移动通信第2章_无线通信电波传播与干扰.ppt

移动通信系统 第二章无线通信电波传播与干扰 第二章无线通信电波传播与干扰 2 1概述2 2自由空间传播2 3多径传播的基本特性2 4多径传播对数字传输的影响2 5阴影衰落传播2 6电波传播的路径损耗预测模型2 7多径传播的建模与仿真2 8外部噪声与干扰 2 1 1电磁波传播2 1 2移动信道2 1 3陆地移动信道无线电波传播2 1 4地形环境分类 2 1概述 电磁波传播特性 电磁波传播特性是研究无线通信系统的首要问题传播特性如何直接关系到一系列系统设计问题通信设备的能力天线高度确定通信距离的计算如何保证优质可靠通信 2 1概述 电磁波传播路径 移动通信工作于VHF和UHF频段传播路径直射波 视距传播折射波地表面波移动信道多径衰落 2 1概述 电磁波传播路径 2 1概述 1 直射波 电波传播过程中没有遇到任何的障碍物 直接到达接收端的电波 称为直射波 直射波更多出现于理想的电波传播环境中 2 反射波 电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时 会在物体表面发生反射 形成反射波 反射常发生于地表 建筑物的墙壁表面等 3 绕射波 电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时 会由阻挡表面产生二次波 二次波能够散布于空间 甚至到达阻挡体的背面 那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波 由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性 使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用 4 散射波 电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时 会在其表面发生散射 形成散射波 散射波可能散布于许多方向 因而电波的能量也被分散于多个方向 2 1 1电磁波传播2 1 2移动信道2 1 3陆地移动信道无线电波传播2 1 4地形环境分类 2 1概述 移动信道的复杂性 移动信道是最复杂的一种通信信道有线信道信噪比为46dB 传输波动不超过1 2dB 传输质量可控无线信道衰落 信号强度的骤然降低 深度可达30dB 在城市环境中 一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次 这种衰落现象严重恶化接收信号的质量 影响通信可靠性同频干扰 衰落使接收信号弱于同频干扰信号 接收机就会锁定在错误信号上衰落使数字通信的误比特率 BER 大大增加在有线信道中能够很好工作的语音编码器 调制解调器和同步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化 2 1概述 移动信道在无线通信中的位置 2 1概述 移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境 影响移动信道特性的三个因素传播环境对移动信道特性起着关键作用系统工作频率对移动信道特性的影响工作频率越高 接收信号衰落越大移动台运动状况对移动信道特性的影响运动速度越高 移动信道特性越复杂 移动信道衰落特性 2 1概述 确定某个特定区域的传播环境的主要因素自然地形 高山 丘陵 平原或水域等 人工建筑的数量 高度 分布和材料特性该地区的植被特征天气状况自然的和人为的电磁噪声状况 传播环境对移动信道的影响 2 1概述 2 1概述 移动信道环境的影响 基站天线与移动台天线存在显著高度差别 2 1概述 移动信道环境的影响 近端区域物体的反射导致多径衰落 移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境 影响移动信道特性的两个因素传播环境对移动信道特性起着关键作用系统工作频率和移动台运动状况对移动信道特性的影响工作频率越高 接收信号衰落越大运动速度越高 移动信道特性越复杂 移动信道衰落特性 2 1概述 复杂 恶劣的传播条件是移动信道的特征抵消衰落影响的各种技术措施抗衰落技术 分集 扩频 跳频 均衡 交织和纠错编码信号传输方式 调制方式各种抗衰落技术和数字传输技术的研究对发展数字移动通信系统十分重要 移动信道衰落特性 2 1概述 复杂无线移动通信信道的基本特点 以地波形式传播 同时受电波传播时的衍 绕 射 反射 散射和吸收等现象影响 从观察时间的角度 可分为长期慢衰落效应和短期快衰落效应 对接收信号的主要影响是多径衰落 可从时间和空间描述 测试多径衰落 无线移动通信信道的基本特点 2 1概述 对移动信道的研究 移动信道的研究是移动通信研究的热点 移动信道已成为许多理论分析和现场实测的课题由于移动信道的复杂性 仍有许多待研究课题 2 1概述 移动信道的基本研究方法理论分析 用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性 并用各种数学模型来描述移动信道 现场电波传播实测 在不同的传播环境中 对电波传播实测试验 移动信道的计算机模拟 是近年来随着计算机技术的发展而出现的研究方法 上述三种研究方法是相辅相成的 在实际研究工作中 往往处于研究进程的不同阶段 对移动信道的研究 2 1概述 移动信道 电波传播 特性的研究结果对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述 如 移动环境中接收信号的幅度在大多数情况下符合瑞利分布 在有些情况 