移动通信系统中的信道特性.ppt

移动通信系统中的信道特性 学习目标 l学习完成本课程您将会： 了解移动通信中的无线传播和信道的特性 了解移动通信中的抗衰落技术 无线传播特性 l无线传播的特性 l无线信道的特性 l大尺度路径损耗 l小尺度衰落和多径效应 l无线信道抗衰落技术 l移动通信系统中信号传播的效应 无线传播特性 l传播的开放性 l接收点地理环境的复杂性与多样性 l通信用户的随机移动性 无线传播特性 1、传播的开放性 l一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的 。 无线传播特性 2、接收点地理环境的复杂性与多样性 l一般可将地理环境划分为下列四类典型区域： l高楼林立的城市中心繁华区，也称密集城区； l一般楼宇的城市区域，也称一般城区； l以一般性建筑物为主的近郊小城镇区，也称郊区； l以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。 无线传播特性 3、通信用户的随机移动性 l慢速步行时的通信； l高速车载时的不间断通信。 无线信道的特性 l无线传播的特性 l无线信道的特性 l大尺度路径损耗 l小尺度衰落和多径效应 l无线信道抗衰落技术 l移动通信系统中信号传播的效应 无线信道的特性 l时延扩展 l频域扩展 无线信道的特性 l时延扩展信道的时间弥散性（Time dispersion） 无线信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的 距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄 的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。 无线信道的特性 l频域扩展信道的频率弥散性（Frequency dispersion） 大尺度路径损耗 l无线传播的特性 l无线信道的特性 l大尺度路径损耗 l小尺度衰落和多径效应 l无线信道抗衰落技术 l移动通信系统中信号传播的效应 大尺度路径损耗 五种基本传播机制 l直射波（自由空间传播） l反射波 l绕射波 l散射波 l透射波 大尺度路径损耗 大尺度路径损耗 大尺度路径损耗 l1、直射波：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的 信号最强。 l2、多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点 的传播信号，其信号强度次之。 l3、绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信 号，其强度与反射波相当。 l4、散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射后到 达接收点的传播信号，其信号强度最弱。 l5、透射波：当射线到达两种不同介质界面时，有一部分能量透 射到第二种介质中。 透射会使场强产生急剧衰减。 大尺度路径损耗 路径传播损耗 l又称衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了 传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号 电平平均值的变化趋势。 小尺度衰落和多径效应 l无线传播的特性 l无线信道的特性 l大尺度路径损耗 l小尺度衰落和多径效应 l无线信道抗衰落技术 l移动通信系统中信号传播的效应 小尺度衰落和多径效应 l小尺度衰落：简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距 传播后其幅度快速衰落 小尺度衰落和多径效应 什么是多径 l在CDMA系统中当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度 时，这两个信号是不相关的，或者说是可分离的。我们习惯上将 某一可分离的信号叫做信号的径。 小尺度衰落和多径效应 小尺度多径传播表现为： l经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 l在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频 率调制。 l多样传播时延引起的扩展(回音)。 l在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑物矮很多，因而不存在从移动台到基站的 视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这样一条视距传播路径存在，由于地面与周围建筑 物的反射，多径传授仍会发生。入射电波以不同的传授方向到达，具有不同的传播时延。空间 任一点的移动台所收到的信号都由许多平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角 度。这些多径成分被接收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。即使移动接收机 处于静止状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中的物体的运动而产生衰落。 l 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落只与空间路径有关。 此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空间变化看作瞬时变化。在空间不同点的多径 波的影响下，高速运动的接收机可以在很短时间内经过若干次衰落。更为严重的情况是，接收 机可能停留在某个特定的衰落很大的位置上。在这种情况下，尽管可能由行人或车辆改变了场 模型，从而打破接收信号长时间维持失效的情况，但要维持良好的通信状态仍非常困难。天线 空间分集可以防止极度衰落以至于无效的情况。 l 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。移动引起的接收机信号 频移被称为多普勒频移。它与移动台的运动速度、运动方向，以及接收机多径波的入射角有关 。 小尺度衰落和多径效应 影响小尺度衰落的因素： l多径传播 l移动台的运动速度 l环境物体的运动速度 l信号的传输带宽 l无线信道中许多物理因素影响小尺度衰落，包括： l多径传播信道中反射及反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境，导致信号幅度 、相位及时间的变化。这些因素使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。