移动通信信道多径传播特性及定量描述

1、第三讲移动通信信道 2 多径传输特征及定量描述数字移动通信第1页上次课重点回顾 VHF和UHF电波主要有几个传输方式？ 自由空间中电波传输损耗改变有何规律？ 大气对电波传输有何影响？ 绕射损耗与哪些原因相关？反射模型中，电波传输损耗改变有何规律？第2页第2章 移动通信信道2.1 陆地无线电波传输特征2.2移动通信信道多径传输特征2.3描述多径衰落信道主要参数2.4 阴影衰落基本特征2.5 电波传输损耗预测模型2.6 多径衰落信道建模和仿真2.7 MIMO信道介绍第一次课第二次课第三次课第3页 此次课要求与重难点要求与重点掌握多径传输基本特征和多径衰落对数字移动通信影响。了解描述多径信道参数，了

2、解小尺度衰落模型。重点：相关（干）带宽、相关时间、相关距离 难点：多径衰落对接收信号影响第4页此次课需要处理主要问题什么是电波传输三级模型？多径传输对接收信号有何影响？怎样定量描述多径传输特征？多普勒扩展对接收信号有何影响？怎样定量描述？描述信道特征关键参数有哪些？多径衰落信道怎样分类？第5页2.2.1 移动通信信道中电波传输损耗特征2.2.2 移动环境下多径传输2.2.3 多普勒频移2.2.4 多径接收信号统计特征（自学）2.2.5 衰落信号幅度特征量2.2 移动通信信道多径传输特征第6页一、电波传输损耗特征 移动信道是一个变参信道 信号传输过程中会遭受不一样类型损耗 传输损耗阴影衰落多径衰

3、落：移动台与基站距离大尺度衰落小尺度衰落第7页1、传输损耗(路径损耗） 长程范围内信号电平改变（几千米量级） 电波传输引发平均接收功率衰减 取决于发射机与接收机之间距离 自由空间时，n=2，普通情况下n=35一、电波传输损耗特征第8页2、阴影衰落 阳光不能普照 短程范围内信号电平改变（数百波长量级） 由大型障碍物遮挡引发，包含传输环境中地形起伏、人造建筑物等一、电波传输损耗特征第9页3、小尺度衰落 余音绕梁 主要由多径效应和多普勒效应引发 数十波长量级内信号电平改变 接收信号场强瞬时值快速改变，在几个波长间距内改变幅度可达30dB一、电波传输损耗特征第10页传输损耗一、电波传输损耗特征距离(k

4、m)场强02468806040200几百个波长（阴影衰落）几十个波长（多径衰落）第11页 大尺度路径损耗传输模型 描述发射机和接收机之间长距离上平均场强改变，用于预测平均场强并预计无线覆盖范围。 受到收发距离及地形地貌影响。 小尺度多径衰落传输模型 描述移动台在极小范围内移动时，短距离（几个波长）或短时间（秒级）上接收场强快速改变，依据小尺度衰落确定应采取抗衰落技术。 当移动通信跨越比较大区域时，会同时受到大尺度衰落和小尺度衰落影响！一、电波传输损耗特征第12页2.2.1 移动通信信道中电波传输损耗特征2.2.2 移动环境下多径传输2.2.3 多普勒频移2.2.4 多径接收信号统计特征（自学）

5、2.2.5 衰落信号幅度特征量2.2 移动通信信道多径传输特征第13页二、移动环境多径传输 1、多径传输基本概念 信道中存在各种反射物和散射物 发射波抵达接收机时形成在时间、空间上相互区分多个无线电波第14页二、移动环境下多径传输余音绕梁多径传输示意图 1、多径传输基本概念第15页二、移动环境下多径传输2、多径传输对接收信号产生影响 当两个多径信号同相时，合成信号是什么样？ 当两个多径信号相位相差180度时，合成信号是什么样？第16页 多径传输会造成接收信号在不到一个波长范围内会出现几十分贝电平改变和猛烈相位摆动 。 延长信号抵达接收机时间，引发码间串扰。二、移动环境下多径传输2、多径传输对接

6、收信号产生影响第17页二、移动环境下多径传输2、多径传输对接收信号产生影响 经典实例 800MHz室内环境中经典传输时延扩展为1s，符号速率200kbps，符号宽度？重合率？符号宽度5s，重合覆盖率20%第18页2.2.1 移动通信信道中电波传输损耗特征2.2.2 移动环境下多径传输2.2.3 多普勒频移2.2.4 多径接收信号统计特征（自学）2.2.5 衰落信号幅度特征量2.2 移动通信信道多径传输特征第19页三、多普勒频移1842年由奥地利数学家、物理学家克里斯琴.多普勒.约翰首先提出。定义：当发射源与接收体之间发生相对运动时，接收频率与发射频率之差。火车汽笛声改变？从远而近时，汽笛音调变

