現(xiàn)代移動(dòng)通信 第3版 教學(xué)課件 蔡躍明 03次課 第02章 移動(dòng)信道的傳播特性

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1、在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：http:/教材其余課件及動(dòng)畫素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)教材其余課件及動(dòng)畫素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：或者直接輸入下面地址：http:/3-3-2 2數(shù)字移動(dòng)通信數(shù)字移動(dòng)通信3-3-3 3數(shù)字移動(dòng)通信第2章移動(dòng)通信信道3-3-4 4第2章講述內(nèi)容2.1 陸地?zé)o線電波傳播特性2.2 移動(dòng)通信信道的多徑傳播特性2.3 描述多徑衰落信道的主要參數(shù)2.4 陰影衰落的基本特性2.5 電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型2.6 多徑衰落信道的建模和仿真3-3-5 5第2章 第2講要求與重點(diǎn)1.了解了解多徑衰落信號(hào)幅度的特征量多徑衰落信號(hào)幅度的特征量

2、2.掌握掌握描述多徑信道參數(shù)的物理意義描述多徑信道參數(shù)的物理意義3.理解理解多徑衰落對(duì)通信系統(tǒng)的影響多徑衰落對(duì)通信系統(tǒng)的影響4.理解理解衰落類型和衰落類型和陰影衰落的特性陰影衰落的特性重點(diǎn)：重點(diǎn)：描述多徑信道的主要參數(shù)描述多徑信道的主要參數(shù)難點(diǎn)：難點(diǎn)：相關(guān)（干）帶寬、相關(guān)時(shí)間、相關(guān)距離相關(guān)（干）帶寬、相關(guān)時(shí)間、相關(guān)距離 3-3-6 6本次課解決的問題1.移動(dòng)通信信道中的電波傳播三級(jí)模型？2.描述信道特性的參數(shù)：相干帶寬？相干時(shí)間？相干距離？3.信道衰落類型的關(guān)系？3-3-7 7一、移動(dòng)通信信道中的電波傳播特性p 移動(dòng)信道是一種時(shí)變信道p 信號(hào)傳播過程中受到來自不同類型的損耗()()()()P

3、dL dS dR d傳播損耗陰影衰落多徑衰落d：移動(dòng)臺(tái)與基站的距離大尺度衰落小尺度衰落3-3-8 81、傳播損耗(路徑損耗）長(zhǎng)程范圍內(nèi)的信號(hào)電平變化（幾千米量級(jí)）電波傳播引起的平均接收功率衰減 取決于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離 自由空間時(shí)，n=2，一般情況下n=35()nL dd3-3-9 92、陰影衰落陽(yáng)光不能普照由大型障礙物的遮擋引起，包括傳播環(huán)境中的地形起伏、人造建筑物等短程范圍內(nèi)的信號(hào)電平變化（數(shù)百波長(zhǎng)量級(jí)）3-3-10103、小尺度衰落余音繞梁跑得太快主要由多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)引起數(shù)十波長(zhǎng)量級(jí)內(nèi)的信號(hào)電平變化接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值快速變化，在幾個(gè)波長(zhǎng)間距內(nèi)的變化幅度可達(dá)30dB圖圖2-6

4、陸地移動(dòng)通信信道中的電波傳播特性陸地移動(dòng)通信信道中的電波傳播特性3-3-1212p 大尺度路徑損耗傳播模型 描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長(zhǎng)距離上平均場(chǎng)強(qiáng)的變化，用于預(yù)測(cè)平均場(chǎng)強(qiáng)并估計(jì)無線覆蓋范圍。受到收發(fā)距離及地形地貌的影響p 小尺度多徑衰落傳播模型 描述移動(dòng)臺(tái)在極小范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，短距離（幾個(gè)波長(zhǎng)）或短時(shí)間（秒級(jí)）上接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速變化，用于確定移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該采取的抗衰落技術(shù)。大尺度衰落可看成信號(hào)小尺度大尺度衰落可看成信號(hào)小尺度衰落的空間平均！衰落的空間平均！當(dāng)移動(dòng)通信跨越比較大的區(qū)域當(dāng)移動(dòng)通信跨越比較大的區(qū)域時(shí)，會(huì)同時(shí)受到大尺度衰落和小時(shí)，會(huì)同時(shí)受到大尺度衰落和小尺度衰落的影響！尺度衰落的影響！p

