第02-03讲移动通信信道

1 第2章移动信道 2 通过本章学习 着重解决以下问题 大尺度传播特性大尺度传播模型 描述的是发射机与接收机之间 T R 长距离 几百米或几千米 上的场强变化小尺度传播特性小尺度传播模型 描述短距离 几个波长 或短时间 秒级 内的接收场强的快速波动的传播模型统计特性主要参数建模与仿真 第2章移动信道 对移动信道有一个全面深入的理解 3 为何要研究传播特性发射机与接收机之间的传播路径非常复杂接收天线将接收从多条路径传来的信号移动台的运动周围环境的变化传播特性直接关系到以下因素天线高度的确定预测信号的覆盖范围为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术 4 无线电波的传播机制自由空间 无阻挡物 视距传播LOS line of sight 存在阻挡物 多条路径 反射 当电磁波遇到比波长大得多的物体时 会发生反射绕射 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时 会发生绕射散射 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时 会发生散射 5 研究传播特性的基本方法理论分析即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 并用各种模型来描述移动信道 现场电波传播实测即在不同的传播环境中 做电波传播试验 测试参数包括接收信号幅度 时延以及其它反映信道特征的参数 计算机模拟即利用计算机强大的计算能力 快速灵活地模拟各种移动环境 该方法可弥补前两种方法的不足 6 一般的三级模型路径损耗长程范围内平均信号电平取决于发射机与接收机之间的距离阴影短程范围内平均信号电平在50 100波长距离内平均得到由地形或人造障碍引起多径衰落来自不同方向不同长度路径信号引起的干扰信号包络在几个波长间距内的变化幅度可达30dB 7 据信道特性参数随时间变化的快慢 通常又分为 恒参信道 传输特性随时间变化速度极慢 或者说在足够长的时间内 其参数基本不变 变参信道 传输特性随时间的变化较快 8 2 1 1电波传播方式 直射波自由空间传播反射波绕射散射 2 1VHF和UHF电波传播特性 9 自由空间传播模型 1 自由空间均匀无损耗的无限大空间 各向同性 电导率为0 相对介电常数和相对磁导率为1 传播损耗本质 球面波在传播过程中 随着传播距离增大 电波能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗 接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率的很小部分 2 1 2直射波 10 自由空间传播模型 2 模型适用范围接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径LOS 仅当视距大于发射天线远场距离时适用 距发射机d处天线的接收功率数学表达式 Friis公式 2 9 其中 Pt为发射功率 亦称有效发射功率 Pr d 是接收功率 为T R距离的幂函数 Gt是发射天线增益 Gr是接收天线增益 d是T R间距离 L是与传播无关的系统损耗因子 为波长 11 自由空间传播模型 3 自由空间传播模型距发射机d处天线的接收功率物理意义 与d2成反比 距离越远 衰减越大 与l2成正比 与f2成反比 频率越高 衰减越大 综合损耗L L 1 通常归因于传输线衰减 滤波损耗和天线损耗 L 1则表明系统硬件中无损耗 12 自由空间传播模型 4 自由空间传播模型路径损耗表示信号衰减 单位为dB的正值 为有效发射功率和接收功率之间的差值 如下表示 天线的远场区定义远场距离df 2D2 D为天线的最大物理线性尺寸 发射天线的远场定义为超过远场距离df的地区 13 自由空间传播模型 5 自由空间传播模型使用近地距离d0点接收功率作为参考点的接收功率参考距离必须选择在远场区 即d0 df 同时d0小于移动通信系统中所用的实际距离 当距离大于d0时 自由空间中接收功率表达式 在移动通信系统中 接收功率的动态范围很大 经常以dBm或dBW为单位表示 14 2 1 3大气中的电波传播 