（电磁场与微波技术专业论文）移动通信中衰落与系统带宽关系研究.pdf

摘要 摘要 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约，多径衰落是移动无线信道最基本 的特性之一。本文的研究课题主要是针对移动无线信道多径衰落特性，通过比较移动通信 系统中宽带和窄带接收系统电平特性，提出等效接收带宽的概念，研究移动通信系统中快 衰落与系统的等效接收带宽之间的关系。 本文首先介绍移动通信中大尺度衰落、阴影衰落、小尺度衰落的特性，重点分析了与 移动通信密切相关的小尺度衰落的特性和分类。接着通过m a t l a b 仿真，比较了移动通信系 统中宽带和窄带接收系统信号电平的变化和分布，可知宽带接收系统的电平变化和衰落深 度都小于窄带接收系统的，为后面的宽带接收系统衰落深度的分析奠定了理论技术基础。 文中最后讨论了衰落深度与等效接收带宽的关系，随着等效接收带宽的增加，衰落深 度降低，并且提出了一个根据等效接收带宽函数和莱斯因子推导衰落深度的估算方法，并 且把这个方法应用于一个简单的微小区和宏小区环境中，得到不同带宽系统的衰落深度， 对在复杂传播环境下进行无线信道特性和无线通信系统性能的研究具有较为重要的理论 意义和实用价值。 关键词：多径衰落衰落深度信道特性等效接收带宽信号电平 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em o b i l ec h a n n e lw i l l a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s m u l t i - p a t hf a d i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c si nw i r e l e s sc h a n n e l s t h ep a p e r c o m p a r e dt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nw i d e - b a n da n dn a r r o w - b a n dr e c e i v e ds y s t e m s t h e nap r o p a g a t i o np a r a m e t e r e q u i v a l e n tr e c e i v e db a n d w i d t hw a sp r o p o s e d i ti st h ep r o d u c to f t h er e c e i v e db a n d w i d t ha n dt h em a x i m u md i f f e r e n c ei nt h ep a t hl e n g t h t h ep a p e ra i m e da t r e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h o r t t e r mf a d i n ga n de q u i v a l e n tr e c e i v e db a n d w i d t h f i r s tt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fl a r g e - s c a l ef a d i n g ，s h a d o wf a d i n ga n d s m a l l - s c a l ef a d i n g s m a l l - s c a l ef a d i n gj st h ee m p h a s i sb e c a u s ei ti sc l o s et om o b i l e c o m m n n i c a t i o i l s t h e nw eu s e dm a t l a bt os i m u l a t et h ed i f f e r e n tc h a r a e t e r i s t i e sb e t w e e n w i d e b a n da n dn a l t o w b a n dr e c e i v e ds y s t e m s w ek n o wt h a tt h ew i d e - b a n dr e c e i v e ds i g n a l - l e v e l v a r i a t i o na n dd i s t r i b u t i o ni ss m a l l e rt h a nn a r r o w b a n dr e c e p t i o n t h em o s ti m p o r t a n ti s s u eo ft h i sp a p e ri st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf a d i n gd e p t ha n d e q u i v a l e n tr e c e i v e db a n d w i d t h i tc a nb