第06講-小尺度衰落與多徑效應(yīng)(2)

小尺度衰落與多徑效應(yīng)桂林電子科技大學(xué)仇洪冰2010年3月22日直接射頻脈沖測(cè)量信道直接射頻脈沖測(cè)量信道特點(diǎn)：可直接得到信道沖擊響應(yīng)與探測(cè)脈沖卷積結(jié)果的平方值，提供本地功率延遲分布；系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單。主要問題：受干擾與噪聲的影響嚴(yán)重；依賴于第一個(gè)到達(dá)的分量觸發(fā)示波器的能力；采用包絡(luò)檢波器，系統(tǒng)接收不到多徑分量各自的相位（如采用相關(guān)檢測(cè)器可彌補(bǔ)這一不足）；擴(kuò)頻滑動(dòng)相關(guān)器信道測(cè)量第三節(jié)小尺度多徑測(cè)量原理：基帶信號(hào)持續(xù)時(shí)間第三節(jié)小尺度多徑測(cè)量①最大相關(guān)時(shí)間：②實(shí)際傳播時(shí)間與示波器觀測(cè)時(shí)間的關(guān)系：碼元間隔序列長(zhǎng)度滑動(dòng)因子③PN序列長(zhǎng)度與最大傳播時(shí)延的關(guān)系：擴(kuò)頻滑動(dòng)相關(guān)器信道測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)：有良好的抗干擾能力；靈敏度可調(diào)（通過調(diào)整滑動(dòng)因子和窄帶濾波器實(shí)現(xiàn)）；需要較小的發(fā)射功率。缺點(diǎn)：不是實(shí)時(shí)的；無法測(cè)量多徑分量的相位。頻域信道探測(cè)頻域信道探測(cè)問題：要求收發(fā)之間要精確同步，因此僅適合近距離測(cè)量（如：室內(nèi)信道模型的測(cè)量）；非實(shí)時(shí)性（掃描完整個(gè)頻段需要一定的時(shí)間）對(duì)于時(shí)變信道，為了提高掃描速度：快掃描——對(duì)設(shè)備的響應(yīng)要求高；減少頻率臺(tái)階數(shù)——降低了時(shí)間分辨率，增大附近時(shí)延范圍。MeasuredpowerdelayprofilesMeasuredpowerdelayprofilesIndoorPowerDelayProfileTypicalRMSdelayspreads小尺度衰落類型平坦衰落，F(xiàn)latfading頻率選擇性衰落，F(xiàn)requencyselectivefading快衰落，F(xiàn)astfading慢衰落，Slowfading小尺度衰落的類型在無線通信信道中：多徑時(shí)延擴(kuò)展→時(shí)間色散多普勒頻移→頻率色散這兩種特性對(duì)信號(hào)的影響是不同的，而信號(hào)又有窄帶和寬帶之分。因此不同信道特性和信號(hào)特性的組合，會(huì)產(chǎn)生四種小尺度衰落類型。即：多徑時(shí)延擴(kuò)展→平坦衰落或頻率選擇性衰落多普勒頻移→快衰落或慢衰落多徑時(shí)延擴(kuò)展產(chǎn)生的衰落效應(yīng)平坦衰落產(chǎn)生條件：

無線信道的相干帶寬>>信號(hào)的帶寬或：無線信道的均方根時(shí)延擴(kuò)展<<信號(hào)的符號(hào)周期特點(diǎn)：由于Bs<<Bc，因此信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生失真。但由于信道是時(shí)變的，其增益會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，因此信號(hào)幅度會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。幅度：服從瑞利分布；相位：均勻分布。多徑時(shí)延擴(kuò)展產(chǎn)生的衰落效應(yīng)

平坦衰落圖解多徑時(shí)延擴(kuò)展產(chǎn)生的衰落效應(yīng)

頻率選擇性衰落產(chǎn)生條件：

無線信道的相干帶寬<信號(hào)的帶寬或：無線信道的均方根時(shí)延擴(kuò)展>信號(hào)的符號(hào)周期特點(diǎn)：由于Bs>Bc，信道對(duì)信號(hào)S(t)不同的頻譜分量的增益和相位的作用不同，導(dǎo)致信號(hào)失真。通常情況下，如果就認(rèn)為信道是頻率選擇性衰落（這一范圍與調(diào)制類型有關(guān)）Frequencyselectivefading多普勒頻移擴(kuò)展引起的衰落效應(yīng)

