第2章 無線通信基礎(chǔ) -4

1、第2章 無線通信基礎(chǔ)12.3.1 小尺度多徑傳播2.3.4 無線多徑信道特性參數(shù)2.3.3 無線多徑信道特性測(cè)量2.3.2 多徑信道的沖擊響應(yīng)模型2.3.5 小尺度衰落的信道類型2.3 小尺度衰落和多徑效應(yīng)小尺度衰落和多徑效應(yīng)2.3.6 陰影衰落和衰落儲(chǔ)備第2章 無線通信基礎(chǔ)2基本概念：基本概念： 小尺度衰落：小尺度衰落：指指無線信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)或短距離上傳無線信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)或短距離上傳播后，其幅度、相位或時(shí)延等快速變化，以至于大尺度播后，其幅度、相位或時(shí)延等快速變化，以至于大尺度路徑損耗的影響可以忽略不計(jì)。路徑損耗的影響可以忽略不計(jì)。 多徑信號(hào)相互干涉并形成接收信號(hào)衰落的過程稱為多徑信號(hào)相互干

2、涉并形成接收信號(hào)衰落的過程稱為多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)，引起的衰落稱為，引起的衰落稱為多徑衰落多徑衰落。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：由于同一信號(hào)沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，由于同一信號(hào)沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)，造成總的合成信號(hào)的相位以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)，造成總的合成信號(hào)的相位急劇變化所引起的。急劇變化所引起的。第2章 無線通信基礎(chǔ)3 小尺度衰落的主要表現(xiàn)：小尺度衰落的主要表現(xiàn)： 經(jīng)過短距或短時(shí)傳播后，經(jīng)過短距或短時(shí)傳播后，信號(hào)強(qiáng)度急速信號(hào)強(qiáng)度急速變化；變化； 在不同多徑信號(hào)上，存在多普勒頻移引起的在不同多徑信號(hào)上，存在多普勒頻移引起的隨機(jī)隨機(jī)頻率調(diào)制頻率調(diào)制； 多徑傳播的時(shí)延引起的多徑傳

3、播的時(shí)延引起的時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展(回音回音)。 影響小尺度衰落的因素：影響小尺度衰落的因素： 多徑傳播；多徑傳播； 移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度； 傳播環(huán)境中物體的運(yùn)動(dòng)速度；傳播環(huán)境中物體的運(yùn)動(dòng)速度； 無線信號(hào)的傳輸帶寬；無線信號(hào)的傳輸帶寬；第2章 無線通信基礎(chǔ)4小尺度衰落的特點(diǎn)： 衰落深度可達(dá)衰落深度可達(dá)2040dB。 電平幅度分布一般遵循：瑞利（電平幅度分布一般遵循：瑞利（Rayleigh）分）分布、萊斯（布、萊斯（Rice）分布等。）分布等。 變化速率快。變化速率快。 具有選擇性。即在不同頻率、不同時(shí)間、不同具有選擇性。即在不同頻率、不同時(shí)間、不同空間，其衰落特性是不一樣的?？臻g，其

4、衰落特性是不一樣的。 是無線移動(dòng)通信中最難克服的衰落。是無線移動(dòng)通信中最難克服的衰落。第2章 無線通信基礎(chǔ)52.3.1 小尺度多徑傳播小尺度多徑傳播 1、時(shí)不變多徑效應(yīng)、時(shí)不變多徑效應(yīng) 2、時(shí)變多徑效應(yīng)、時(shí)變多徑效應(yīng) 3、小尺度衰落的統(tǒng)計(jì)特性、小尺度衰落的統(tǒng)計(jì)特性 4、多徑效應(yīng)的多普勒頻譜、多徑效應(yīng)的多普勒頻譜 5、電平通過率和平均衰落持續(xù)時(shí)間、電平通過率和平均衰落持續(xù)時(shí)間第2章 無線通信基礎(chǔ)6圖2-23 雙線傳播模型的幾何關(guān)系1. 時(shí)不變多徑效應(yīng)時(shí)不變多徑效應(yīng) 假設(shè)發(fā)射信號(hào)為一單頻正弦波信號(hào)，且滿足假設(shè)發(fā)射信號(hào)為一單頻正弦波信號(hào)，且滿足則經(jīng)兩條路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)幅度主要取決于反射體則經(jīng)

