02第二章-无线传播与移动信道

第二章无线传播与移动信道,2,移动信道属于无线信道，它既不同于传统的固定式有线信道，也与一般具有可移动功能的无线接入的无线信道有所区别。它是移动的动态信道。正如前面所分析的，移动信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地点环境条件的客观存在的信道，其信道参数是时变的。利用这类复杂的移动信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题一一对症下药给出相应技术解决方案。任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信的三项基本指标有效性，可靠性和安全性进行不断的优化。移动通信中的各类新技术，都是针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。因此，分析移动信道的特点是解决移动通信关键技术的前提，是产生移动通信中各类新技术的源泉。,3,2.1移动信道的特点,2.1.1移动通信信道的主要三个特点1)传播的开放性2)接收地点地理环境的复杂性与多样性3)通信用户的随机移动性,4,2.1移动信道的特点,2.1.2移动通信信道中的电磁波传播若从移动信道中的电磁波传播上看可分为：1)直射波2)反射波3)绕射波另外，还有穿透建筑物的传播以及空气中离子受激后二次发射的漫反射产生的散射波但是它们相对于直射波、反射波、绕射波都比较弱，所以从电磁波传播上看：直射、反射、绕射是主要的，但是有时，穿透的直射波与散射波的影响是需要进一步考虑的。,5,2.1移动信道的特点,2.1.3接收信号中的三类损耗与四种效应在上述移动信道的三个主要特点以及传播的三种主要类型作用下，接收点的信号将产生如下的特点：1.具有三类不同层次的损耗路径传播损耗慢衰落损耗。快衰落。仔细划分这一快衰落又可分为：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，。,6,2.1移动信道的特点,2.1.3接收信号中的三类损耗与四种效应2.四种主要效应阴影效应：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。,7,2.1移动信道的特点,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。,8,2.1移动信道的特点,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。,9,2.1移动信道的特点,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。,10,2.2三类主要快衰落,空间选择性衰落频率选择性衰落时间选择性衰落,11,2.2三类主要快衰落,2.2.1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。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：,12,2.2三类主要快衰落,空间选择性衰落信道原理图,13,2.2三类主要快衰落,1)信道输入：射频：单频等幅载波;角度域：在角上送入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，其中为波长。空间选择性衰落，通常又称为平坦瑞利衰落。这里的平坦特性是指在时域、频域中不存在选择性衰落。,14,2.2三类主要快衰落,2.2.2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。其现象、成因与机理如图所示：,15,2.2三类主要快衰落,频率选择性衰落信道原理图,16,2.2三类主要快衰落,1)信道输入频域：白色等幅频谱时域：在时刻输入一个脉冲2)信道输出频域：衰落起伏的有色谱时域：在瞬间，脉冲在时域产生了扩散，其扩散宽度为。其中为绝对时延。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。,17,2.2三类主要快衰落,2.2.3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。其现象、成因与机理如图所示：,18,2.2三类主要快衰落,时间选择性衰落信道原理图,19,2.2三类主要快衰落,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：以为中心产生频率扩散，其宽度为。其中为绝对多普勒频移，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。