es t a t e dt h a tt h ef a d i n gd e ：p t hd e c r e a s e sa ，se q u i v a l e n t r e c e i v e db a n d w i d t hi n c r e a s e s i nt h i sp a p e r ，am e t h o df o rd e r i v i n gt h ef a d i n gd e p t ha saf u n c t i o n o ft h ee q u i v a l e n tr e c e i v e db a n d w i d t ha n dt h er i c ef a c t o rf r o mas i m p l ea n a l y t i c a la p p r o x i m a t i o n i sp r e s e n t e d w ea p p l yt h em e t h o di n t om i c r o e e t l u l a ra n dm a c r o c e l l u l a re n v i r o n m e n ta n dg e tt h e f a d i n gd e p t hi nd i f f e r e n ts y s t e m s i n v e s t i g a t i n gi n t ot h ec o m p l e xw i r e l e s sc h a n n e l si nt h el a bi s i m p o r t a n ta n d v a l u a b l et ot h er e s e a r c hi nw i r e l e s sc h a n n e l sc h a r a c t e r i s t i c sa n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m u l t i - p a t hf a d i n g ；f a d i n gd e p t h ；c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c ；e q u i v a l e n tr e c e i v e d b a n d w i d t h ；s i g n a ll e v e l i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电磁场与微波技术 研究方向：移动通信与网络优化 作 者：j 塑级研究生郑岚 题目：移动通信中衰落与系统带宽关系研究 英文题目：f a d i n gd e p t hd e p e n d e n c eo ns y s t e m b a n d w i d t hi n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 主题词：多径衰落衰落深度信道特性等效接收带宽 信号电平 k e y w o r d s ：m u l t i - p a t hf a d i n g f a d i n gd e p t h c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c e q u i v a l e n tr e c e i v e db a n d w i d t hs i 印a ll e v e l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： l l 期 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 导师签铣鎏叁丝日期：型：兰：岁 南京邮电大学硕士研究生学位论义 第一章绪论 1 1 论文的选题背景和意义 第一章绪论 研究和开发数字移动通信系统工程的首要工作就是认识移动信道本身的特性，并研究 无线信道所带来的一些相关特性。在规划和建设城市蜂窝数字移动通信网时，从选择频段、 分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可用度以及系统内和系统间的电磁干扰，到最 终确定无线设备的参数，都有赖于对信道及电波特性的了解。可以认为，城市微区的信道 和传播问题是研究微蜂窝数字移动通信的系统工程规划与设计所应了解的基本问题，是具 有实用性价值和理论性价值的问题。 实际上移动无线信道与电波传播已成为许多理论分析和现场实测的课题，并已经得到 了许多有关其特性的结果。然而由于移动无线信道的复杂性使得仍有许多待研究的课题， 例如不能用单一的数学模型来描述所有的移动环境。移动通信信道中的电波传播要受到频 率、距离、系统接收带宽、极化方式、天线高度、地形、地物以及各种散射体与反射体的 电特性参数等多种因数的影响。在特定的环境中，主要取决于频率、距离和天线高度。随 着移动体种类的不同，传播环境的变化以及使用频段的差异，移动通信的传播方式各不相 同，其传播特性也不一样。传播环境对移动信道特性起关键的作用。确定城市内某个特定 区域传播环境的主要因素包括自然地形、市区内人工建筑的数量、高度、分布等情况、天 气状况、自然的和人为的电磁噪声状况等。 