1 大气折射低层大气并不是均匀介质 折射与吸收当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时 由于不同高度上的电波传播速度不同 从而使电波射束发生弯曲 大气折射对电波传播的影响 在工程上通常用 地球等效半径 来表征 也就是认为电波依然按直线方向行进 只是地球的实际半径变成了等效半径 实际半径是6370km 等效地球半径为8500km 15 2 1 3大气中的电波传播 2 视线传播极限距离 16 2 1 4障碍物的影响与绕射损耗 绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后面 绕射可用惠更斯原理解释波前上的所有点可作为产生次级波的点源 这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前 当电波到达阻挡物的边缘时 由次级波的传播进入阴影区 绕射损耗 在实际情况下 电波的直射路径上存在各种障碍物 由障碍物引起的附加传播损耗 x表示障碍物顶点至直射线的距离 称为菲涅尔余隙 规定阻挡时余隙为负 无阻挡时余隙为正 17 菲涅尔区指从发射机到接收机的次级波路径长度比总的视距长度大n 2的连续区域 即图中的圆环 菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为 2 则两条路径的相位差为 从连续费涅尔区传播出去的次级波对总的接收信号交替产生增加和减小合成信号的作用 第n个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示 2 1 4障碍物的影响与绕射损耗 18 2 1 4障碍物的影响与绕射损耗 x x1 0 5时附加损耗为0dB X 0时损耗急剧增加 X 0时TR射线从障碍物顶点擦过在选择天线高度时 根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔区余隙x x1 0 5 19 2 1 5反射波 反射波 当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时 如果尺寸比电波波大大得多时会产生镜面反射 20 2 1 5反射波 2 地面反射模型 双线或两径传播模型 视距和地面反射的路径差 为 当T R距离d远远大于ht hr时 上式可使用泰勒级数进行近似简化 21 2 1 5反射波 接收功率为 适用条件 当距离很大时 接收功率随距离成4次方衰减 对较大的d值 接收功率和路径损耗与频率无关 22 2 2移动信道的多径传播特性 2 2 1概述1 移动信信道的时变特性无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损耗 自由空间传播损耗与弥散阴影衰落系统设计多径衰落抗衰落技术 23 多径传播是陆地移动通信系统的主要特征 小尺度衰落的定义 是指无线信号在经过短时间或短距传播后其幅度快速变化 以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计 小尺度衰落又简称衰落 小尺度衰落的成因 由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 小尺度衰落效应短距或短时传播后信号强度的急速变化 不同多径信号上 存在时变的多普勒频移 多径传播时延引起的扩展 回音 2 2 移动环境下的多径传播 24 2 2 移动环境下的多径传播 通常在移动通信系统中 基站用固定的高天线 移动台用接近地面的低天线 基站天线通常高30m 可达90m 移动台天线通常为2 3m以下 移动台周围的区域称为近端区域 该区域内的物体造成的反射是造成多径效应的主要原因 离移动台较远的区域称为远端区域 在远端区域 只有高层建筑 较高的山峰等的反射才能对该移动台构成多径 25 2 2 2 多普勒频移 影响小尺度衰落的因素多径传播移动台的运动速度环境物体的运动速度信号的传输带宽多普勒频移成因 路程差造成的接收信号相位变化值 进而产生多普勒频移 后果 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展 