,20,2.2三类主要快衰落,2.2.4实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件在实际移动通信中，三类选择性衰落都存在，根据其产生的条件大致可以划分为以下三类。并可以用下列示意图表示：,21,2.2三类主要快衰落,三类多径干扰示意图,22,2.2三类主要快衰落,1)第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信号的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，而引起信号在时域上时间选择性衰落。2)第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。3)第三类多径干扰：它是由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。,23,2.2三类主要快衰落,下面，我们给出在第二代移动通信中某种典型地理环境下，电波传播在空间角度、时间与频率所产生的典型扩散值，并用表格表示：,24,2.3传播类型与信道模型的定量分析,上面我们重点从概念与定性的观点探讨了移动通信中的电波传播与移动信道的主要特性。这一节，我们试图从定量的观点对传播模型与信道模型作进一步深入分析。,25,2.3传播类型与信道模型的定量分析,2.3.1传播损耗的初步定量分析这里首先从总体上对传播损耗作如下初步的定量分析。由前面的定性分析可得到传播的总损耗分别由大范围(大尺度、公里量级)的路径衰耗、中范围(中尺度、数百波长量级)的阴影效应和小范围(小尺度、数十波长以下)的快衰落共同决定。它可表示为：其中：表示大范围的路径衰耗，表示中范围的阴影效应损耗，表示小范围内的快衰落损耗。,26,2.3传播类型与信道模型的定量分析,2.3.2大范围的路径传播衰耗的定量分析上面定性分析已指出移动通信信道是一个完全开放式信道，其传播损耗从宏观的大范围看，主要决定于传播的环境与条件。传播损耗不仅决定于传播距离，而且还与传播中的地形、地貌、传播的载波频率，以及发、收天线高度等密切相关。因此想从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难，一般在工程上多采用一些经验公式与模型，它对于工程技术人员而言已基本上能满足工程上的估算要求。,27,2.3传播类型与信道模型的定量分析,下面将给出几类在不同环境与条件下经常使用的著名经验公式与模型。1)奥村哈塔(Okumura-Hata)模型2)Hata模型向个人通信PCS系统的扩展3)Walfisch-Ikegami模型(WIM)4)室内传播模型,28,2.3传播类型与信道模型的定量分析,2.3.3中、小范围的传播损耗的定量分析上面我们在初步定性分析中已指出中等范围的慢衰落是主要由阴影效应引起的，而小范围的快衰落则是主要由三类快衰落引起的。这里，我们奖进一步定量分析三类快衰落和慢衰落的成因、规律和克服方法。移动信道实质上可以看作在时域、频域和空域的一个三维动态随机函数，因此问题可以归结为如何寻找一个有效分析与描述这类三维动态随机函数的方法。下面我们借助线性时变分析方法和广义平稳随机过程的分析方法对它进行分析。,29,1、线性时变信道的一般分析方法线性时不变信道对于固定式的有线信道一般可采用一个线性时不变网络来分析，描述这类网络的两个主要参量分别是网络传输函数和脉冲响应函数，而且它们之间是一对傅氏变换，即,2.3传播类型与信道模型的定量分析,30,线性时变信道对于线性时变信道，一般可以采用一个线性时变网络来分析。描述这类网络的两个主要参量分别是从线性时不变网络的两个对应参量的推广。它们分别是网络传输函数和脉冲响应函数，它们之间仍是一对傅氏变换，即,2.3传播类型与信道模型的定量分析,31,线性频变信道对于线性频变信道，类似于线性时变信道的分析方法，可采用一个线性频变网络来分析。描述这类网络的两个主要参量分别是网络的散射函数和多普勒频谱函数。它们之间也是一对傅氏变换：,2.3传播类型与信道模型的定量分析,32,线性时、频双重变化信道如果同时考虑信道的时变与频变双重特性，这时描述双重变化特性的线性网络应有四个主要参量：网络在频域上的传递函数、网络时延脉冲响应、网络多普勒谱函数和网络的二维扩散函数。它们之间满足下列傅氏变换关系：时、频双重变化信道的描述,2.3传播类型与信道模型的定量分析,33,应该说上述四个二维参量均为随机参量。这是变量间的傅氏变换(F.T)是指随机函数之间的傅氏变换，它在严格意义上是不成立的。它只能在概率统计的意义上，比如几乎处处意义上成立。为了得到真正统计意义上的傅氏变换(F.T)，我们可以进一步研究上述四个随机函数的统计矩函数之间的关系。后面我们将证明下面四个统计量之间的傅氏变换关系成立。