快衰落Fastfading產(chǎn)生條件：

信道的多普勒擴(kuò)展>信號(hào)的帶寬或：信道的相干時(shí)間<信號(hào)的符合速率(周期)含義：

信道的沖擊響應(yīng)在信號(hào)的符合周期內(nèi)快速變化，或載頻的變化范圍大于信號(hào)的帶寬（或兩者可比擬）。注：當(dāng)信道被認(rèn)為是快/慢衰落時(shí)，一般不再稱其為平坦衰落或頻率選擇性衰落。

多普勒頻移擴(kuò)展引起的衰落效應(yīng)

慢衰落，Slowfading產(chǎn)生條件：信道的多普勒擴(kuò)展<<信號(hào)的帶寬或：信道的相干時(shí)間>>信號(hào)的符合速率(周期)含義：信道的沖擊響應(yīng)變化率比發(fā)送的基帶信號(hào)變化率低得多，或載頻的變化范圍遠(yuǎn)小于信號(hào)的帶寬。TwoindependentfadingissuesTwoindependentfadingissues瑞利衰落分布（1）一、瑞利衰落分布：對(duì)于平坦衰落信道，接收信號(hào)由N個(gè)多徑信號(hào)構(gòu)成。這N個(gè)信號(hào)的幅值和相位都時(shí)隨機(jī)的，且統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。常用于描述平坦衰落信號(hào)的統(tǒng)計(jì)時(shí)變特性的一種分布類型瑞利衰落分布（2）可見，x和y也是N個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)變量之和。概率的中心極限定理：大量的獨(dú)立隨機(jī)變量之和的分布趨于正態(tài)分布。故x和y的分布為正態(tài)分布且相互獨(dú)立。瑞利衰落分布（3）可見：r服從瑞利分布；θ服從均勻分布瑞利分布的特性（1）1.包絡(luò)不超過R的概率：2.r=σ時(shí)，p(r)取最大值：：3.瑞利分布的特性（2）4.包絡(luò)的均值：5.均方值與方差：6.r<σ

的概率：1－exp(-1/2)=0.39直流分量(中值)瑞利分布的特性（3）結(jié)論：對(duì)于平坦衰落信道，如果所有多徑信號(hào)的幅度和方位角是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立且隨機(jī)分布，則接收信號(hào)的包絡(luò)服從瑞利分布其衰落深度達(dá)20～40dB衰落速率(每秒內(nèi)信號(hào)包絡(luò)經(jīng)過中值次數(shù)的一半）約為30～40次/秒萊斯衰落分布多徑信號(hào)中，如果存在一個(gè)主要的靜態(tài)（非衰落）信號(hào)分量時(shí)，可以證明，接收信號(hào)的包絡(luò)服從萊斯分布。含義：存在一個(gè)比較強(qiáng)的多徑分量（主信號(hào)）其它多徑分量較弱,且幅度和方位角隨機(jī)變化。萊斯因子的定義萊斯因子完全確定了萊斯分布——廣義瑞利分布三種小尺度衰落測(cè)量值1.場(chǎng)景C：有障礙，雜波較少：小尺度衰落不明顯，近似為對(duì)數(shù)正態(tài)分布。2.場(chǎng)景D：無障礙，雜波較少：主信號(hào)的主導(dǎo)作用明顯，服從萊斯分布。3.場(chǎng)景E：無障礙，雜波嚴(yán)重：主信號(hào)的主導(dǎo)作用不明顯，趨于瑞利分布。多徑衰落信道的統(tǒng)計(jì)模型第一個(gè)多徑衰落信道模型——Ossana模型主要考慮因素：建筑物表明隨機(jī)分布的反射波的相互影響。局限性：由于假設(shè)存在LOS，無法反映市區(qū)的信道特性。為了更好地表示移動(dòng)信道的統(tǒng)計(jì)特性，目前已經(jīng)建立了許多多徑模型，其中應(yīng)用最廣泛的是Clarke模型。平坦衰落的Clarke模型(1)假設(shè)條件：發(fā)射天線垂直極化；接收天線的電磁場(chǎng)由N個(gè)平面波組成這些平面波具有隨機(jī)附加相位、入射角和相等的平均幅度（不存在LOS），且經(jīng)歷相似的衰落。平坦衰落的Clarke模型(2)接收天線的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度可表示為：可以證明：接收的電場(chǎng)包絡(luò)服從瑞利分布接收天線的方向增益接收天線的平均接收功率平坦衰落的Clarke模型(3)Clarke模型中由多普勒擴(kuò)展產(chǎn)生的頻譜形狀：接收功率密度函數(shù)平坦衰落的Clarke模型(4)Clarke衰落模型的仿真(1)1.理論依據(jù)Clarke衰落模型的仿真(2)2.正交調(diào)幅的仿真模型Clarke衰落模型的仿真(3)3.基帶頻域仿真模型Clarke衰落模型的仿真(4)