进而增加信号带宽 26 数学公式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fd为 含义 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 2 2 2多普勒频移 27 2 2 3多径接收信号的统计特性 瑞利分布 假设条件在发信机与收信机之间没有直射波通路 有大量反射波存在 且到达接收天线的方向角是随机的 相位也是随机的 且在0 2 内均匀分布 各个反射波的幅度和相位都是统计独立的 离基站较远 反射物较多移动台收到第l条路径的信号可表示为 28 1 瑞利分布 Rayleigh RayIeigh分布的概率密度函数 Pdf 为 Rayleigh分布的平均值为 29 1 瑞利分布 r的中值可由下式解出 Rayleigh分布的均方值 它表示信号包络的功率 表示为 30 1 瑞利分布 图2 9示意了Rayleigh概率密度函数 相应的Rayleigh累积分布函数 CDF 如图所示 31 2 莱斯分布 Ricean 当存在一个主要的静态 非衰落 信号分量时 如视距传播 小尺度衰落的包络分布服从Ricean分布 当主要分量减弱后 Ricean分布就转变为Rayleigh分布 Ricean分布为 32 3 Nakagami m分布 由Nakagami在20世纪60年代提出的 他通过基于现场测试的实验方法 用曲线拟合得到近似分布的经验公式 研究表明 Nakagami m分布对于无线信道的描述有很好的适应性 当m 1时 Nakagami m分布成为瑞利分布 33 2 2 4衰落信号幅度的特征量 工程实用中 常常用一些特征量表示衰落信号的幅度特点 衰落率 信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数 电平通过率 信号包络在单位时间内以正斜率通过某规定电平R的平均次数 衰落持续时间 信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平值所对应的电平通过率之比 34 1 衰落率 衰落率与发射频率 移动台行进速度 方向及多径传播的路径数有关 测试结果表明 当移动台的行进方向朝着或背着电波传播方向时 衰落最快 多普勒频移例2 3 35 2 电平通过率 衰落深度与衰落速率密切相关 深度衰落发生的次数较少 浅度衰落发生得相当频繁 衰减20dB概率为1 衰减30dB和40dB的概率分别为0 1 和0 01 36 2 电平通过率 信号包络的均方根为 Rrms电平通过率在数学上可以表示为 例2 4 37 3 衰落持续时间 接收信号电平低于接收机门限电平时 就可能造成语音中断或误比特率突然增大 了解接收信号包络低于某个门限的持续时间的统计规律 就可以判断语音受影响的程度 或者可以确定是否会发生突发错误及突发错误的长度 这对工程设计具有重要意义 由于每次衰落的持续时间也是随机的 所以只能给出平均衰落持续时间 例2 5 38 1 概述原因 机制 方法 模型 分类2 VHF UHF电波传播特性电波传播方式 直射波 自由空间 大气中的电波传播 绕射 反射 散射3 多径传播特性小尺度衰落 多径 多普勒频移 多径接收信号的统计特性 衰落信号幅度的特征量 小结 39 2 3描述多径衰落信道的主要参数 移动信道是弥散信道 电波通过移动信道后 信号在时域上 频域上和空间 角度 上都产生弥散 本来分开的波形在时间上或频谱上或空间上会产生交叠 使信号产生衰落失真 多径效应在时域上引起信号的时延扩展 使得接收信号的时域波形展宽 相应地在频域上规定了相关 干 带宽性能 当信号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性衰落 多普勒效应在频域上引起频谱扩展 使得接收信号的频谱产生多普勒扩展 相应地在时域上规定了相关 干 时间性能 多普勒效应会导致发送信号在传输过程中 信道特性发生变化 产生所谓的时间选择性衰落 散射效应会引起角度扩展 移动台或基站周围的本地散射以及远端散射会使得天线的点波束产生角度扩散 在空间上规定了相关距离性能 空域上波束的角度扩散造成了同一时间 不同地点的信号衰落起伏不一样 即所谓的空间选择性 