移动通信系统中的信道特性.doc

移动通信系统中的信道特性课程目标：l 了解无线传播特性l 了解无线衰落l 掌握TD中抗衰落的技术参考资料：l 参考资料1目 录第1章 概述1第2章 无线电波传播特性22.1 移动无线电传播环境22.1.1 无线传播环境之LOS32.1.2 无线传播环境之NLOS32.1.3 无线传播环境之穿透到室内42.2 接收点地理环境的复杂性与多样性42.2.1 典型密集城区地理环境42.2.2 典型普通城区地理环境52.2.3 典型郊区环境62.2.4 典型农村环境62.3 几种基本传播机制72.3.1 直射波（自由空间传播）72.3.2 反射波82.3.3 绕射波82.3.4 透射波92.3.5 散射波9第3章 无线信道衰落103.1 移动无线信道统计分析103.1.1 瑞利分布103.1.2 莱斯分布113.1.3 对数正态分布123.1.4 慢衰落123.1.5 快衰落133.1.6 多普勒频移193.2 衰落对数字通信系统性能的影响203.2.1 时延扩展203.2.2 频域扩展213.2.3 场强的随机快速起伏213.2.4 四类衰落信道22第4章 无线信道抗衰落技术244.1 扩频244.2 Rake254.3 交织254.4 均衡264.5 分集274.6 信道编码27-27-第1章 概述& 知识点l 概述l 本课题主要从：无线电波的传播特性、无线信道衰落、衰落对无线信道的影响、抗衰落技术等方面来介绍信道特性。介绍了和无线信道特性有关的一些基本的概念；引入了典型传播环境的实例图解，图文结合有助于理解一些传播环境；本文没有过多的用高等数学来推导一些结论，主要对信道特性达到理解程度。关于第三章节介绍的抗衰落技术，在本文中只是简单介绍，由于文档类别和页数限制没有做详细的阐述。 第2章 无线电波传播特性& 知识点l 视距非视距传播环境l 城区环境划分l 无线传播机制现代通信的发展，尤其是在移动通信商业化后，手机、车载台等移动通信终端的出现使人们充分领略了现代生活的风采。在享受其带来的种种便利时，我们也积累了很多诸如此类的“生活经验”：当我们在高速行驶的汽车上用手机通话时，接收到的信号往往不尽人意；当我们在城市的某一个角落时，接收到的语音质量常常让用户对运营商不满；当我们站在群峰之巅，“一览众山小”时，却不能用手机向朋友直抒胸臆为什么会有这些遗憾呢？我们知道，移动通信正是以其可移动性而具有强大的生命力，但是这也使得移动通信的无线电传播环境比有线通信更加恶劣。一方面，携带信息的电磁波的传播是扩散的，另一方面，地理环境复杂多变、用户移动随机不可预测，所有这些都造成了无线电波传播的损耗。因此，对无线电传播环境的了解、研究，对于整个移动通信系统的无线方面的优化和无线通信系统的发展至关重要。2.1 移动无线电传播环境大家都知道：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。基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径，我们称之为无线移动信道。从某种意义上来说，对移动无线电传播环境的研究就是对无线移动信道的研究。其中传播路径可分为直射传播(LOS，Line-of-sight)和非直射传播(non LOS)。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射传播路径。2.1.1 无线传播环境之LOS图 21 LOS无线传播环境2.1.2 无线传播环境之NLOS 图 22 NLOS无线传播环境2.1.3 无线传播环境之穿透到室内图 23 室内穿透传播环境在复杂的环境中，接收到信号可能是直射波、地面反射波和散射波的合成信号，接收到的合成场强为各部分的矢量合成波，从而产生多径效应。即使收发之间存在LOS环境，由于地面及周围建筑物的反射影响，多径仍然存在。由于多径是同一信号源经过不同的路径进行传播，存在微小的时延差到达接收点，由于矢量的叠加，会引起信号的幅度的变化。其变化的程度取决于多径信号的幅度、时延以及传播信号的带宽。信道的时变性引起信号频率的展宽，导致Doppler效应。信道的多径传播会引起信号在时间上展宽应导致频率选择性衰落。2.2 接收点地理环境的复杂性与多样性 2.2.1 典型密集城区地理环境环境描述：地形平坦，地物分布密集，不均匀，多数街道比较狭窄，10层以上高楼较多，地物高度上不均匀。 图 24 典型密集城区地理环境图2.2.2 典型普通城区地理环境环境描述：地形平坦，地物分布非常密集，均匀，多数街道为狭窄的小巷子。无高楼，所有建筑物几乎都在25米以下，平均建筑物高度1015米，高度较均匀 。图 25 典型普通城区地理环境2.2.3 典型郊区环境环境描述：地形略有起伏，地物不规则分布，有村落、厂房、田地、小山丘等多种场景。