【2022】通信原理-第9章-23-0411

移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東南大學(xué)通信原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)

國(guó)家級(jí)一流本科課程

通信原理

無(wú)線信道與無(wú)線傳輸新技術(shù)第9章高等院校電子信息類(lèi)重點(diǎn)課程名師精品系列教材

知識(shí)要點(diǎn)大尺度衰落和小尺度衰落信道的相干時(shí)間和相干帶寬頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落多徑信道的分類(lèi)無(wú)線鏈路預(yù)算分集實(shí)現(xiàn)方法以及常用的分集合并方法ＭＩＭＯ和大規(guī)模ＭＩＭＯ基本概念正交頻分復(fù)用基本原理頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址、正交頻分多址和非正交多址9.1引言9.1引言無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展最快，應(yīng)用最廣蜂窩移動(dòng)通信1G~5G，6GWi-Fi7：30Gbit/s衛(wèi)星通信進(jìn)入寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入時(shí)代9.1引言無(wú)線通信系統(tǒng)性能好壞受無(wú)線信道的影響接收信號(hào)的功率損耗是不確定的多徑傳播現(xiàn)象發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)直射、反射、折射、繞射和衍射等方式經(jīng)多條路徑到達(dá)接收機(jī)，不同路徑的信號(hào)之間會(huì)相互干擾信號(hào)的傳輸路徑以及每條路徑的傳播時(shí)延和衰減也是隨機(jī)變化的由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和周?chē)矬w的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及傳播環(huán)境的復(fù)雜變化引起，這種隨機(jī)性可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的信號(hào)失真和符號(hào)間干擾噪聲、干擾以及其他信道的影響也是不確定的9.1引言無(wú)線信道傳播特性路徑損耗陰影衰落小尺度衰落鏈路預(yù)算無(wú)線信道傳輸技術(shù)分集技術(shù)、多輸入多輸出技術(shù)、正交頻分復(fù)用技術(shù)以及多址技術(shù)9.2無(wú)線傳播特性9.2無(wú)線傳播特性

大尺度衰落路徑損耗信號(hào)的功率隨傳播距離增大而衰減由發(fā)射功率的輻射擴(kuò)散及信道的傳播特性造成的陰影衰落信號(hào)在傳播過(guò)程中，會(huì)受到障礙物的阻擋障礙物通過(guò)吸收、反射、散射和繞射等方式衰減信號(hào)功率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)钄嘈盘?hào)由于遮擋物隨機(jī)分布，相同距離下的信號(hào)傳播功率損耗往往也具有隨機(jī)性路徑損耗和陰影衰落是在相對(duì)較長(zhǎng)的距離中傳播信號(hào)發(fā)生的功率變化，統(tǒng)稱為大尺度衰落9.2無(wú)線傳播特性

小尺度衰落多徑傳播信號(hào)可經(jīng)過(guò)多條路徑到達(dá)接收端每條路徑的傳播損耗、相位、時(shí)延和頻率（多普勒頻移）各不相同，當(dāng)它們?cè)诮邮斩睡B加后，會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)強(qiáng)度和相位的急劇變化，從而產(chǎn)生衰落和失真這種變化發(fā)生在波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)上，距離較短，因此稱為小尺度衰落9.2.1路徑損耗無(wú)線傳輸發(fā)射天線電信號(hào)→電磁波形成發(fā)送天線方向增益接收天線電磁波→電信號(hào)形成接收天線方向增益抑制某些方向上不需要的輻射功率信號(hào)接收功率：信號(hào)的發(fā)送和接收過(guò)程中的所有增益和損耗發(fā)射功率發(fā)射天線功率增益接收天線功率增益接收功率路徑損耗：發(fā)射信號(hào)功率和接收信號(hào)功率的差值9.2.1路徑損耗路徑損耗對(duì)路徑損耗的研究，需要根據(jù)不同傳播現(xiàn)象建立相應(yīng)的物理模型自由空間傳播模型接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無(wú)阻擋的視距（LineofSight,LOS）路徑衛(wèi)星信道其他經(jīng)驗(yàn)損耗模型奧村模型：城市宏蜂窩哈塔模型等：市區(qū)傳播自由空間傳播模型天線點(diǎn)源接收機(jī)距離發(fā)射端較遠(yuǎn)，可認(rèn)為發(fā)射天線為點(diǎn)源各向同性所有方向均勻輻射定向天線實(shí)際系統(tǒng)采用定向天線天線增益自由空間傳播模型距離越近，接收功率越多距離越遠(yuǎn)，接收功率越少給定面積的天線在不同距離所接收的輻射能量自由空間傳播模型各向同性點(diǎn)源總發(fā)射功率為Pt輻射功率均勻地通過(guò)一個(gè)半徑為d的球體球體表面單位面積的功率密度天線輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝涣Ⅲw角輻射的功率各向同性點(diǎn)源自由空間傳播模型定向天線方向增益指定方向的輻射強(qiáng)度和平均輻射強(qiáng)度的比值方向性—D天線上的最大輻射強(qiáng)度與各向同性源的輻射強(qiáng)度的比值方向性是方向增益的最大值功率增益—G相同的輸入功率下，天線的最大輻射強(qiáng)度和無(wú)損耗各向同性源的輻射強(qiáng)度的比值功率增益與方向性的關(guān)系為有效輻射功率EIRP有效輻射功率Pt：發(fā)射功率Gt：發(fā)射天線功率增益自由空間傳播模型天線波束寬度天線立體角的“平面”度量場(chǎng)功率主瓣上對(duì)應(yīng)于最高場(chǎng)功率衰落3dB的兩點(diǎn)夾角，單位為0或rad天線的功率增益越高，波束寬度就越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)自由空間傳播模型孔徑效率天線有效孔徑天線接收或輻射信號(hào)的表面積孔徑效率—Ka天線有效孔徑Ae與物理孔徑A的商天線在任意方向上的最大發(fā)射或接收增益λ