40 2 3描述多径衰落信道的主要参数 功率时延分布 PDP PowerDelayProfile 描述信道在时间上的色散 多普勒功率谱密度 DPSD DopplerPowerSpreadDensity 描述信道在频率上的色散 功率角度谱 PAS PowerAzimuthSpectrum 描述信道在角度上的色散 时延扩展 相关时间 多普勒扩展 相关时间 角度扩展和相干距离 41 2 3 1时延扩展与相干带宽 时间色散 TimeDispersionParameters 定义 因多径传播造成信号时间扩散的现象 成因 发射信号经过不同路径到达接收点的时间各不相同 例子说明 以发射单脉冲为例 时变多径信道响应示例 a N 3 b N 4 c N 5 42 描述时间色散的重要参数平均附加时延rms时延扩展最大附加时延 XdB 多径能量从初值衰落到低于最大能量处XdB的时延 即tx t0 其中 1 时延扩展 43 描述时间色散的重要参数多径时间色散参数典型值 450MHz 900MHz 如下表所示 由表可见 市区的时延要比郊区大 也就是说 从多径时间色散考虑 市区传播条件更为恶劣 为了避免码间干扰 如无抗多径措施 则要求信号的传输速率必须比1 低得多 1 时延扩展 44 1 时延扩展 室内功率延时分布 45 起因 由时间色散引起 定义 指某一特定频率范围内 在该范围内 任两个频率分量有很强的幅度相关性 即所有频率分量几乎具有相同的增益及线性相位 定量表达式 如果相干带宽定义为频率相关系数大于0 9的某特定带宽 则相干带宽近似为 如果将定义放宽至相关函数值大于0 5 则相干带宽近似为 2 相干带宽 46 2 相干带宽 举例说明 双射线信道双射线信道的等效网络框图接收信号双射线信道的等效传递函数 附加图2等效网络框图第一射线信号为Xi t 第二射线信号为aXi t ejwst 47 2 相干带宽 举例说明 双射线信道双射线信道的幅频特性 附加图3双射线信道的幅频特性 48 2 相干带宽 举例说明 双射线信道双射线信道的信道的幅频特性 由附加图3知 两个谷点之间的频率差为 或 可见 两相邻场强为最小的频率间隔是与多径时延扩展成反比的 例2 6计算右图所给出的多径分布的平均附加时延 rms时延扩展及最大附加时延 10dB 设信道相干带宽取50 则该系统在不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适 49 2 相干带宽 信号带宽远远小于相干带宽的情况如图8所示 通过图的动态变化我们可以看出 1 在信号带宽范围内 各频点的幅度有基本相同的增益 也就是说 发送信号的频谱基本保持不变 2 信道的增益是随着时间变化的 也就是接收端信号的功率是不断变化的 这种信号忽大忽不小的变化就是衰落 50 2 相干带宽 所传输的信号带宽大于相干带宽 则所传输的信号将产生明显的畸变如图所示 通过图的动态变化 我们可以看出 1 在信号带宽范围内 对不同的频率成份有了不同的响应 也就是说对信号的频率具有了选择性 信号发生了失真 2 信道的总增益随时间变化很小 接收信号的功率基本不变 51 2 3 2多普勒扩展和相干时间 1 多普勒扩展描述信道频率色散的参数 起因 由移动台与基站间的相对运动或是信道中物体运动引起的 多普勒扩展定义 为一个频率范围BD 在此范围内接收的多普勒谱有非0值 含义 多普勒扩展BD是谱展宽的测量值 这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度 52 相干时间定义 信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值 含义 在相干时间间隔内 两个到达信号有很强的幅度相关性 与多普勒扩展的关系 是多普勒扩展在时域的表示 具体为 2 相干时间 其中 fm是最大的多普勒频移 v l 若时间相关函数定义为大于0 5时 相干时间近似为 53 2 相干时间 相干时间与多普勒扩展的关系 在现代数字通信中 一种普遍的定义方法是将相干时间定义为 选择测量小尺度传播需要适当的空间取样间隔 假设连续取样值有很强的时间相关性 在fc 1900MHz及v 50m s情况下 移动10m需要多少样值 假设测量能够在运动的车辆上实时进行 