移动通信无线传播与信道ppt.pptx

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1、移动通信无线传播与信道3-3-2 22、2 移动通信信道得多径传播特性一、移动通信信道中得电波传播特性p 移动信道就是一种时变信道p 信号传播过程中受到来自不同类型得损耗 传播损耗阴影衰落多径衰落：移动台与基站的距离大尺度衰落小尺度衰落一、移动通信信道得传播特性3-3-3 31、传播损耗(路径损耗)长程范围内得信号电平变化(几千米量级)电波传播引起得平均接收功率衰减 取决于发射机与接收机之间得距离 自由空间时,n=2,一般情况下n=353-3-4 4一、移动通信信道得传播特性2、阴影衰落阳光不能普照由大型障碍物得遮挡引起,包括传播环境中得地形起伏、人造建筑物等短程范围内得信号电平变化(数百波长

2、量级)3-3-5 5一、移动通信信道得传播特性3、小尺度衰落余音绕梁跑得太快主要由多径效应与多普勒效应引起数十波长量级内得信号电平变化接收信号场强得瞬时值快速变化,在几个波长间距内得变化幅度可达30dB一、移动通信信道得传播特性图图2-6陆地移动通信信道中得电波传播特性陆地移动通信信道中得电波传播特性3-3-7 7二、移动通信信道得二种传播模型p 大尺度路径损耗传播模型 描述发射机与接收机之间长距离上平均场强得变化,用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。受到收发距离及地形地貌得影响p 小尺度多径衰落传播模型 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)上接收场强得快速变化,用

3、于确定移动通信系统应该采取得抗衰落技术。大尺度衰落可看成信号小尺度大尺度衰落可看成信号小尺度衰落得空间平均！衰落得空间平均！当移动通信跨越比较大得区域当移动通信跨越比较大得区域时时,会同时受到大尺度衰落与小尺会同时受到大尺度衰落与小尺度衰落得影响！度衰落得影响！三、移动环境得多径传播p 多径传播得产生及影响 信道中得反射物与散射物导致发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别得多个无线电波。不同多径成分具有得随机相位与幅度引起信号幅度波动小尺度衰落。延长信号到达接收机得时间,引起码间串扰。3-3-8 8 800MHz室内环境中典型传播时室内环境中典型传播时延扩展为延扩展为1s,符号速率符号速

4、率200kbps,符号宽度？重叠覆盖率？符号宽度？重叠覆盖率？2-2-9 9接收信号脉冲响应传递函数三、移动环境得多径传播多径传播示意图余音绕梁看上去信号有什么变化呢？12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流2-2-1313快变频率选择信道快变频率选择信道慢变频率选择信道慢变频率选择信道若时不变 在不到一个波长范围内会出现几十分贝得电在不到一个波长范围内会出现几十分贝得电平变化与剧烈得相位摆动平变化与剧烈得相位摆动 多径衰落四、多普勒频移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得夹角有关。频率变化值 朝向入射波方向移动多普勒频

5、移为正值;被向入射波方向移动多普勒频移为负值。*信号经不同方向传播信号经不同方向传播,多径分量造成接收信号频谱得多普勒扩展。多径分量造成接收信号频谱得多普勒扩展。四、多普勒频移3-3-1717四、多普勒频移n移动得可以就是收发端得相对运动或者传播环境中主要散射体得运动。看上去信号有什么变化呢？五、多径接收信号得统计特性p 移动无线信道统计分析:对接收信号得功率或电压包络进行定量描述。瑞利分布 莱斯分布 Nakagami-m分布3-3-18183-3-19191、瑞利分布p 产生得原因 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,到达接收天线得方向角与相位随机,且在02内均匀分布;各个

6、反射波得幅度与相位统计独立。p 接收信号得统计分析(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):Rayleigh Distribution(PDF)2-2-20203-3-21212、莱斯分布p 产生得原因离基站较近得区域,通常存在占支配地位得直射波信号。当存在一个主要得静态(非衰落)信号分量时,接收信号包络服从莱斯分布。p 接收信号得统计分析当主要分量减弱后，当主要分量减弱后，莱斯分布退化为瑞利莱斯分布退化为瑞利分布！分布！Rician Distribution(PDF)2-2-22223-3-23233、Nakagami-m分布p 由Nakagami在20世纪60年

