无线信道的传输模型PPT课件.ppt

信道的传输模型 2020 1 8 1 2020 1 8 信道模型的分类 信道的传播模型可以分为 大尺度传播模型和小尺度衰落 2 2020 1 8 大尺度传播模型 定义 描述了长距离内接收信号的强度的缓慢变化 这些变化是由发射天线和接收天线之间传播路径上的障碍物遮挡造成的 主要的模型代表有 Lee模型 Okumura Hata模型 COST231 Hata模型 Walfisch Ikegami模型 WIM 室内传播模型 3 2020 1 8 小尺度模型 定义 描述短距离或短时间内接收信号强度快速变化的 模型代表 AGWN模型 Raleigh时变信道模型 伦琴衰落模型 4 2020 1 8 规划综合考虑 在规划中一般只考虑大尺度衰落 关心的是接收点信号场强的平均值 因此只用到大尺度传播模型 而小尺度衰落一般用在理论研究中 用于传输技术的选择和数字接收机的设计 在规划中一般不予考虑 5 2020 1 8 为什么要研究无线信道 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约 移动无线信道具有多样性 同一无线空中接口在不同的移动无线信道中的性能大不相同 如何描述移动无线信道 采用理论分析 场强实测统计和计算机模拟三种方法 6 2020 1 8 无线电波传播特性分析 自由空间传播 陆地传播机制 移动环境下的信道分析 移动无线传播环境概述 小尺度多径衰落模型 大尺度路径损耗模型 内容提要 7 2020 1 8 有线信道 平稳 可预测 无线信道 极为随机 难于分析 难于模拟 非视距 多径 运动 造成衰落 传播机制 反射 绕射和散射 例 城市中多径 无直视路径 传播模型的重点 预测在距离发射机的给定距离上平均接收的信号强度以及信号强度的变化 8 2020 1 8 自由空间传播 1 什么叫自由空间 无任何衰减 无任何阻挡 无任何多径的传播空间 无线电波在自由空间传播时 其单位面积中的能量会因为扩散而减少 这种减少 称为自由空间的传播损耗 如图所示 发射功率为PT 发射天线为各向均匀辐射 则以发射源为中心 d为半径的球面上单位面积的功率为 S PT 4 d2 PT d 9 2020 1 8 自由空间传播 2 由于天线有方向性 设发射天线增益为GT 则接收点的电波功率密度 设接收天线的有效接收面积为 则其中Gr为接收天线增益 为自由空间波长 接收天线处的功率为 10 2020 1 8 自由空间传播 3 令 Pr PT LS 其中LS定义为自由空间传播损耗 忽略天线增益的影响 理想点天线 则 LS 4 d 2 4 fd c 2以分贝数表示为 11 2020 1 8 12 2020 1 8 13 2020 1 8 传播路径 直射波 视距传播 反射波 地表面波 发射天线 接收天线 直射波 反射波 地表面波 14 2020 1 8 反射 Reflection 当电磁波遇到比波长大得多的物体时 发生反射 反射发生在地球表面 建筑物和墙壁表面 15 2020 1 8 绕射 Diffraction 当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时 发生绕射 16 2020 1 8 散射 Scattering 当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体 并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时 发生散射 散射发生在粗糙表面 小物体或其它不规则物体 如 树叶 街道标志和灯柱等 17 2020 1 8 实际空间传播 18 2020 1 8 移动通信环境 场强测试曲线 19 2020 1 8 20 2020 1 8 21 2020 1 8 复杂的移动通信信道 首先 传播环境十分复杂 传播机理多种多样 几乎包括了电波传播的所有过程 如 直射 绕射 反射 散射 其次 由于用户台的移动性 传播参数随时变化 引起接收场强的快速波动 移动信道是一种是时变信道 22 2020 1 8 在上述移动信道的三个主要特点以及传播的三种主要机制作用下 无线电波通过移动信道时 接收点的信号将产生 1 三类损耗2 四种效应 23 