城市微小区移动信道的主要特征是多径传播。由于城市的建筑环境非常复杂，无线电 信号在传播过程中会遇到各种类型的散射体和反射体，包括各种建筑物，纵横交错的街道 以及运动的大量行人和车辆等，这些都会引起信号能量的吸收和穿透，以及电波的反射、 散射和绕射。所以城市微蜂窝系统的无线电传输信道应看作种时变信道。如果移动通信 系统的发射天线发出一种信号，经过移动信道传播后，到达移动台天线的信号不是来自单 一路径，而是来自许多路径的众多绕射波和反射波的合成。由于电波通过各条路径的距离 和反射点的反射系数不同，所以来自各条路径的反射波到达时间和相位以及大小也不同。 不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同向叠加而增强，有时反向叠加而衰减。这样， 接收信号在时域、频域和空域上都将发生急剧变化，即产生了衰落。这种衰落就是多径衰 落。另外移动信道特性还受系统工作频率和移动台运动状况的影响。在相同地区当工作频 率不同时，则接收信号的衰落情况也有差异。并且静止或低速行走的持机行人所面i 临的移 1 查塞l 婴! 查兰竺主竺塾生兰垡堡苎兰二主堕笙 动环境与高速运动的车辆有很大的不同。 为了评价移动通信设备的性能，通常要在陆地移动环境中反复进行长时间的测试。这 不仅造成时间上、人力物力上的浪费，而且由于电波传播信道的时变特性，在不同的测试 时间里，不可能保持完全相同的测试条件，从而使测试工作遇到很大的困难。为了解决这 些问题，缩短研制周期，节省科研费用，于是提出在实验室里模拟移动无线信道的设想。 无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点。这是因为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，如建筑物、山脉和树叶等。无线信道不像有线信道那样固定 并可预见，而是具有极度的随机性，特别难以分析。甚至移动台的速度都会对信号电平的 衰落产生影响。 从微小区的移动基站向移动台发出无线信号，在传播的过程中不仅受到陆地传播路径 损耗的影响，而且受到市区时变环境的多径反射、散射、绕射和吸收的严重影响，从而产 生传播信号的衰落。如果在一个时变多径信道上发射一个非常窄的脉冲( 理想的情况是一 个冲激信号) ，则接收信号将呈现一个脉冲序列。所以时变多径传播信道的第一个特性就 是引起传播信号的多径时延扩散。第二个特性是由于传播信道的随机时变特性而使得多径 也随机时变的特性，即所接收的脉冲信号随时间变化将会出现脉冲幅度大小的变化和各脉 冲之间相对时延的变化，以及接收序列中脉冲数目的变化。由于这种时变特性对信道用户 来说是无法预知的，因此用统计的方法来表征时变多径信道是合理的。 应该注意到，由于移动环境的复杂性而不能建立单一的模型。不同的模型是从不同传 播环境的实测数据中归纳而得出的，都有一定的使用范围。进行系统工程设计时，模型的 选择是很重要的，有时不同模型会给出不同的结果。本文建立了一个包括直达波和非直达 波的传播模式，在这个模式的基础上讨论具有不同接收带宽的移动通信系统中无线电波的 衰落特性。 综上所述，建立移动通信系统的无线信道模型显得极其重要，同时对信道的相关特性 及移动系统的相关特性进行深入的研究和分析，以揭示无线信号传播的更为细致的规律， 这对于理论研究和工程应用都有着十分重要的意义。 1 2 本课题的研究现状分析 无线网络从第一代模拟移动通信，发展到第二代的数字移动通信，经历了漫长的过程， 其间，业务的重点始终集中于语音通信。随着i n t e r n e t 的发展，人们对移动通信的业赛 查室坚生查兰堡主竺壅生兰竺丝兰兰二垩笪堡 需求已经不满足于简单的语音通信，对个人多媒体业务的需求同渐增加。第三代以及未来 的第四代移动通信标准的提出，意在满足个人和企业对移动中的高带宽、多媒体、有高度 服务质量保证的网络需求。它们采用不同的技术标准，各个标准采用的信道接收带宽也不 尽相同。 在文献“，提出了一个大致将移动无线信道分成几类与物理传播环境相关的类型。在 移动通信系统中，宽带传输系统的接收信号特性不同于窄带接收系统的“。目前采用的 c d m a ( 码分多址) 技术主要应用于宽带无线信道，因此，研究宽带无线信道的特性是非常 必要的。在宽带和窄带无线传播中，慢衰落特性差别并不是很大，但是它们的快衰落特性 相差比较大。文献“”提出衰落环境中的通信系统的性能取决于很多参数，由于接收信号衰 落特性，所以为了获得所需的链路质量，必须设定足够的衰落余量。快衰落余量与系统带 宽有关，因此，对于典型环境中不同的系统，需要设置不同的衰落余量。文献“”阐述了宽 带和窄带多径衰落的特性，宽带信号能够提供更多的分集增益。文献“提出一个移动传播 模型，推导出接收信号表达式，得到信号电平分布等特性。在文献。”“”中阐述了宽带传 输系统的接收信号电平特性。为了规范化接收信号电平分布的研究，文献0 3 提出了等效接 收带宽( 蛳，。) 的概念，即系统的接收带宽和最大路径差的乘积。通过计算机仿真，可以 估算等效接收带宽与衰落深度之间的关系。文献“，论证了在描述瞬时接收信号电平分布 时，等效接收带宽是一个有效的传播参数。