：載波波長(zhǎng)自由空間傳播模型若發(fā)射天線有效輻射功率為EIRP，接收天線與發(fā)射天線之間的距離為d發(fā)射天線的功率密度：天線接收的功率Pr：為發(fā)射天線功率密度與天線有效孔徑Ae的乘積Friis自由空間公式9.2.1路徑損耗自由空間路徑損耗發(fā)射信號(hào)功率和接收信號(hào)功率的差值第一項(xiàng)中的負(fù)號(hào)“-”代表增益第二項(xiàng)由引起，稱為自由空間損耗接收天線和發(fā)射天線之間的距離越大，路徑損耗越大，無(wú)線電工作頻率越高，路徑損耗越大例9.1某衛(wèi)星發(fā)射機(jī)的10GHz輸出被20000km以外的地面站監(jiān)控。發(fā)射天線為2m長(zhǎng)的碟型天線，其孔徑效率為65%，地面接收天線為6m長(zhǎng)的碟型天線，孔徑效率為55%。假設(shè)發(fā)射機(jī)輸出功率為100mW，計(jì)算接收功率。【解】發(fā)射天線的功率增益例9.1接收天線的功率增益自由空間損耗接收功率9.2.1路徑損耗幾種經(jīng)驗(yàn)路徑損耗模型奧村模型哈塔模型分段線性模型簡(jiǎn)化的路徑損耗模型奧村模型城市宏蜂窩信號(hào)預(yù)測(cè)的常用模型之一傳輸距離：1~100km頻率范圍：150MHz~1500MHz經(jīng)驗(yàn)公式：L(fc,d)

:載頻為fc,距離為d處的自由空間損耗Amu(fc,d):除自由空間損耗外其他環(huán)境中的中值衰減G(ht):基站天線高度ht增益因子G(hr):移動(dòng)終端天線高度hr增益因子Garea:環(huán)境類(lèi)型的增益奧村模型Amu(fc,d)和Garea可由奧村的經(jīng)驗(yàn)曲線圖得到G(ht)

和G(hr)的經(jīng)驗(yàn)公式奧村模型完全基于測(cè)試數(shù)據(jù)，其預(yù)測(cè)和測(cè)試的路徑損耗偏差約為10~14dB。

哈塔模型根據(jù)奧村曲線圖做出的經(jīng)驗(yàn)公式頻率范圍：150MHz~1500MHz路徑損耗公式參數(shù)fc，ht，hr，d與奧村模型相應(yīng)參數(shù)含義相同a(hr):移動(dòng)終端天線高度hr的修正因子中小城市哈塔模型載頻fc

>300MHz的大型城市對(duì)城市區(qū)域模型的修正，可以分別得到適用于郊區(qū)和農(nóng)村區(qū)域的哈塔模型K在35.94（鄉(xiāng)村）到40.94（沙漠）之間取值。當(dāng)距離d>1

km時(shí)，哈塔模型非常接近奧村模型。哈塔模型在1G蜂窩系統(tǒng)有著很好的表現(xiàn)，但是該模型不適用于蜂窩區(qū)域小且工作頻率高的通信系統(tǒng)以及室內(nèi)通信環(huán)境。分段線性模型室外微蜂窩區(qū)域和室內(nèi)信道的路徑損耗的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚄:路徑損耗因子d0:參考距離dc:臨界距離γ1:參考距離d0和臨界距離dc之間的路徑損耗指數(shù)γ2:距離大于dc的路徑損耗指數(shù)γ1，γ2，K，dc：一般通過(guò)回歸的方法從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中擬合得到分段線性模型5G各種場(chǎng)景下的路徑損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ土Ⅲw傳播效應(yīng)基站和終端的水平距離d2D和3D距離d3D

基站高度hBS和終端高度hUT，hBS=25m，1.5m

hUT22.5m城市宏蜂窩（UMa-LOS）場(chǎng)景的路損公式簡(jiǎn)化的路徑損耗模型簡(jiǎn)化模型實(shí)際系統(tǒng)中，無(wú)線信號(hào)傳播非常復(fù)雜，很難用一個(gè)單一的模型來(lái)精確地描述不同環(huán)境下的路徑損耗，如果對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行一般性的優(yōu)劣分析，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)化模型來(lái)近似路徑損耗K:常系數(shù)，其值取決于天線特性和平均信道損耗d0:天線遠(yuǎn)場(chǎng)的參考距離γ:路徑損耗指數(shù)選擇合適的K，d0，γ近似解析模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用d>d0的場(chǎng)景。d0：室內(nèi)1~10m，室外10~100m9.2.2陰影衰落陰影衰落無(wú)線信號(hào)因傳播路徑中的物體阻擋，導(dǎo)致給定距離上的接收功率發(fā)生隨機(jī)變化反射表面和散射物體的改變同樣會(huì)引起接收功率的隨機(jī)變化阻擋物體的位置、大小和介電特性以及反射表面和散射物體的變化所導(dǎo)致的隨機(jī)衰減一般是未知的，因此只能用統(tǒng)計(jì)模型來(lái)描述這些隨機(jī)衰減的特征對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型發(fā)射功率Pt和接收功率Pr的比值ψ=