则更符合莱斯分布 电波衰落特性的统计规律 为研究移动信道抗衰落技术提供了基本依据 建立电波传播模型 模型可包括图表 近似计算公式等 对移动信道的研究 2 1概述 移动通信系统设计的技术问题无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生这些变化的原因对于特定的无线传输技术 这些变化对传输质量和系统性能有什么影响有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响本章讲解第一个问题 即移动信道 电波传播 特性如何 这是研究移动通信首先必须搞清楚的问题 后两个问题不做详细讲述 可参考有关文献资料 对移动信道的研究 2 1概述 2 1 1电磁波传播2 1 2移动信道2 1 3陆地移动信道无线电波传播2 1 4地形环境分类 2 1概述 陆地移动信道无线电波传播数学描述 移动信道是一种时变信道 无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的损耗 损耗包括三个部分 接收信号功率可用公式表示为 表示移动台与基站的距离 矢量 接收信号功率是距离的函数 时间的函数知道接收信号的功率P t 与知道场强E t 和幅度r t 等效 2 1概述 三类衰减效应 三类衰减效应 空间传播损耗与弥散 用表示 其中n一般取3 4 阴影衰落 用表示 多径衰落 用表示 2 1概述 三类衰落效应图 空间传播损耗与弥散 多径衰落 阴影衰落 三种衰落效应表现在不同距离 时间 范围内 下图给出了一种典型的实测接收信号场强分布 2 1概述 三类衰落效应图 多径衰落 移动传播环境的多径传输而引起的衰落 是移动信道特性中最具特色的部分 数十波长的范围内 接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征 衰落特性符合瑞利分布 这种衰落由于衰落速率较快 又可称为快衰落或短区间衰落 在数十波长范围内对信号求平均 可得到短区间中值 2 1概述 三类衰落效应图 阴影衰落 由于传播环境中的地形起伏 建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落 数百波长区间内 信号的短区间中值也出现缓慢变动的特征 其衰落特性符合对数正态分布 这种衰落速率较慢 又称慢衰落 在较大区间内对短区间中值求平均可得长区间中值 2 1概述 三类衰落效应图 空间传播损耗与弥散长区间中值随距基站的距离而变 其衰减特性一般服从律 其中n一般取3 4 它表明的是在以公里计的较大范围内接收信号的变化特性 2 1概述 三类衰落对无线系统工程的影响 从无线系统工程的角度看传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖 合理的设计总可以消除这种不利的影响 多径衰落严重影响信号传输质量 并且是不可避免的 只能采用抗衰落技术来减少其影响 2 1概述 三类衰落对无线系统工程的影响 2 1概述 移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落 或称多径效应 无线电波在传输过程中会受到地形 地物的影响而产生反射 绕射 散射等 从而使电波沿着各种不同的路径传播 这称为多径传播 由于多径传播使得接收端接收到的信号也是在幅度 相位 频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号 因而会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象 这些被称为多径衰落或多径效应 所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关 即传输信道对信号中不同频率成分有不同的 随机的响应 由于信号中不同频率分量衰落不一致 因此衰落信号波形将产生失真 2 1 1电磁波传播2 1 2移动信道2 1 3陆地移动信道无线电波传播2 1 4地形环境分类 2 1概述 地形特征定义 地形环境不同 电波特性就不相同 将传播环境按地形特征分类 有助于研究不同地形环境下的电波传播特性 主要考虑传播路径中的地形变形度量以及地形起伏区域中的天线高度计算两个问题 即 地形波动高度天线有效高度 2 1概述 地形波动高度 10 高度线指地形剖面图上有10 地段上高度超过此线的一条水平线 地形波动高度 h描述电波传播路径中地形变化的程度 h定义为 沿通信方向 距接收地点lOkm范围内 10 高度线和90 高度线之高度差 2 1概述 地形特征定义 地形环境不同 电波特性就不相同 将传播环境按地形特征分类 有助于研究不同地形环境下的电波传播特性 主要考虑传播路径中的地形变形度量以及地形起伏区域中的天线高度计算两个问题 即 地形波动高度天线有效高度 2 1概述 天线有效高度 移动台天线有效高度 移功台天线距地面的实际高度基站天线有效高度hb 沿电波传播方向 距基站天线3 15km的范围内平均地面高度以上的天线高度 2 1概述 地形分类 从电波传播的角度考虑 可将千差万别的实际地形分为两类准平坦地形 指该地区的地形波动高度在20m以内 而且起伏缓慢 平坦地形包含在这一类中不规则地形 是指除准平坦地形之外的其它地形 不规则地形按其形态 又可分为若干类 如丘陵地形 孤立山岳 倾斜地形和水陆混合地形等 2 1概述 地形分类 各类地形的地面波动高度 h 2 1概述 传播环境分类 除地形条件外 电波传播还受楼房 人工建筑以及树木等的影响 即传播环境应包括自然地形 建筑物和植被状况 根据建筑物植被状况 