Chapter3-Physical Channel-v2012.ppt

1、无线传播特性,衰落及其影响,信道的危害,信道是个表现很坏的“时变滤波器” 信道让一切变得不确定：确定信号随机信号 延迟：未知的符号边界/采样时间的同步、PN码相位； 带限：信号畸变、符号间干扰； 衰减/衰落：未知的信号强度；传输路径损耗、由传播方向上无线电波与障碍物的相互作用导致的损耗； 多普勒频移：未知的载波频率/相位； 加入了干扰、噪声； 快速衰落导致的时变性、 ； 如何重现发送的信号？ 如果实现不了，那么就无法实现通信； 导致通信失败的两因素：S/N（S/I）降低，ISI； 无线通信的根本 核心技术围绕信道设计,信号发生的变化,极度衰落，且快速起伏，导致未知的信号强度； 信号丢失； 信号

2、中叠加了干扰/噪声，导致S/N很低； 未知且变化的传输延迟时间，导致多径效应； 未知的载波频率、相位，且快速抖动； 未知的扩频码相位和边界； 未知的符号边界，； TDMA时，未知的时隙边界； 接收的数据符号间存在干扰（ISI）； 这些变化从宏观上看，导致同样条件下，在不同时间、不同位置、不同频段，接收机所收到的信号均不相同。从微观上看，使得信号取样时间的确定和同步困难、解调、检测和估计容易出错。 其它系统的无线信道，如卫星通信、无线电视、卫星导航系统等，也存在类似的影响。,研究传播特性的意义,规划和建设一个移动通信网首先考虑的物理问题 频段确定、频率分配； 无线电波的覆盖范围，链路预算； 计算

3、通信概率及系统间的电磁干扰； 确定无线设备的参数； 站点规划； 规划和建设一个移动通信网考虑的服务问题 业务类型与传输的质量密切相关，QoS； 用户数量与类型与动态控制密切相关； 针对信道传输损害的具体技术对策 实施无线通信功能的保障 物理可行 经济可行,主要内容,无线电波的基本传输机制 实际的无线通信系统环境 实际环境下的无线传播特性 抽象出来的信道模型 仿真与抗衰落测试,无线传播的基本机制,反射 2维尺度上远大于电磁波的波长，表面起伏不大时（近似平整的表面），对电磁波看起来就近似一种镜面。 干涉 多个无线电波相互作用时产生的叠加； 绕射（衍射） 物体的尺度远大于电磁波的波长，电磁波传播遭遇

4、其边缘时。 散射 遭遇不平整、粗糙的与波长相当的表面，向所有的方向反射,多个反射波干涉的结果使得波呈散射状。存在一个散射系数。 透射 大气分子的作用； 建筑物的透射损耗；,主要内容,无线电波的基本传输机制 实际的无线通信系统环境 实际环境下的无线传播特性 抽象出来的信道模型 仿真与抗衰落测试,实际的无线通信环境,无线传播环境 地形结构（开阔区、平滑地形、丘陵地形和山区）； 人为环境（乡村地区、准郊区、郊区和市区、沿路、水面etc.）； 动态特性（速度，天气） 不同频段的频率具有不同的传播特性 低频段频率传播损耗小，绕射能力强，室内覆盖效果好，但是容量有限。 高频段频率资源丰富，容量大，但是传播

5、损耗大，绕射能力差，室内覆盖效果较差。 无线电波传输途径 直射波或地面反射波（最一般的传播方式）； 对流层反射波（传播具有很大的随机性，波长小于10米，频率大于30M）； 山体绕射波（阴影区信号来源，频率越高绕射能力越差）和电离层反射波（超视距通信途径，波长小于1米，频率大于300M）。 移动 收发机任何一方的移动，信道内障碍物的移动， 实际网络规划时无线传播环境的定义(6类) 密集市区 普通市区 郊区 农村 公路干道 风景区/展区/旅游区,主要内容,无线电波的基本传输机制 实际的无线通信系统环境 实际环境下的无线传播特性 抽象出来的信道模型 仿真与抗衰落测试,几种衰落方式及关系,路径损耗 自