Pt

/Pr是服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型路徑損耗ψ

的均值對(duì)數(shù)平均室外信道實(shí)驗(yàn)研究表明方差的范圍：4~13dB均值距離變化而變化，并與周?chē)ㄖ锏奶攸c(diǎn)有關(guān)，障礙物數(shù)量增加，造成的平均衰減也增加5GUMa－LOS場(chǎng)景，5GRMa－LOS場(chǎng)景，路徑損耗模型+陰影衰落路徑損耗模型和陰影衰落模型疊加同時(shí)反映出功率隨距離的減小和陰影造成的路徑損耗隨機(jī)衰減如果路徑損耗采用描述的簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ完幱八ヂ錇榫禐?，方差為的高斯隨機(jī)變量ψdB大尺度衰落大尺度衰落路徑損耗陰影衰落路徑損耗+陰影衰落：功率隨距離的減小和陰影在大距離上的隨機(jī)衰減慢衰落:大尺度衰落是由于傳播路徑損耗和傳播路徑中存在的障礙物所導(dǎo)致，通常變化比較慢小尺度衰落快衰落:多徑效應(yīng)帶來(lái)，變化比較快路徑損耗路徑損耗，陰影衰落和多徑效應(yīng)隨距離的變化關(guān)系9.2.3小尺度衰落小尺度衰落簡(jiǎn)稱衰落，由多徑信號(hào)相互干涉導(dǎo)致接收信號(hào)的快速衰落變化多徑衰落時(shí)延擴(kuò)展多普勒效應(yīng)多徑衰落多徑效應(yīng)信號(hào)經(jīng)多條路徑到達(dá)接收機(jī)時(shí)，其幅度、相位、頻率、方向都有所不同，接收機(jī)得到的信號(hào)是各路信號(hào)的矢量和，這種信號(hào)自干擾現(xiàn)象稱為多徑效應(yīng)或多徑干擾多徑衰落由于多徑效應(yīng)導(dǎo)致的信號(hào)衰落稱為多徑衰落9.2.3小尺度衰落多徑衰落多徑衰落兩徑傳播假設(shè)接收機(jī)為靜止“穩(wěn)態(tài)”多徑環(huán)境發(fā)射信號(hào)為窄帶正弦信號(hào)，接收機(jī)收到2路衰落分量：直達(dá)信號(hào)和反射信號(hào)兩路信號(hào)相對(duì)相位漂移等于０°：兩徑信號(hào)同向相加，合成后的信號(hào)功率增強(qiáng)兩路信號(hào)相對(duì)相位漂移等于18０°：兩徑信號(hào)反向相加，合成后的信號(hào)功率減弱多徑衰落兩徑傳播假設(shè)接收機(jī)為“動(dòng)態(tài)”多徑環(huán)境2路接收信號(hào)的相對(duì)相位漂移是接收機(jī)空間位置的函數(shù)接收信號(hào)的幅度(包絡(luò))隨距離變化某些位置上存在同向相加,另一些位置上兩個(gè)分量幾乎完全抵消,造成衰落多徑傳播多條傳播路徑以不同方式對(duì)信號(hào)的接收產(chǎn)生影響接收信號(hào)的包絡(luò)以復(fù)雜的方式隨接收機(jī)位置而變化信號(hào)衰落是多徑傳播的必然現(xiàn)象9.2.3小尺度衰落時(shí)延擴(kuò)張最早到達(dá)和最遲到達(dá)信號(hào)之間的延時(shí)導(dǎo)致符號(hào)間干擾9.2.3小尺度衰落多普勒效應(yīng)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者它們與無(wú)線傳播環(huán)境中的散射體和反射體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起各條路徑上信號(hào)頻率都存在不同程度的變化，這種變化稱為多普勒頻移多徑分量上的多普勒頻移既可能為正值也可能為負(fù)值，使得接收信號(hào)相對(duì)于發(fā)送信號(hào)出現(xiàn)了頻率擴(kuò)展現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)9.2.3小尺度衰落多普勒效應(yīng)相角變化頻率變化多普勒頻移9.2.3小尺度衰落多普勒頻移多普勒頻移與接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度v、運(yùn)動(dòng)方向、無(wú)線電波入射方向之間的夾角θ有關(guān)θ<900,接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間存在相向運(yùn)動(dòng),則多普勒頻移υ為正值,導(dǎo)致接收頻率增大θ<900,接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),則多普勒頻移υ為負(fù)值,導(dǎo)致接收頻率減小如果無(wú)線信道中的物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，多徑分量會(huì)產(chǎn)生時(shí)變的多普勒頻移多徑分量上的多普勒頻移既可能為正值也可能為負(fù)值，到達(dá)接收機(jī)疊加后，使接收信號(hào)相對(duì)于發(fā)送信號(hào)出現(xiàn)了頻率擴(kuò)展現(xiàn)象9.3多徑信道統(tǒng)計(jì)特性無(wú)線信道可建模為隨時(shí)間和距離變化線性時(shí)變?yōu)V波器時(shí)變性來(lái)源于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)建立多徑信道的沖激響應(yīng)模型分析統(tǒng)計(jì)特性9.3.1多徑信道的沖激響應(yīng)模型h(t,τ

)：多徑無(wú)線信道的沖激響應(yīng)t：由于移動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)間變化τ：在時(shí)間t一定時(shí)，信道的多徑時(shí)延9.3.1多徑信道的沖激響應(yīng)模型

若信道的低通等效響應(yīng)為c(t,τ

)9.3.1多徑信道的沖激響應(yīng)模型

ai(t,τ

),

τi(t,τ

)：第i個(gè)多徑分量在時(shí)刻t的幅度和附加時(shí)延第i個(gè)多徑分量與第一個(gè)到達(dá)的分量之間的相對(duì)時(shí)延稱為附加時(shí)延2πfcτi(t)+?i(t)