7、尖从近而远时，汽笛音调变低对无线通信场景怎样更直白了解？1、何为多普勒频移？第20页三、多普勒频移接收信号频率与发射信号频率不一致！多普勒频移与移动台运动速度及移动台方向与无线电波入射方向之间夹角相关。 频率改变值 ：2、多普勒频移与移动台运动间关系第21页三、多普勒频移思索：频率改变有什么趋势？朝向入射波方向移动多普勒频移为正值；背向入射波方向移动多普勒频移为负值。2、多普勒频移与移动台运动间关系思索：移动台连续运动，会造成什么现象？第22页2.2.1 移动通信信道中电波传输损耗特征2.2.2 移动环境下多径传输2.2.3 多普勒频移2.2.4 多径接收信号统计特征（自学）2.2.5 衰落信

8、号幅度特征量2.2 移动通信信道多径传输特征第23页2.2.4 多径接收信号统计特征（提醒） 移动通信信道统计分析：对接收信号功率或电压包络进行定量描述。 以瑞利分布为例，接收信号包络和相位(为方差)：包络概率密度函数（瑞利分布）：相位概率密度函数（均匀分布）：3-24第24页四、衰落信号幅度特征量1、研究衰落信号幅度特征量必要性 链路设计需要得到链路性能幅度特点 一条衰落信道每隔多长时间就会衰落到某一特定电平之下？ 这条信道将在该门限下连续多长时间？ 工程应用中，经常用一些特征量表示衰落信号幅度特点。第25页2、衰落率 定义：信号包络在单位时间内以正斜率经过中值电平次数 与发射频率、移动台行

9、进速度、方向及多径传输路径数相关。 当移动台行进方向朝着或背着电波传输方向时，衰落最快。四、衰落信号幅度特征量第26页3、电平经过率包络在单位时间以正斜率经过某要求电平R次数 深度衰落发生次数较少，浅度衰落发生得相当频繁。 衰减20dB概率为1%，衰减30dB和40dB概率分别为0.1%和0.01%。四、衰落信号幅度特征量第27页4、平均衰落连续时间 定义：信号包络低于某个给定电平值概率与该电平值所对应电平经过率之比。 思索：怎样了解物理含义？ 信号包络低于某个给定电平值概率 -值越大，衰落情况越严重 电平经过率 - 值越大，衰落改变速度越快，停留在某状态时间越短四、衰落信号幅度特征量第28页

10、4、平均衰落连续时间思索：平均衰落连续时间对工程设计意义在哪里？接收信号电平低于接收机门限电平时，就可能造成语音中止或误比特率突然增大。由平均衰落连续时间可判断通信受影响程度，确定是否会发生突发错误及突发错误长度。四、衰落信号幅度特征量第29页2.3.1 时延扩展和相关带宽2.3.2 多普勒扩展和相关时间2.3.3 角度扩展和相关距离（自学）2.3.4 多径衰落信道分类2.3 描述多径衰落信道主要参数第30页1、时延扩展概念定义：多径传输造成信号时间扩散 假设发射一个极短脉冲信号，经过多径信道后，接收信号是什么样？ 接收信号展现为一串脉冲，出现时间色散现象。五、时延扩展与相关带宽第31页五、时

11、延扩展和相关带宽经典时延（功率）谱曲线2、时延扩展描述 时延功率谱：由不一样时延信号分量平均功率组成P()相对时延值归一化时延谱平均时延时延扩展， P()均方根最大多径时延， P()下降到-30dB时时延差第32页 平均时延 时延扩展 离散化 离散化五、时延扩展和相关带宽2、时延扩展描述第33页3、时延扩展经典实测数据参数市区郊区平均时延 (s)1.52.5 0.10.2 时延扩展 (s)1.03.0 0.22 最大时延 (-30dB) (s)5.012.0 3.07.0 平均时延扩展 (s)1.3 0.5 五、时延扩展和相关带宽第34页五、时延扩展和相关带宽图2-13 双径信道等效网络 以双

12、径模型为例，且不计信道固定衰减4、多径对信号频域影响衰减系数两径时延差第一射线信号为Si(t)第二射线信号为Si(t)ej（t）第35页五、时延扩展和相关带宽 双径信道等效网络传递函数为: 信道幅频特征为:4、多径对信号频域影响第36页图2-14 双射线信道幅频特征 当 时，双径信号同相叠加，出现峰点； 当 时，双径信号反相相消，出现谷点。五、时延扩展和相关带宽4、多径对信号频域影响 深入思索物理含义？当多径时延差一定时，从频域上看，当信号带宽较宽时，会发生畸变！第37页五、 时延扩展和相关带宽指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强幅度相关性； 在此范围内全部频率分量几乎含有相同增益