5、兩條路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)幅度主要取決于反射體的的反射系數(shù)反射系數(shù)，傳播路徑差只影響傳播路徑差只影響兩路到達(dá)信號(hào)的兩路到達(dá)信號(hào)的時(shí)延差或相位差時(shí)延差或相位差。2111dd2.3.1 小尺度多徑傳播小尺度多徑傳播下面通過簡(jiǎn)單的雙線傳播模型解釋小尺度衰落。下面通過簡(jiǎn)單的雙線傳播模型解釋小尺度衰落。首先分析發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和空間物體均處于首先分析發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和空間物體均處于相對(duì)靜止相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的狀態(tài)的情形（即無線信道具有情形（即無線信道具有時(shí)不變時(shí)不變的特性），然后分析時(shí)變情況。的特性），然后分析時(shí)變情況。第2章 無線通信基礎(chǔ)7式中，式中， 為兩條路徑的傳播距離差；為兩條路徑的傳播距離差； 為兩路

6、信號(hào)之間的相位差；為兩路信號(hào)之間的相位差； k=2/=2fc/c，為自由空間波數(shù)。，為自由空間波數(shù)。由（由（2-3-1）可知，兩路信號(hào)在不同空間位置處出現(xiàn)相長(zhǎng)和）可知，兩路信號(hào)在不同空間位置處出現(xiàn)相長(zhǎng)和相消的干涉情況。相消的干涉情況。（2-3-1）1111jjjj000000121jj001ee1ee1eekdk( d)kdkkdE dE dE dE()dddE d()d 可以求得接收機(jī)的總信號(hào)為可以求得接收機(jī)的總信號(hào)為第2章 無線通信基礎(chǔ)812( )cos(2)cos(2()ccr tf tf t120051015-101signal1time (milliseconds)051015-10

7、1signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)121 2cf051015-101signal1time (milliseconds)051015-101signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)051015-101signal1time (milliseconds)051015-101signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)051015-101signal1time (

8、milliseconds)051015-101signal2time (milliseconds)051015-202r(t)time (milliseconds)兩個(gè)矢量求和，則有接收信號(hào)：( )cos(2)cr tf t其中：2212122cos(2)cf 第2章 無線通信基礎(chǔ)9當(dāng)接收機(jī)處于不同位置時(shí)，兩路信號(hào)具有不同的相位差當(dāng)接收機(jī)處于不同位置時(shí)，兩路信號(hào)具有不同的相位差。1、相位差、相位差為為的偶數(shù)倍，兩路信號(hào)同相相加；的偶數(shù)倍，兩路信號(hào)同相相加；2、相位差、相位差為為的奇數(shù)倍，兩路信號(hào)反相相減。的奇數(shù)倍，兩路信號(hào)反相相減。 特別是在反射系數(shù)特別是在反射系數(shù)的模值接近于的模值接近于1的

9、時(shí)候，在相長(zhǎng)干涉位的時(shí)候，在相長(zhǎng)干涉位置處接收信號(hào)為置處接收信號(hào)為電平峰值電平峰值，在相消干涉位置處信號(hào)電平接近，在相消干涉位置處信號(hào)電平接近零值，這時(shí)就出現(xiàn)零值，這時(shí)就出現(xiàn)衰落深陷。衰落深陷。接收信號(hào)峰值電平位置與衰落深陷位置對(duì)應(yīng)的雙線傳接收信號(hào)峰值電平位置與衰落深陷位置對(duì)應(yīng)的雙線傳播路徑差大約為播路徑差大約為半個(gè)波長(zhǎng)半個(gè)波長(zhǎng)。第2章 無線通信基礎(chǔ)10 由于多徑傳播現(xiàn)象的存在，接收機(jī)處由于多徑傳播現(xiàn)象的存在，接收機(jī)處于某些位置時(shí)，接收信號(hào)會(huì)比較強(qiáng)；接收于某些位置時(shí)，接收信號(hào)會(huì)比較強(qiáng)；接收機(jī)處于另一些位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)深陷衰落。機(jī)處于另一些位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)深陷衰落。因此，在建設(shè)固定地址無線通信系統(tǒng)時(shí)