：第i個(gè)多徑分量的相移包括在自由空間中的傳播相移和在信道中的附加相移δ(τ-τi(t))：?jiǎn)挝粵_激響應(yīng)函數(shù)信道時(shí)域自相關(guān)函數(shù)若多徑信道等效低通沖激響應(yīng)c(t,τ)

是平穩(wěn)的9.3.2信道自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度信道自相關(guān)函數(shù)非相關(guān)散射信道平均輸出功率多徑強(qiáng)度分布或時(shí)延功率譜9.3.2信道自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度頻域自相關(guān)函數(shù)多徑強(qiáng)度分布的傅里葉變換9.3.2信道自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度頻差多普勒函數(shù)

λ為多普勒頻移，表示由接收機(jī)的移動(dòng)而引起的接收頻率的變化時(shí)延多普勒函數(shù)也稱信道散射函數(shù)9.3.2信道自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度時(shí)間差相關(guān)函數(shù)頻率差相關(guān)函數(shù)功率時(shí)延多普勒功率頻率差相關(guān)函數(shù)和多徑強(qiáng)度分布相干帶寬|Rc(

f)|為非零值的頻率差范圍相干帶寬范圍內(nèi)的兩個(gè)頻率分量有較強(qiáng)的相關(guān)性頻率間隔大于相干帶寬的兩個(gè)信號(hào)，受到的信道影響是不同的多徑擴(kuò)展Rc(τ)為非零值的τ

值范圍9.3.2信道自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度頻率選擇性信道多徑時(shí)延擴(kuò)展引起的衰落與頻率有關(guān)信道的相干帶寬遠(yuǎn)比信號(hào)的帶寬小，信道對(duì)信號(hào)中的不同頻率分量有不同的響應(yīng)，接收信號(hào)將出現(xiàn)嚴(yán)重失真，產(chǎn)生頻率選擇性衰落頻率非選擇性信道信道的相干帶寬比信號(hào)的帶寬大，也稱頻率平坦的接收信號(hào)將經(jīng)歷平坦衰落，其頻譜形狀保持不變時(shí)間差相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜相干時(shí)間|RC(

t)|為非零值的

t范圍相干時(shí)間是信道沖激響應(yīng)保持不變的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間間隔多普勒頻移在時(shí)域的表征在相干時(shí)間內(nèi)，多徑信號(hào)具有很強(qiáng)的幅值和相位相關(guān)性。多普勒擴(kuò)展SC(λ)為非零值的多普勒頻移范圍時(shí)間差相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜多普勒擴(kuò)展SC(λ)為非零值的多普勒頻移范圍頻譜展寬的度量如果發(fā)射信號(hào)為單一頻率fc，接收到的多普勒譜在[fc-fd,fc+fd]之間可見(jiàn)。fd為多普勒頻移如果基帶信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道多普勒擴(kuò)展，接收端就可以忽略多普勒擴(kuò)展的影響，否則就不能忽略9.3.2信道自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度時(shí)間選擇性信道多普勒擴(kuò)展引起的衰落與接收符號(hào)持續(xù)時(shí)間有關(guān)信道的相干時(shí)間比接收符號(hào)持續(xù)時(shí)間小相干時(shí)間段內(nèi)會(huì)有≥2個(gè)符號(hào)同時(shí)通過(guò)信道。因?yàn)樾诺朗呛推渲械男畔⑦M(jìn)行卷積運(yùn)算，所以后來(lái)的符號(hào)會(huì)對(duì)前面的符號(hào)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致失真此時(shí)的衰落在符號(hào)周期內(nèi)變化很快，稱為快衰落時(shí)間非選擇性信道信道的相干時(shí)間遠(yuǎn)比接收符號(hào)持續(xù)時(shí)間大，接收信號(hào)在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)變換不大，可認(rèn)為不受多普勒頻移影響，是時(shí)間平坦的。信道沖激響應(yīng)的變化比要傳送信號(hào)的碼元周期低得多，稱為慢衰落多徑信道的分類(lèi)平坦信道頻率和時(shí)間均是平坦的頻率平坦信道只有頻率是平坦的時(shí)間平坦信道只有時(shí)間是平坦的非平坦信道頻率和時(shí)間均不是平坦的例9.2多徑衰落信道散射函數(shù)S(τ,t)在-0.2Hz

τ

0.2Hz的取值范圍內(nèi)是非零的。假設(shè)散射函數(shù)按這個(gè)變量近似是均勻的。請(qǐng)計(jì)算信道的多徑擴(kuò)展與相干帶寬，并判斷信道是否具有頻率選擇性?！窘狻坑缮⑸浜瘮?shù)的定義可知，信道的多徑擴(kuò)展相干帶寬當(dāng)發(fā)射信號(hào)的帶寬大于500Hz時(shí)，該多徑信道具有頻率選擇性。例9.3多徑衰落信道散射函數(shù)S(τ,t)在-0.2Hz