一般意义上的窄带传输系统是指等效接收带宽 小于i o m h z m ，其衰落深度仅取决于直达波和非直达波的功率比。宽带传输系统则是指带 宽大于1 0 , d h z m 的系统。当达波数比较少而等效接收带宽非常大( 近似1 0 0 0 m h z m 以上) 时， 衰落深度不仅取决于直达波和非直达波的功率比和等效接收带宽，还受到达波数量的影 响，同时拐点。也受直达波和非直达波的功率比和达波数量的影响。 1 3 本文的研究内容和意义 本文的研究内容如下： 1 分析无线移动信道的电波传播特性以及大尺度衰落、阴影衰落和小尺度衰落的基本特 征，并从时延扩展和时变特性对小尺度衰落进行了归类和总结，这些对移动通信信道 传播特性的研究以及移动通信系统性能的提高有重要的指导意义。 2 在建立传播信道模型之后，推导出该模型下的接收信号功率的公式，然后对接收信号 电平的变化与分布特性进行仿真，并对宽带接收系统和窄带接收系统信号电平特性进 行比较。 1 旦i 型5 里奎兰竺：! ：型壅兰堂堡丝苎 塑二皇竺堡 需求已经不满足于简单的语音通信，对个人多媒体业务的需求同渐增加。第三代以及未来 的第四代移动通信标准的提出，意在满足个人和企业对移动中的高带宽、多媒体、有高度 服务质量保证的网络需求。它们采用不同的技术标准，各个标准采用的信道接收带宽也不 尽相同。 在文献”“，提出了一个大致将移动无线信道分成几类与物理传播环境相关的类型。在 移动通信系统中，宽带传输系统的接收信号特性不同于窄带接收系统的”“。目前采用的 c d i a ( 码分多址) 技术主要应用于宽带无线信道，因此，研究宽带无线信道的特性是非常 必要的。在宽带和窄带无线传播中，慢衰落特性著别并不是很大，但是它们的快衰落特性 相差比较大。文献“提出衰落环境中的通信系统的性能取决于很多参数，由于接收信号衰 落特性，所以为了获得所需的链路质量，必须设定足够的衰落余量。快衰落余量与系统带 宽有关，凼此，对于典型环境中不同的系统，需要设置不同的衰落余量。文献。阐述了宽 带和窄带多径衰落的特性，宽带信号能够提供更多的分集增益。文献“”提出一个移动传播 模型，推导出接收信号表达式，得到信号电平分布等特性。在文献。“”中阐述了宽带传 输系统的接收信号电平特性。为了规范化接收信号电平分布的研究，文献9 1 提出了等效接 收带宽( w ，。) 的概念，即系统的接收带宽和最大路径差的乘积。通过计算机仿真，可以 估算等效接收带宽与衰落深度之问的关系。文献“1 ，论证了在描述瞬时接牧信号电平分布 时等效接收带宽是一个有效的传播参数。一般意义上的窄带传输系统是指等效接收带宽 小于l o m h z m ，其衰落深度仅取决于直达波和非直达波的功率比。宽带传输系统则足指带 宽大于l o m h z - m 的系统。当达波数比较少而等效接收带宽非常大( 近似1 0 0 0 m h z m 以上) 删， 衰落深度不仅取决于直达波和1 f 直达波的功率比和等效接收带宽，还受到达波数量的影 响，同时拐点w 。也受直达波和非直达波的功率比和达波数量的影响。 l - 3 本文的研究内容和意义 本文的研究内容如下： 1 分析无线移动信道的电波传播特性以及大尺度衰落、阴影衰落和小尺度衰落的基本特 征，井从明延扩展和时变特性对小尺度衰落进行了归类和总结，这些对移动通信信道 传播特性的研究以及移动通信系统性能的提高有重要的指导意义。 2 在建立传播信道模型之后，推导出该模型下的接收信号功率的公式，然后对接收信号 电平的变化与分布特性进行仿真，并对宽带接收系统和窄带接收系统信号电平特性进 电平的变化与分布特性进行仿真，并对宽带接收系统和窄带接收系统信号电平特性进 行比较。 3 一 南京邮电大学硕j 研究生学位论文第一章绪论 3 本文的重点是研究移动通信系统中衰落深度与系统带宽的关系，并且为了简便计算， 提出了一个近似解公式，对不同移动系统的衰落深度进行比较，最后还给出了在微小 区和宏小区环境的应用实例。 正是基于对以上背景的研究和当前的研究状况的分析，选择了本文的研究课题，针对 无线移动信道多径衰落特性，设计一个合适的移动信道特性仿真模型，并运用此模型实现 在实验室对微小区环境下的移动无线通信信道进行仿真和特性研究。由于为了评价移动通 信设备的性能，通常要在陆地移动环境中反复进行氏时问的测试。这不仅造成时间上、人 力物力上的浪费，而且由于电波传播信道的时变特性，在不同的测试时间里，不可能保持 完全相同的测试条件，从而时测试工作遇到很大的困难。本课题研究的主要目标就是为了 解决这些问题，缩短研制周期，节省科研费用，在实验室里，根据不同的环境和不同环境 下的移动无线通信信道，调整仿真模型中的参数，以仿真出需要的无线信道，这样就给在 实验室评价移动通信设备的性能提供了便利。而且无线信道特性作为移动通信最为基础的 部分，对它的研究将直接影响到移动通信系统的设计、系统性能的提高，因此本文的工作 对于移动通信的发展具有特定的意义。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动无线信道基本特性 2 1 引言 第二章移动无线信道基本特性 从移动基站向移动台发出的无线信号，在传播过程中不仅受到陆地传播路径损耗的影 响，而且受到市区内时变环境的多径反射、散射、绕射和吸收的严重影响，从而产生传播 信号的衰落。