移動通信信道

第三講移動通信信道–2多徑傳播特性及定量描述數字移動通信2021/8/151上次課重點回顧

VHF和UHF電波主要有幾種傳播方式？自由空間中電波傳播損耗變化有何規(guī)律？

大氣對電波傳播有何影響？繞射損耗與哪些因素有關？反射模型中，電波傳播損耗變化有何規(guī)律？2021/8/152第2章移動通信信道2.1陸地無線電波傳播特性2.2

移動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2.4陰影衰落的基本特性2.5電波傳播損耗預測模型2.6多徑衰落信道的建模和仿真2.7MIMO信道簡介第一次課第二次課第三次課2021/8/153

本次課的要求與重難點要求與重點掌握多徑傳播的基本特性和多徑衰落對數字移動通信的影響。理解描述多徑信道的參數，了解小尺度衰落模型。重點：相關（干）帶寬、相關時間、相關距離難點：多徑衰落對接收信號的影響2021/8/154本次課需要解決的主要問題什么是電波傳播三級模型？多徑傳播對接收信號有何影響？如何定量描述多徑傳播特性？多普勒擴展對接收信號有何影響？如何定量描述？描述信道特性的關鍵參數有哪些？多徑衰落信道如何分類？2021/8/1552.2.1移動通信信道中的電波傳播損耗特性2.2.2移動環(huán)境下的多徑傳播2.2.3多普勒頻移2.2.4多徑接收信號的統(tǒng)計特性（自學）2.2.5衰落信號幅度的特征量2.2移動通信信道的多徑傳播特性2021/8/156一、電波傳播損耗特性移動信道是一種變參信道

信號傳播過程中會遭受不同類型的損耗

傳播損耗陰影衰落多徑衰落：移動臺與基站的距離大尺度衰落小尺度衰落2021/8/1571、傳播損耗(路徑損耗）長程范圍內的信號電平變化（幾千米量級）電波傳播引起的平均接收功率衰減取決于發(fā)射機與接收機之間的距離

自由空間時，n=2，一般情況下n=3～5一、電波傳播損耗特性2021/8/1582、陰影衰落——陽光不能普照短程范圍內的信號電平變化（數百波長量級）由大型障礙物的遮擋引起，包括傳播環(huán)境中的地形起伏、人造建筑物等一、電波傳播損耗特性2021/8/1593、小尺度衰落——余音繞梁主要由多徑效應和多普勒效應引起

數十波長量級內的信號電平變化接收信號場強的瞬時值快速變化，在幾個波長間距內的變化幅度可達30dB一、電波傳播損耗特性2021/8/1510傳播損耗一、電波傳播損耗特性距離(km)場強02468806040200幾百個波長（陰影衰落）幾十個波長（多徑衰落）2021/8/1511大尺度路徑損耗傳播模型

描述發(fā)射機和接收機之間長距離上平均場強的變化，用于預測平均場強并估計無線覆蓋范圍。受到收發(fā)距離及地形地貌的影響。

小尺度多徑衰落傳播模型

描述移動臺在極小范圍內移動時，短距離（幾個波長）或短時間（秒級）上接收場強的快速變化，根據小尺度衰落確定應采取的抗衰落技術。當移動通信跨越比較大的區(qū)域時，會同時受到大尺度衰落和小尺度衰落的影響！一、電波傳播損耗特性2021/8/15122.2.1移動通信信道中的電波傳播損耗特性2.2.2移動環(huán)境下的多徑傳播2.2.3多普勒頻移2.2.4多徑接收信號的統(tǒng)計特性（自學）2.2.5衰落信號幅度的特征量2.2移動通信信道的多徑傳播特性2021/8/1513二、移動環(huán)境的多徑傳播

1、多徑傳播的基本概念信道中存在各種反射物和散射物發(fā)射波到達接收機時形成在時間、空間上相互區(qū)別的多個無線電波2021/8/1514二、移動環(huán)境下的多徑傳播余音繞梁多徑傳播示意圖

1、多徑傳播的基本概念2021/8/1515二、移動環(huán)境下的多徑傳播2、多徑傳播對接收信號產生的影響當兩個多徑信號同相時，合成信號是什么樣的？當兩個多徑信號相位相差180度時，合成信號是什么樣的？2021/8/1516多徑傳播會導致接收信號在不到一個波長范圍內會出現幾十分貝的電平變化和劇烈的相位擺動。

延長信號到達接收機的時間，引起碼間串擾。二、移動環(huán)境下的多徑傳播2、多徑傳播對接收信號產生的影響2021/8/1517二、移動環(huán)境下的多徑傳播2、多徑傳播對接收信號產生的影響典型實例