10、，因此，在建設(shè)固定地址無線通信系統(tǒng)時(shí)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)地址的選擇地址的選擇必須必須避開避開可能可能產(chǎn)生產(chǎn)生深陷衰落深陷衰落的位置點(diǎn)。的位置點(diǎn)。 實(shí)際上傳播路徑一般多余兩條，衰落實(shí)際上傳播路徑一般多余兩條，衰落情況要復(fù)雜得多。情況要復(fù)雜得多。第2章 無線通信基礎(chǔ)112. 時(shí)變多徑效應(yīng)時(shí)變多徑效應(yīng)在通常情況下，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和空間反射物體三者處在通常情況下，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和空間反射物體三者處于于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)，多徑傳播的路徑差（或時(shí)延差）是。這時(shí)，多徑傳播的路徑差（或時(shí)延差）是隨時(shí)間變化隨時(shí)間變化的，從而造成的，從而造成時(shí)變的多徑時(shí)變的多徑衰落。衰落。 當(dāng)接收機(jī)移動(dòng)很小

11、的距離（波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)），甚至不移動(dòng)當(dāng)接收機(jī)移動(dòng)很小的距離（波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)），甚至不移動(dòng)(周圍物體也在移動(dòng)周圍物體也在移動(dòng))，接收信號(hào)電平也會(huì)快速大范圍地起伏，接收信號(hào)電平也會(huì)快速大范圍地起伏，這就是多徑衰落的原因。這就是多徑衰落的原因。第2章 無線通信基礎(chǔ)12為了簡(jiǎn)化討論，下面考慮只有為了簡(jiǎn)化討論，下面考慮只有接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)的情況。的情況。在式（在式（2-3-1）中，如果只有接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其位置）中，如果只有接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其位置不斷變化，則雙線傳播的不斷變化，則雙線傳播的路徑差路徑差是是時(shí)變時(shí)變的，的，因而兩路信號(hào)因而兩路信號(hào)相位差相位差也是也是時(shí)變時(shí)變的，的，從而引起

12、接收信號(hào)頻率的變化。從而引起接收信號(hào)頻率的變化。 接收機(jī)每移動(dòng)一個(gè)很小的距離，接收信號(hào)就可能經(jīng)歷接收機(jī)每移動(dòng)一個(gè)很小的距離，接收信號(hào)就可能經(jīng)歷一次深陷衰落，一次深陷衰落，而且接收機(jī)而且接收機(jī)運(yùn)動(dòng)越快，深陷衰落發(fā)生得就運(yùn)動(dòng)越快，深陷衰落發(fā)生得就越頻繁越頻繁。該現(xiàn)象是由接收機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。該現(xiàn)象是由接收機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)多普勒頻移效應(yīng)引引起的。起的。1jj0011eekdE dE()d 式（式（2-3-1）第2章 無線通信基礎(chǔ)13 由于移動(dòng)臺(tái)與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)多徑波都經(jīng)歷了明由于移動(dòng)臺(tái)與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)多徑波都經(jīng)歷了明顯的頻移過程。因移動(dòng)引起的接收機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的頻移被稱為顯的頻移過程。

13、因移動(dòng)引起的接收機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的頻移被稱為多普勒頻移多普勒頻移。 多普勒頻移的影響：多普勒頻移的影響：1、多普勒頻移越大，信號(hào)的衰落率就會(huì)越大；多普勒頻移、多普勒頻移越大，信號(hào)的衰落率就會(huì)越大；多普勒頻移是信道變化速率的一個(gè)度量；是信道變化速率的一個(gè)度量；2、很多較小多普勒頻移的信號(hào)疊加在一起，會(huì)導(dǎo)致總的接、很多較小多普勒頻移的信號(hào)疊加在一起，會(huì)導(dǎo)致總的接收信號(hào)發(fā)生相移，引起接收信號(hào)的隨機(jī)頻率調(diào)制，從而破壞收信號(hào)發(fā)生相移，引起接收信號(hào)的隨機(jī)頻率調(diào)制，從而破壞角度調(diào)制信號(hào)的接收。角度調(diào)制信號(hào)的接收。 第2章 無線通信基礎(chǔ)14*cos*cos22*cos1cos2ddlvtdvtkdvft相位變化：相

14、位的時(shí)間導(dǎo)數(shù)是接收信號(hào)的瞬時(shí)頻率頻率變化(多普勒頻移）：分析多普勒頻移的產(chǎn)生機(jī)理分析多普勒頻移的產(chǎn)生機(jī)理 （2-3-2）dcdmaxvff cosfcosc 其中，表示其中，表示多普勒頻移最大值多普勒頻移最大值。 cmaxdfcvfdlSvAB第2章 無線通信基礎(chǔ)15式（式（2-3-2）表明，多普勒頻移的大小）表明，多普勒頻移的大小取決于取決于通信系統(tǒng)的工作通信系統(tǒng)的工作頻率、接收機(jī)相對(duì)發(fā)射機(jī)的移動(dòng)速度以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。頻率、接收機(jī)相對(duì)發(fā)射機(jī)的移動(dòng)速度以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。d max10 (,);22) 0 (,);23)4)0 180dddffvff 結(jié)論：）00是主導(dǎo)多徑分量的振幅。是主導(dǎo)