13、及线性相位。（1）相关带宽定义5、多径对信号频域影响量化第38页五、 时延扩展和相关带宽相关系数大于0.9时，相关带宽为：将定义放宽至相关系数大于0.5，相关带宽为：实际工程上，普通采取下式估算：（2）相关带宽定量计算5、多径对信号频域影响量化第39页 相关带宽由信道时延扩展决定，二者之间成反比关系。 信道实际情况 时延扩展（多径结构） 相关带宽五、时延扩展和相关带宽6、时延扩展和相关带宽关系第40页 实例分析：时延扩展为1.37s，采取式(2-70)计算可得相关带宽为116kHz。 思索：带宽分别为30kHz信号和200kHz信号，在经过该信道后，从时域和频域上看，各有什么区分？信号1：30

14、kHz - 33.3 s信号2： 200kHz - 5 s五、时延扩展和相关带宽6、时延扩展和相关带宽关系 平坦衰落 vs. 频率选择性衰落！-多径干扰程度小，带宽小于相关带宽-多径干扰程度大，带宽大于相关带宽第41页五、时延扩展和相关带宽【例2-6】未归一化时延谱如图例2.6所表示，试计算多径分布平均附加时延和rms时延扩展。若设信道相关带宽按式（2-70）计算，则该系统在不使用均衡器条件下对AMPS或GSM业务是否适当?图例2.6某时延谱测量结果第42页五、时延扩展和相关带宽解：信号总功率： 平均附加时延： 时延平方平均值：第43页五、时延扩展和相关带宽解（续）： 用均方根值（rms）表示

15、时延扩展：相关带宽为：第44页五、时延扩展和相关带宽AMPS系统带宽为30kHz小于相关带宽 ， 所以不使用均衡器，系统就能正常工作；GSM系统带宽为200kHz大于相关带宽 ， 需要使用均衡器，系统才能正常工作。解（续）：讨论： ，该系统在不使用均衡器条件下对AMPS或GSM业务是否适当？ 取决于：系统带宽和相关带宽关系第45页（1）平坦衰落五、时延扩展和相关带宽7、平坦衰落与频率选择性衰落思索：平坦衰落有何特点？在信号带宽范围内，各频点幅度增益基本相同，即发送信号频谱基本保持不变；信道增益伴随时间改变，接收信号功率可能不停改变，造成信号忽大忽小。第46页（2）频率选择性衰落五、时延扩展和相

16、关带宽7、平坦衰落与频率选择性衰落思索：频率选择性衰落有何特点？信道对信号不一样频率成份含有不一样响应。产生频率选择性，使信号发生失真。第47页平坦衰落数据传输速率低，则码元宽度长，带宽窄，多径信号不会干扰整个码元，信号带宽小于信道相关带宽。 频率选择性衰落数据传输速率高，则码元宽度小，带宽宽，多径信号干扰码元程度高，信号带宽大于信道相关带宽。五、时延扩展和相关带宽7、平坦衰落与频率选择性衰落 思索：信道多径分布对通信有何影响？信号传输速率受相关带宽（多径分布）限制!第48页2.3.1 时延扩展和相关带宽2.3.2 多普勒扩展和相关时间2.3.3 角度扩展和相关距离（自学）2.3.4 多径衰落

17、信道分类2.3 描述多径衰落信道主要参数第49页六、 多普勒扩展和相关时间1、多普勒扩展（Doppler spread）现象定义 定义：若发送信号频率为fc纯粹弦波，接收信号频谱在fc- fd至fc- fd范围内存在分量，则其中fd称为多普勒频移。实际多普勒频移最大多普勒频移最小多普勒频移出现频率色散现象第50页六、 多普勒扩展和相关时间2、多普勒扩展量化多普勒扩展指接收信号多普勒谱为非0值频率范围，表示式为：第51页六、 多普勒扩展和相关时间3、相关时间定义及量化 定义：信道冲激响应维持不变（或一定相关度）时间间隔统计平均。 在相关时间内，两个抵达信号有很强幅度相关性。若时间相关函数定义为大

18、于0.5时，相关时间可近似为：第52页六、 多普勒扩展和相关时间4、多普勒扩展与相关时间关系 相关时间由多普勒扩展决定，二者之间成反比关系。 运动速度和信号频率 多普勒扩展 相关时间第53页六、 多普勒扩展和相关时间4、多普勒扩展与相关时间关系 实例分析：移动台速率为60km/h，载频为900MHz，相关时间3.58ms。 思索：传输速率为200bit/s和bit/s时，在经过该信道后，从时域上看，有什么区分？信号1：bit/s 0.5ms信号2：200bit/s 5ms 快衰落 vs. 慢衰落！- 码元宽度小于相关时间，衰落一致！- 码元宽度大于相关时间，衰落不一致！第54页 数据传输速率低，则码元宽度长，信道以快于传输符号率速度波动，接收信号易受快衰落影响。六、 多普勒扩展和相关时间5、快衰落与慢衰落 快衰落：信道相关时间比发送信号码元宽度短。 慢衰落：信道相关时间比发送信号码元宽度大。第55页六、 多普勒扩展和相关时间 移动台速度(或信道路径中物体速度)及基带信号发送速率，决定了信号是经历快衰落还是慢衰落。 思索：快衰落有没有好处？怎样利用？ 预防长久处