2020 1 8 1 三类不同层次的损耗 路径传播损耗 自由空间传播损耗 Pathloss 与弥散 慢衰落损耗 主要由阴影效应引起 快衰落 主要由多径效应和多普勒效应引起 快衰落又可分为 空间选择性快衰落 频率选择性快衰落与时间选择性快衰落 24 2020 1 8 接收信号的统计分析 25 2020 1 8 移动环境的场强特性 移动通信环境下场强变化剧烈场强变化的平均值随距离增加而衰减场强特性曲线的中值呈慢速变化 慢衰落场强特性曲线的瞬时值呈快速变化 快衰落 26 2020 1 8 2 接收信号中的四种效应 阴影效应 由地形结构起伏 不同障碍物对电波的遮挡引起的随机性 表现为慢衰落多径效应 由移动体周围的局部散射体引起的多径传播 表现为快衰落多普勒效应 由于移动体的运动速度和方向引起 多径条件下 引起多普勒频谱展宽远近效应 由于接收用户的随机移动性 移动用户与基站之间的距离也是在随机变化 若各移动用户发射信号功率一样 那么到达基站时信号的强弱将不同 离基站近者信号强 离基站远者信号弱 通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性 甚至出现了以强压弱的现象 即使离基站较远的用户产生掉话 通信中断 现象 通常称这一现象为远近效应 27 2020 1 8 阴影效应 由大型建筑物和其它物体的阻挡 在电波传播的接收区域中产生传播半盲区 它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影 光波的波长较短 因此阴影可见 电磁波波长较长 阴影不可见 但是接收终端 如手机 与专用仪表可以测试出来 28 2020 1 8 远近效应 由于接收用户的随机移动性 移动用户与基站之间的距离也是在随机变化 若各移动用户发射信号功率一样 那么到达基站时信号的强弱将不同 离基站近者信号强 离基站远者信号弱 通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性 甚至出现了以强压弱的现象 并使弱者 即离基站较远的用户产生掉话 通信中断 现象 通常称这一现象为远近效应 29 2020 1 8 多径效应 由于接收者所处地理环境的复杂性 使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号 还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号 而且它们到达时的信号强度 到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的 所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和 也就是说各径之间可能产生自干扰 称这类自干扰为多径干扰或多径效应 这类多径干扰是非常复杂的 有时根本收不到主径直射波 收到的是一些连续反射波等等 30 2020 1 8 多普勒效应 它是由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起的 其扩散程度与用户运动速度成正比 这一现象只产生在高速 70km h 车载通信时 而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信 则不予考虑 31 2020 1 8 表示移动台与基站的距离及方向性 当移动台运动时 距离又是时间的函数 32 2020 1 8 二种传播模型 大尺度模型和小尺度模型 33 2020 1 8 二种传播模型 续 大尺度路径损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化 用于预测平均场强并估计无线覆盖范围 小尺度多径衰落传播模型描述移动台在极小范围内移动时 短距离或短时间上接收场强的快速变化 用于确定移动通信系统应该采取的技术措施 34 2020 1 8 35 2020 1 8 36 2020 1 8 概要 无线电波传播特性分析 自由空间传播 陆地传播机制 移动环境下的信道分析 移动无线传播环境 小尺度模型分析 大尺度模型分析 37 2020 1 8 多径效应 存在的衰落及分布 