15、多徑分量的振幅。（2-3-14）2222cos22e2),(rAArrrP有主導(dǎo)分量的多徑傳播有主導(dǎo)分量的多徑傳播對(duì)相位進(jìn)行積分可以求得，存在一個(gè)對(duì)相位進(jìn)行積分可以求得，存在一個(gè)LOS分量時(shí)振幅分量時(shí)振幅的概率密度符合的概率密度符合萊斯分布萊斯分布： 式中，式中， 是是0階第一類修正貝塞爾函數(shù)。階第一類修正貝塞爾函數(shù)。（2-3-15）rrAIrrPAr0,e)(2022r2222001( )exp( cos )2Ixxd第2章 無線通信基礎(chǔ)34萊斯分布完全由萊斯因子確定。萊斯分布完全由萊斯因子確定。222AK 萊斯因子：直射分量功率直射分量功率 所有其他散射分量總功率所有其他散射分量總功率 l

16、 隨著隨著K0，萊斯，萊斯分布趨于瑞利分布分布趨于瑞利分布。l 隨著隨著K無窮，只無窮，只有主導(dǎo)分量起作用，有主導(dǎo)分量起作用，不存在其他衰落。不存在其他衰落。l K取較大的值時(shí)就取較大的值時(shí)就近似為高斯分布近似為高斯分布。第2章 無線通信基礎(chǔ)35三種小尺度衰落測(cè)量值三種小尺度衰落測(cè)量值比較：比較：1. 場(chǎng)景場(chǎng)景C：有障礙，雜波：有障礙，雜波較少；小尺度衰落不明較少；小尺度衰落不明顯，近似為對(duì)數(shù)顯，近似為對(duì)數(shù)正態(tài)分布正態(tài)分布。2.場(chǎng)景場(chǎng)景E：無障礙，雜波：無障礙，雜波嚴(yán)重；嚴(yán)重； 主信號(hào)的主導(dǎo)作用主信號(hào)的主導(dǎo)作用不明顯，趨于不明顯，趨于瑞利分布瑞利分布。3.場(chǎng)景場(chǎng)景D：無障礙，雜波：無障礙，雜波

17、較少；主信號(hào)的主導(dǎo)作用較少；主信號(hào)的主導(dǎo)作用明顯，服從明顯，服從萊斯分布萊斯分布。第2章 無線通信基礎(chǔ)36l 當(dāng)主要的信號(hào)到達(dá)時(shí)附有許多弱多徑信號(hào)，如視當(dāng)主要的信號(hào)到達(dá)時(shí)附有許多弱多徑信號(hào)，如視距傳播，接收信號(hào)的小尺度衰落包絡(luò)分布服從距傳播，接收信號(hào)的小尺度衰落包絡(luò)分布服從萊斯萊斯分布分布。l 當(dāng)主信號(hào)減弱時(shí)，混合信號(hào)近似于一個(gè)具有瑞利當(dāng)主信號(hào)減弱時(shí)，混合信號(hào)近似于一個(gè)具有瑞利分布的噪聲信號(hào)。當(dāng)主要分量減弱后，萊斯分布就分布的噪聲信號(hào)。當(dāng)主要分量減弱后，萊斯分布就轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)槿鹄植既鹄植?。?章 無線通信基礎(chǔ)37l 衰落信道的幅度和相位的概率密度函數(shù)告訴衰落信道的幅度和相位的概率密度函數(shù)告

18、訴我們幅度和相位在各個(gè)時(shí)刻的特性，但是沒有我們幅度和相位在各個(gè)時(shí)刻的特性，但是沒有說明隨時(shí)間變化的快慢。說明隨時(shí)間變化的快慢。l 電平通過率（電平通過率（LCR）與平均衰落持續(xù)時(shí)間）與平均衰落持續(xù)時(shí)間（AFD）是描述衰落頻率的兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量，他）是描述衰落頻率的兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量，他們與多普勒頻移密切相關(guān)。們與多普勒頻移密切相關(guān)。5. 電平通過率和平均衰落持續(xù)時(shí)間電平通過率和平均衰落持續(xù)時(shí)間第2章 無線通信基礎(chǔ)38 電平通過率：電平通過率：在瑞利衰落情況下，接收信號(hào)包絡(luò)歸一化在瑞利衰落情況下，接收信號(hào)包絡(luò)歸一化為本地信號(hào)為本地信號(hào)rms電平電平Rrms后，沿正向每秒鐘穿過某一指定門后，沿正向每秒鐘穿過某一