如果在一个时变多径信道上发射一个非常窄的脉冲( 理想情况下是发一个冲 激信号) ，则接收信号将呈现一个脉冲序列。所以时变多径传播信道的第一个特性就是引 起传播信号的多径时延扩散。第二个特性是由于传播信道的随机时变特性而使得多径也有 随机时变的特性，即所接收的脉冲信号随着时间变化将会出现脉冲幅度大小的变化和各脉 冲之间相对时延的变化，以及接收序列中脉冲数目的变化。由于这种时变特性对于信道用 户来说是无法预知的，因此用统计的方法来表征时变多径信道是合理的。 移动信道的多径环境所引起信号的多径衰落，可以从空间、时间和频率三个方面进行 描述。由于移动台随机运动的多普勒( d o p p l e r ) 效应引起的信道频率色散，造成了传播信 道的时间选择性衰落：由于环境使信号传播多径时延引起的信道时间色散，造成了传播信 道的频率选择性衰落；无线电波的多径到达角的扩展引起的信道角度色散，造成了传播信 道的空间选择性衰落。因此在城市的微小区移动通信系统中所接收信号的各种选择性衰落 与信道中存在的各类传播色散有着密切的关系，微小区移动无线信道也可以看作为衰落色 散信道。从衰落上看，它是时间频率空间选择性衰落信道；而从色散上看，它又 是频率时间角度色散信道。 本章的主要内容安排如下： 本章研究的是移动信道的衰落特性，其中包括大尺度衰落特性、阴影衰落特性和小尺 度衰落特性等，并从时延扩展和时变特性对小尺度衰落进行了归类和总结。这就为后面研 究移动信道的仿真模型提供了理论分析的依据。 2 2 无线信道的定义 在本文中，无线信道指无线通信中发射天线到接收天线之间的电波通路。对于无线电 波而言，从发送端到接收端并没有一个有形的连接，电波的传播路径也有可能不只一条( 多 径传播、反射等) 。为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动无线信道基本特性 个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。信道有一定的频带宽度，正如公路有一 定的宽度一样。 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。无线信道不像有线信道那样固定 并可预见，而是具有很大的随机性，通常难于分析。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一个关键问题，也是一个难 点。 2 3 移动无线信道中的电波传播特性 在复杂的移动无线通信环境中，电磁波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归结 为散射、反射和绕射。在城市的蜂窝无线环境中，由于周围高大建筑物的遮挡，从发射机 和接收机之间很少有视距路径传播信号( l o s ) ，到达接收机的信号都经历了各种障碍物的 绕射、反射和散射。因此，接收信号是由各种散射、反射和绕射信号组成，由于各个信号 的传播路径和传播时间不同，它们到达接收机的时间、幅度和相位也各不相同，这些信号 的相互作用造成了瞬时接收信号相位和幅度的随机波动，这也就是通常所说的多径衰落。 多径衰落是移动无线信道最基本的特性。 图2 1 对移动无线信道的衰落特性进行概括描述。 移动无线多径衰落信道 大尺度衰落 ii 阴影衰落 li小尺度衰落 覆盖预测ii 平翥鬈径ii 时问色散ji 角度色散il 频率色散 时延扩展li 角度扩展ii 多普勒频率扩展 鬻旧衰落ji 鬻懈剥鬻惯装 图2 1 移动无线多径衰落信道的特性分类图 文献”1 中指出，陆地移动通信无线信号可以用三种传播机制来表征，这三种传播机制 是根据距离尺度太小来区分的，大尺度的传播机制是用来描述区域均值，它具有幂定律传 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道基本特性 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；中尺度的传播机制描述的 是阴影衰落，它是重叠在大尺度波特性的中值电平上的平均功率变化，当用分贝表示时， 这种变化趋向于正态( 高斯) 分布，通常称为对数正态阴影分布；最后，小尺度上信号包络 的变化用来是描述多径衰落的，它通常服从瑞利概率密度函数，因而也称为瑞利衰落。 2 3 1 大尺度衰落特性 对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测以及特定位置附近 场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是 发射机和接收机之间( t r ) 长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化，所以被称为大尺度传 播模型。 大尺度衰落表征了由于移动台经过较大距离的运动而引起的平均接收信号功率衰减 或者路径损耗。大尺度衰落的统计特性给了我们一种将路径损耗的估计值以距离为因子的 函数计算方法，可以由均值路径损耗对数正态分布的均值为零来表示。 路径损耗代表的是大尺度衰落的传播特性，它具有幂定律的传播特征，主要反映自由 空间传播损耗与传播中的弥散损耗。在较早的受接收机噪声限制的移动通信系统( 通常称 为噪声受限系统) 中，路径损耗确定了信噪比( s n r ) 和最大覆盖范围。