时延扩展及相干带宽 多普勒效应及相干时间 移动信道分类 小尺度衰落模型分析 38 2020 1 8 多径效应 1 定义 由于移动信道中直射 反射和折射现象的同时存在 使得发射信号通过不同的传播路径 形成幅度 相位及到达时间相互区别的多个信号而到达接收台 并且不同多径成分的相位 幅度等都是随机 独立变化的 接收到的信号由大量具有随机幅度 相位和到达角度的平面波组成 这些多径分量在接收天线进行矢量组合 从而使接收信号失真或衰落 多径效应引起的接收问题 额外的路径损耗 突发性误码 严重的码间干扰 39 2020 1 8 多径效应 2 幅度 衰落 在小的传播距离或时间段信号强度的迅速变化时间 多径时延 多径延迟所引起的时间扩散频率 多普勒扩展 由于在不同多径信号上不同的多普勒频移所产生的随机频率调制 40 2020 1 8 多径信号 小尺度衰落及分布 Rayleigh衰落 Rice衰落 41 2020 1 8 瑞利 Rayleigh 衰落 设无直射波的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 相位为均匀分布 即 42 2020 1 8 莱斯 Ricean 衰落 指含有一个强直射波的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 为均匀分布 则合成信号包络分布为莱斯分布 43 2020 1 8 Ricean分布与Rayleigh分布的关系 44 2020 1 8 多径效应 3 移动通信信道分析 时延扩展 频率选择性衰落频率扩展 时间选择性衰落角度扩展 空间选择性衰落 45 2020 1 8 4 1 2时延扩展 频率选择性衰落所谓频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不一样 46 2020 1 8 1 信道输入频域 白色等幅频谱时域 在t0时刻输入一个 脉冲2 信道输出频域 衰落起伏的有色谱时域 在t0 t瞬间 脉冲在时域产生了扩散 其扩散宽度为L 2 其中为 t绝对时延 3 结论 由于信道在时域的时延扩散 引起了在频域的频率选择性衰落 且其衰落周期 即与时域中的时延扩散程度成正比T2 1 L 47 2020 1 8 频率选择性衰落其现象 成因与机理如图所示 48 2020 1 8 4 1 3频率扩展 时间选择性衰落所谓时间选择性衰落 是指在不同的时间衰落特性是不一样的 50 2020 1 8 时间选择性衰落 1 信道输入 时域 单频等幅载波 频域 在单一频率上单根谱线 脉冲 2 信道输出 时域 包络起伏不平 频域 以f0为中心产生频率扩散 其宽度为B 其中 f为绝对多普勒频移 B为相对值 3 结论 由于用户的高速移动在频域引起多普勒频移 在相应的时域其波形产生时间选择性衰落 其衰落周期为T Pi B 51 2020 1 8 时间选择性衰落其现象 成因与机理如图所示 52 2020 1 8 4 1 4角度扩展 空间选择性衰落所谓空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样 53 2020 1 8 空间选择性衰落 1 信道输入 射频 单频等幅载波 角度域 在角上的一个脉冲式的点波束 2 信道输出时空域 在不同接收点时域上衰落特性是不一样的 即同一时间 不同地点 空间 衰落起伏是不一样的 这样 从空域上看 其信号包络的起伏周期为 角度域 在原来角度上的点波束产生了扩散 其扩散宽度为 3 结论 由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落 其衰落周期为 其中为波长 54 2020 1 8 空间选择性衰落现象 成因与机理可以引用下列直观图形表示 55 2020 1 8 移动多径信道的参数 时延扩展和相干带宽 描述信道时间色散特性 多普勒扩展和相干时间 描述信道时变特性 发送信号特性 如带宽 符号间隔等 和信道特性 rms时延 多普勒扩展 决定了信号将经历不同类型的衰落 56 2020 1 8 多径信道 时延扩展 时延统计分布 路径数目的概率分布 多径延迟时间的分布 多径信号的强度分布 多径信号的相位统计分布最大时延平均时延均方根 rms 