6、由空间的传播损耗（attenuation衰减）； 功率密度随距离的扩散导致； 大尺度衰落 Large-Scale，慢衰落（Long-term fading），对数阴影损耗； 障碍物尺度上的遮挡导致； 小尺度衰落 small scale fades，简称为快衰落（short-term fading） 波长尺度上的多径干涉导致； 多径衰落（multpath fading） 三种“趋势”的叠加/分解？ 随距离的变化逐级敏感 时间、频率、空间关系,传输媒介均匀没有吸收;传播途径上也没有吸收和反射物体射频 能量的衰减与Tx-Rx距离的平方倒数成正比： Ls：路径损耗 在理想情况下（自由空间），依据这种模

7、型，接收信号的能量是可以准确预测的； 但是，在多数传播情形，该模型可能无效。 不过，衰减趋势不可逆转。,路径损耗,大尺度衰落（阴影）慢衰落,成因：信道内的障碍物导致（阻挡、反射）； 空间表现：随距离的变化（空间位置的变化）较大，量级在“小区”级别； 时间表现：衰落的时间常数随移动变化不大，可以维持秒分量级； 频域表现：一般与频率关系不大； 重要性：是站点规划的依据之一，主要考虑的问题是无线系统的功率链路（与接收机灵敏度的关系），对通信系统的其它具体设计关系不大。,与距离成对数关系的阴影衰落（large scale）,n：路径损耗指数，依赖于特定的传播环境； d0：近地参考距离； K：一个依赖天

8、线特性和平均信道损耗的常数，可以用传播距离d0 处的实测数据确定。,Measured indoor path loss,Typical large-scale path loss,对数正态阴影衰落,平均接收信号功率随距离的对数衰减 其中，n:路径损耗指数，依赖于特定的传播环境；d0:近地参考距离；d: Tx-Rx距离；K是一个依赖天线特性和平均信道损耗的常数，可以用传播距离d0 处的实测数据确定。X为0均值的高斯分布随机变量，单位为dB，标准偏差为 混合了3种效应 ：一是自由空间的路径衰减，二是阴影衰落，三是阴影的随机性造成的起伏。,对数正态阴影损耗vs.位置,三种衰落之和 路径衰减； 对数阴

9、影； 正态起伏； 描述 K,n,d0, ,对数正态阴影损耗vs.时间,Log-normal standard deviation:10dB Log-Normal rate: 10Hz, Path Loss: 25dB, Center Freq: 900MHz, Span 0Hz, RBW: 100KHz Sweep time:2 sec,实际的等功率接收范围,这是时间常数较大时的考虑结果（不计快速变化） 注意：可能导致的问题是什么？,对数正态阴影造成的通信中断率,大尺度衰落的不良影响,小尺度衰落快衰落,性质 快速衰落，在短距离范围、短时间内的主要考虑对象，可以忽略慢衰落的影响。 成因 多径传播

10、信道中反射物的存在构成了一个不断消耗与分配能量的环境，导致信号的幅度、相位，随时间的随机变化； 移动台的移动基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制； 环境物体的移动如以大于移动台的速度运动，将对小尺度衰落起决定性作用； 信号的传输带宽如果信号的传输带宽大于多经信道的带宽，传输信号会失真；若窄于信道带宽，则会导致信号幅度改变，但不会有时间失真。 与设计的关系 收发机设计最为密切的问题，收发机中最主要的技术均与抑制此种效应有关。,典型的无线通信系统参数,无线通信系统的常用频率范围：百MHz - GHz量级； 波长很短：1GHz的频率 0.3m的波长； 存在移动：对车辆移动速度，多普勒频移在10

11、0Hz左右量级； 将是，1）主要原因；2）无线通信系统设计时的主要考虑问题。 目的：从无线通信系统的角度，考虑这些物理参数（波长、速度、带宽、延迟时间等）如何影响无线信道的表现。,快衰落（瑞利衰落信号）,中心频率900MHz 多普勒频率100Hz 时间跨度75ms,Doppler Shift Geomerty,Illustration of Doppler effect,多径时延产生场景,多径时延根据时延的大小的影响可以分为两种结果 信号衰落（S/N） 符号间干扰（ISI）,多径时延矢量表示的多径叠加结果,Phasor diagram of a set of scattered waves (