λ

0.2Hz的取值范圍內(nèi)是非零的。假設(shè)散射函數(shù)按這個(gè)變量近似是均勻的。請(qǐng)計(jì)算信道的多普勒擴(kuò)展與相干時(shí)間?！窘狻坑缮⑸浜瘮?shù)的定義可知，信道的多普勒擴(kuò)展相干時(shí)間9.3.3多徑信道的數(shù)字表征9.3.3多徑信道的數(shù)字表征路徑信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳播路徑。無(wú)線信道通常由多條路徑構(gòu)成，包括一條可能的LOS徑以及多條經(jīng)過(guò)一次或者多次散射形成的NLOS路徑。路徑并不反映物理上的單個(gè)反射路徑，而是由許多在時(shí)延或者角度上無(wú)法分辨的子路徑構(gòu)成。散射體集簇散射體集簇描述了同時(shí)發(fā)生許多散射現(xiàn)象的區(qū)域，例如樹(shù)木的葉子或者粗糙的建筑物墻壁。信號(hào)在該集簇中的散射體的反射會(huì)造成多個(gè)在時(shí)延以及角度上無(wú)法分辨的子路徑。子路徑子路徑是信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的精確的物理路徑，它經(jīng)由一次或者多次的反射形成。9.3.3多徑信道的數(shù)字表征多徑信道的數(shù)字表征N(t)：多徑分量的個(gè)數(shù)S(t)：構(gòu)成第n條路徑的子路徑的個(gè)數(shù)an,s(t)，τn,s(t)，θn,s(t)：分別為第s條子路徑的增益、時(shí)延、與接收機(jī)移動(dòng)方向的夾角：多普勒相移

：多普勒頻移9.3.3多徑信道的數(shù)字表征多徑信道的數(shù)字表征每條多徑的子路徑在空間上的角度是不可分辨的每條子路徑的多普勒頻移也是不可分辨的子路徑在時(shí)延上也是不可分辨第n條路徑增益9.3.3多徑信道的數(shù)字表征多徑信道的數(shù)字表征單條多徑的增益是多條子路徑的增益疊加得到的每條子路徑的幅度假設(shè)近似相同，而路徑的相位是隨機(jī)均勻分布的。對(duì)于NLOS多徑分量，路徑增益的實(shí)部和虛部可以建模為零均值的正態(tài)分布，因此，NLOS徑的幅值服從瑞利分布對(duì)于存在LOS分量傳播路徑，路徑增益的實(shí)部和虛部可以建模為非零均值的正態(tài)分布，此時(shí)LOS徑的幅值服從萊斯分布。9.4鏈路預(yù)算9.4鏈路預(yù)算鏈路預(yù)算依據(jù)傳播模型對(duì)無(wú)線鏈路中信號(hào)的全部損耗和增益進(jìn)行核算獲得一定通信質(zhì)量下鏈路所允許的最大傳播損耗根據(jù)信噪比要求估算出系統(tǒng)需要的發(fā)射功率和接收功率評(píng)估系統(tǒng)的覆蓋能力，估算信號(hào)從發(fā)射端傳送到接收端的最遠(yuǎn)距離Friis自由空間公式不考慮噪聲影響時(shí)，自由空間傳播下的接收功率和發(fā)射功率之間的關(guān)系主要應(yīng)用于基于視距傳輸?shù)臒o(wú)線電通信系統(tǒng)，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)噪聲分析噪聲系數(shù)或等效噪聲溫度9.4.1噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度噪聲系數(shù)F單位帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率(設(shè)備和信號(hào)源產(chǎn)生)與僅由信源引起的輸入噪聲功率的比值表示以輸入端為參考點(diǎn)時(shí)，設(shè)備輸出端所增加的噪聲當(dāng)設(shè)備噪聲功率較低時(shí)，F(xiàn)總是接近于1，很難進(jìn)行比較等效噪聲溫度Te噪聲功率等效為溫度為T(mén)e的設(shè)備輸入噪聲9.4.1噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度等效噪聲溫度Te輸入設(shè)備的噪聲功率雙端設(shè)備的噪聲功率總輸出噪聲功率G：設(shè)備的功率增益k：玻爾茲曼常數(shù)

f：設(shè)備工作帶寬T：通常取室溫T=290K9.4.1噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度噪聲系數(shù)等效噪聲溫度設(shè)備的等效噪聲溫度不一定是它的物理溫度，而是這個(gè)設(shè)備產(chǎn)生噪聲功率的一種度量9.4.1噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度噪聲設(shè)備的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)等效噪聲溫度例9.4一個(gè)典型的地面終端接收機(jī)由一個(gè)低噪聲射頻放大器，下變頻器、中頻放大器構(gòu)成。這些組成部分以及接收天線的等價(jià)噪聲溫度為兩個(gè)放大器的有效功率增益分別為

試計(jì)算接收機(jī)的等效噪聲溫度例9.4【解】接收機(jī)的等效噪聲溫度為9.4.2鏈路預(yù)算鏈路預(yù)算計(jì)算接收載波功率與噪聲功率譜密度之比Friis自由空間公式9.4.2鏈路預(yù)算接收載波功率和噪聲功率譜密度之比（dB

Hz）發(fā)射記得等效全向輻射功率（dBW）自由空間路徑損耗（dB）接收天線增益于等效噪聲溫度之比（dB/K）玻爾茲曼常數(shù)的dB表示（-228.6dBW/(Hz

K))衛(wèi)星通信系統(tǒng)微波視距無(wú)線傳輸9.4.2鏈路預(yù)算鏈路預(yù)算余量M考慮傳輸損耗和噪聲M以dB表示M：鏈路預(yù)算余量鏈路預(yù)算余量越大，通信鏈路的可靠性越高例9.5考慮SpaceX—“Starlink”衛(wèi)星系統(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)單下行鏈路預(yù)算。Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星在不同的軌道高度上運(yùn)行。地球半徑為6400km，衛(wèi)星運(yùn)行的軌道高度為h=328km，地面用戶位于衛(wèi)星服務(wù)邊緣，用戶處仰角θ