5、 多徑傳播的產(chǎn)生及影響 信道中的反射物和散射物導(dǎo)致發(fā)射波到達(dá)接收機(jī)時(shí)形成在時(shí)間、空間上相互區(qū)別的多個(gè)無線電波。不同多徑成分具有的隨機(jī)相位和幅度引起信號(hào)幅度波動(dòng)小尺度衰落。延長(zhǎng)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，引起碼間串?dāng)_。3-3-1313 800MHz室內(nèi)環(huán)境中典型傳播時(shí)室內(nèi)環(huán)境中典型傳播時(shí)延擴(kuò)展為延擴(kuò)展為1s，符號(hào)速率，符號(hào)速率200kbps，符號(hào)寬度？重疊覆蓋率？符號(hào)寬度？重疊覆蓋率？在不到一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)幾十分貝的電在不到一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)幾十分貝的電平變化和劇烈的相位擺動(dòng)平變化和劇烈的相位擺動(dòng) 多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及移動(dòng)臺(tái)方向與無線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。頻率變化值 朝向入射波方向

6、移動(dòng)多普勒頻移為正值；被向入射波方向移動(dòng)多普勒頻移為負(fù)值。()cos()dvftt*信號(hào)經(jīng)不同方向傳播，多徑分量造成接收信號(hào)頻譜的多普勒擴(kuò)展。信號(hào)經(jīng)不同方向傳播，多徑分量造成接收信號(hào)頻譜的多普勒擴(kuò)展。3-3-1919n移動(dòng)的可以是收發(fā)端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者傳播環(huán)境中主要散射體的運(yùn)動(dòng)。p 移動(dòng)無線信道統(tǒng)計(jì)分析：對(duì)接收信號(hào)的功率或電壓包絡(luò)進(jìn)行定量描述。瑞利分布 萊斯分布 Nakagami-m分布3-3-20203-3-2121p 產(chǎn)生的原因 在發(fā)信機(jī)與收信機(jī)之間沒有直射波通路；有大量反射波存在，到達(dá)接收天線的方向角和相位隨機(jī)，且在02內(nèi)均勻分布；各個(gè)反射波的幅度和相位統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。p 接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分析（為

7、方差）包絡(luò)概率密度函數(shù)（瑞利分布）：相位概率密度函數(shù)（均勻分布）：0)(2222rerrpr2021)(p3-3-2222p 產(chǎn)生的原因離基站較近的區(qū)域，通常存在占支配地位的直射波信號(hào)。當(dāng)存在一個(gè)主要的靜態(tài)(非衰落)信號(hào)分量時(shí)，接收信號(hào)包絡(luò)服從萊斯分布。p 接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分析220222()()exp()2ssrrrrrrp rI當(dāng)主要分量減弱后，當(dāng)主要分量減弱后，萊斯分布退化為瑞利萊斯分布退化為瑞利分布！分布！3-3-2323p 由Nakagami在20世紀(jì)60年代提出 基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)方法 用曲線擬合得到近似分布的經(jīng)驗(yàn)公式p 對(duì)無線信道的描述有很好的適應(yīng)性 當(dāng)m1時(shí)，退化為瑞利分布。當(dāng)m

8、較大時(shí)，接近于高斯分布。2122()exp()mmrmm rmrp rmp 對(duì)于鏈路設(shè)計(jì)而言，希望得到影響鏈路性能的重要統(tǒng)計(jì)量 一條衰落信道每隔多長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)衰落到某一特定的電平之下？這條信道將在該門限下持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間？p 工程實(shí)用中，常常用一些特征量表示衰落信號(hào)的幅度特點(diǎn)。3-3-24243-3-2525/2AvFp 信號(hào)包絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)以正斜率通過中值電平的次數(shù) 與發(fā)射頻率、移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)速度、方向及多徑傳播的路徑數(shù)有關(guān)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的行進(jìn)方向朝著或背著電波傳播方向時(shí)，衰落最快。3-3-2626p 包絡(luò)在單位時(shí)間以正斜率通過某規(guī)定電平R的次數(shù) 實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，深度衰落發(fā)生的次數(shù)較少，淺度衰落發(fā)生得相當(dāng)頻繁。