传播环境可分为四类 开阔地区 在电波传播方向上无建筑物或树木等障碍的开阔状地带 平原地区的农村属于开阔区 郊区 在移动台附近有些障碍物 但稠密建筑物多为1 2层楼房 城市外围以及公路网可视为郊区 中小城市地区 建筑物较多 可有高层建筑 但数量较少 街道也比较宽 大城市地区 建筑物密集 街道较窄 高层建筑较多 2 1概述 第二章无线通信传播与移动信道 2 1概述2 2自由空间传播2 3多径传播的基本特性2 4多径传播对数字传输的影响2 5阴影衰落传播2 6电波传播的路径损耗预测模型2 7多径传播的建模与仿真2 8外部噪声与干扰 自由空间是满足下述条件的一种理想空间均匀无损耗的无限大空间 各向同性 电导率为零 介电常数 和磁导率 分别等于真空介电常数 0和真空磁导率 0 这种空间中 不存在电波的反射 折射 绕射 色散和吸收等现象 而且电波传播速率等于真空中光速c 2 2 1自由空间定义 2 2自由空间传播 自由空间假设对信道电波特性分析的意义无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本 最简单的一种 现实环境中并不存在 在研究移动通信电波传播问题时 自由空间的概念提供了一个比较各种传播环境的标准 可简化场强和传输损耗的计算 通常可把满足一定条件的理想空间视为自由空间 如果现实环境中 传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略 则这种条件下的电波传播可认为是自由空间传播 2 2 1自由空间定义 2 2自由空间传播 自由空间传播的接收点信号功率 2 2 2自由空间电波传播的功率计算 Pt为发射机送至天线的功率gt和gr分别为发射和接收天线增益 为波长d为接收天线与发射天线之间的距离 2 2自由空间传播 自由空间传输损耗Ls在移动通信电路设计中 通常用传输损耗来表示电波通过传输媒质时的功率损耗 传输损耗Ls定义为发射功率Pt与接收功率Pr之比 Ls的表达式为 2 2 3自由空间传播损耗 损耗用分贝表示为LS 32 45 20lg f 20lg d 10lg gtgr 式中 距离d以km为单位 频率f以MHz为单位 2 2自由空间传播 自由空间传输损耗Ls在移动通信电路设计中 通常用传输损耗来表示电波通过传输媒质时的功率损耗 传输损耗Ls定义为发射功率Pt与接收功率Pr之比 Ls的表达式为 损耗用分贝表示为LS 32 45 20lg f 20lg d 10lg gtgr 2 2 3自由空间传播损耗 2 2自由空间传播 自由空间路径损耗LbSLs LbS Gt GrLbS 32 45 20lg f 20lg d 2 2 4自由空间路径损耗 Gt和Gr分别为发射和接收天线增益 dB LbS定义为自由空间路径损耗 有时又称为自由空间基本传输损耗 LbS表示自由空间中两个理想点源天线 增益系数G 1的天线 之间的传输损耗 LbS仅与f和d有关 当f或d扩大一倍时 LbS分别增加6dB 2 2自由空间传播 自由空间损耗的两点说明自由空间不吸收电磁能量 其传输损耗表明球面波在传播过程中 随着传播距离增大而引起的电磁波能量辐射损耗 由自由空间损耗可以看出 接收天线所捕获的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的很小一部分 2 2 4自由空间路径损耗 2 2自由空间传播 电波的理想传输与实际传输电波的理想传输 2 2 5电波的理想传输与实际传输 电波的实际传输 N取值的近似规律 当d小于15km时 n取3 4 当d大于15km时 n取5 6东京市区实测场强与距离的关系曲线 2 2自由空间传播 场强与距离的关系曲线 由图可知 在城市环境中 衰落信号的平均强度与自由空间相比 损耗要增加20dB左右 2 2自由空间传播 第二章无线通信传播与移动信道 2 1概述2 2自由空间传播2 3多径传播的基本特性2 4多径传播对数字传输的影响2 5阴影衰落传播2 6电波传播的路径损耗预测模型2 7多径传播的建模与仿真2 8外部噪声与干扰 2 3 1多径衰落2 3 2多径传播模型2 3 3多普勒频移2 3 4多径接收信号幅度的统计分析 2 3多径传播的基本特性 多径传输信道模型 陆地移动信道的主要特征是多径传播 2 3多径传播的基本特性 多径衰落概述 在移动通信环境中 发射的电波经历了不同路径 电波通过各个路径的距离不同 导致传播时间和相位均不相同 多个不同相位的信号在接收天线处叠加 时而同相叠加增强 时而反相叠加减弱 接收信号的幅度在较短时间内急剧变化 产生了衰落 由于它由多径引起 称之为多径衰落 下面是图示说明多径衰落现象的本质 2 3多径传播的基本特性 2 3多径传播的基本特性 图 a 两径传播的叠加 加强和减弱 图 b 衰落包络随两径不同相位的变化 多径衰落现象的本质 1 2 2 3多径传播的基本特性 多径衰落现象的本质 2 2 自由空间传播 LOS 反射当电波信号传播碰撞到大大的大于信号波长的障碍物时发生反射散射当电波信号传播碰撞到小于信号波长的障碍物或平面时发生散射绕射信号能量绕过障碍物传播的机制 也称衍射 产生多径的原因 2 3多径传播的基本特性 多径衰落的度量 空间度量时间度量 2 3多径传播的基本特性 空间度量 本地反射物所引起的多径效应呈现较快幅度变化 其局部均值随距离增加而起伏下降 反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗 空间度量 沿移动台运动方向 接收信号的幅度随距离变动呈现衰减 2 3多径传播的基本特性 时间度量 时延扩展 TimeDelaySpread 