=

25o，如圖9.13所示。Starlink衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路的增益和損耗值如表9.1所示，系統(tǒng)參數(shù)為：衛(wèi)星側(cè)的有效全向輻射功率EIRP=21.8dBW；地面接收終端使用功率增益G=32.6dB的天線，接收機(jī)的等效噪聲溫度Te=362.5K。試確定若下行鏈路工作在18.5G的Ku頻帶，計(jì)算其自由空間損耗預(yù)測(cè)地面接收到的載波功率和噪聲功率譜密度之比C/N0如選用的下行鏈路容限為6dB，信號(hào)調(diào)制為16APSK，試計(jì)算Pe＝10-7的符號(hào)差錯(cuò)概率下所允許的傳輸數(shù)據(jù)例9.5【解】1)下行鏈路的自由空間損耗為由圖9.13，可以估算出例9.52)地面接收到的載波功率和噪聲功率譜密度之比3)地面接收到C/N0應(yīng)為R為比特率例9.5衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)采用16APSK調(diào)制方式，則對(duì)應(yīng)符號(hào)差錯(cuò)概率10-7時(shí)系統(tǒng)所需9.5分集技術(shù)分集利用多個(gè)獨(dú)立衰落信道傳輸相同的信號(hào)如果某個(gè)衰落信道信噪比低于門(mén)限的概率為P，L個(gè)獨(dú)立衰落信道信噪比同時(shí)低于門(mén)限的概率為PL<<P

L個(gè)接收信號(hào)同時(shí)衰落的概率大幅度減小，提高了傳輸?shù)目煽啃?/p>

9.5.1分集的實(shí)現(xiàn)和方法分集的實(shí)現(xiàn)分集傳輸使接收機(jī)能夠獲得多個(gè)攜帶同一信息的，統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)分集合并接收信號(hào)的集中處理，主要是將接收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立衰落信號(hào)以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行合并，以降低衰落的影響分集方法空間分集頻率分集時(shí)間分集分集方法空間分集(SD)也稱天線分集，主要利用空間進(jìn)行分集由多個(gè)發(fā)射或接收天線實(shí)現(xiàn)，天線之間應(yīng)間隔足夠大，確保各接收天線的衰落特性是相互獨(dú)立的對(duì)于二維各向同性散射和各向同性天線單元，天線相距“半個(gè)波長(zhǎng)”即可。如蜂窩系統(tǒng)中的移動(dòng)單元若采用方向性的發(fā)射或接收天線，一般要求“10個(gè)波長(zhǎng)”以上，如蜂窩系統(tǒng)中的基站分集方法頻率分集（FD）使用多個(gè)不同頻率的載波承載相同的信息相鄰載波間隔需要大于或等于相干帶寬以保證相互獨(dú)立優(yōu)點(diǎn)：接收端可減少接收天線的數(shù)量、缺點(diǎn)：占用了更多的頻譜資源跳頻擴(kuò)頻技術(shù)本質(zhì)上就是一種頻率分集利用多跳頻率來(lái)獲得相互獨(dú)立的衰落樣本分集方法時(shí)間分集（TD）信號(hào)按一定時(shí)間間隔重復(fù)傳輸Ｌ次只要時(shí)間間隔大于相干時(shí)間，就得到Ｌ條獨(dú)立的衰落分量由于相干時(shí)間與接收機(jī)的移動(dòng)速度成反比，當(dāng)接收機(jī)靜止時(shí)，時(shí)間分集基本上不起作用優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間分集減少了接收天線以及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)：占用了時(shí)隙資源，增大了開(kāi)銷(xiāo)，降低了傳輸效率糾錯(cuò)編碼和重發(fā)本質(zhì)上都是時(shí)間分集方式接收分集分集合并最大比值合并（MRC）每個(gè)分集支路有一個(gè)自適應(yīng)的可變?cè)鲆娣糯笃?，用以調(diào)整各個(gè)分集支路的增益，要求全部的分集支路在合并時(shí)同相，加權(quán)依據(jù)最大似然準(zhǔn)則確定，按各支路的信噪比來(lái)分配，信噪比大的支路權(quán)重大等增益合并（EGC）合并所有分集支路，但對(duì)各支路不做加權(quán)，降低了實(shí)現(xiàn)難度等增益合并可靈活運(yùn)用于相干、差分相干和非相干檢測(cè)方式性能比最大比值合并性能差，但比選擇合并性能好選擇合并（SC）合并原則是選擇具有最大輸出信噪比的分支合并輸出選擇合并也適用于相干、差分相干和非相干檢測(cè)方式?9.5.2瑞利衰落信道上的二進(jìn)制信號(hào)瑞利衰落信道上的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸（BPSK）接收信號(hào)復(fù)包絡(luò)發(fā)送信號(hào)復(fù)包絡(luò)瑞利分布AWGNEb/N0的衰減因子AWGN引起的BPSK平均符號(hào)差錯(cuò)概率9.5.2瑞利衰落信道上的二進(jìn)制信號(hào)AWGN+衰落的誤比特率服從瑞利分布，

具有

2分布瑞利衰落信道，相干BPSK誤比特率9.5.2瑞利衰落信道上的二進(jìn)制信號(hào)9.5.2瑞利衰落信道上的二進(jìn)制信號(hào)瑞利分布造成數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)噪聲性能的嚴(yán)重下降提高誤碼率性能增加發(fā)送功率增加天線尺寸調(diào)制和解調(diào)技術(shù)分集技術(shù)9.5.2空間分集空間分集接收分集將多個(gè)接收天線上的獨(dú)立衰落信號(hào)合并為一路，獲得分集增益加權(quán)系數(shù)保證各支路同相合并第i路衰減因子加權(quán)系數(shù)合并輸出包絡(luò)合并輸出總噪聲功率譜密度9.5.2空間分集接收分集最大比合并選擇合適的ai，使