9、衰減20dB概率為1%，衰減30dB和40dB的概率分別為0.1%和0.01%。3-3-2727p 定義：信號(hào)包絡(luò)低于某個(gè)給定電平值的概率與該電平值所對(duì)應(yīng)的電平通過率之比。接收信號(hào)電平低于接收機(jī)門限電平時(shí)，就可能造成語(yǔ)音中斷或誤比特率突然增大。由于每次衰落的持續(xù)時(shí)間是隨機(jī)的，只能給出平均衰落持續(xù)時(shí)間。思考：對(duì)工程設(shè)計(jì)的意義在哪里？3-3-2828p 電波通過移動(dòng)信道后，信號(hào)在時(shí)域上、頻域上和空間（角度）上都產(chǎn)生色散，使信號(hào)產(chǎn)生衰落失真。多徑效應(yīng)：時(shí)延擴(kuò)展 多普勒效應(yīng)：頻譜擴(kuò)展 散射效應(yīng)：角度擴(kuò)展 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落空間選擇性衰落空間選擇性衰落1、什么是時(shí)延

10、擴(kuò)展？p多徑傳播造成信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散 假設(shè)發(fā)射一個(gè)極短的脈沖信號(hào)，經(jīng)過多徑信道后，接收信號(hào)呈現(xiàn)為一串脈沖 時(shí)延擴(kuò)展大?。鹤畲髠鬏敃r(shí)延和最小傳輸時(shí)延的差值3-3-29293-3-3030P()相對(duì)幅度/dB0dBo30dBP()（相對(duì)時(shí)延時(shí)間）m典型的時(shí)延（功率）譜曲線2、如何描述時(shí)延擴(kuò)展?p 時(shí)延功率譜：由不同時(shí)延信號(hào)分量的平均功率構(gòu)成2、如何描述時(shí)延擴(kuò)展?p 時(shí)延擴(kuò)展的相關(guān)參數(shù) :相對(duì)時(shí)延值 P()：歸一化時(shí)延譜 ：平均多徑時(shí)延，P()的一階矩 ：時(shí)延擴(kuò)展，P()的均方根 ：最大多徑時(shí)延，P()下降到-30 dB時(shí)的時(shí)延差3-3-3131mmT3-3-3232 平均多徑時(shí)延 0()mPd22()

11、mPd 22222()()kkkkkkkkkkaPaP 時(shí)延擴(kuò)展22()()kkkkkkmkkkkaPaP 離散化22m 離散化2、如何描述時(shí)延擴(kuò)展?3-3-3333多徑時(shí)散參數(shù)典型值3-3-3434多徑對(duì)信號(hào)頻域的影響He(w,t)Si(t)S0(t)(t)(t)圖圖2-13 2-13 雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò)雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò) 以雙徑模型為例，且不計(jì)信道的固定衰減()0()()(1)jtis ts te3-3-3535多徑對(duì)信號(hào)頻域的影響雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:()0()(,)1()jteis tHjtes t 信道的幅頻特性為:2(,)1cos()sin()12 cos()Attjtt 3-

12、3-3636多徑對(duì)信號(hào)頻域的影響圖2-14 雙射線信道的幅頻特性 當(dāng) 時(shí)，雙徑信號(hào)同相疊加，信號(hào)出現(xiàn)峰點(diǎn)；當(dāng) 時(shí)，雙徑信號(hào)反相相消，信號(hào)出現(xiàn)谷點(diǎn)。()2tn()(21)tn 3-3-3737相關(guān)帶寬 定義 指一特定頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性 即在此范圍內(nèi)的所有頻率分量幾乎具有相同的增益及線性相位。3-3-3838相關(guān)帶寬 定量計(jì)算 相關(guān)系數(shù)大于0.9的某特定帶寬 將定義放寬至相關(guān)系數(shù)大于0.5 工程上，見教材150cB 15cB 12cB相關(guān)帶寬由信道的時(shí)延擴(kuò)展決定，兩者之間成反比關(guān)系。3-3-3939時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬的關(guān)系 信道實(shí)際情況 時(shí)延擴(kuò)展（多徑結(jié)構(gòu)）相關(guān)帶