多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象TDS 第一个码元至最后一个多径信号间的时间来测量郊区TDS为0 5 s 市区TDS为3 s 各个路径的长度不同 到达时间也不相同 若从基站发射一个脉冲信号 则接收信号中不但包括该脉冲 而且还包括它的各个延迟信号 2 3多径传播的基本特性 多径效应的分析方法 模拟通信多径效应在模拟无线通信中主要考虑引起的接收信号幅度变化 数字通信在数字无线通信中则主要考虑所引起的脉冲信号时延扩展 因为时延扩展将引起码间串扰 ISI 严重影响数字信号的传输质量 2 3多径传播的基本特性 2 3多径传播的基本特性 2 3 1多径衰落2 3 2多径传播模型2 3 3多普勒频移2 3 4多径接收信号幅度的统计分析 两径传播模型 两径模型 直射波 地面反射波 2 3多径传播的基本特性 两径传播模型 第一项代表直射波第二项代表地面反射波第三项代表地表面波省略号代表感应场和地面二次效应 接收点信号功率 自由空间传播 2 3多径传播的基本特性 两径传播模型 VHF和UHF移动通信系统中忽略地表面波的影响 所以 Pr和Pt分别为接收功率和发射功率gr和gt分别为基站和移动台天线增益R是地面反射系数d为两天线距离 为波长 为两条路径的相位差 2 3多径传播的基本特性 两径传播模型 接收点路径相差 L L AC CB AB给定基站 移动台天线高度 工作频率以及选定 和 可用计算机算出接收信号功率随距离d的变化曲线 两径传播模型的计算和实测结果 2 3多径传播的基本特性 计算和实测接收信号功率 在开阔地区 两径传播模型很接近于实际移动信道 2 3多径传播的基本特性 多径传播模型 N个路径 根据实际传播环境计算出各路径反射电波的Ri和 i多径信号合成的计算结果 2 3多径传播的基本特性 多径合成信号 电波达到四径 五径后 电场强度变化的不规则性逐渐增大 多径数目趋于无限 接收信号强度变化规律必须用统计方法分析 2 3多径传播的基本特性 2 3多径传播的基本特性 2 3 1多径衰落2 3 2多径传播模型2 3 3多普勒频移2 3 4多径接收信号幅度的统计分析 多普勒频移 移动台在运动中通信时 接收信号频率会发生变化 称为多普勒效应多普勒效应由移动台速度和方向的变化引起多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移 DopplerShift 是入射电波与移动台运动方向的夹角v是运动速度 是波长 最大多普勒频移fm v 与入射角无关 2 3多径传播的基本特性 典型多普勒扩展 单位 kHz 多普勒频移会对系统性能产生影响 2 3多径传播的基本特性 卫星移动通信系统中多普勒频移的产生 a 地球站发信号 b 卫星发信号 c 移动站收信号fc 信号中心频率fs 卫星运动引起的多普勒频移fE 移动站运动引起的多普勒频移 卫星移动通信系统中 移动站和卫星都可能是运动的 因此 卫星和移动台在接收信号时都会产生多普勒频移 如图所示 由于多普勒频移的存在 使得一个固定地球站发射的信号 卫星接收到后其频谱就偏离了其标称频率同样 卫星转发给移动站的信号 在移动站收到后 也会产生一个频率偏移 2 3多径传播的基本特性 2 3多径传播的基本特性 2 3 1多径衰落2 3 2多径传播模型2 3 3多普勒频移2 3 4多径接收信号幅度的统计分析 瑞利分布 在实际移动环境中 接收信号中含有大量反射波 可证明 这种情况下接收信号的幅度服从瑞利分布 因而多径衰落又称为瑞利衰落 瑞利分布 指在无直射波的N个路径 传播时若每条路径的信号幅度为高斯分布 相位在0 2 内均匀分布 则合成信号包络分布为瑞利分布 2 3多径传播的基本特性 为什么是瑞利分布设N个路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且统计独立 发送信号为 接收信号为 令 则 x和y是独立随机变量之和 根据中心极限定律 x和y趋于正态分布 因此合信号复包络为瑞利分布 2 3多径传播的基本特性 瑞利分布 fD是多普勒频移 0为电波到达相位 l为传播路径长度 为什么是瑞利分布 推导方法二 自学 接收信号的表示考虑到多普勒频移 处于运动之中的移动台的接收信号可表示为 2 3多径传播的基本特性 瑞利分布 令 则 接收多径信号的简化表示N个路径条件下 接收信号可表示为 这里 i为电波到达相位 i是入射角 ai为信号幅度 它们都是随机变量 2 3多径传播的基本特性 瑞利分布 Tc t 和Ts t 的独立性N很大时 Tc t 和Ts t 是大量独立随机变量之和 根据概率论中的中心极限定理 大量独立随机变量之和接近于正态分布 因而 Tc t 和Ts t 是高斯随机过程 记Tc和Ts 为某时刻t相应于Tc t 和Ts t 的随机变量 则Tc和Ts服从正态分布 概率密度为 2 3多径传播的基本特性 瑞利分布 Tc和Ts具有零均值和相等的方差 即 可证明 Tc和Ts的协方差为零 E TcTs 0 即Tc和Ts相互独立 由此可推出 Tc和Ts的联合概率密度等于两者概率密度之积 2 3多径传播的基本特性 瑞利分布 信号幅度r和相位 的概率分布将上式变换成极坐标形式 可求出Jacobian行列式 r和 的联合概率密度为 2 3多径传播的基本特性 瑞利分布 在 0 区间对r积分 可得 的概率密度p 1 2 0 2 在 0 2 区间对 积分 可得r的概率密度 接收信号的相位服从0 2 的均匀分布 接收信号的包络服从瑞利分布 2 3多径传播的基本特性 瑞利分布 测量结果图 瑞利分布理论分析与测试结果比较 可见 理论推导结果与大量实测数据统计分析结果基本一致 2 