则进行这些测量需要多少时间 信道的多普勒扩展BD为多少 54 相干带宽与相干时间 时间色散 时延扩展 相干带宽频率色散 多普勒扩展 相干时间相干带宽 信道的频谱特性 或者说是结构特性相干时间 信道的时变特性时间选择性 符号的尾端与符号的前端的信道特性发生了变化频谱选择性 信号频谱内具有不同增益 55 2 3 3角度扩展和相关距离 1 角度扩展描述信道角度色的参数 起因 由移动台或基站周围的本地散射体以及远端散射体引起的 角度扩展定义 为归一化角度功率谱的均方根值 特性 角度扩展越大 表明散射越强 信号在空间的色散度越高 反之 角度扩展越小 表明散射越弱 信号在空间的色散度越低 56 相干距离定义 信道冲击响应维持不变 或一定相关度 的空间间隔的统计平均值 含义 在相干距离间隔内 两个到达信号有很强的幅度相关性 与角度扩展的关系 是角度扩展在空域的表示 具体为 2 相干距离 相关距离除了与角度扩展有关外 还与来波到达角有关 为了保证相邻两根天线经历的衰落不相关 在弱散射下的天线间隔要比在强散射下的天线间隔要大一些 57 2 3 4多径衰落信道的分类 移动信道中的时间色散和频率色散可能产生4种衰落效应信号特性与信道特性的相互关系决定了不同的发送信号会经历不同类型的衰落根据信号带宽和信道带宽的比较 平坦衰落频率选择性衰落根据发送信号与信道变化快慢程度快衰落慢衰落 58 平坦衰落 形成条件 如果移动无线信道带宽远大于发送信号的带宽 且在带宽范围内有恒定增益及线性相位 则接收信号就会经历平坦衰落过程 判定条件 克服方法 AGC Bs 1 平坦衰落与频率选择性衰落 59 频率选择性衰落 形成条件 如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽 则该信道特性会导致接收信号产生选择性衰落 判定条件 克服方法 均衡等 1 平坦衰落与频率选择性衰落 Bs BcorTs 60 快衰落形成条件 信道的冲激响应在符号周期内变化很快 即信道的相干时间比发送信号的符号周期短 定量判据 符号周期 Ts 相干时间 Tc 或多普勒扩展 BD 信号带宽 Bs 慢衰落形成条件 信道的冲激响应变化率比发送的基带信号变化率低 即信道的相干时间比发送信号的符号周期长 定量判据 符号周期 Ts 相干时间 Tc 或多普勒扩展 BD 信号带宽 Bs 2 快衰落与慢衰落 61 3 衰落类型 62 1 多径信道冲激响应模型2 描述多径衰落信道的主要参数时延扩展与相干带宽多普勒扩展与相干时间角度扩展与相干距离多径衰落信道的分类 小结 63 2 4阴影衰落的基本特性 阴影衰落 通过不同障碍物的阴影时 就构成接收天线处场强中值的变化 从而引起衰落起伏地形 建筑物 植被 高大的树林 长期衰落 大尺度衰落 特点是衰落与无线电传播地形和地物的分布 高度有关 64 设计无线通信系统时 首要问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强 分析和实验相结合的方法分析 了解各因素的影响实验 找出各种地形地物下的传播损耗与距离 频率 天线高度之间的关系实验方法的优点 通过场强测试考虑了所有的传播因素 包括已知的和未知的 实验方法的不足 在一定频率和环境下获得的模型 在其他条件应用时是否正确 只能建立在新的测试数据基础上 2 5电波传播损耗预测模型 65 2 5 1地形环境分类 1 地形特征定义 1 地形波动高度在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度 定义为 沿通信方向 距接收地点10km范围内 10 高度线和90 高度线的高度差 10 高度线是指在地形剖面图上有10 的地段高度超过此线的一条水平线 66 2 5 1地形环境分类 1 地形特征定义 2 天线有效高度移动台天线有效高度定义为移动台天线距地面的实际高度 基站天线有效高度定义为沿电波传播方向 距基站天线3 15km的范围内平均地面高度以上的天线高度 67 2 5 1地形环境分类 2 地形分类准平坦地形和不规则地形准平坦地形是指该地区的地形波动高度在20m以内 而且起伏缓慢 地形峰顶与谷底之间的水平距离大于地面波动高度 在以公里计的范围内 其平均地面高度差仍在20m以内 