13、寬 實(shí)例：時(shí)延擴(kuò)展為1.37s，相關(guān)帶寬為146kHz 思考：在上面的例子中，帶寬分別為30kHz的信號(hào)和200kHz的信號(hào)，在經(jīng)過該信道后，從時(shí)域和頻域上看，各有什么區(qū)別？平坦衰落（30kHz-33.3s）頻率選擇性衰落（200kHz 5s）3-3-4040時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長(zhǎng)，帶數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長(zhǎng)，帶寬窄，多徑信號(hào)不會(huì)干擾整個(gè)碼元，信寬窄，多徑信號(hào)不會(huì)干擾整個(gè)碼元，信號(hào)帶寬小于信道相關(guān)帶寬。號(hào)帶寬小于信道相關(guān)帶寬。數(shù)據(jù)傳輸速率高，則碼元寬度小，帶數(shù)據(jù)傳輸速率高，則碼元寬度小，帶寬寬，多徑信號(hào)干擾碼元程度高，信號(hào)寬寬，多徑信號(hào)干擾碼元程度高，信號(hào)帶寬

14、大于信道相關(guān)帶寬。帶寬大于信道相關(guān)帶寬。3-3-4141平坦衰落在信號(hào)帶寬范圍內(nèi)，各頻點(diǎn)的幅度有基本相同的增益，即發(fā)送信號(hào)的頻譜基本保持不變；信道的增益是隨著時(shí)間變化的，接收端信號(hào)的功率可能不斷變化，導(dǎo)致信號(hào)忽大忽小。3-3-4242頻率選擇性衰落 信道對(duì)信號(hào)的不同頻率成分具有不同的響應(yīng)，產(chǎn)生頻率選擇性，使信號(hào)發(fā)生失真。從頻域來看多徑現(xiàn)象將導(dǎo)致頻率選擇性衰落，即信道對(duì)不同頻率成分有不同的響應(yīng)在相關(guān)帶寬內(nèi)信號(hào)傳輸失真小，若信號(hào)帶寬超過相關(guān)帶寬將產(chǎn)生較大的失真和符號(hào)間干擾信號(hào)傳輸速率受相關(guān)帶寬的限制3-3-4343相關(guān)帶寬的意義3-3-4444二、多普勒擴(kuò)展和相關(guān)時(shí)間多普勒擴(kuò)展（Doppler s

15、pread）-頻率色散 由移動(dòng)臺(tái)與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或傳播路徑中物體的運(yùn)動(dòng)引起。3-3-4545多普勒擴(kuò)展多普勒擴(kuò)展：接收的多普勒譜為非0值的頻率范圍，一般定義為 BD最大多普勒頻移fm/v3-3-4646相關(guān)時(shí)間 定義相關(guān)時(shí)間就是信道沖激響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。在相關(guān)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)到達(dá)信號(hào)有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。相關(guān)時(shí)間是多普勒擴(kuò)展在時(shí)域的表現(xiàn)形式，用于在時(shí)域描述信道頻率色散的時(shí)變特性。3-3-4747相關(guān)時(shí)間定量計(jì)算1）2）若時(shí)間相關(guān)函數(shù)定義為大于0.5時(shí)，相干時(shí)間近似為：3）工程上：1cmTfmmcffT423.01692916cmTf3-3-4848多普勒擴(kuò)展與相關(guān)時(shí)間的關(guān)系運(yùn)動(dòng)速

16、度和信號(hào)頻率 多普勒擴(kuò)展 相關(guān)時(shí)間實(shí)例：移動(dòng)臺(tái)速率為60km/h，載頻為900MHz，相關(guān)時(shí)間2.22ms 相關(guān)時(shí)間由多普勒擴(kuò)展決定，兩者之間成反比關(guān)系。GSM系統(tǒng)（系統(tǒng)（900MHz）步行（步行（5km/h）:4.1667Hz 車載（車載（60km/h）:50Hz 高鐵（高鐵（300km/h）:250Hz GSM系統(tǒng)信道帶寬200kHz！思考：在上面的例子中，傳輸速率為200bit/s和2000bit/s時(shí)，在經(jīng)過該信道后，從時(shí)域域上看，有什么區(qū)別？慢衰落（2000bit/s 0.5ms）快衰落（200bit/s 5ms）3-3-4949多普勒擴(kuò)展與相關(guān)時(shí)間的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長(zhǎng)