3多径传播的基本特性 2 1概述2 2自由空间传播2 3多径传播的基本特性2 4多径传播对数字传输的影响2 5阴影衰落传播2 6电波传播的路径损耗预测模型2 7多径传播的建模与仿真2 8外部噪声与干扰 第二章无线通信传播与移动信道 多径信号相位相反 合成信号的幅度快速变化多径信号传播路径不同 时延扩展接收机或环境运动 多普勒频移多径衰落的基本特性如下 时域 多径效应引起信号的时延扩展 接收信号的信号分量被展宽 引起频率选择性衰落与频率平坦性衰落 频域 多普勒效应引起频域扩展 接收信号产生多普勒频展 时间选择性衰落和时间平坦性衰落 无线移动信道是弥散 dispersive 信道 2 4多径传播对数字传输的影响 2 4 1时延扩展与相关带宽2 4 2多普勒频展与相干时间2 4 3信道类型 2 4多径传播对数字传输的影响 时延扩展定义 多径效应在时域上造成数字信号波形的展宽 2 4多径传播对数字传输的影响 时延扩展 当发射端发送一个极窄的脉冲信号S0 t a0 t 至移动台时 移动台所接收到的信号S t 由许多不同时延的脉冲组成 可表示为 N为脉冲个数 i为第i条路径的时延 ai为衰减因子 2 4多径传播对数字传输的影响 时延扩展的理解可直观理解为在一串接收脉冲中 最大传输时延和最小传输时延的差值 即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值 记为 实际上 就是脉冲展宽的时间 发送窄脉冲宽度为T 则接收信号宽度为T 2 4多径传播对数字传输的影响 码间串扰 码间串扰 时延扩展 接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中 引起码间串扰 ISI 码间串扰的避免使码元周期大于多径效应引起的时延扩展 或等效地说码元速率Rb小于时延扩展的倒数 Rb 1 2 4多径传播对数字传输的影响 时延功率谱 时延功率谱 时延扩展 可用实测信号的统计平均的方法来定义时延谱由不同时延的信号分量具有的平均功率所构成的谱利用宽带伪噪声信号所测得的典型时延谱如图所示 图中 P 是归一化的时延特征曲线 2 4多径传播对数字传输的影响 定义P 的一阶矩为平均时延 m P 的均方根值为时延扩展 即 值越小 时延扩展就越轻微 反之 值越大 时延谱扩展就越严重 2 4多径传播对数字传输的影响 最大多径时延差Tm 归一化包络特征曲线P 下降到 30dB处所对应的时延差 2 4多径传播对数字传输的影响 时延扩展的一些实测数据 2 4多径传播对数字传输的影响 相关带宽 问题的提出 当信号通过移动信道时 会引起多径衰落 那么 信号中不同的频率分量的衰落是否相同 对于不同的信道和不同的信号 信号中不同的频率分量的衰落是不一样的 2 4多径传播对数字传输的影响 两种衰落 根据衰落与频率的关系 可将多径衰落分为两类频率选择性衰落 衰落状况与频率有关 不同频率成分衰落不一致 衰落信号波形将产生失真非频率选择性衰落 平坦衰落 衰落状况与频率无关 各频率成分衰落一致 衰落信号的波形不失真 频率选择性衰落示意图 2 4多径传播对数字传输的影响 两种衰落 一个问题 什么情况下发生频率选择性衰落 什么情况下发生非频率选择衰落 这由信号和信道两方面因素决定对移动信道来说 存在一个相关带宽 信号带宽相关带宽 频率选择性衰落 2 4多径传播对数字传输的影响 定义信号包络相关系数等于0 5时对应的频率间隔称为相关带宽Bc当 r f1 0 5时 2 f1 1 f1 1 2 即 相关带宽 实际中 常用最大时延Tm的倒数来规定相关带宽 2 4多径传播对数字传输的影响 例 某市区实测最大时延Tm 3 5 s 则相关带宽为 Bc 1 Tm 280kHz此时 对带宽为200kHz的窄带数字信号 由多径效应引起的衰落为平坦衰落 而对1 2288MHz的扩频信号为频率选择性衰落 2 4多径传播对数字传输的影响 时延扩展与相关带宽 从频域角度看 时延扩展导致相关带宽 多径扩展和相关带宽的关系如下图 2 4多径传播对数字传输的影响 1 相关带宽表征的是信号中两个频率分量信号基本相关的频率间隔 fBc 不相关 其衰落具有不一致性 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 相关带宽的说明 2 4多径传播对数字传输的影响 2 相关带宽是对移动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计度量移动环境的时延扩展 可由大量实测数据经过统计处理计算出来 并可进一步确定这个移动信道的相关带宽Bc信号通过时 是出现频率选择性衰落还是平坦衰落 取决于信号本身的带宽与信道相关带宽的关系 2 4多径传播对数字传输的影响 3 对于数字移动通信 信号传输速率受多径时延限制当码元速率较低 信号带宽 Bc时 信号通过信道传输后各频率分量的变化是不一致的 将引起波形失真 造成码问串扰 此时的衰落为频率选择性衰落 2 4多径传播对数字传输的影响 一般 窄带信号通过移动信道时将引起平坦衰落 而宽带扩频信号将引起频率选择性衰落 2 4多径传播对数字传输的影响 2 4 1时延扩展与相关带宽2 4 2多普勒频展与相干时间2 4 3信道类型 2 4多径传播对数字传输的影响 衰落现象中 除信号的包络在变化外 信号的相位也在随机变化 产生随机调频信号 由于移动台运动 一个单频信号f扩展为f fd 导致接收信号会产生多普勒频移 在多径环境 这种频移定义为多普勒频展 也称为随机调频 RandomFM 多普勒效应主要影响接收机的误码性能 2 4多径传播对数字传输的影响 多普勒频展的形成 移动信道的多径环境 多普勒频展的形成 