不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号强度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现 象。多径传播常常延长信号基带部分到达接收机所用的时间由于码间干扰引起信号模糊。 l移动台的运动速度基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制，这是由于多径分量存在 的多普勒频移现象。决定多普勒频移是正频移或负频移取决于移动接收机是朝向还是背向基站运 动。 l环境物体的运动速度如果无线悟道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。若 环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。否则，可仅考虑 移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。 l信号的传输带宽如果信号的传输带宽比多径信道带宽大得多，接收信号会失真，但本地接收 机信号强度不会衰落很多(即小尺度衰落不占主导地位)。以后台看到信道带宽可用相干带宽量 化。这里，相关带宽是一个最大频率差的量度，与信道的特定多径结构有关。在此范围内，不同 信号的幅度保持很强的相关性。若传输信号带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速改变，但信号 不会出现时间失真。所以，小尺度信号的强度和短距传输后信号模糊的可能性与多径信道的特定 幅度、时延及传输信号的带宽有关。 小尺度衰落和多径效应 l多普勒频移 而且，由于移动通信中移动台的移动性，如前所说那样，无线信道中还会有多普勒效应。在移动通信中，当 移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。虽然 ，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通 信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动 通信的复杂性。 多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向，与无线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朗向入射 波方向运动，则多普勒频移为正(即接收频率上升)；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负(即接 收频率下降)。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽 小尺度衰落和多径效应 移动无线信道统计分析 l瑞利分布 l莱斯分布 l对数正态分布 小尺度衰落和多径效应 瑞利分布 l瑞利分布一般用来描述平衰落信号的接收包络或者多个多径 分量包络的统计时变特性。 小尺度衰落和多径效应 莱斯衰落 l当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路径，通过主 路径传输过来被接收的信号为一个稳定幅度Ak和相位k，或者 在媒质中，除了随机运动散射分量外，还存在固定散射或信号反 射分量，但其余多径传输过来的信号仍如上面“瑞利衰落概率模 型”所述。这种情况下，其包络的值A的概率分布不再具有零均值 ，包络具有莱斯分布 。 小尺度衰落和多径效应 对数正态分布 l由于建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的衰落，在时域上表现 为慢速扰动，即称长期衰落（long-term fading）。近似服从对 数正态分布，其概率密度函数为 小尺度衰落和多径效应 小尺度衰落产生的损耗 l慢衰落（阴影衰落）损耗 l快衰落（多径衰落）损耗 同时由于各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭 加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快 衰落。这种衰落是由多种路径引起的，所以称为多径衰落，也叫快衰落。 此外，接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化。主要是由地区位置的 改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号 的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。 小尺度衰落和多径效应 慢衰落（阴影衰落）损耗 l它是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的 阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收 电平的均值变化而产生的损耗，其变化率较慢故又称为慢衰落， 由于慢衰落表示接收信号的长期变化，所以又称长期衰落（long -term-fading）。 l慢衰落符合对数正态分布 阴影衰落 对数正态阴影衰落 由于受到地形地物等阴影的影响， 在信号到达处，经历了多次反射或 绕射的包含随机量的多个信号的叠 加信号，体现的分布是正态分布 典型的阴影衰落标准差是8dB 小尺度衰落和多径效应 小尺度衰落和多径效应 快衰落（多径衰落）损耗 l它主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射 、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互 叠加，其合成信号幅度和相位随移动台的运动表现为快速的起伏 变化，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而 产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰 落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落(short-term - fading）。 多径衰落 多径衰落 当接收机在可引起反射、绕射的复杂环境下移动时， 在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电平变化和激烈的相位摆动 小尺度衰落和多径效应 小尺度衰落和多径效应 快衰落 l空间选择性衰落 l频率选择性衰落 l时间选择性衰落 所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其衰落特性是不一样的 小尺度衰落和多径效应 空间选择性衰落 l不同的地点，不同的传输路径衰落特性不一样。