村落内民房分布较紧凑，其余建筑分布稀疏。建筑物均较低矮，平均高度为1520m以下。图 26 典型郊区环境2.2.4 典型农村环境环境描述：近端地形平坦，远端地形有较大波动，为城乡结合部，建筑物分布不均匀，有些地方密集，有些地方稀疏，道路比较宽敞。建筑物均较低矮，平均高度为1520米以下。图 27 典型农村环境2.3 几种基本传播机制由于高大建筑物或远处高山等阻挡体的存在，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)。另外，移动用户在传播径向方向的运动将使接收信号产生多普勒(Doppler)扩展，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。归纳起来，由于地理环境的复杂性和多样性，用户移动的随机性和多径传播现象等因素的存在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。人们通过理论分析和长期的实际观测，建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型。无论是慢衰落还是快衰落，从其产生的物理机理来看，都离不开电磁波传播的五种基本机制：直射、反射、绕射、透射、散射。因此，对移动无线电传播环境的分析将从这五种基本传播机制开始。2.3.1 直射波（自由空间传播）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。 在实际环境中很难找到理想的自由空间，即直射波的传播，但在研究移动通信环境电波传播问题时往往作为各种传播环境的比较标准。自由空间中距发射机处辐射功率密度为 式中为发射功率，为发射天线增益。假设接收天线增益为，有效面积为 因此，接收天线的接收功率为 2.3.2 反射波它是在电波遇到比波长大得多的物体时发生的，比如地面、建筑物墙体表面的反射等。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。 自由空间传播中的有关公式只能用于非常严格的条件下，实际的移动无线传播总是受到阻挡或地面的反射。在此种情况下，我们主要考虑两种情况，球形地面的反射，和平坦地面的反射。球面发射即收发天线之间距离足够远，以致必须考虑到地面表面的曲率影响；平坦地面反射即收发天线之间距离足够小，以致可以忽略地球表面的曲率影响。2.3.3 绕射波它通常发生在发射机和接收机之间视距路径受到阻挡的情况下。由阻挡面产生的二次波出现在整个空间中，甚至当发射机和接收机之间不存在视距路径时，在阻挡物的阴影区内会绕过阻挡物产生弯曲波。其强度与反射波相当。 惠更斯原理绕射现象可以用惠更斯原理解释，即波前上所有点可作为产生次级波的电源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。绕射波是由次级波的传播进入阴影区形成的。阴影区绕射波场强就是围绕障碍物所有次级波的矢量和。菲涅尔区菲涅尔区表示从发射机到接收机的次级波路径长度比视距路径长度大的连续区域，即每个圆的射线超过部分的路径长度为。因此，相邻同心圆发出的次级波到达接收机的路径差为，即穿过第同心圆的路径长度为，其中为和之间的距离。这些圆成为菲涅尔区，其中为第一菲涅尔区。第个菲涅尔区半径可近似表示为 该近似式仅适用于的情况。在电波传播中，对次级波的阻挡产生的绕射损耗仅有一部分能量能绕过阻挡物，即一些菲涅尔区发出的次级波被阻挡。根据阻挡物的几何特征，接收能量为非阻挡菲涅尔区所贡献能量的矢量和。2.3.4 透射波主要发生在室外向室内传播的情况下，而在室外由于透射传播方式的信号与其他方式相比显得很弱，因此往往不考虑。当射线到达两种不同介质界面时，将有部分能量发射到第一种介质中（即反射线），另一部分能量透射到第二种介质中（即透射线和折射线）。对室外传播，投射线的影响很小。当射线透射过建筑物外墙时，由于透射后遇到后续障碍物引起场强衰减很快。因此，再返回到室外介质的射线场可以忽略。对室内传播现象，透射过墙体的射线起重要作用，因此室内传播模型必须考虑透射线。穿过墙体的透射线可以用透射系数，该透射系数可以对典型建筑物墙体用测量方法获得，但经验透射系数没有考虑到诸如入射线，墙体厚度等参数的影响。2.3.5 散射波发生在电波传播时遇到许多尺寸小于波长的散射体的情况下，主要由粗糙表面、小散射体或其他不规则物体引起的，比如城市环境的树叶、街道广告牌和灯柱等就是散射体。其信号强度最弱。图 28 电磁波的反射，散射，和绕射的实例第3章 无线信道衰落& 知识点l 无线信道特性l 信道衰落类型无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有权度的随机性，特别难以分析电磁波传播的机理是多种多样的。