最大最大比值合并輸出的信噪比即各支路信噪比的和合并輸出的平均信噪比以及相移的陣列增益隨分集支路數(shù)L的增加而線性增加在高信噪比時(shí)，最大比值合并達(dá)到了滿分集階數(shù)合并輸出信噪比9.5.2空間分集采用分集技術(shù)后的誤比特率9.5.2空間分集采用分集技術(shù)后的誤比特率從（2L-1）個(gè)不同元素中取出L個(gè)元素的所有組合的個(gè)數(shù)各信道平均信噪比9.5.2空間分集空間分集發(fā)射分集Alamouti編碼方案：兩根發(fā)射天線，一根接收天線，發(fā)射機(jī)不知道信道信息設(shè)發(fā)送符號(hào)為

s1，s2，每個(gè)符號(hào)能量為Es/2天線i的復(fù)信道增益

天線1天線2第一個(gè)符號(hào)周期發(fā)送s1s2第二個(gè)符號(hào)周期發(fā)送-s2*s1*發(fā)射分集Alamouti編碼方案第一個(gè)符號(hào)周期接收信號(hào)第二個(gè)符號(hào)周期接收信號(hào)發(fā)射分集Alamouti編碼方案對(duì)應(yīng)于一個(gè)符號(hào)的發(fā)送對(duì)應(yīng)zi的接收信噪比盡管發(fā)射端不知道信道信息，Alamouti方案的分集階數(shù)仍可達(dá)到29.6MIMO技術(shù)9.6MIMO技術(shù)MIMO傳輸技術(shù)空分復(fù)用傳輸技術(shù)將高速數(shù)據(jù)流分割成若干低速數(shù)據(jù)流后送至多天線進(jìn)行傳輸獲得空間復(fù)用增益，顯著提高頻譜效率、傳輸速率要求收發(fā)端均配置為多天線，并行傳輸數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)通常不大于收發(fā)天線數(shù)的最小值空間分集傳輸技術(shù)對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)流實(shí)施空時(shí)編碼(STC)或其他分集處理后送至多天線進(jìn)行傳輸獲得空間分集增益，顯著提高傳輸?shù)目煽啃灶A(yù)編碼傳輸技術(shù)對(duì)單個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)編碼后送至多天線進(jìn)行傳輸獲取功率增益，提高功率效率，降低共信道干擾9.6MIMO技術(shù)MIMO信道模型接收信號(hào)噪聲矢量信道矩陣9.6MIMO技術(shù)

Tr(

)：矩陣的跡det(

)：矩陣的行列式INR：NR

NR單位矩陣9.6MIMO技術(shù)MIMO信號(hào)檢測(cè)接收端已知信道矩陣H

復(fù)雜度高復(fù)雜度較低

9.6MIMO技術(shù)多用戶MIMO預(yù)編碼傳輸模型工作原理用信道狀態(tài)信息對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，從而消除用戶間干擾。接收信號(hào)矢量噪聲矢量預(yù)編碼矩陣信道矩陣9.6MIMO技術(shù)預(yù)編碼技術(shù)非線性預(yù)編碼臟紙編碼（DirtyPaperCoding,DPC）矢量擾動(dòng)（VectorPerturbation,VP）預(yù)編碼Tomlinson-Harashima預(yù)編碼等和線性預(yù)編碼匹配濾波（MatchFilter,MF）預(yù)編碼迫零（ZeroForcing,ZF）預(yù)編碼正則化迫零（RegularizedZeroForcing,RZF）預(yù)編碼等系統(tǒng)中用戶數(shù)量或者天線數(shù)量較少時(shí)，非線性預(yù)編碼性能更好，但是計(jì)算復(fù)雜度很高線性預(yù)編碼的算法計(jì)算復(fù)雜度就很低9.6MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO大規(guī)模陣列天線替代多天線，大幅提高空間分辨率大幅提升系統(tǒng)的頻譜效率基站將各用戶信號(hào)集中到各自的方向上進(jìn)行發(fā)送，使得不同用戶可以通過(guò)空間復(fù)用方式重復(fù)使用相同的時(shí)頻資源，從而大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。收發(fā)信號(hào)處理簡(jiǎn)單隨著基站側(cè)天線數(shù)增加，不同用戶終端的信道響應(yīng)矢量漸近正交，使得只需要進(jìn)行單用戶波束成形預(yù)編碼以及匹配濾波接收就可消除用戶間干擾，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度很低。數(shù)據(jù)傳輸高可靠性大規(guī)模MIMO系統(tǒng)利用大數(shù)定律以及波束成形可以避免用戶信道深衰落，從而建立高可靠性的傳輸鏈路。例如：4G基站通常4或8根天線，5Ｇ基站可配置64根天線9.7正交頻分復(fù)用9.7正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用（OFDM）提高頻譜利用率有效消除符號(hào)間干擾9.7.1OFDM基本原理

