產生信令誤碼，知道了衰落持續(xù)時間,就可以判斷語音傳輸受影響的程度或者突發(fā)錯誤的長度。其定義式為:1Nt丄：iTi4 _P(心R)NrNt/T(2.14誤碼，知道了衰落持續(xù)時間,就可以判斷語音傳輸受影響的程度或者突發(fā)錯誤的長度。其定義式為:1Nt丄：iTi4 _P(心R)NrNt/T(2.14)瑞利衰落情況下的平均衰落持續(xù)時間:(2.15)t_1若設。Zfm—e，-1TO(2.16),則有：(2.17)例1設移動臺速度為100m/s,工作頻率為1000MHz，試求1min內信號包絡衰減至信號均方根電平的次數。平均衰落時間是多少