T为发射台 基站 R为接收台 移动台 虚线表示移动台运动轨迹 当移动台处于R点时 从发射到接收的传播路径中 所有时延为 的路径 其反射点都在以T和R为焦点的一个椭圆上 而时延为 的传播路径的反射点都在更大一些的椭圆上 2 4多径传播对数字传输的影响 多普勒功率谱 多普勒频展 多径传播下 多径的多普勒频移形成信号频率的扩展 多普勒功率谱 当多径电波与移动台的运动方向夹角在 0 2 内服从均匀分布时 多普勒扩展的功率谱为 是所有到达电波的平均接收功率 2 4多径传播对数字传输的影响 多普勒功率谱推导过程设发射频率为fc 对到达移动台的单个路程 若入射角为 则多普勒频移fD fmcos fm v 设移动台天线为全向天线 入射角 服从 0 2 均匀分布 则角度 到 d 间到达电波的功率为 是所有到达电波的平均接收功率 2 4多径传播对数字传输的影响 来自角度 和 的电波引起相同的多普勒频移 信号频率为 多普勒频移fD为入射角 的函数 当入射角从 变化到 d 时 信号频率从f变化到f df 因此 在频率域从f到f df之间的射频功率为 S f 为接收信号功率谱 2 4多径传播对数字传输的影响 又 代入可得 有 2 4多径传播对数字传输的影响 多普勒功率谱示意图 发射频率为单频fc 接收电波的功率谱s f 展宽到fc fm到fc fm范围 2 4多径传播对数字传输的影响 相干时间 多普勒频展导致时间选择性衰落 根据衰落与时间的关系 可将多径衰落分为两类时间选择性衰落 快衰落 衰落状况与时间有关非时间选择性衰落 慢衰落 衰落状况与时间无关 2 4多径传播对数字传输的影响 相干时间 多普勒频展导致时间选择性衰落 时变信道信号衰落的快慢由相干时间决定 2 4多径传播对数字传输的影响 相干时间 用fD表示多普勒频展的宽度 将其倒数定义为相干时间 Tc 1 fD多普勒频展与相干时间的关系示意图 2 4多径传播对数字传输的影响 相干时间意义表征时变信道影响信号衰落的衰落节拍 信道随这个节拍在时域上对信号有不同的选择性 当发送信号的持续时间T Tc 则会产生时间选择性衰落 快衰落 一般情况下 T Tc 多普勒扩展可不考虑 这种情况下发生非时间选择性衰落 慢衰落 2 4多径传播对数字传输的影响 2 4多径传播对数字传输的影响 2 4 1时延扩展与相关带宽2 4 2多普勒频展与相干时间2 4 3信道类型 根据信号参数与信道参数之间的关系可将移动通信信道分类信号参数 信号带宽 信号持续时间 信道参数 时延扩展 相干带宽Bc 多普勒扩展fD 相干时间Tc 2 4多径传播对数字传输的影响 数字无线移动信道分为基于多普勒扩展的衰落信道类型基于时延扩展的衰落信道类型 2 4多径传播对数字传输的影响 基于多普勒扩展的衰落信道类型 快衰落信道 若 T Tc fD W 即信道变化快于数字基带信号的变化 且接收信号具有较大的多普勒频移 则信道为快衰落信道 慢衰落信道 若 T Tc fD W 即信道变化慢于数字基带信号的变化 且接收信号具有较小的多普勒频移 则信道为慢衰落信道 2 4多径传播对数字传输的影响 基于时延扩展的衰落信道类型 平衰落信道 若 WBc T 则信道为频率选择性衰落信道 2 4多径传播对数字传输的影响 频率选择性慢衰落 频率选择性快衰落 平慢衰落 平快衰落 Tc 平慢衰落信道 T WfD平快衰落信道 T Tc T WBc W fD频率选择性快衰落信道 T Tc TBc W fD 移动信道类型 根据相关带宽Bc 相关时间Tc 信号带宽Bs 信号持续时间Ts的相对关系分类 2 4多径传播对数字传输的影响 频率选择性慢衰落 频率选择性快衰落 平快衰落 平慢衰落 fD Bc 移动信道类型 2 4多径传播对数字传输的影响 2 1概述2 2自由空间传播2 3多径传播的基本特性2 4多径传播对数字传输的影响2 5阴影衰落传播2 6电波传播的路径损耗预测模型2 7多径传播的建模与仿真2 8外部噪声与干扰 第二章无线通信传播与移动信道 阴影衰落 慢衰落 接收天线处的场强中值随移动台运动时周围地形 建筑物等的变化而出现的波动 其变化速率较为缓慢 当电波在传播路径上遇到障碍物阻挡时 会产生电磁场的阴影 移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时 就构成接收天线处的场强中值的变化 从而引起衰落 这种衰落因而又称为阴影衰落 特点 慢 电平起伏相对缓慢衰落与地形 地物的分布和高度有关 2 5阴影衰落传播 阴影衰落与多径衰落比较 多径衰落 微观变化 接收信号包络在数十波长的短区间内的变化 服从瑞利分布 阴影衰落 宏观变化 接收信号包络在数百波长的区间内的变化 服从对数正态分布 2 5阴影衰落传播 阴影衰落的决定因素 决定因素阴影衰落的衰落速率与频率无关 主要由传播环境 及移动台速度决定 慢衰落的深度 即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况 高频率信号容易穿透建筑物 低频率信号具有较强的绕射能力 气象条件变化也会引起信号中值电平的变化 变化缓慢 常忽略 2 5阴影衰落传播 阴影衰落的统计规律 电场测量将同一类地形地物环境区域作为一个测试区 例如边长为2km的区域 然后再将整个测试区分成许多小的样本区 例如20m边长的区域 统计分析在每一个小的样本区内 测试接收信号电平 并求出其均值 记为rlm 从得到的大量实测数据中 求出其变化的统计规律 2 5阴影衰落传播 阴影衰落的统计规律 整个测试区的平均值 取决于发射机功率 收发天线高度及收发信机间的距离 dB 为rlm的标准差 取决于测试区地形地貌 工作频率等 阴影衰落的统计规律统计分析表明 