时延典型时延值频率选择性衰弱和平坦衰落 57 2020 1 8 时延扩展 多径时散 在多径传播条件下 当发射端发送一个极窄的脉冲信号时 经过多条不同的传播路径后 接收端信号则为一串脉冲组成 可能是离散的 也可能联成一片 即其中 N ai 和 i都是随机变化的 这样 信号在时间轴上被 展宽 了 因此称这种现象为时延扩展 timedelayspread 58 2020 1 8 时延统计特性 多径信号到达时刻的分布指数分布 对于有近距离散射体 中距离高大建筑和远山的环境等间隔分布 简化模型 GSM05 05建议 多径信号到达数目的分布 泊松分布 59 2020 1 8 多径信号 幅度统计特性 多径延迟信号的电平分布 通常用指数分布来描述GSM05 05建议中采用指数分布表示乡村地区的多径传播信号的幅度分布 还处在研究之中 60 2020 1 8 多径信号 相位统计特性 相位变化 反射附加相移 时延附加相移 多普勒频移多普勒展宽 多径传播下 多径的多普勒频移形成信号频率的扩展 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 61 2020 1 8 最大时延扩展T dB 归一化时延曲线比直达功率下降XdB时所对应的时延差 通常取30dB 在不存在直达信号的情况下 可以将多径信号中具有最强功率的那一径作为比较基准 平均时延其中 t为相对时延值 P t 为归一化的时延强度 它是不同时延信号分量具有的平均功率 P t 多径时延谱 即信道输出的平均功率关于时延的函数 62 2020 1 8 均方根时延 是多径信道时延特性的统计描述 表示时延扩展的严重程度 值越大 时延扩展越严重 反之 时延扩展越轻微 在数字传输中 由于时延扩展 接收信号中的一个码元波形会扩展到其他码元周期中去 即造成码间干扰 ISI 为了避免码间干扰 如无抗干扰措施 如均衡等 应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展 或者等效地说码元速率小于1 63 2020 1 8 64 2020 1 8 图中 噪声门限 如图 用来区分接收的多径分量和热噪声 65 2020 1 8 典型时延 f 450 800MHz 66 2020 1 8 频率选择性衰落与平坦衰落 实际测量数据表明 信号通过移动信道时 不同频率分量上的场强有较大的变化 即遭受的衰落可能有所不同 根据衰落与频率的关系 可将衰落分为两种 频率选择性衰落与非频率选择性衰落 平坦衰落 相应地 可将信道分为频率选择性衰落信道与平坦衰落信道 信号会发生哪种衰落 要由信号和信道两方面因素决定 67 2020 1 8 平坦衰落信道特性 信号中各频率分量的衰落状况与频率无关 即信号经过传输后 各频率分量所遭受的衰落具有一致性 即相关性 因而衰落信号的波形不失真 68 2020 1 8 频率选择性衰落信道特性 传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机的响应 使不同频率的信号分量的衰落不一致 所以衰落信号波形将失真 69 2020 1 8 相关带宽 1 相干带宽是指通过信道的两个信号的频域相关函数下降到某一数值a时的频率间隔 与信号的延时扩展有关 相干带宽是信道可看成 平坦 的频率范围的统计度量值 在相干范围内 信道的频率响应可看成平坦的 即可让带内所有分量等增益和线性相位通过 当信号带宽远小于信道相关带宽时 为平坦衰落信道 当信号带宽大于信道相关带宽时 为频率选择性衰落信道相关带宽的取值视系统实际要求而定 通常都是根据特定多径系统而得到的统计测量值 70 2020 1 8 相关带宽 2 这里我们考虑频率分别为和的两个信号的包络的相关性 即由两信号的相关系数得出 设这两个信号的包络为和 频率差为 则其包络相关系数为 若信号服从瑞利分布 且由于这里讨论的只是频率域的相关性 粗略地可设 则得到由上式可知 当信号频率间隔增加时 相关系数减小 也就是信号的不一致性增加 如定义为频率相关函数大于0 9的某特定带宽 则相关带宽近似为 B 71 2020 1 8 相关带宽几种定义 频率相关函数大于0 9的带宽 3 实际应用中常用最大时延的倒数来规定相关带宽 72 2020 1 8 例 