19、指定門限電平限電平R的期望數(shù)目。的期望數(shù)目。反應(yīng)了多徑衰落使接收信號(hào)電平發(fā)生反應(yīng)了多徑衰落使接收信號(hào)電平發(fā)生衰落深陷的頻繁程度。衰落深陷的頻繁程度。tS信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)強(qiáng)度R1T時(shí)間時(shí)間R2t2t1t4t3t5t6t7第2章 無線通信基礎(chǔ)39設(shè)接收信號(hào)電平的時(shí)間函數(shù)為設(shè)接收信號(hào)電平的時(shí)間函數(shù)為r(t)，電平通過率，電平通過率NR(r)可以用式可以用式(2-3-23)進(jìn)行計(jì)算：進(jìn)行計(jì)算：顯然，電平通過率取決于門限電平顯然，電平通過率取決于門限電平R的具體定義，并且與的具體定義，并且與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和載波頻率成正比。移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和載波頻率成正比。2mamaxax0m x(),2( )( ,)Rd

20、dRdNp Rdfer tp RrNRffrrrrrrr，其中：對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)處， 與的聯(lián)合概率密度最大多普勒頻移可見，是的函數(shù)。（2-3-23）/=2rmsRRRR/?為規(guī)定電平 與幅度衰落均方根值之比。第2章 無線通信基礎(chǔ)40平均衰落持續(xù)時(shí)間平均衰落持續(xù)時(shí)間ADF：每次衰落期間信號(hào)電平低于每次衰落期間信號(hào)電平低于某規(guī)定電平某規(guī)定電平R的平均時(shí)間長(zhǎng)度。對(duì)的平均時(shí)間長(zhǎng)度。對(duì)瑞利衰落信號(hào)，設(shè)接收信瑞利衰落信號(hào)，設(shè)接收信號(hào)電平號(hào)電平r小于或等于指定電平小于或等于指定電平R的概率為的概率為Pr(rR)， 則接收信則接收信號(hào)包絡(luò)低于電平號(hào)包絡(luò)低于電平R的的ADF計(jì)算式為計(jì)算式為（2-3-24）)()(A

21、DFrrrNRrP接收信號(hào)電平接收信號(hào)電平r小于或等于指定電平小于或等于指定電平R的概率由瑞利分布求得：的概率由瑞利分布求得：（2-3-25）2e1d )()(0rrrPRrPRtS信號(hào)強(qiáng)度Rt2t1t4t3第2章 無線通信基礎(chǔ)41可得到平均衰落持續(xù)時(shí)間為可得到平均衰落持續(xù)時(shí)間為 由式（由式（2-3-26）可以看出，）可以看出，平均衰落持續(xù)時(shí)間與移動(dòng)速平均衰落持續(xù)時(shí)間與移動(dòng)速率和載波頻率成反比。信號(hào)衰落平均時(shí)段有助于率和載波頻率成反比。信號(hào)衰落平均時(shí)段有助于確定衰落確定衰落期間最可能丟失的信令比特?cái)?shù)。期間最可能丟失的信令比特?cái)?shù)。 若移動(dòng)通信系統(tǒng)有特定的衰落余量，則可以通過這兩若移動(dòng)通信系統(tǒng)有特定的衰落余量，則可以通過這兩個(gè)參數(shù)來個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)接收機(jī)的性能評(píng)價(jià)接收機(jī)的性能。對(duì)于設(shè)計(jì)信道的差錯(cuò)控制方。對(duì)于設(shè)計(jì)信道的差錯(cuò)控制方案具有重要的指導(dǎo)意義。案具有重要的指導(dǎo)意義。（2-3-26）21eADFmaxd2f第2章 無線通信基礎(chǔ)42例例2-7 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以60 km/h的速度隨汽車朝向基站運(yùn)動(dòng)時(shí)，基站的發(fā)射頻率為900 MHz，求移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)包絡(luò)均方值電平為Rrms的電平通過率。解解：已知發(fā)射信號(hào)載波頻率fc=900 M