800MHz室內環(huán)境中典型傳播時延擴展為1μs，符號速率200kbps，符號寬度？重疊率？符號寬度5μs，重疊覆蓋率20%2021/8/15182.2.1移動通信信道中的電波傳播損耗特性2.2.2移動環(huán)境下的多徑傳播2.2.3多普勒頻移2.2.4多徑接收信號的統(tǒng)計特性（自學）2.2.5衰落信號幅度的特征量2.2移動通信信道的多徑傳播特性2021/8/1519三、多普勒頻移1842年由奧地利數學家、物理學家克里斯琴.多普勒.約翰首先提出。定義：當發(fā)射源與接收體之間發(fā)生相對運動時，接收頻率與發(fā)射頻率之差?；疖嚻崖暤淖兓?？從遠而近時，汽笛音調變尖從近而遠時，汽笛音調變低對無線通信場景如何更直白的理解？1、何為多普勒頻移？2021/8/1520三、多普勒頻移接收信號的頻率與發(fā)射信號的頻率不一致！多普勒頻移與移動臺運動速度及移動臺方向與無線電波入射方向之間的夾角有關。頻率變化值：2、多普勒頻移與移動臺運動間的關系2021/8/1521三、多普勒頻移思考：頻率變化有什么趨勢？朝向入射波方向移動－>多普勒頻移為正值；背向入射波方向移動－>多普勒頻移為負值。2、多普勒頻移與移動臺運動間的關系思考：移動臺連續(xù)的運動，會造成什么現象？2021/8/15222.2.1移動通信信道中的電波傳播損耗特性2.2.2移動環(huán)境下的多徑傳播2.2.3多普勒頻移2.2.4多徑接收信號的統(tǒng)計特性（自學）2.2.5衰落信號幅度的特征量2.2移動通信信道的多徑傳播特性2021/8/15232.2.4多徑接收信號的統(tǒng)計特性（提示）

移動通信信道統(tǒng)計分析：對接收信號的功率或電壓包絡進行定量描述。

以瑞利分布為例，接收信號的包絡和相位(σ為方差)：包絡概率密度函數（瑞利分布）：相位概率密度函數（均勻分布）：2021/8/15243-24四、衰落信號幅度的特征量1、研究衰落信號幅度特征量的必要性鏈路設計需要得到鏈路性能的幅度特點一條衰落信道每隔多長時間就會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)多長時間？工程應用中，常常用一些特征量表示衰落信號的幅度特點。2021/8/15252、衰落率定義：信號包絡在單位時間內以正斜率通過中值電平的次數與發(fā)射頻率、移動臺行進速度、方向及多徑傳播的路徑數有關。

當移動臺的行進方向朝著或背著電波傳播方向時，衰落最快。四、衰落信號幅度的特征量2021/8/15263、電平通過率包絡在單位時間以正斜率通過某規(guī)定電平R的次數深度衰落發(fā)生的次數較少，淺度衰落發(fā)生得相當頻繁。衰減20dB概率為1%，衰減30dB和40dB的概率分別為0.1%和0.01%。四、衰落信號幅度的特征量2021/8/15274、平均衰落持續(xù)時間定義：信號包絡低于某個給定電平值的概率與該電平值所對應的電平通過率之比。思考：如何理解物理含義？信號包絡低于某個給定電平值的概率->值越大，衰落情況越嚴重電平通過率->值越大，衰落變化速度越快，停留在某狀態(tài)的時間越短四、衰落信號幅度的特征量2021/8/15284、平均衰落持續(xù)時間思考：平均衰落持續(xù)時間對工程設計的意義在哪里？接收信號電平低于接收機門限電平時，就可能造成語音中斷或誤比特率突然增大。由平均衰落持續(xù)時間可判斷通信受影響的程度，確定是否會發(fā)生突發(fā)錯誤及突發(fā)錯誤的長度。四、衰落信號幅度的特征量2021/8/15292.3.1時延擴展和相關帶寬2.3.2多普勒擴展和相關時間2.3.3角度擴展和相關距離（自學）2.3.4多徑衰落信道的分類2.3描述多徑衰落信道的主要參數2021/8/15301、時延擴展的概念定義：多徑傳播造成的信號時間擴散假設發(fā)射一個極短的脈沖信號，經過多徑信道后，接收信號是什么樣的？接收信號呈現為一串脈沖，出現時間色散現象。五、時延擴展與相關帶寬2021/8/1531五、時延擴展和相關帶寬典型的時延（功率）譜曲線2、時延擴展的描述時延功率譜：由不同時延信號分量的平均功率構成P(τ)相對時延值歸一化時延譜平均時延時延擴展，P(τ)的均方根最大多徑時延，P(τ)下降到-30dB時的時延差2021/8/1532平均時延時延擴展離散化離散化五、時延擴展和相關帶寬2、時延擴展的描述2021/8/15333、時延擴展典型實測數據參數市區(qū)郊區(qū)平均時延