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 孤立山峰 斜坡和水陆混合地形等 各类地形主要特征是地形波动高度 68 3传播环境分类 开阔地区 在电波传播方向上没有建筑物或高大树木等障碍的开阔地带 郊区 有1 2层楼房 但分布不密集 还可有小树林等 中小城市地区 建筑物较多 有商业中心 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 高层建筑也较多 69 2 5 2Okumura模型 Okumura模型是根据测试结果绘成经验曲线构成的模型 测试方法 使用不同频率 不同天线高度 选择不同的距离进行一系列测试 基础 中等起伏地形的市区 基站有效天线高度hb为200米 移动天线高度hm为3米的传播损耗基本中值的预测曲线 其它地形通过修正因子来修正 Okumura模型适用条件 100MHz 1500MHz 基站天线高度为30 200m 移动台天线高度1 10m 传播距离为1 10m 传播距离为1 20km 70 1 准平坦地形大城市 其中 LM为传播路径的损耗中值 Lfs为自由空间传播损耗 Am为中等起伏地形市区 基站天线高度为200m 移动台天线高度为3m时相对于自由空间的中值损耗 又称基本中值损耗 71 1 准平坦地形大城市 当基站或移动台天线高度不是基准高度时 通过修正因子Hb hb d 或Hm hm f 进行修正 72 2 不规则地形及不同环境中的中值路径损耗 Ks为郊区修正因子 kh为丘陵地形修正因子 kA为斜坡地形修正因子 kis为水陆混合传播路径修正因子 73 2 不规则地形及不同环境中的中值路径损耗 例2 8某移动通信工作频率为450MHz 基站天线高度为50m 天线增益为6dB 移动台天线高度为3m 天线增益为0dB 在市区工作 传播路径为准平坦地形 通信距离为10km 试求 1 传播路径的中值路径损耗 2 若基站发射机送至天线的信号功率为10W 不考虑馈线损耗和公用器损耗 求移动台天线接收到的信号功率 74 2 5 3 Hata模型 Hata模型 根据Okumura模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式 1 中小城市修正因子2 大城市修正因子 建筑物平均高度超过15m 单位适用范围3 Hata模型的经验公式例题2 9 设基站天线高度为40m 发射频率为800MHz 移动台天线高度为2m 通信距离为15km 求大城市地区的中值路径损耗 75 2 5 4扩展Hata模型 欧洲科学与技术研究协会工作委员会对Hata模型进行扩展 使它适用于PCS系统 适用频率也达到2GHz 76 2 5 5室内传播模型 室内无线信道的特别之处 覆盖距离小 Smallerdistances环境变动大 Greaterenvironmentvariability受建筑物的布置 材料结构和建筑物类型等因素的强烈影响机理与室外传播相同 即反射 绕射和散射 但条件不同 较小的传播距离使得天线的远场条件难以满足 室内信道分类 视距 LOS 阻挡 OBS 77 室内传播模型 2 分隔损耗 同楼层主要考虑墙和家具等等 Walls furniture etc与材料和频率有关 Highlymaterialdependent分为软分隔和硬分隔 Hardversussoftpartitions分隔损耗 楼层之间决定因素 建筑物外部面积 材料 建筑物类型和窗口数量 损耗因子随楼层数目的减小而减小 损耗因子的增加值随随楼层数目的增加而减小 78 室内传播模型 3 对数距离路径损耗模型室内路径损耗遵从公式 n依赖于周围环境和建筑物类型 X 为正态随机变量 衰减因子模型考虑建筑物类型影响以及阻挡物的影响 预测偏差小 nSF为同层测试的指数值 不同层的路径损耗可通过附加值FAF值获得 79 2 5 6IMT 2000模型 室内办公环境模型特点是小区小 反射功率低时延扩展在35 460ns室外到室内徒步环境特点是小区小 反射功率低时延扩展在100 1800ns车载环境特点是小区较大 反射功率较高时延扩展在0 4 12ms 80 2 6 多径衰落的建模和仿真 大尺度衰落 分析信道的可用性选择载波频率越区切换移动无线网络