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,34,时、频双重变化信道的统计参量关系其中：为时、频二维相关函数，为延时互功率谱密度，为多普勒互功率谱密度，为频、时二维扩散函数。上述四个统计参量物理含义是清晰的，也是可以采用仪器进行实际测量的。后面我们将进一步分析它们之间的定量关系。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,35,时、频、空三维可变的线性信道若将上面线性时、频双重变化信道再进一步考虑到空域上的变化，即将二维可变推广至三维可变，并在此基础上引入随机性就基本上构成了实际的移动通信信道的模型。这时描述三维动态特性的基本参量由二维的四个参量推广至四对八个三维随机变量：、。为了更全面的描述线性时变动态信道网络，可以将上述四对、八个三维随机函数之间关系更明确的表示如下：,2.3传播类型与信道模型的定量分析,36,线性时变信道的八个基本参量间关系,2.3传播类型与信道模型的定量分析,37,至此，我们给出了分别是空域、时域、频域描述线性时变信道的全部八个三维随机系统函数及它们之间傅氏变换的关系。正由于上述八个系统函数都是三维随机函数，要充分描述它们还必须已知上述随机函数的概率分布。这是一个极其困难的。为了进一步简化分析，我们假设移动信道基本上遵从点散射(扩散)模型。亦即移动信道从物理上可看作，在接收端所接收的信号是具有不同时延、不同频移、不同入射角的足够多(无限条)传播路径反射、散射信号的总和，这些路径可能是相关的也可能是不相关的。通常可认为它们是不相关的，即符合所谓的点散射模型。利用这个典型的点散射模型，下面将证明移动信道是遵从广义平稳特性的，而且还遵从复高斯模型。这就是文献中常引用的高斯广义平稳非相干散射模型(GWSSUS)。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,38,2、线性时变信道的统计模型与统计分析根据上述理论分析结果，结合第二代(2G)、第三代(3G)实际环境条件，分别给出下述不同的信道模型。宽带、高速车载移动信道：它就是上面分析的最一般的空间频率时间选择性衰落信道，亦即角度时间频率扩散信道。它适合于第三代以及未来的宽带、高速移动(车载)用户业务。宽带、慢速(步行)移动信道：它就是上面分析中简化的第种情况下的具有空间频率选择性衰落信道，亦即具有角度时间扩(色)散信道。它适合于第三代(3G)以及未来宽带多媒体在慢速步行或室内用户的业务。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,39,宽带、高速移动(车载)且具有智能天线的信道：它就是上面分析中简化的第种情况下的具有时间频率选择性衰落信道，亦即具有频率时间扩(色)散信道。它适合于具有智能天线的高速移动(车载)的宽带多媒体业务的用户。窄带、高速移动(车载)信道：它就是上面分析简化中的第种情况下的具有空间时间选择性衰落的信道，亦即具有角度频率扩(色)散信道。它适合于高速移动车载的窄带业务用户。比如第二代(2G)、第三代(3G)车载话音与低速数据业务。窄带、低速移动(步行)信道：它就是上面分析的信道中最简化的空间选择性衰落信道，亦即具有角度扩(色)散信道。它适合于步行的窄带业务用户，比如第二代(2G)、第三代(3G)中步行的话音与低速数据业务用户。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,40,3、几点结论移动信道，可以看作一个时、频、空三维动态信道，其终端所接收的信号在物理上可以看作时具有不同时延、不同频移和不同入射角的无限条传播路径的总和。这些路径可能是相关的也可能是不相关的，但是通常最简单、也最符合多数实际情况的类型是不相关的，即传播过程中多径时延、多普勒频移扩散与不同入射角的扩散可以看作是不相关的，这就是符合所谓点散射模型。一般在建筑物密集的繁华市区无直射波时,基本符合这一模型。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,41,本节证明如果传播路径是不相关的，且符合点散射模型，则相对应的频域、时域和空域上所产生的衰落都是遵从广义平稳性能。因此移动信道的不相关扩(色)散特性与信道的广义平稳特性是完全等效的。而且在物理上可以认为正是由于信道的时域、频域与角度域所产生的扩(色)散是产生相应的频率、时间和空间的选择性衰落的原因。本节证明在物理上遵从不相关传播的线性时变信道，在数学上遵从复高斯分布、其包络则遵从广义瑞利分布。大量的实验证明这一结论是正确的。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,42,当采用扩(色)散函数来表示信号通过时变信道后的能量扩(色)散程度，而用广义相关函数来表示信道的各类选择性衰落特性，这时扩(色)散函数和广义相关函数都可具有一个三维不规则的体积，假若在三维扩(色)散体积中定义各单维剖面下降3dB点所构成的区域为相应的扩散区间，并将它定义一阶近似扩(色)散值，则可求得相应时域扩散区间，频域扩散区间，角度扩散区间。