由无线电波的传播特性我们可以知道：发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗；此外，由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减，甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决一般利用统计方法，并且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行。3.1 移动无线信道统计分析3.1.1 瑞利分布 概念：如果衰落是由各向同性的多径引起的，则接收到的信号是一个复高斯随机过程，复高斯随机过程的包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布，因此这样的衰落信号称为瑞利衰落。在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量是相当多的，所以信道的冲激响应表示如下2： ，其中，L代表到达多径的条数； Al代表第l条路径的信号幅度； l代表第l条路径相对第一条路径（=0）的时延； l代表第l条路径的信号相位。 当径数较多时，可假设没有直射信道，因此信道的冲激响应h()可以看成一个零均值复高斯过程，其包络的值A符合瑞利分布，分布函数p(A)为： 信号包络的均值为，方差为2。 相位符合均匀分布的，分布函数p()：。此种信道被称为瑞利信道。 值得注意的是，瑞利衰落和时间选择性衰落、空间选择性衰落、频率选择性衰落是两个层面、两个角度的概念，不能划在一起。当发射机和接收机之间没有很强的视距传播路径时，瑞利分布是一个很好的信道传播模型。它可以适当地表示市区中的信道条件，其中大楼会阻碍视距传播路径，而且信号被各种物体反射后，在接收端时间上被展宽3.1.2 莱斯分布概念：当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路径，通过主路径接收到一个稳定幅度Ak和相位k的信号；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，其信号幅度包络的值A的概率分布不再具有零均值，其分布函数p(A)为： ，此种信道被称为莱斯信道。其中I0( )为贝塞尔零阶函数。需要注意的是瑞利衰落是莱斯衰落的特殊形式。快衰落不等同于瑞利衰落，如果多径中存在一条主径，则接收到的信号幅度包络服从莱斯分布，这样的衰落就是莱斯衰落。在农村环境中，阻碍信号物体较少，多径信号包括一条很强的视距传播路径以及少量的反射路径，频谱功率呈莱斯分布。直射路径的到达角度和直射路径与其它路径之间的功率之比相结合，决定了来自直射路径能量对多径衰落的正态瑞利模型会有多大影响。3.1.3 对数正态分布概念：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）。接收信号幅度值近似服从对数正态分布，其概率密度函数为：x为表示信号电平慢扰动的随机变量，的标准值为8dB。3.1.4 慢衰落概念：接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变化称为慢衰落，一种典型的慢衰落就是阴影衰落。这是由于电波在传播路径上遇到障碍物就会产生电磁场的阴影区，当手机通过不同的阴影区时，就会引起中值变化。在相同的T-R距离情况下，不同位置的周围环境差别非常大，由于阴影效应，导致路径损耗为随机的对数正态分布(Lognormal Distribution)。可见，阴影衰落是随位置的较大变化（数十个或数百个波长以上的变化，而非数个波长以内的位置变化）而造成的缓慢衰落，亦称地形衰落或位置衰落。服从对数正态分布的阴影衰落在当信号用分贝表示时就成为正态分布，既有如下概率密度函数：式中，为信号中值的分贝值为信号中值的均值（分贝）为信号中值的标准方差（分贝）随频率、天线高度和环境而变化，在市郊最大，在开阔地区最小，其值通常在512dB。为什么阴影衰落可用对数正态分布来描述呢？可以简单证明如下。假设在传播路径上引起信号衰减的各个物体的作用相互独立，那么整个衰减值A可以简单的表示为（其中N个阻挡体引起的衰减分别为，）： 用dB表示时，为：其中，是随机变量，按照中心极限定理，是高斯随机变量，所以，就服从对数正态分布。实际上，并不是所有的阻挡体对信号衰减的贡献都相同，距离移动台近的贡献大。而且，单个绕射体的贡献不能简单相加，因此，严格来说，独立的假设并不合理。但是，当考虑了各种建筑物的高度、空间分布和建筑方法以及树叶等引起的衰减时，实际的分布和对数正态分布非常接近。