(s)1.5~2.50.1~0.2時延擴展

(s)1.0~3.00.2~2最大時延(-30dB)(s)5.0~12.03.0~7.0

平均時延擴展

(s)1.30.5五、時延擴展和相關帶寬2021/8/1534五、時延擴展和相關帶寬圖2-13雙徑信道等效網絡以雙徑模型為例，且不計信道的固定衰減4、多徑對信號頻域的影響衰減系數兩徑時延差第一射線信號為Si(t)第二射線信號為Si(t)ej（t）2021/8/1535五、時延擴展和相關帶寬雙徑信道等效網絡的傳遞函數為:信道的幅頻特性為:4、多徑對信號頻域的影響2021/8/1536圖2-14雙射線信道的幅頻特性當時，雙徑信號同相疊加，出現峰點；當時，雙徑信號反相相消，出現谷點。五、時延擴展和相關帶寬4、多徑對信號頻域的影響進一步思考物理含義？當多徑時延差一定時，從頻域上看，當信號帶寬較寬時，會發(fā)生畸變！2021/8/1537五、時延擴展和相關帶寬指一特定頻率范圍，在該范圍內，兩個頻率分量有很強的幅度相關性；

在此范圍內的所有頻率分量幾乎具有相同的增益及線性相位。（1）相關帶寬的定義5、多徑對信號頻域影響的量化2021/8/1538五、時延擴展和相關帶寬相關系數大于0.9時，相關帶寬為：將定義放寬至相關系數大于0.5，相關帶寬為：實際工程上，一般采用下式估算：（2）相關帶寬的定量計算5、多徑對信號頻域影響的量化2021/8/1539

相關帶寬由信道的時延擴展決定，兩者之間成反比關系。信道實際情況時延擴展（多徑結構）相關帶寬五、時延擴展和相關帶寬6、時延擴展和相關帶寬的關系2021/8/1540

實例分析：時延擴展為1.37s，采用式(2-70)計算可得相關帶寬為116kHz。

思考：帶寬分別為30kHz的信號和200kHz的信號，在經過該信道后，從時域和頻域上看，各有什么區(qū)別？信號1：30kHz-33.3s信號2：200kHz-5s五、時延擴展和相關帶寬6、時延擴展和相關帶寬的關系平坦衰落vs.頻率選擇性衰落！->多徑干擾程度小，帶寬小于相關帶寬->多徑干擾程度大，帶寬大于相關帶寬2021/8/1541五、時延擴展和相關帶寬【例2-6】未歸一化的時延譜如圖例2.6所示，試計算多徑分布的平均附加時延和rms時延擴展。若設信道相關帶寬按式（2-70）計算，則該系統(tǒng)在不使用均衡器的條件下對AMPS或GSM業(yè)務是否合適?圖例2.6某時延譜的測量結果2021/8/1542五、時延擴展和相關帶寬解：信號總功率：平均附加時延：時延平方的平均值：2021/8/1543五、時延擴展和相關帶寬解（續(xù)）：

用均方根值（rms）表示的時延擴展：相關帶寬為：2021/8/1544五、時延擴展和相關帶寬AMPS系統(tǒng)帶寬為30kHz小于相關帶寬，

所以不使用均衡器，系統(tǒng)就能正常工作；GSM系統(tǒng)帶寬為200kHz大于相關帶寬

，需要使用均衡器，系統(tǒng)才能正常工作。解（續(xù)）：討論：，該系統(tǒng)在不使用均衡器的條件下對AMPS或GSM業(yè)務是否合適？取決于：系統(tǒng)帶寬和相關帶寬的關系2021/8/1545（1）平坦衰落五、時延擴展和相關帶寬7、平坦衰落與頻率選擇性衰落思考：平坦衰落有何特點？在信號帶寬范圍內，各頻點幅度增益基本相同，即發(fā)送信號的頻譜基本保持不變；信道增益隨著時間變化，接收信號功率可能不斷變化，導致信號忽大忽小。2021/8/1546（2）頻率選擇性衰落五、時延擴展和相關帶寬7、平坦衰落與頻率選擇性衰落思考：頻率選擇性衰落有何特點？信道對信號的不同頻率成份具有不同的響應。產生頻率選擇性，使信號發(fā)生失真。2021/8/1547平坦衰落數據傳輸速率低，則碼元寬度長，帶寬窄，多徑信號不會干擾整個碼元，信號帶寬小于信道相關帶寬。頻率選擇性衰落數據傳輸速率高，則碼元寬度小，帶寬寬，多徑信號干擾碼元程度高，信號帶寬大于信道相關帶寬。五、時延擴展和相關帶寬7、平坦衰落與頻率選擇性衰落思考：信道多徑分布對通信有何影響？信號傳輸速率受相關帶寬（多徑分布）的限制!2021/8/15482.3.1時延擴展和相關帶寬2.3.2多普勒擴展和相關時間2.3.3角度擴展和相關距離（自學）2.3.4多徑衰落信道的分類2.3描述多徑衰落信道的主要參數2021/8/1549六、