在频率复用的移动蜂 窝通信系统( 通常称为干扰受限系统) 中，路径损耗确定了同频、邻频的干扰程度，因此也 就关系到可以采用什么样的复用方案。对于移动无线系统，0 k u m u r a 1 对较大范围的天线 高度和覆盖区域作了路径损耗测试。t t a t a 。”将0 k u m u r a 的数据转换成了参数公式。对于移 动无线系统，平均路径损耗工。( d ) 是发射机与接收机之间距离d 的方程，它相应于距离d 处 以距离以处作为参照并遵守如下公式”： 珈，。c ( 2 1 ) 三。( d ) 经常以分贝表示： 一l p ( d ) 乩o ) + 1 0 州。g l o ( 纥) ( d b ) ( 2 - 2 ) 一般将宏小区的区域巩取为1 0 0 0 j f ，微小区耳a n l o o 。l p ( d ) 是在给定的d 值的平均 路径损耗( 经过不同的地点) 。幂指数n 与频率、天线高度以及传播环境有关。在自由空间 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道甚本特性 中，盯= 2 。当存在阻挡物时，”的值就l l 2 大。在离发射机为矗处的参考点的路径损耗为 l s ( d o ) ，一般通过测量或者使用自由空间路径损耗公式( 2 3 ) 计算得出。 l “= 3 2 4 4 7 8 + 2 0 l o g f + 2 0 l o g d o ( 2 3 ) 公式( 2 2 ) 中表达的路径损耗与距离的比值为一个均值，所以对于描述信号路径的细 节很不够详细。即使发射机与接收机之间的距离相同，不同地点的传播环境大不一样，所 以有必要提供变化值的均值。测量表明对于任意的d ，考虑了地形地物后，路径损耗三，( d ) 是一个遵守对数正态分布的随机变量。“。所以，路径损耗o ( 彩可以表示戍。( 矗) 加上一 个随机变量x 。 z 8 1 ： 姒d ) = l 。) + 1 0 l 0 9 1 0 ( 彤。) + x 。( d b ) ( 2 - 4 ) x 。为一个零均值随机变量( 用分贝表示) ，标准方差为盯( 用分贝表示) 。j 0 与距离 和地点有关。对于x 。的选择通常是基于通信质量：一般取值为6 一l o d b ，甚至更大。所以， 对于用统计的方法描述任意位置并且任意距离的发射机与接收机之间的路径损耗，下列参 数是必要的： 1 参考距离d 。； 2 路径损耗指数 ； 3 ，的标准方差。 2 3 2 阴影衰落特性 由于阴影遮挡、地形地物变化引起的信号中尺度变化，要采用高斯统计描述。由于起 伏地形和高度随机变化的成排建筑物的传播呈现的是慢衰落统计特性，或是小范围内取平 均的变化，这就给上一节介绍的路径损耗加上一个随机变化。 阴影衰落使所预测的路径损耗会产生相当大的变化。由于阴影变化是由基站和移动台 之间的地形地物，如在宏小区中的建筑物和丘陵以及在微小区中像车辆这样较小的物体所 产生。在宏小区中，障碍物的有效变化尺度一般为几百个波长，所以阴影的影响在几十个 波长内基本上保持不变。如果围绕一条以基站为圆心的圆形路线( 也就是保持基站和移动 查皇! ! ! ! ! 皇奎兰堡圭竺壅生兰竺堡兰堑三兰鳖垫耋竺堕堕茎查堡丝 台之问的传播路径长度不变的路线) 上收集数据时，在正态概率纸上画出的用分贝表示的 平均接收功率将是一线性分布，因而称为对数f 态阴影传播机制。 对数正态阴影传播机制是由于基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响，在信 号到达的时候，己经经历了多次反射或绕射，每次反射或绕射都可以用衰减来表征，也就 是每个单独的信号都是某种程度上衰减的随机变量，因此最后由多个随机变量( 即以基站 为圆心的圆形路线上各点的值) 叠加后的接收信号值就是对它们取对数后进行相加( 用d b 表示) 。由中心极限理论可知在一般情况下其和的分布是正态分布，因而显示出高斯统计。 在自然单位中( 即不采用d b 表示) ，其和对应于对数正态分布。如果把路径损耗和阴影变化 结合起来，在离基站距离为f f 处的几十个波长间隔上的平均接收功率为”3 ： = p 0 。一l o l o g d + q ，f ， ( 2 5 ) 这里的阴影变化电平q ，( 。】应该是具有o d 8 均值( 。2o f f b ) 的正态分布量，并与所在 位置有关。另外，如果在同样距离d 的另一些位置上测量平均功率的话，虽然不同的障碍 物在起作用，但将会发现画出了类似的高斯( 正态) 信号集合。可以看出( 2 5 ) 式就是前 面的( 2 4 ) 式。 2 3 3 小尺度衰落特性 小尺度衰落指的是由于在发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化( d , n 半个波 长) ，而导致信号幅度和相位较大的变化的现象。本文主要讨论小尺度衰落的两种机理， 一种是信号时延扩展，另一种是信道时变特性。时延扩展机理在时域描述成多径时延散布， 在频域中描述为信道相干带宽( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 。