慢衰落，除了上面所说的阴影衰落外，由于大气参数变化引起折射率的缓慢变化还形成另一种慢衰落，经测定，它也服从对数正态分布。所不同的是，该种慢衰落在移动台静止时也存在，它是随时间的慢变化。所以，实际上的慢衰落是随地点变化和时间变化的两种衰落综合而成的。这两种变化相互独立，它们的联合概率分布的标准方差为，其中和分别是随位置分布和时间分布的标准方差。体现了地形地貌对电波传播的影响大小。阴影衰落的速度与地形地貌、用户移动的速度有关，而与载波频率无关。但是阴影衰落的深度却是与载波频率相关的，这是因为低频信号比高频信号具有更强的绕射能力。3.1.5 快衰落概念：移动台在移动时，接收信号除了其场强中值随位置和时间发生慢衰落外，信号的振幅在数个波长以内还有着迅速的随机变化，其变化范围可以达到数十分贝，这就是快衰落。这是由于电波在沿地表传播中会受到各种阻碍物的反射、散射和吸收，实际到达接收天线处的电波除了来自发射天线的直射波外，还存在来自各种物体（包括地面）的反射波和散射波。反射波和散射波在接收天线处形成干涉场，此外，在移动通信中，还存在因移动台的快速移动而划过电波的波节和波腹的驻波现象及由于多普勒效应而造成的相移，凡此种种原因，就使得实际移动台接收到的场强在振幅和相位上均随时随地在急骤变化，使信号很不稳定，这就是天线电波的衰落现象，其中随时间急骤变化的部分（以ms计）称为“快衰落”或短期衰落。需要指出的是；固定通信时（或移动台静止时通信），虽然多径传播仍然存在，但由于静止，所收到的信号没有快衰落的现象，只有当有强烈反射的移动体经过附近（如会反射电波的车辆或飞机等），且干扰到接收的电波时，会有短暂的快衰落。另外，在固定通信中，多径时延扩展也存在，只是此时它是固定数值而不是随机变化的了，多普勒频移则不再存在。3.1.5.1 快衰落的定量特性 衰落速率和衰落深度衰落速率即信号包络衰落的速率，它可以用信号包络每秒以正斜率通过中值电平的次数来表示。衰落率与发射频率、移动台行进速度和方向以及多径传播的路径数有关。平均衰落速率可用下式来表示：平均衰落速率次秒可见，频率越高，速度越快，衰落越快。 电平通过率和衰落持续时间观察发现，衰落速度和衰落深度是有关系的：深度衰落发生的概率较小，浅衰落发生的概率大，为了定量的描述快衰落的这一特征，引入了电平通过率这一概念。电平通过率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过某规定电平的次数。当规定电平取为接收门限值时，则电平通过率就是单位时间内信号包络低于门限的次数；若规定电平为中值，则电平通过率就等于平均衰落速率。 平均衰落时间反映了信号电平在接收门限值以下的时间，对于数字通信系统，信号低于门限值时会导致误码，因此，平均衰落时间对于确定误码率有重要意义。3.1.5.2 快衰落损耗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）。仔细划分快衰落又可分为以下三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落、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。 空间选择性衰落 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。 空间选择性衰落用相干距离R描述， 其中为波长；为天线扩散角。 相干距离为两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，角度扩展越小。 接收天线距离小于相关距离，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干距离，信号的相关性变差，信道呈空间选择性衰落。 频率选择性衰落 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。 频率选择性衰落用相干带宽描述，其中为最大时延扩展。 相干带宽为信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。相干带宽越小，时延扩展越大；反之，相干带宽越大，时延扩展越小。 传输带宽小于相干带宽，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干带宽，信号的相关性变差，信道呈频率选择性衰落。 时间选择性衰落 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。由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移，它与移动用户的运动速度成正比。多普勒频移公式为其中v为移动台的运动速度；为无线电波长；为电波和移动台运动的夹角。 