多普勒擴展和相關時間1、多普勒擴展（Dopplerspread）現象的定義

定義：若發(fā)送信號頻率為fc的純正弦波，接收信號頻譜在fc-fd至fc-fd范圍內存在分量，則其中的fd稱為多普勒頻移。實際多普勒頻移最大多普勒頻移最小多普勒頻移出現頻率色散現象2021/8/1550六、

多普勒擴展和相關時間2、多普勒擴展的量化多普勒擴展指接收信號多普勒譜為非0值的頻率范圍，表達式為：2021/8/1551六、

多普勒擴展和相關時間3、相關時間定義及量化

定義：信道沖激響應維持不變（或一定相關度）的時間間隔的統(tǒng)計平均。在相關時間內，兩個到達信號有很強的幅度相關性。若時間相關函數定義為大于0.5時，相關時間可近似為：2021/8/1552六、

多普勒擴展和相關時間4、多普勒擴展與相關時間的關系

相關時間由多普勒擴展決定，兩者之間成反比關系。運動速度和信號頻率多普勒擴展相關時間2021/8/1553六、

多普勒擴展和相關時間4、多普勒擴展與相關時間的關系

實例分析：移動臺速率為60km/h，載頻為900MHz，相關時間3.58ms。思考：傳輸速率為200bit/s和2000bit/s時，在經過該信道后，從時域上看，有什么區(qū)別？信號1：2000bit/s–0.5ms信號2：200bit/s–5ms快衰落vs.慢衰落！->碼元寬度小于相關時間，衰落一致！->碼元寬度大于相關時間，衰落不一致！2021/8/1554

數據傳輸速率低，則碼元寬度長，信道以快于傳輸符號率的速度波動，接收信號易受快衰落影響。六、

多普勒擴展和相關時間5、快衰落與慢衰落

快衰落：信道的相關時間比發(fā)送信號碼元寬度短。

慢衰落：信道的相關時間比發(fā)送信號碼元寬度大。2021/8/1555六、

多普勒擴展和相關時間

移動臺的速度(或信道路徑中物體的速度)及基帶信號發(fā)送速率，決定了信號是經歷快衰落還是慢衰落。

思考：快衰落有沒有好處？如何利用？防止長期處于接收信號很差的狀態(tài)

時間分集的設計

思考：慢衰落有沒有壞處？如何克服？當處于接收信號很差時，可采用慢跳頻的方式克服5、快衰落與慢衰落2021/8/15562.3.1時延擴展和相關帶寬2.3.2多普勒擴展和相關時間2.3.3角度擴展和相關距離（自學）2.3.4多徑衰落信道的分類2.3描述多徑衰落信道的主要參數2021/8/1557七、

多徑衰落信道的分類移動信道中的時間色散和頻率色散可能產生4種衰落效應根據信號帶寬和信道帶寬的比較平坦衰落頻率選擇性衰落根據發(fā)送信號碼元寬度與信道變化快慢程度快衰落慢衰落2021/8/1558七、

多徑衰落信道的分類（1）平坦衰落形成條件：信道帶寬遠大于發(fā)送信號的帶寬，且在帶寬范圍內有恒定增益及線性相位判定條件：Bs<<BcorTs

>>2021/8/1559（2）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寬范圍小于發(fā)送信號帶寬判定條件：克服方法：均衡等Bs>BcorTs<

七、

多徑衰落信道的分類2021/8/1560七、

多徑衰落信道的分類（3）快衰落形成條件：信道沖激響應在碼元寬度內變化很快，即信道的相關時間比發(fā)送信號碼元寬度短。定量判據：

Ts>Tc

orBD>Bs2021/8/1561（4）慢衰落形成條件：信道沖激響應在碼元寬度內變化很小，即信道的相關時間比發(fā)送信號碼元寬度大。定量判據：Ts

<<Tc