接收信号的局部均值rlm近似服从对数正态分布 以分贝数表示的信号电平为正态分布 其概率密度函数为 2 5阴影衰落传播 第二章无线通信传播与移动信道 2 1概述2 2自由空间传播2 3多径传播的基本特性2 4多径传播对数字传输的影响2 5阴影衰落传播2 6电波传播的路径损耗预测模型2 7多径传播的建模与仿真2 8外部噪声与干扰 2 6电波传播的路径损耗预测模型 用途 无线网络工程设计中 计算无线路径的传播损耗 确定无线蜂窝小区的服务覆盖区域常用的电波传播损耗预测模型Okumura模型Okumura Hata模型COST 231Hata模型CCIR模型LEE模型COST231Walfisch Ikegami模型 问题的解决 建立传播预测模型由于移动环境的复杂性和多变性 要对接收信号中值进行准确计算相当困难 无线通信工程中 是在大量场强测试的基础上 经过对数据的分析与统计处理 找出各种地形地物下的传播损耗 或接收信号场强 与距离 频率以及天线高度的关系 给出传播特性的各种图表和计算公式 建立传播预测模型 从而能用较简单的方法预测接收信号的中值 两类常用的传播预测模型Okumura 奥村 模型Egli模型 电波传播路径损耗预测问题 2 6电波传播的路径损耗预测模型 Okumura 奥村 模型以准平坦地形大城市地区的场强中值或路径损耗作为基准 对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正 2 6电波传播的路径损耗预测模型 Okumura模型中准平坦地形大城市区的中值路径损耗 dB LM Lbs Am f d Hb hb d Hm hm f 准平坦地形大城市区的中值路径损耗 自由空间路径损耗 准平坦地形基本衰耗中值 基站天线高度因子 移动台天线高度因子 f 载波频率hb 基台天线高度d 传输距离hm 移动台天线高度 2 6电波传播的路径损耗预测模型 不规则地形及不同环境中的中值路径损耗以准平坦地形中的中值路径损耗作为基础 针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素 用修正因子加以修正LM Lbs Am f d Hb hb d Hm hm f kT 不规则地形及不同环境的中值路径损耗 地形地物修正因子 修正因子的值可根据不同传播环境 郊区 丘陵 斜坡等 查表得到 2 6电波传播的路径损耗预测模型 传播损耗的经验公式 中值路径损耗的经验公式 准平坦地形 a hm 移动台天线修正因子 由传播环境中建筑物的密度及高度等因素确定 由于大城市和中小城市建筑物状况相差较大 故修正因子是分别给出的 2 6电波传播的路径损耗预测模型 中值路径损耗的经验公式 准平坦地形 修正因子a hm 中小城市修正因子a hm 1 1log f 0 7 hm 1 56log f 0 8 dB 大城市修正因子 建筑物平均高度hm超过15m f 200MHz时 a hm 8 29 log 1 54hm 2 1 1 dB f 400MHz时 a hm 3 2 log 11 75hm 2 4 97 dB 2 6电波传播的路径损耗预测模型 中值路径损耗的经验公式 准平坦地形 公式中 hm以1 5m为基准 f以MHz为单位 hb以m为单位 d以km为单位 2 6电波传播的路径损耗预测模型 经验公式的适用范围频率f 150 1000MHz基站天线高度hb 30 200m移动台天线高度hm 1 10m距离d 1 20km经验公式是根据准平坦地形城市地区传播曲线归纳出来的 对其他传播环境 要加上相应的修正 2 6电波传播的路径损耗预测模型 例 设城市GSM系统基站天线高度为40m 发射频率为900MHz 移动台天线高度为2m 通信距离为15km 求中值路径损耗 解 应用Okumura模型的经验公式求解 因为是城市地区 工作频率大于450MHz 所以移动台天线修正因子为 a hm 3 2 log 11 75hm 2 4 97 1 045中值路径损耗为 LM 69 55 26 16log 900 13 82log 40 1 045 44 9 6 55log 40 log 15 164 1dB 2 6电波传播的路径损耗预测模型 场强预测模型 Okumura准平坦地区长区间场强中值预测模型ELM A d n V m ELM 电场强度的长区间中值 V m d 距离 km A 系数 它取决于工作频率f 基站天线有效高度hb和移动台天线有效高度hm 指数n由传播环境中建筑物状况以及基站天线高度确定 2 6电波传播的路径损耗预测模型 场强预测模型 A值和n值 2 6电波传播的路径损耗预测模型 Egli模型根据在不规则地形环境中大量实测数据总结出来的经验公式LM 117 20log f 20log hb hm 40log d 该式与中值路径损耗的经验公式等效 其实用范围也相同 式中hb和hm分别为基站和移动台天线有效高度 英尺 d为通信距离 海里 2 6电波传播的路径损耗预测模型 2 1概述2 2自由空间传播2 3多径传播的基本特性2 4多径传播对数字传输的影响2 5阴影衰落传播2 6电波传播的路径损耗预测模型2 7多径传播的建模与仿真2 8外部噪声与干扰 第二章无线通信传播与移动信道 建模的基本设想不同应用环境下的移动信道模型瑞利信道的仿真实现 2 7多径传播的建模与仿真 2 7 1建模的基本设想 建模的基本设想电波在多径环境下传播特性的模型主要反映接收信号的多径衰落和阴影效应两个方面 2 7多径传播的建模与仿真 两类衰落效应模型的建立多径衰落效应模型阴影衰落效应模型 2 7多径传播的建模与仿真 多径衰落效应模型 多径衰落效应可用一个均值为0 方差为 1 