时变机理在时域描述成信道相干 时间( c o h e r e n c et i m e ) ，在频域( d o p p l e r 频移) 描述成信道衰落速率或者d o p p l e r 扩展。 对于移动无线系统，因为发射机与接收机之间的相对运动造成传播路径变化，所以信 道是时变的，这些传播特性的变化率决定了信号的衰落速率。小尺度衰落包含几种衰落模 式，其中一种为r a y l e i g h 衰落。当反射路径很多并且非视距( n l o s ) 环境，接收信号包络由 r a y l e i g h 过程描述。当有一个占主导地位的路径存在时，例如存在视距( l o s ) ，那么小尺 度衰落可以由r i c e 过程描述。当移动台在较大的区域内随机移动时，接收信号必定经历两 种衰落模式：阴影衰落和叠加在其上的小尺度衰落。 影响小尺度衰落的主要因素有多径传播、移动速度、周围物体的移动速度以及信号的 传输带宽。小尺度衰落根据传输信号的带宽、移动速度和不同的传播环境，可以分为四种 9 卫生些生查兰堡圭竺壅生兰丝堡苎笙三兰壁垫垂些笪垩苎查堑丝 不同的衰落类型频率选择性衰落与非频率选择性( 平坦) 衰落，时间选择性衰落与时间 非选择性衰落”1 ，如表2 一i 所示，其中，b 。为传输信号带宽，垃为信道的相干带宽，瓦为 传输码元周期，瓦为信道的相干时间。 表2 1 小尺度衰落的特性及分类 信道模型瓦 t o 非色散时间色散频率非选择性信道 b 。 成 时间一平坦衰落多普勒( 时间和频率) 色散频率选择性信道 时间非选择性时间选择性 或慢衰落信道或快衰落信道 2 3 3 1 相干时间和多普勒扩展 相干时间和多普勒扩展是描述信道时变特性方面的重要参数。这种时变特性或是由移 动台与基站之间的相对运动造成的，或是由信道路径中物体( 如汽车、人) 的运动造成的。 相干时间瓦是信道特性没有显著不同的那段持续时间。1 。信道的时间变化在频域中表示为 多普勒扩展，它定义为当单一频率正弦波( 载波未调制) 传输时的频谱宽度。如果在频率， 值的范围内，多普勒功率谱s ( 厂) 不为o ，那么这样的频率范围称为信道的多普勒扩展b 。 多普勒扩展定义为多普勒功率谱的宽度，有时也称为频谱展宽或信道的衰落带宽。由于多 普勒功率谱s ( ，) 和时间相关函数r ( a t ) 之间是傅立叶变换关系，所以多普勒扩展的倒数 是对信道相干时间瓦的度量，也就是瓦z 瓦1 。如果没有物体运动，也就是没有时变性， 多普勒扩展一0 ，则t o j0 0 ，这表示在无限大的那段时间内信道特性没有什么不同。显 然，变化慢的信道相干时间大，或者等效为小的多普勒扩展。无论是信道参数瓦还是b 。都 可以被用来表征衰落的陡度，因此b 。还代表了信道的衰落速率。 多普勒扩展b 。还被认为是多普勒频移厶。因此移动台的运动会引起多普勒扩展( 除 堕塞堂生查兰! 翌主! ! 塞圭兰堡笙兰 笙兰兰整垫查垡笪望茔查量堡 此以外，还有信道路径中的物体运动) ，每一条多径路径的多普勒频移一般都和另一条路 径不同。不同多普勒频移的多径信号，对接收信号的影响可以看作为发射信号频率的多普 勒扩展或频谱展宽，而不是看作为频偏。如果从基站到移动台接收机只有一条路径的话， 那么从基站将观察到与载波频率的简单偏移结合在一起的零多普勒扩展( 多普勒频移) 。多 普勒频率变化和酿有关，以是移动台运动方向相对于来波的角度。 对于以固定速度v 运动的移动台，所接收的载波发生的多普勒频移为“3 ： 厶。= 厶c o s a = - c o s 幺= 兰正c o s 0 ( 2 6 ) ，lc 其中，f o 。是第”条路径上的平面波的多普勒频移，厶是最大多普勒频移，正是载波 频率。 如果比特持续时间瓦小于信道相干时间瓦，则信道衰减和相移对于至少一个比特持续 时间内基本上固定不变，在这种情况下，信道呈现慢衰落或准静态。因此，如果数据速率 1 e 大于衰落速率1 t o ，称信道为慢衰落( 时间非选择性) 信道。相反，如果比特持续时 间瓦大于信道相干时间瓦，或者说，数据速率1 瓦小于衰落速率l 瓦，称信道为快衰落( 时 间选择性) 信道。 因此，为了避免由快衰落引起的信号失真，必须保证数据速率i 瓦超过信道衰落速率 l i t o ，使得信道显示慢衰落。 2 3 3 2 相干带宽和延迟扩展 相干时间和多普勒扩展有关，而相干带宽是基于信道的延迟扩展( 时间色散) 。延迟 扩展发生在由于多径散射使接收到的脉冲信号有值得注意的加宽时。上一节是在频域上讨 论，这一节是在时域上讨论。上一节讨论时要考虑移动台在运动，这一节不用考虑。 由于多径反射，发射天线发出的无线信号将沿着不同的路径传播到接收机处。每条路 径都有不同的路径长度，所以每条路径到达的时问不同，使得接收到的信号轮廓不清或被 扩展，这种现象称为延迟扩展。在数字通信系统中，延迟扩展会引起码橱干扰，因而限制 了数字多径信道的最大码速。 信号从基站经过不同长度的路径传播到当地市区内的接收地点时，受到多径散射。假 如发射机发射一个脉冲占f d ，接收到的信号为： 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道基本特性 r ( ，) = 万( f - r 。) p = d ( t ) e ( 2 7 ) 其中，f 。为第 个信号到达的时间，其幅度为日。d ( f ) 为延迟概率密度函数，在市区 环境中，通常将延迟概率密度函数近似为指数分布。 