相应地，信道选择性衰落特性也可以等效的采用类似方法求得频率相关区间、时间相关区间和空间相关区间。作为一个近似，我们发现扩(色)散量与相关量之间存在着互为对应的倒数关系。即，。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,43,若无空间分集和分集天线间距远小于相关距离，这时信道可以近似看作空间慢变化信道，三维衰落扩(色)散信道可简化为二维的频率时间选择性衰落信道。如果在移动通信中，送入信道的信号频带远小于信号的相关带宽，同时信号的持续时间又远小于信号的相关时间。这时可以将三维的衰落扩(色)散信道简化为一维的空间选择性衰落信道。可见空间选择性衰落信道在时、频域上是慢变化的，故称为平坦瑞利衰落信道。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,44,在不同的实际信道中，我们还可以做不同类型的简化。可构成空间频率选择性衰落信道，空间时间选择性衰落信道等。不过它们都可以看作一般三维动态信道的一个特例，其性能分析可以直接从三维在不同二维和一维的剖面上加以讨论。应值得注意的是在三维动态特性中，空域特性与接收点位置、载波频率(波长)性质有关而与信号性质无直接关系，而频率与时间选择性衰落则直接决定于信号性质。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,45,2.3.4移动通信中的几种主要噪声与干扰前面我们分析了在移动通信的电波传播中的慢衰落和三类快衰落的影响。这里我们从另一角度分析影响移动通信性能的噪声与干扰。在移动通信中严重影响移动通信性能的主要噪声与干扰大致可分为三类：加性正态白噪声、多径干扰与多址干扰。下面，我们分别给予简要分析。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,46,1、加性、正态、白噪声这里的加性是指噪声与信号之间的关系是遵从迭加原理的线性关系，正态则是指噪声分布遵从正态(高斯)分布，而白则是指其频谱是平坦的。仅含有这类噪声的信道一般文献上称为AWGN信道。这类噪声是最基本的噪声，并非移动信道所特有，一般简称这类噪声为白噪声。产生这类噪声的来源主要有两个：无源约翰逊噪声有源霰弹噪声,2.3传播类型与信道模型的定量分析,47,2、多径干扰。它是由于电波传播的开放型与地理环境的复杂性而引起的多条传播路径之间相互自干扰而引起的噪声干扰。它实质上是一类自干扰。在数字与数据通信情况下主要表现为码间干扰，以及高速数据的符号间干扰。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,48,3、多址干扰由于在移动通信网中同时进行通信的是多个用户，这多个用户的信号之间一定要采用一类正交隔离手段，否则就会互相干扰，在通话时串话。在移动通信中，第一代采用频段隔离，一个用户使用一个频段。只要滤波器隔离度做得好，基本上能防止串话之类多用户干扰。,2.3传播类型与信道模型的定量分析,49,2.4多径信道的其它数学模型,在移动通信中，除了上面仔细分析的高斯广义平稳非相干散射(GWSSUS)模型以外，多径信道一般还可以表达成具有矢量信道的空时多径信道模型如下：其中为信道网络的矢量冲击响应，为角度的方向矢量，为第条路径信号幅度，为第条路径相对于第一条()的相对时延，为第条路径的信号载波相位，为到达接收点的路径数。,50,2.4多径信道的其它数学模型,在对实际信道的分析中，上述模型太复杂，应用比较困难，往往需要作在不同环境和条件下的进一步简化。这类简化大致可以分为两类：一类是在不考虑空域即矢量特性情况下的简化，另一类则是考虑空域和矢量特性情况下的进一步简化。下面给予简介。,51,2.4多径信道的其它数学模型,1、不考虑空域时的模型的简化这时，信道可以表示为：其中，各参量的表达与含义与简化前完全相同。但是在实际分析中，各参量的时变特性仍然是一个很难掌握很难分析的量，为了进一步简化，可以将信道看成慢时变信道，即信道时变特性相对于所传送的码元而言变化并不明显。这时刻认为信道基本上是一个非时变系统，其分析将大为简化为：,52,2.4多径信道的其它数学模型,2、考虑空域的矢量模型时的简化根据一般的空域矢量模型的一般表达式的公式(2.4.1)及其中的各个参量，我们可以根据其分布函数和取值范围的不同，将上述空时矢量模型划分为三类：1)李(Lee)模型2)基于几何结构的单次散射统计信道模型3)矢量信道的Raleigh模型,53,2.4多径信道的其它数学模型,3、3GPP-3GPP2空间信道模型3GPP-3GPP2空间信道Ad-hoc组推荐采用基于子径的空间信道