带宽为B1的复高斯随机过程表示 RW n 和IW n 为实高斯过程模服从瑞利分布 见瑞利分布推导过程 相角 W n 服从0到2 间的均匀分布 2 7多径传播的建模与仿真 阴影衰落效应模型 阴影衰落效应也可用一个复随机过程表示 模服从对数正态分布 即参数U ln Z 服从均值为 方差为 2 带宽为B2的窄带高斯分布相角 Z n 服从窄带的类高斯分布 2 7多径传播的建模与仿真 两类衰落模型的实现 两类衰落模型通过模型参数的适当选择可作为移动信道的计算机仿真模型 在信道仿真过程中带宽B1取最大多谱勒功率谱2fmax 带宽B2取受限多谱勒功率谱 fmax 0 1 的实际取值将反映阴影衰落的快慢 根据实际的通信环境 信道模型的参数将随之变化 2 7多径传播的建模与仿真 信道衰落因子 信道的快衰落因子为 其等效为信道增益的加权系数 则有 表示多径衰落 和分别表示对多径分量和直视分量的阴影衰减 并假定对所有多径分量的衰减相同 2 7多径传播的建模与仿真 信道衰落因子 既无多径衰落 又无阴影衰落的理想 AWGN 信道情况 无多径衰落的纯阴影衰落模型 根据不同的通信环境 由上式可得各种不同信道的增益加权 乘性衰落 系数 只存在多径分量的瑞利模型 存在多径分量和恒定LOS分量的莱斯模型 在多径方向上无阴影的部分衰落 对数高斯莱斯 模型 在多径方向和视距方向阴影衰减相同的全部衰落 阴影莱斯 模型 2 7多径传播的建模与仿真 建模的基本设想不同应用环境下的移动信道模型瑞利信道的仿真实现 2 7多径传播的建模与仿真 2 7 2不同应用环境下的移动信道模型 不同应用环境下的移动信道模型实际应用中 瑞利模型 莱斯模型和部分衰落模型常作为不同环境下移动信道的衰减模型 它们都是基于白色高斯噪声产生的 模型参数 如莱斯因子 阴影信号均值和方差等 都是可选的 通过模型和模型参数的适当调整和选择 可以实现不同应用环境的移动信道的仿真 建立移动信道仿真模型的常见方法有滤波器法和正弦波求和法 这里采用滤波器法实现 2 7多径传播的建模与仿真 移动环境信道 GSM信道模型参数 GSM05 05建议的信道模型参数多径支路数目 6条或12条每路径的信号参数 路径的时延和平均功率每路径的幅度分布 为瑞利分布 其变化符合多普勒频谱S f 多径分量具有多普勒功率谱 GSM05 05建议的典型多普勒功率谱S f 2 7多径传播的建模与仿真 几种不同应用环境下的移动信道模型 瑞利模型无阴影莱斯模型部分阴影模型全部阴影模型 2 7多径传播的建模与仿真 瑞利模型 瑞利模型瑞利模型是陆地移动信道仿真模型的基础 在信道仿真实现中具有重要作用 任何其它信道都包含瑞利模型 瑞利模型实际上是一个复高斯模型 其实部和虚部是一对独立或相关的实高斯过程 可分别简单地通过白高斯噪声的低通滤波来建立分析模型 2 7多径传播的建模与仿真 瑞利模型 瑞利模型框图 LPF的选择是关键 2 7多径传播的建模与仿真 无阴影莱斯模型 无阴影的莱斯模型无阴影莱斯信道中 多径分量和直视分量均不存在阴影效应 即 如果 则得到幅度归一化的无阴影莱斯模型 2 7多径传播的建模与仿真 部分阴影模型 部分阴影模型部分阴影衰落信道仅考虑阴影效应对直视分量的作用 而散射和反射等引起的多径衰落服从瑞利分布 该信道的分析模型是瑞利衰落模型和直视分量的阴影效应之和 2 7多径传播的建模与仿真 部分阴影模型 瑞利衰落和对数正态分布衰落可分别通过加性高斯白噪声通过窄带低通滤波得到 而部分阴影通过它们求和得到加性高斯白噪声的参数 均值和方差 滤波器带宽等特性参数等取决于不同的应用 2 7多径传播的建模与仿真 全部阴影模型 全部阴影模型全部阴影模型假设多径分量和直视分量均受到同样的阴影衰落 通过将纯莱斯模型与反映阴影效应的高斯莱斯模型相乘得到 R t 服从莱斯分布S t 服从对数高斯分布 2 7多径传播的建模与仿真 全部阴影模型 2 7多径传播的建模与仿真 建模的基本设想不同应用环境下的移动信道模型瑞利信道的仿真实现 2 7多径传播的建模与仿真 2 7 3瑞利信道的仿真实现 瑞利信道仿真模型 多径衰落仿真模型要求产生宽带宽 时变特性剧烈的色噪声 有限的高斯噪声 该色噪声的功率谱形状应当是信道的多普勒功率谱 高斯色噪声信号 2 7多径传播的建模与仿真 高斯白噪声的直接滤波高斯色噪声可通过对高斯白噪声直接低通滤波获得 WGAN H f n t v t 形成色高斯噪声的低通滤波器频率特性为 采用多普勒频谱S f 形成高斯色噪声的目的 通过信道的计算机仿真模型实际地反映移动信道的时间相干性 即多普勒谱特性 2 7多径传播的建模与仿真 外部噪声 同频干扰 互调干扰 邻道干扰 近端对远端比干扰 远近效应 要求 了解外部噪声的种类 特点 了解同频干扰的定义 产生原因 克服方法 射频防卫度的概念 了解互调干扰的定义 产生原因及克服方法 掌握有无三阶互调干扰的判断 了解邻道干扰的定义 引入因素 解决措施 了解近端对远端比干扰的定义 计算 减小措施 2 8外部噪声与干扰 定义 是使通信质量受到伤害 且与信号无关的各种形式的寄生干扰的总称 分类 接收机内部噪声接收机外部噪声 天电宇宙和各种人为噪声 噪声 干扰 邻道干扰 同频干扰 远近效应 互调干扰 码间干扰 多址干扰 多径干扰 在进行移动通信的设计 安装及操作的过程中 必须考虑干扰和噪声的来源 特征和它们对信号传输的影响 并采取一定的措施抑制其影响 噪声和干扰 2 8外部噪声与干扰 外部噪声 环境噪声 种类 自然噪声 大气 太阳和银河噪声 人为噪声 电力 工业设备 高频电器和汽车发动机点火噪声 特点 自然噪声主要分布在100MHz以下人为噪声在30MHz 3GHz的移动通信系统中起主要作用 影响结果 使接收机输出载噪比C N下降