9.7.1OFDM基本原理子載波之間的彼此正交解調(diào)第k路子載波9.7.1OFDM基本原理9.7.2OFDM的FFT實(shí)現(xiàn)OFDM實(shí)現(xiàn)離散傅里葉變換(DFT)離散傅里葉反變換(IDFT)9.7.2OFDM的FFT實(shí)現(xiàn)OFDM實(shí)際實(shí)現(xiàn)快速傅里葉反變換(IFFT)快速傅里葉變換(FFT)降低運(yùn)算的復(fù)雜度N點(diǎn)離散傅里葉反變換，復(fù)數(shù)乘法為N2次基2快速傅里葉反變換算法，復(fù)數(shù)乘法次數(shù)僅為(N/2)log2N如果子載波數(shù)量非常大，可以進(jìn)一步采用基4快速傅里葉反變換算法9.7.2OFDM的FFT實(shí)現(xiàn)OFDM實(shí)際實(shí)現(xiàn)添加循環(huán)前綴，提高抗多徑傳輸?shù)哪芰υ谙噜彽腛FDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，保護(hù)間隔長(zhǎng)度Tg要大于無(wú)線信道中的最大時(shí)延擴(kuò)展τmax，使前一個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)延分量不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾可以將OFDM符號(hào)的最后Tg時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，復(fù)制到正交頻分復(fù)用符號(hào)前端的保護(hù)間隔內(nèi)，形成前綴。這部分?jǐn)?shù)據(jù)稱為循環(huán)前綴（CyclicPrefix,CP）一個(gè)OFDM符號(hào)的總長(zhǎng)度變?yōu)門(mén)=

Tg

+TFFT，若Tg

大于最大多徑時(shí)延擴(kuò)展，前一個(gè)符號(hào)的干擾只會(huì)存在于[0,τmax]，相鄰正交頻分復(fù)用符號(hào)之間則可以完全克服符號(hào)間干擾的影響9.8.2OFDM的FFT實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制OFDM解調(diào)5.7.35G中的OFDM技術(shù)5GNROFDM標(biāo)準(zhǔn)

f和CP參數(shù)5.7.35G中的OFDM技術(shù)5GNROFDM標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)上下行幀長(zhǎng)每幀分10個(gè)子幀，編號(hào)為0~9，每子幀長(zhǎng)5.7.35G中的OFDM技術(shù)5GNR幀結(jié)構(gòu)每一幀被劃分成兩個(gè)大小相等的半幀，0號(hào)半幀由0-4號(hào)子幀組成，1號(hào)半幀由5-9號(hào)子幀組成每個(gè)子幀包含連續(xù)OFDM符號(hào)數(shù)一個(gè)子幀中的時(shí)隙數(shù)每時(shí)隙中符號(hào)數(shù)一個(gè)子幀中的符號(hào)數(shù)5.7.35G中的OFDM技術(shù)5GNR幀結(jié)構(gòu)每幀的時(shí)隙數(shù)5.7.35G中的OFDM技術(shù)5GNR時(shí)頻資源的柵格圖資源塊（RB）資源粒子（EI）每個(gè)資源粒子在時(shí)域中占用一個(gè)正交頻分復(fù)用符號(hào)長(zhǎng)度，在頻域中占用一個(gè)子載波一個(gè)資源塊中的子載波數(shù)資源塊的個(gè)數(shù)系統(tǒng)支持的最小帶寬4.302MHz最大帶寬49.5MHz9.8多址技術(shù)9.8多址技術(shù)多址接入技術(shù)解決多用戶接入并共享系統(tǒng)資源傳統(tǒng)多址技術(shù)頻分多址（FDMA）時(shí)分多址（TDMA）碼分多址（CDMA）空分多址（SDMA）新型多址技術(shù)正交頻分多址（OFDMA）非正交多址（NOMA）9.8多址技術(shù)頻分多址利用傳輸信號(hào)載波頻率的不同來(lái)建立多址方式FDMA把無(wú)線頻譜按頻率分隔成多個(gè)互不重疊的正交信道，每個(gè)用戶占用一個(gè)信道為了減少相鄰信道之間的干擾，常需要在信道之間設(shè)置保護(hù)頻帶頻分雙工（FDD）：將整個(gè)系統(tǒng)的工作頻帶劃分為發(fā)射和接收兩個(gè)頻帶區(qū)實(shí)現(xiàn)雙向通信FDD收發(fā)頻帶區(qū)之間也需設(shè)置保護(hù)頻帶9.8多址技術(shù)時(shí)分多址TDMA傳輸信號(hào)的時(shí)間不同來(lái)建立多址方式把無(wú)線頻譜按時(shí)間分割成若干相同間隔的周期性時(shí)隙，系統(tǒng)按優(yōu)先權(quán)分配給每個(gè)用戶一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙,以適應(yīng)不同帶寬的需求時(shí)分雙工(TDD)：每個(gè)用戶的發(fā)射和接收需要使用不同的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)雙向通信TDMA系統(tǒng)需要較高的同步開(kāi)銷(xiāo)9.8多址技術(shù)碼分多址CDMA將擴(kuò)頻碼作為地址碼來(lái)建立多址方式。擴(kuò)頻碼為偽隨機(jī)碼序列，分正交碼和非正交碼兩種用戶所發(fā)射的載波既受基帶數(shù)字信號(hào)調(diào)制，又受地址碼調(diào)制碼分雙工（CDD）：用戶的發(fā)射和接收需要使用不同的碼實(shí)現(xiàn)雙向通信9.8多址技術(shù)碼分多址CDMA多址干擾所有用戶可以使用同一載波、占用相同的帶寬、同時(shí)發(fā)送或接收信號(hào)，由于多個(gè)用戶的信號(hào)在時(shí)域和頻域上是混疊的，因此在頻域上會(huì)產(chǎn)生一定的同頻和鄰頻干擾干擾受限CDMA是干擾受限的，其容量限制是軟的增加CDMA的用戶數(shù)，只是增加干擾背景，不會(huì)導(dǎo)致用戶無(wú)法接入，但隨著用戶數(shù)的增加，所有用戶的通信質(zhì)量都會(huì)下降遠(yuǎn)近效