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟：指定S(f)頻域樣點(diǎn)數(shù)N和fm計(jì)算相鄰譜線的頻率間隔：⊿f=2fm/(N-1)用高斯隨機(jī)過程產(chǎn)生噪聲源的N/2個(gè)正頻率分量將正頻率分量取共軛得到噪聲源的負(fù)頻率分量將同相、正交的噪聲源與S(f)相乘進(jìn)行IFFT變換將各信號(hào)點(diǎn)取平方和，得到求平方根得到r(t)Clarke衰落模型的仿真(5)4.具有可變?cè)鲆婧蜁r(shí)延的瑞利衰落仿真模型電平交叉和衰落統(tǒng)計(jì)1.電平交叉：瑞利衰落歸一化為本地均方根信號(hào)電平后，沿正向穿過某一電平的速率。電平交叉和衰落統(tǒng)計(jì)2.平均衰落時(shí)段：接收信號(hào)低于某指定電平R的平均時(shí)段的值。雙線瑞利衰落模型(1)Clarke模型和瑞利衰落統(tǒng)計(jì)模型可適用與平坦衰落條件，但未考慮多徑時(shí)延。

而在現(xiàn)代移動(dòng)通信中，多徑時(shí)延擴(kuò)展廣泛存在。常用模型：雙線瑞利衰落模型沖擊響應(yīng)：雙線瑞利衰落模型(2)通過調(diào)整τ可產(chǎn)生大范圍的頻率選擇性衰落Saleh和Valenzuela室內(nèi)統(tǒng)計(jì)模型一個(gè)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果總結(jié)出來的信道模型。1.測(cè)試信號(hào)：載波1.5GHz，寬度為10ns的雷達(dá)脈沖2.天線：垂直極化全向天線3.環(huán)境：中等規(guī)模辦公建筑、同層4.測(cè)試結(jié)果：室內(nèi)信道類似于靜態(tài)信道或僅有微小變化；在沒有LOS時(shí)，沖擊響應(yīng)與發(fā)射和接收天線的極化獨(dú)立。5.典型參數(shù)：最大時(shí)延擴(kuò)展：100ns～200ns(房間)、300ns(走廊）均方根時(shí)延擴(kuò)展：25ns(中值)、50ns(最大值)衰落深度：60dB(無視距)衰落分布：對(duì)數(shù)距離指數(shù)率(指數(shù)：3～4)6.信道模型：多徑分量以簇的形式到達(dá)；各分量的幅度是獨(dú)立的瑞利隨機(jī)變量；其方差和簇內(nèi)時(shí)延隨簇的時(shí)延成指數(shù)形衰落；各分量的附加相位服從均勻分布且相互獨(dú)立各簇和簇內(nèi)分量構(gòu)成了具有不同速率的泊松達(dá)到過程，且簇和簇內(nèi)多徑分量到達(dá)此數(shù)成指數(shù)分布；簇的組成由發(fā)射/接收機(jī)附近的多徑反射組成，與建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)。SIRCIM和SMRCIM統(tǒng)計(jì)模型SIRCIM——室內(nèi)無線信道沖擊響應(yīng)模型仿真SMRCIM——移動(dòng)無線信道沖擊響應(yīng)模型仿真（適合于市區(qū)和微蜂窩網(wǎng)）（－）SIRCIM1.測(cè)試環(huán)境與方法：室內(nèi)，以λ/4為間隔1m范圍內(nèi)的功率延遲分布沖擊響應(yīng)。2.模型考慮的參數(shù)多徑時(shí)延1m范圍內(nèi)小尺度接收機(jī)的間隔地形參數(shù)（有無視距通路）大尺度間隔特定的測(cè)試區(qū)域3.沖擊響應(yīng)模型：4.信道的參數(shù)多徑時(shí)延：40～800ns平均多徑時(shí)延和均方根時(shí)延擴(kuò)展：30～300ns，中值：96ns、無視距：105ns

時(shí)延擴(kuò)展與無關(guān)，與建筑物的材料、使用時(shí)間和布局有關(guān)多徑分量的數(shù)目是、、和的函數(shù)，服從高斯分布，均值近似為36第七節(jié)多徑衰落信道的統(tǒng)計(jì)模型測(cè)試圖例：5.擬合公式：（P141,4.88和4.89)LOS情況OBS情況(二)SMRCIM：類似于SIRCIM統(tǒng)計(jì)建模技術(shù)SIRCIM–SimulationofallindoorpropagationCharacteristicsSMRCIM–SimulationofalloutdoorpropagationCharacteristicsAssignment