常用均方根( r m s ) 多径延迟扩展 g r m s 来描述功率延迟分布的情况，它定义为功率延迟分 布的标准差，也就是二阶中心矩或方差的平方根。 如果数据比特持续时间大于均方根延迟扩展，那么信道产生的码间干扰( i s i ) 可以忽 略。作为一个近似，均方根延迟扩展的倒数可以作为信道的相干带宽e 的度量： b 。j 一 ，5 ( 2 8 ) 相干带宽反是指在这样的带宽上信号传播特性是相关的( 也就是频率相关函数的宽 度) ，在这个频率范围( 带宽) 内信道以近似等增益和线性相位通过全部频率分量。因此相 干带宽代表一个频率范围。在这个频率范围内两个接收信号的幅度、相位都有高度的相关 性，即这两个信号的频谱分量以类似方式受到信道的影响，如出现衰落或不出现衰落 因此，如果传输信号的带宽巩比相干带宽眈大的话，称信道是频率选择性信道。在 这种情况下，信号中的不同频率分量遇到不同的增益和相移。反之，如果相干带宽b ，比传 输信号的带宽b 。大的话，信道则是非频率选择性信道，所有频率分量遇到同样的衰耗和相 移。 扩频系统的系统带宽一般大于相干带宽，这就意味着在这种情况下，信道是频率选择 性的。频率选择性衰落失真是指信号的各频谱分量不是同等的受到信道衰落的影响。当 b 。 b 。时，发生非频率选择性衰落或平坦衰落，此时信号的所有频谱分量都以类似方式 受到信道衰落的影响。平坦衰落不引入因信道引起的码间干扰( i s i ) 失真，但由于信号衰 落时信噪比( s n r ) 下降，性能仍然会下降的。为了避免信道引起的i s i 失真，通过保证 e b 。= 1 瓦，即要求信道是平坦衰落。式中把码率1 瓦取作等于信号带宽b 。 综上所述，相干带宽是两信号仍然强相关时的最大频率之差。相干带宽和延迟扩展成 反比( 也就是说延迟扩展越小，相干带宽越大，允许的信号带宽也越大) ，延迟扩展和相干 带宽是对多径衰落信道特性的不同观察。如果信号的发射带宽大于相干带宽的话，信号将 塑塞塑皇查兰堡! ：型i 竺兰堡笙壅笙三主登苎至丝笪望苎查鳖堡 经受频率选择性衰落，只有部分载频是衰落的。如果相干带宽和发射带宽一样大，那么整 个接收频谱都将观察到衰落。如果信号的发射带宽小于相干带宽的话，则属于平坦衰落信 道。除了和时间选择性衰落有关的多普勒扩展以及和频率选择性衰落有关的延迟扩展外， 还有前面提到的和空间选择性衰落有关的角度扩展“，这在第三代移动通信采用智能天线 技术时，考虑多输入多输出( m i m o ) 信道时将会遇到。本文对此不作进一步探讨。 2 4 小尺度多径衰落 小尺度多径衰落可以是r a y l e i g h 多径衰落，也可以是n a k a g a m i 多径衰落。下面，本文 将对具体的r a y l e i g h ，r i c e 以及n a k a g a m i 多径小尺度衰落的结构进行分析。 2 4 1 r a y l e i g h 衰落 基站 图2 2 移动环境中的无线电波传播机制 如图2 2 所示，移动天线接收到许多反射、散射波。由于它们具有不同的路径长度、 随机相位，因此，接收的功率为个随机变量。假设载波未经调制，频率为脚。的信号通过 许多路径到达接收机，第f 条路径的幅度为4 ，相位为痧。如果假设在非视距( n l o s ) 情 1 3 - 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道基本特性 况，接收到的信号s ( ，) 可以表示为 s ( f ) = a ，c o s ( 6 9 。t + 痧) ( 2 9 ) 其中，n 为路径数。相位痧取决于不同的路径的长度，当路径长度改变一个波长时， 相位谚就变化2 厅。因此，相位在 0 ，2 z 上呈均匀分布。当发送方和接收方之间有相对 移动时，公式( 2 9 ) 就应当包括有由移动导致的频移和相移所产生的影响。假设第i 条幅度 为a ，、相位为，的反射波到达接收机，其运动方向与天线之间的夹角为p 。该反射波的多 普勒频移由下式： w m ：竺c o s 8 ( 2 1 0 ) 其中，v 为移动台的运动速度，c 为光速，只在 0 ，2 万 上呈均匀分布。于是，接收 信号s ( ，) 表示如下： s ( f ) = a ，c o s ( t o d + c t + 庐, ) 将上式表示成同相和正交分量的形式， 5 ( r ) = l ( t ) c o s 0 9 。f q ( t ) s i n c o 。f 其同相和正交的分量分别为： 包络为： m ) = a 。c o s ( o ) 。f + 痧) q ( ，) = a 。s i n ( 0 9 。h 谚) r ：析研丽 当n 很大的时候，同相和正交的分量为g a u s s i a n 分布。“。 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 a 1 ( 2 - 1 3 b ) ( 2 1 4 ) 南京邮电大学碗一 j 研究生学位论文第二章移动无线信道基本特性 当1 ) 各分量应具有随机相位和近似相等的功率； 2 ) 相位在 0 ，2 z 内随机均匀分布； 3 ) n 5 时，接收信号包络的概率密度函数( p d ) ，f ( r ) 成r a y l e i g h 分布。 f