一个多径信道的离散冲激响应的多径延时分布图如下所示 求 1 平均附加时延 2 rms时延扩展 3 最大附加时延 10dB 4 50 的相干带宽 73 2020 1 8 多径信道 多普勒扩展与相关时间 74 2020 1 8 多普勒频移 当移动台以恒定速率v 沿着与入射波成角的方向运动时 形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 其中 为最大多普勒频移假设发射频率为 则接收频率变化为 75 2020 1 8 xY 76 2020 1 8 77 2020 1 8 多径信号 典型多普勒扩展 单位 kHz 78 2020 1 8 载频为2GHz时 移动台速度为50km h的功率谱密度图 79 2020 1 8 载频为2GHz时 移动台速度为1km h的功率谱密度图 80 2020 1 8 相关时间 相关时间TC定义为Doppler频谱扩展宽度的倒数表示由Doppler效应导致的信号衰落的衰落速度 即时变信道对信号的衰落节拍 当发送信号周期大于相干时间时 为快衰落信道 当发送信号周期小于相干时间时 为慢衰落信道 81 2020 1 8 基于多径时延扩散 平坦衰落信号带宽 相干带宽时延扩散 符号周期 频率选择性衰落信号带宽 相干带宽时延扩散 符号周期 基于多普勒扩散 快衰落相干时间 符号周期多普勒频移大信道变化快于基带信号的变化 慢衰落相干时间 符号周期多普勒频移小信道变化慢于基带信号的变化 衰落信道的分类 82 2020 1 8 移动环境信道分析 信道分类 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 83 2020 1 8 移动环境信道 GSM信道模型 GSM05 05建议的信道类型典型郊区 RAx 典型山区 HTx 典型城市地区 Tux GSM05 05建议的传播模型典型郊区 RAx 6支路典型郊区模型典型山区 HTx 12 6支路典型山区模型典型城市地区 Tux 12 6支路典型城市地区模型 84 2020 1 8 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 12或6个每路径的信号参数 路径的时延 平均功率每路径的幅度分布 瑞利分布 依据多普勒频谱S f GSM05 05建议的多普勒频谱S f 典型多普勒频谱 用于除郊区最短路径外所有环境莱斯 Rice 多普勒频谱 用于郊区最短路径环境 85 2020 1 8 概要 无线电波传播特性分析 自由空间传播 陆地传播机制 移动环境下的信道分析 移动无线传播环境 小尺度多径衰落模型 大尺度路径损耗模型 86 2020 1 8 大尺度模型 描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化 用于预测平均场强并估计无线覆盖范围 87 2020 1 8 对数距离路径衰减规律 基于理论和测试的传播模型指出 无论室内或室外信道 平均接收信号的功率 dB 随距离的对数衰减 这种模型已被广泛地使用 对任意T R距离 平均大尺度路径损耗表示为 其中 n为路径损耗指数 表明路径损耗距离增长的速率 n在不同环境下的取值如下表所示 88 2020 1 8 注 1 必须在远场区 即 2 小于实际的使用距离 3 可预测或实际测量 4 单位为 通常的选择 室内 1m 室外 100m或1km 89 2020 1 8 不同环境下路径损耗指数 90 2020 1 8 慢衰落 产生的原因 阴影效应 由位于电波传播路经上的障碍物的阻挡而产生的损耗 特点 衰落速率与与地形结构 地貌 用户移动的速度有关 而与工作频率无关 大气折射 大气介电常数的变化 时变 统计特性 分布特性 对数正态分布位置函数时间函数 联合分布 91 2020 1 8 大尺度模型 室外模型 Longley Rice模型适用频率范围 40MHz 10GHz 不同种类地形的点对点系统 利用路径几何学及对流层绕射性 预测大尺度中值传播损耗 有计算机程序 根据输入的路径参数 进行点对点预测或区域预测 缺点 不能提供对环境因素的修正 没有考虑多径效应 Durkin模型描述不规则地形场强预测的计算机仿真器 已被联合无线电委员会用于进行有效移动无线覆盖区的研究 主要用于大