12、in blue), resultinga Rayleigh-fading envelope (in black),Phasor diagram of a set of scattered waves after antenna displacement (in blue)and before motion (in light blue), resulting a Rayleigh-fading envelope (in black),多径时延时延扩展,是一个统计参数,多径时延分离的多径信号,无线信道的特征描述,多径信道的冲击响应函数 无线信道的测量 多径信道特征描述 时间扩散：相干带宽 频率扩

13、散：相干时间 空间扩散：空间相关函数 衰落的统计特性 衰落与传输信号的关系,多径信道冲击响应,移动无线信道可以建模为一个具有时变冲击响应特性的线性滤波器； 时变是由于接收机的空间运动引起； 信道的滤波特性以任一时刻到达的多径波为基础，其幅度和时延之和影响滤波； 考虑 d=vt, 在特定的短时间和短距离内，,Time-varying impulse response,但是，通常以时不变响应构建模型：,移动多径信道的描述时间扩展/相干带宽,瞬时功率延迟分布(平均)功率延迟分布 时间域 平均附加时延功率延迟分布的一阶矩 rms 时延扩展功率延迟分布的二阶矩 最大附加时延从初值衰落到不低于最大能量xd

14、B处的时延； 频率域 相干带宽一定频率范围，频率分量的相关性； 关系（分别定义为频率相关函数的0.9和0.5时） 并未提供信道时变特性的描述,Indoor Power Delay Profile,Typical Measured Value of RMS delay spreads,移动多径信道的描述多普勒扩展/相干时间,时变特性是由于“三方”相对运动导致的fd引起的; 频率域 多普勒扩展是谱展宽的测量值，时间变化率的一种量度； 时间域 相干时间信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值； 关系 多普勒扩展、相干时间是信道时变特性的参数,多普勒频移,Two independent fading

15、 issues,平坦衰落Flat-fading (non-freq. Selective),频率选择性衰落（Frequency selective fading）,衰落的统计特性Rayleigh fading,信道测量（Channel Sounder: Pulse type）,信道测量（Channel Sounder: PN Type ）,Measured power delay profiles,主要内容,无线电波的基本传输机制 实际的无线通信系统环境 实际环境下的无线传播特性 抽象出来的信道模型 仿真与抗衰落测试,信道模型的建立,目的 仿真、抗衰落测试、试验； 建模 准确的模型建立是困难的

16、 几种建模方法 模型并不相同 检测模型（概率模型） 二进制对称信道 非对称信道 条件概率密度信道：p(r/sm)，信号集合sm：1mM 物理模型 针对链路预算、小区规划的模型 针对抗衰落性能分析的模型 针对多径衰落的模型,Simulating multipath with Doppler-induced Rayleigh fading (Time Domain Implementation),无线信道的仿真与模拟,总结信道的基本特性,信道的特性： 时间扩散导致频率不相关频率选择性衰落； 频率扩散导致时间不相关时间选择性衰落； 空间扩散导致空间不相关空间选择性衰落； 信道冗余与不足 通信系统的设

17、计是依据特定的目标选择各种最佳的环节和参数，围绕着对衰落的补偿和干扰的抑制。但是，衰落和干扰是随机的，每一个环节的参数若是确定的或者不能实时跟踪衰落和干扰的变化，就不可避免同时会产生冗余。 信道冗余的直观解释就是超出正确判决需要的那部分资源消耗。 解决方法 均衡 功率控制 分集,以下链接片,三种基本传播机制反射,一般电磁波为极化波 反射系数与表面的介电常数有关,地面反射（2-ray）模型,该模型在远距时预测接收信号的大尺度衰落准确的（dhr,ht, 天线塔高超过50m）；预测城区视距内微蜂窝也是准确的； 对比自由空间模型，衰落速度快2个数量级； 远距时，接收功率与波长无关；,2-ray模型的仿真结果,观察曲线： 1）正作用 2）周期干涉 3）反相，成距离4次方衰落；,三种基本传播机制衍射/绕射,h波长；接收