多径信号到达天 线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展。角度扩展给出信号的主 要能量的角度范围，产生空间选择性衰落。 小尺度衰落和多径效应 频率选择性衰落 l如果在时变多径信道上发射端发射的是一个时间宽度极窄的脉冲 信号（理想情况下为一个冲激），经过多径信道后，由于各信道 时延的不同，接收端接收到的信号表现为一串脉冲，即接收信号 的波形比原脉冲展宽了。这种由于信道时延引起的信号波形的展 宽称为时延扩展。时延扩展产生频率选择性衰落。 小尺度衰落和多径效应 时间选择性衰落 l用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散。 频率扩散引起时间选择性衰落。 【为什么说TD系统中移动终端的速度不超过120km/s】：运动引起多普勒现象。目标的运动在时域上表现 为一定范围内的时延扩展，在频域上表现为一定的多普勒频偏。考虑频率扩展，多普勒频移fd与移动用户 的运动速的成正比，即fdv/波长，由于一个子帧的上行估计结果要用于下一个子帧的下行，为了避免时 间选择性衰落，需要满足相干时间1/fd时，取相干时间为5ms，则120km/h因此可以计算出来。 小尺度衰落和多径效应 链路余量 l在使用无线传播模型之前，需要考虑对所允许的最大路径损耗进行 余量预留，以补偿无线传播模型抽象过程中未考虑的一些情况。 总结 小尺度衰落快衰落（多径衰落） 小尺度上信号包络的变化是描述多径衰落的， 通常服从瑞利概率密度函数，因而也称为瑞利 衰落。 大尺度衰落 大尺度的传播机制描述的 是区域均值，具有幂定律 传播特征，即中值信号功 率与距离长度增加的某次 幂成反比变化 小尺度衰落慢衰落（阴影衰落） 小尺度的传播机制描述的是阴影衰落， 当以分贝表示时，这种变化趋向于正态 （高斯）分布，通常称为对数正态衰落 总结 总结 l综上所述，无线信道包括了电波的多径传播，时延扩展，衰 落特性以及多普勒效应，在移动通信中，我们要充分考虑这 些特性以及解决的方案。 无线信道抗衰落技术 l无线传播的特性 l无线信道的特性 l大尺度路径损耗 l小尺度衰落和多径效应 l无线信道抗衰落技术 l移动通信系统中信号传播的效应 无线信道抗衰落技术 1、扩频 2、Rake 3、交织 4、均衡 5、分集 6、信道编码 无线信道抗衰落技术 1、扩频 l香农公式：CB （1S/N），C为信道容量，B为信号带宽， S/N为信噪比。 l扩频序列利用了此公式的结论，当信道容量C不变时，提高信号 带宽B可以换取较低的S/N.（抗干扰）。根据B与S/N的关系可以 确定最大的信道容量。 l从另一个方面理解，扩频技术扩展了信道带宽，克服窄带信号的 频率选择性衰落特性。 无线信道抗衰落技术 扩频 无线信道抗衰落技术 2、Rake lCDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。这样，在 无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作只是被传信号的再次 传送。如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度（ WCDMA一个码片持续时间0.26us（多径分量之间的长度差光 速码片速率3.0108m/s3840000chip/s78m），这在无线 环境里面是很容易实现的（市区的典型值是1到2us），那么 它们将被CDMA接收机看作是互不相关的多径分量。 lRake接收机的核心：多径，延时，克服频率选择性衰落。 无线信道抗衰落技术 无线信道抗衰落技术 3、信道编码 l目的：信道编码是为了保证信息传输的可靠性、提高传输质量而 设计的一种编码。它是在信息码中增加一定数量的多余码元，使 码字具有一定的抗干扰能力。 l实质：信道编码实际上是以降低信息的传输效率为代价来增加码 字的抗干扰能力。 床前明月光 春眠不觉晓 白发三千丈 红豆生南国 床床前前明明月月光光 春春眠眠不不觉觉晓晓 白白发发三三千千丈丈 红红豆豆生生南南国国 床？前前明明月月光光 春春眠眠？不觉觉晓晓 白白发发三三？千丈？ 红红豆豆生生南？国国 信道编码技术举例信道编码技术举例 无线信道抗衰落技术 l传播路径可分为直射传播和非直射传播。一般情况下，在基站和移动台之间不存在直射信号，此时 接收到的信号是发射信号经过若干次反射、绕射或散射后的叠加。而在某些空旷地区或基站天线较 高时可能存在直线传播路径。 l由于高大建筑物或远处高山等阻挡物的存在，常常会导致发射信号经过不同的传播路径到达接收端 。这即是所谓的多径传播效应（Multipath Propagation）。各径信号经过不同的路径到达接收端时， 具有不同的时延和入射角，这将导致接收信号的时延扩展（delay spread）和角度扩展（angle spread）。 l另外，移动用户在传播路径方向上的运动将使接收信号产生多普勒（Doppler）扩展效应，其结果是 导致接收信号在频域的扩展，同时改变了信号电平的变化率。 l归纳起来，在传播上会产生三类不同的损耗 l路径传播损耗：又称为衰耗，它是指电磁波在宏观大范围（即公里级）空间传播所产生的损耗，它 反映了传播在空间距离的接收信号电平的变化趋势。 l大尺度衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生 的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态 分布，其变化率较慢又称为大尺度衰落。 l小尺度衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映微观小范围内数十波长量级接收电 平的均值变化而产生的损耗，一般遵从Rayleigh（瑞利）或Rician（莱斯）分布，其变化率比慢衰耗 快，所以称为小尺度衰落，它又可以划分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落 。选择性是指在不同的空间、频率、时间，其衰落特性是不一样的。 无线信道抗衰落技术 4、交织 l交织可以在不附加任务开销的情况下，使系统获得时间分集。对 抗时间选择性衰落。重要特点是将突发性误码连续错误变成了随 机性的独立差错。它的缺点是有造成系统延时，交织的区间越大 ，其抗误码性能越好，但带来的延时也越大，需要平衡两者之间 的关系。 床春白红？ ？前眠发豆 明不三生明不三生 月觉千南月觉千南 光晓丈国光晓丈国 床前明月光 春眠不觉晓 白发三千丈 红豆生南国 床床前前明明月月光光 春春眠眠不不觉觉晓晓 白白发发三三千千丈丈 红红豆豆生生南南国国 床春白红床春白红 前眠发豆前眠发豆 明不三生明不三生 月觉千南月觉千南 光晓丈国光晓丈国 床？前明明月月光光 春？眠不不觉觉晓晓 白？发三三千千丈丈 红？豆生生南南国国 编码交织 去交织 解码 突发错误 交织技术举例交织技术举例 无线信道抗衰落技术 无线信道抗衰