7、代提出 基于现场测试得实验方法 用曲线拟合得到近似分布得经验公式p 对无线信道得描述有很好得适应性 当m1时,退化为瑞利分布。当m较大时,接近于高斯分布。m:shape parameter,omega:spread paraNakagami-m Distribution(PDF)2-2-24242-2-2525六、衰落信号幅度得特征量p 对于链路设计而言,希望得到影响链路性能得重要统计量 一条衰落信道每隔多长时间就会衰落到某一特定得电平之下？这条信道将在该门限下持续多长时间？p 工程实用中,常常用一些特征量表示衰落信号得幅度特点。3-3-26263-3-27271、衰落率p 信号包络在单位时间

8、内以正斜率通过中值电平得次数 与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播得路径数有关。当移动台得行进方向朝着或背着电波传播方向时,衰落最快。3-3-28282、电平通过率p 包络在单位时间以正斜率通过某规定电平R得次数 实测发现,深度衰落发生得次数较少,浅度衰落发生得相当频繁。衰减20dB概率为1%,衰减30dB与40dB得概率分别为0、1%与0、01%。3-3-29293、衰落持续时间p 定义:信号包络低于某个给定电平值得概率与该电平值所对应得电平通过率之比。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。由于每次衰落得持续时间就是随机得,只能给出平均衰落持续时间。思

9、考:对工程设计得意义在哪里？3-3-30302、3 描述多径衰落信道得主要参数p 电波通过移动信道后,信号在时域上、频域上与空间(角度)上都产生色散(dispersion),使信号产生衰落失真。多径效应:时延扩展 多普勒效应:频谱扩展 散射效应:角度扩展 频率选择性衰落频率选择性衰落时间选择性衰落时间选择性衰落空间选择性衰落空间选择性衰落1、什么就是时延扩展？p多径传播造成信号时间扩散 假设发射一个极短得脉冲信号,经过多径信道后,接收信号呈现为一串脉冲 时延扩展大小:最大传输时延与最小传输时延得差值3-3-3131一、时延扩展与相关带宽3-3-3232一、时延扩展与相关带宽P()相对幅度/dB

10、0dBo30dBP()（相对时延时间）典型得时延(功率)谱曲线2、如何描述时延扩展?p 时延功率谱:由不同时延信号分量得平均功率构成2、如何描述时延扩展?p 时延扩展得相关参数 :相对时延值 P():归一化时延谱 :平均多径时延,P()得一阶矩 :时延扩展,P()得均方根 :最大多径时延,P()下降到-30 dB时得时延差3-3-3333一、时延扩展与相关带宽3-3-3434一、时延扩展与相关带宽 平均多径时延 时延扩展 离散化 离散化2、如何描述时延扩展?3-3-3535多径时散参数典型值3-3-3636多径对信号频域得影响He(w,t)Si(t)S0(t)(t)(t)图图2-13 2-13

11、 双径信道等效网络双径信道等效网络 以双径模型为例,且不计信道得固定衰减3-3-3737多径对信号频域得影响双径信道等效网络得传递函数为:信道得幅频特性为:3-3-3838多径对信号频域得影响图2-14 双射线信道得幅频特性 当 时,双径信号同相叠加,信号出现峰点;当 时,双径信号反相相消,信号出现谷点。3-3-3939相关带宽定义指一特定频率范围,在该范围内,两个频率分量有很强得幅度相关性即在此范围内得所有频率分量几乎具有相同得增益及线性相位。3-3-4040相关带宽定量计算相关系数大于0、9得某特定带宽将定义放宽至相关系数大于0、5工程上,见教材相关带宽由信道得时延扩展决定,两者之间成反比

12、关系。3-3-4141时延扩展与相关带宽得关系 信道实际情况 时延扩展(多径结构)相关带宽 实例:时延扩展为1、37s,相关带宽为146kHz 思考:在上面得例子中,带宽分别为30kHz得信号与200kHz得信号,在经过该信道后,从时域与频域上看,各有什么区别？平坦衰落(30kHz-33、3s)频率选择性衰落(200kHz 5s)3-3-4242时延扩展与相关带宽得关系数据传输速率低数据传输速率低,则码元宽度长则码元宽度长,带宽带宽窄窄,多径信号不会干扰整个码元多径信号不会干扰整个码元,信号带信号带宽小于信道相关带宽。宽小于信道相关带宽。数据传输速率高数据传输速率高,则码元宽度小则码元宽度小,