时间选择性衰落用相干时间T描述， 其中B为最大多普勒扩展。 相干时间为两个瞬时时间的信道冲激响应保持强相关时的最大时间间隔。相干时间越小，多普勒频移越大；反之，相干时间越大，多普勒频移越小。 取样时间间隔小于相干时间，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干时间，信号的相关性变差，信道呈时间选择性衰落。【为什么说TD系统中移动终端的速度不超过120km/h】：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移。考虑频率扩展，多普勒频移与移动用户的运动速成正比，即，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/时，取相干时间为5ms，则120km/h因此可以计算出来。3.1.5.3 快衰落和多径传播 快衰落，是指无线信号在经过短时间或短距传输后其幅度快速衰落，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。这些波称为多径波。接收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。快衰落多径传播无线信道的多径性导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为：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)。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，多径传输仍会发生。入射电波以不同的传输方向到达，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。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。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。3.1.5.4 影响快衰落的因素无线信道中许多物理因素影响小尺度衰落，包括：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。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。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。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。3.1.6 多普勒频移多普勒效应： 它是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户的运动速度成正比。多普勒效应产生快衰落。当移动台以恒定速率在长度为，端点为X和Y的路径上运动时收到来自远端源S发出的信号，如图下图所示。无线电波从源S出发，在X点与Y点分别被移动台接收时所走的路径差为。这里是移动台从X运动到Y所需的时间，是X和Y处与入射波的夹角。由于远端距离很远，可假设X、Y处的是相同的。所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为： 由此可得出频率变化值，即多普勒频移为； 由上式可看出，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。若移动台朝向入射波方向运动，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。3.2 衰落对数字通信系统性能的影响移动环境下由同一信源发出的经过不同路径到达的电波相互干涉造成了多径衰落（快衰落）。从系统设计的角度来看，在引起电波传播损耗的诸因素中，路径损耗和阴影衰落影响基站的覆盖范围，但总可以通过合理的系统设计消除其影响。而多径衰落则直接影响信号的质量，必须加以有效的抗多径措施，来消除多径衰落对信号质量的不利影响。多径衰落对数字通信系统性能的影响主要有：l 场强的随机快速起伏l 时延扩展l 随机调频3.2.1 时延扩展在多径传播环境下，由于传播路径的差异将导致多径信号以不同的时间到达接收端。如果发射端发送的只是一个单脉冲信号，那么接受端收到的将是多个具有不同时延的脉冲的叠加。显而易见，从时间域来看，接收信号出现了所谓的时延扩展。时延扩展对数字信号的传输有重要影响。一方面，对扩频系统来说，如果两条多径信号之间的相对时延超过扩频信号带宽的倒数，即超过一个扩频码的脉宽，那么就称这两条多径信号是可分离的。扩频系统可以利用分集接收技术（如RAKE接收机）合并可分离的多径信号，从而改善接收信号的质量。