17、，信數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長(zhǎng)，信道變化的包絡(luò)以快于傳輸符號(hào)率的速度道變化的包絡(luò)以快于傳輸符號(hào)率的速度波動(dòng)，易受時(shí)間選擇性衰落影響。波動(dòng)，易受時(shí)間選擇性衰落影響。3-3-5050相關(guān)時(shí)間的意義 從時(shí)域上看，慢變信道具有大的相關(guān)時(shí)間，從頻域上看，等效為小的多普勒擴(kuò)展。移動(dòng)臺(tái)的速度(或信道路徑中物體的速度)及基帶信號(hào)發(fā)送速率，決定了信號(hào)是經(jīng)歷快衰落還是慢衰落。3-3-5151相關(guān)時(shí)間的意義 思考：快衰落有沒有好處？如何利用？防止長(zhǎng)期處于深度衰落 時(shí)間分集的設(shè)計(jì) 思考：慢衰落有沒有壞處？如何克服？當(dāng)處于深度衰落時(shí)，可采用慢跳頻的方式克服3-3-5252三、角度擴(kuò)展和相關(guān)距離（自學(xué)）散射效應(yīng)會(huì)引起角

18、度擴(kuò)展移動(dòng)臺(tái)或基站周圍的本地散射以及遠(yuǎn)端散射會(huì)使得天線的點(diǎn)波束產(chǎn)生角度擴(kuò)散。空域上波束的角度擴(kuò)散造成了同一時(shí)間、不同地點(diǎn)的信號(hào)衰落起伏不一樣，即所謂的空間選擇性。3-3-53532.3.4 多徑衰落信道的分類移動(dòng)信道中的時(shí)間色散和頻率色散可能產(chǎn)生4種衰落效應(yīng)根據(jù)信號(hào)帶寬和信道帶寬的比較 平坦衰落 頻率選擇性衰落根據(jù)發(fā)送信號(hào)與信道變化快慢程度 快衰落 慢衰落3-3-5454一、平坦衰落與頻率選擇性衰落平坦衰落：形成條件：信道帶寬遠(yuǎn)大于發(fā)送信號(hào)的帶寬，且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益及線性相位判定條件：Bs 3-3-5555一、平坦衰落與頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落形成條件：信道具有恒定增益和線性相位的帶

19、寬范圍小于發(fā)送信號(hào)帶寬判定條件克服方法：均衡等 Bs Bc Ts Tc BD Bs3-3-5757二、快衰落與慢衰落慢衰落形成條件：信道沖激響應(yīng)在碼元寬度內(nèi)變化很小，即信道的相干時(shí)間比發(fā)送信號(hào)碼元寬度大。定量判據(jù) Ts Tc BD時(shí)間色散頻率選擇性衰落多普勒擴(kuò)展頻率色散時(shí)間選擇性衰落多徑時(shí)延擴(kuò)展多徑時(shí)延擴(kuò)展時(shí)間色散時(shí)間色散頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落多普勒擴(kuò)展多普勒擴(kuò)展 頻率色散頻率色散時(shí)間選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落內(nèi)容小結(jié)3-3-6262電波傳播電波傳播的基本特的基本特性性衰落衰落衰落的原因衰落的表現(xiàn)移動(dòng)通信信道電波傳播方式復(fù)雜的復(fù)雜的無線電波無線電波傳播環(huán)境傳播環(huán)境傳播損耗傳播損耗陰影衰落陰影衰落多徑衰落多徑衰落多普勒頻多普勒頻移移基站天線基站天線和移動(dòng)用戶和移動(dòng)用戶天線間的傳天線間的傳播路徑播路徑直射、反直射、反射、繞射和射、繞射和散射及它們散射及它們的合成的合成3-3-6363P51.111415