13、带宽带宽宽宽,多径信号干扰码元程度高多径信号干扰码元程度高,信号带宽信号带宽大于信道相关带宽。大于信道相关带宽。3-3-4343平坦衰落在信号带宽范围内,各频点得幅度有基本相同得增益,即发送信号得频谱基本保持不变;信道得增益就是随着时间变化得,接收端信号得功率可能不断变化,导致信号忽大忽小。3-3-4444频率选择性衰落 信道对信号得不同频率成分具有不同得响应,产生频率选择性,使信号发生失真。从频域来看多径现象将导致频率选择性衰落,即信道对不同频率成分有不同得响应在相关带宽内信号传输失真小,若信号带宽超过相关带宽将产生较大得失真与符号间干扰信号传输速率受相关带宽得限制3-3-4545相关带宽得

14、意义3-3-4646二、多普勒扩展与相关时间多普勒扩展(Doppler spread)-频率色散 由移动台与基站得相对运动,或传播路径中物体得运动引起。3-3-4747多普勒扩展多普勒扩展:接收得多普勒谱为非0值得频率范围,一般定义为 BD最大多普勒频移fm3-3-4848相关时间 定义相关时间就就是信道冲激响应维持不变得时间间隔得统计平均值。在相关时间内,两个到达信号有很强得幅度相关性。相关时间就是多普勒扩展在时域得表现形式,用于在时域描述信道频率色散得时变特性。3-3-4949相关时间定量计算1)2)若时间相关函数定义为大于0、5时,相干时间近似为:3)工程上:3-3-5050多普勒扩展与

15、相关时间得关系运动速度与信号频率 多普勒扩展 相关时间实例:移动台速率为60km/h,载频为900MHz,相关时间20ms,保守估计为 3、58ms 相关时间由多普勒扩展决定,两者之间成反比关系。GSM系统系统(900MHz)步行步行(5km/h):4、1667Hz 车载车载(60km/h):50Hz 高铁高铁(300km/h):250Hz GSM系统信道带宽200kHz！思考:在上面得例子中,传输速率为200bit/s与2000bit/s时,在经过该信道后,从时域域上看,有什么区别？慢衰落(2000bit/s 0、5ms)快衰落(200bit/s 5ms)3-3-5151多普勒扩展与相关时间

16、得关系数据传输速率低数据传输速率低,则码元宽度长则码元宽度长,信道信道变化得包络以快于传输符号率得速度波变化得包络以快于传输符号率得速度波动动,易受时间选择性衰落影响。易受时间选择性衰落影响。3-3-5252相关时间得意义 从时域上看,慢变信道具有大得相关时间,从频域上看,等效为小得多普勒扩展。移动台得速度(或信道路径中物体得速度)及基带信号发送速率,决定了信号就是经历快衰落还就是慢衰落。3-3-5353相关时间得意义 思考:快衰落有没有好处？如何利用？防止长期处于深度衰落 时间分集得设计 思考:慢衰落有没有坏处？如何克服？当处于深度衰落时,可采用慢跳频得方式克服3-3-5454三、角度扩展与

17、相关距离(自学)散射效应会引起角度扩展移动台或基站周围得本地散射以及远端散射会使得天线得点波束产生角度扩散。空域上波束得角度扩散造成了同一时间、不同地点得信号衰落起伏不一样,即所谓得空间选择性。3-3-55552、3、4 多径衰落信道得分类移动信道中得时间色散与频率色散可能产生4种衰落效应根据信号带宽与信道带宽得比较 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3-3-5656一、平坦衰落与频率选择性衰落平坦衰落:形成条件:信道带宽远大于发送信号得带宽,且在带宽范围内有恒定增益及线性相位判定条件:Bs 3-3-5757一、平坦衰落与频率选择性衰落频率选择性衰落形成条件

18、:信道具有恒定增益与线性相位得带宽范围小于发送信号带宽判定条件克服方法:均衡等 Bs Bc Ts Tc BD Bs3-3-5959二、快衰落与慢衰落慢衰落形成条件:信道冲激响应在码元宽度内变化很小,即信道得相干时间比发送信号码元宽度大。定量判据 Ts Tc BD Bs3-3-6060多径衰落分类2 2、4 4阴影衰落得基本特性阴影衰落得基本特性n阴影衰落阴影衰落:当移动台通过不同障碍物得阴影时当移动台通过不同障碍物得阴影时,就构成就构成接收天线处场强中值得变化接收天线处场强中值得变化,从而引起衰落。从而引起衰落。n障碍物包括障碍物包括:起伏地形、建筑物、植被起伏地形、建筑物、植被(高大得树林高大得树林)