另一方面，如果多径传播产生的时延扩展大于码元宽度，将使前一码元波形扩展到相邻码元周期内，就会产生码间串扰(ISI，Inter Symbol Interference)，导致接受波形的失真。显然，时延扩展与信道的电波传播环境密切相关，不同时间、地域和用户情况的信道，其时延扩展量有着显著的差异。因此，我们有必要把时延扩展视为统计变量，并考虑其统计参数。参考：TD中TA值的变化情况可以更清楚的理解时延扩展。3.2.2 频域扩展是信道的频率弥散性（Frequency dispersion）。从频域来看，时延扩展可以导致频率选择性衰落。频域中相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。也就是说，衰落信号中的两个频率分量，当其频率分量小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性；当频率间隔大于相关带宽时，它们就不相关了，其衰落不具有一致性。对于具有某一时延扩展值的移动信道，衰落信号中的两个频率分量是否相关，取决于它们的频率间隔。对于某个特定的移动环境，其时延扩展可由大量实测数据经过统计处理计算出来，从而其相关带宽也是确定的，也就是说相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关。所以当信号通过时，是出现频率选择性衰落还是出现非频率选择性衰落，仅仅取决于信号本身的带宽了。对于数字移动通信系统来说，当码元速率较低，信号带宽远小于信道相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，则信号波形不失真，无码间串扰，此时的衰落为平坦衰落；反之，当码元速率较高，信号带宽大于信道相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化不一致，将引起波形失真，造成码间串扰，此时的衰落为频率选择性衰落3.2.3 场强的随机快速起伏慢速度步行时的通信和高速车载时的不间断通信等等通信环境中，接收信号会发生频率偏移，称为多普勒频移。假设发射频率为，对于到达接收端的某条径，若其径向与移动台移动方向的夹角为，则多普勒频移值为，这里，为最大多普勒频移。此时，接收频率不再是，而是。由于移动台在不停的运动，夹角在不停的变化，且变化是随机的，因而接收信号的频率也在随机变化，衰落信号中频率的这种随机变化称为随机调频（Random FM）。对于载频为的发射信号，接收信号是许多经过多普勒频移的平面波的合成。设该场是有N个平面波合成的，当N 时，接收天线在和角度内的输入功率趋于连续。在角度上的内所有输入功率表示为.假设：接收天线在水平面上是定向的，天线增益为小区基站天线的极化角与移动台天线的相同则：在角度内的接收功率可表示为： 考虑多普勒频移，当到达信号与移动台移动方向有一定角度时，接收的频率为： 其中。由于接收功率的对角度的微分与功率对频率的微分相等，得： = 又当时，。故： 这是移动台接收天线输出的功率频谱密度。3.2.4 四类衰落信道上面我们详细讨论了多径传播产生的时域扩展和频域扩展。无论时域或频域中的扩展都意味着弥散，即本来分开的波形或频谱出现了交叠。出现了交叠的信道成为弥散信道。根据数字信号的码速率、带宽和多谱勒频展、时延扩展的关系，衰落信道可以分为以下四类：1非弥散信道，即平坦衰落(Flat Fading)2时间弥散信道，即频率选择性衰落3频率弥散信道，即时间选择性衰落4时间频率弥散信道，即时间选择性衰落和频率选择性衰落同时存在一般地，当码元传输速率较低时，衰落信号处于频率弥散信道。而当码元传输速率较高时，衰落信号则处于时间弥散信道。第4章 无线信道抗衰落技术& 知识点l 扩频l Rake技术l 交织l 均衡l 分集l 信道编码随参信道的一般衰落特性和选择性衰落特性，是严重影响信号传输的重要特性。至于前面所说的慢衰落特性，因为它的变化速度十分慢，通常可以通过调整设备参量（如调整发射功率）来弥补。而为了抗快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。在不同的系统中有不同的编码方式，来消除干扰和提高无限信道的韧性4.1 扩频香农公式：CB （1S/N），C为信道容量，B为信号带宽，S/N为信噪比。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。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。图 41 扩频原理4.2 RakeWCDMA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