無線信道傳播特性分析總結(jié)

1、無線信道傳播特性分析總結(jié)班級學號姓名隨著科學技術(shù)的發(fā)展，無線通信已經(jīng)滲透到我們生活的各個方面，對我們的生活工作有著巨大的影響。在無線通信系統(tǒng)中，無線通信的信道的特性對整個系統(tǒng)有著巨大的影響。1、無線信道的概念要想搞明白無線信道具有哪些特性，就要先了解什么是無線信道。信道是對無線通信中發(fā)送端和接收端之間的通路的一種形象比喻，對于無線電波而言，它從發(fā)送端傳送到接收端，其間并沒有一個有形的連接，它的傳播路徑也有可能不只一條，但是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋霭l(fā)送端與接收端之間的工作，我們想象兩者之間有一個看不見的道路銜接，把這條銜接通路稱為信道。信道具有一定的頻率帶寬，正如公路有一定的寬度一樣。與其它通信信道相

2、比 , 無線信道是最為復(fù)雜的一種 , 其衰落特性取決于無線電波傳播環(huán)境。不同的環(huán)境 , 其傳播特性也不盡相同。無線信道可能是很簡單的直線傳播 , 也可能會被許多不同的因素所干擾 , 例如 : 信號經(jīng)過建筑物 , 山丘 , 或者樹木所有反射而產(chǎn)生的多徑效應(yīng) , 使信號放大或衰落。在無線信道中 , 信號衰落是經(jīng)常發(fā)生的 , 衰落深度可達 30 ?。對于數(shù)字傳輸來說 , 衰落使比特誤碼率大大增加。這種衰落現(xiàn)象嚴重惡化接收信號的質(zhì)量 , 影響通信可靠性。移動信道與非移動點對點無線信道相比 , 信號傳輸?shù)恼`比特率前者比后者高 106 倍。另外 , 在陸地移動系統(tǒng)中 , 移動臺處于城市建筑群之中或處于地形

3、復(fù)雜的區(qū)域 , 其天線將接收從多條路徑傳來的信號 , 再加移動臺本身的運動 , 使得信號產(chǎn)生多普勒效應(yīng) , 并且信道的特性也隨時間變化而變化 , 增加了信號的不確定性 , 使得移動臺和基站之間的無線信道多變且難以控制。所以 , 與傳統(tǒng)模型相比 , 無線信道多徑數(shù)目增多 , 時延擴展加大 , 衰落加快。2、無線信道的特性信號從發(fā)射天線到接收天線的傳輸過程中，會經(jīng)歷各種復(fù)雜的傳播路徑，包括直射路徑、反射路徑、衍射路徑、散射路徑以及這些路徑的隨機組合。同時，電波在各條路徑的傳播過程中，有用信號會受到各種噪聲的污染，包括加1性噪聲 ( 如高斯白噪聲 ) 、乘性噪聲的污染，因而會出現(xiàn)不同情形的損傷，嚴重

4、時，會使有用信號難以恢復(fù)。無線信號在傳播時，不僅存在自由空間固有的傳輸損耗，還會受到由于建筑物、地形等的阻擋而引起信號功率的衰減，這種衰減還會由于移動臺的運動和信道環(huán)境的改變出現(xiàn)隨機的變化。下面將對無線信道的一些特性來進行分析。2.1 大尺度衰落通常情況下，當接收機和發(fā)射機之間的相對位置在1-lOm 的范圍內(nèi)變化時，接收信號功率的平均值基本保持不變。但當它們的相對位置的改變遠超過上述范圍時，接收信號的平均功率將會有幾個數(shù)量級的變化。大尺度衰落正是用來描述接收機和發(fā)射機之間的距離有大尺度變化時，接收信號平均功率值的變化規(guī)律。在自由空間傳播條件下，接收機接收的平均功率?可由下式給出：?= ?( 4

5、?) ?(2 - 1)其中： ?是發(fā)射功率； ?是發(fā)射天線增益； ?是接收天線增益； ?是電波波?長； ? 是發(fā)射機與接收機之間的距離。將式 (2-1) 代入以 ?為單位的路徑損耗公式。可得出： ?( )? = -10log = 32.45 + 20 log ?+ 20 log ? - ?- ? (2 - 2)?其中： ?為電磁波頻率； ?和?分別為發(fā)射和接收天線增益(dB) 。?由式 (2-1) 可以看出。自由空間中，接收信號的功率與距離的平方成反比，即：1?2(2 -3)在實際的移動環(huán)境中，傳輸損耗要比自由空間中的大許多，接收信號的功率與距離的關(guān)系通常用下式表示：? 1(2- 4)? ?其

6、中： ? 2，稱為路徑損耗系數(shù)，一般可取為3-4 。除了路徑損耗，大尺度衰落還包括陰影衰落。陰影衰落使得實際的損耗成為一個隨機變量，由式 (2-1) 求出的是與發(fā)射機的距離為班的平均路徑損耗，一2般認為實際的損耗服從對數(shù)正態(tài)分布。綜合考慮路徑損耗和陰影衰落，大尺度衰落下路徑損耗可以表示為：?( ?) = 常量 + 10?log ? + ?(2 -5)?其中中： ? 表示由陰影衰落引起的路徑損耗( ?) ，是一個正態(tài)分布的隨?機變量，均值為2，在大多數(shù)的經(jīng)驗公式中，標準差 可以取0，方差為 ?4.12 ?。大尺度衰落對于業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域有一定的影響。2.2 小尺度衰落無線信道的小尺度衰落是無線通信環(huán)

7、境的重要衰落特征，包括因多徑效應(yīng)而引起的衰落和信道時變性引起的衰落。其中。由于反射、散射等影響，使得實際到達接收機的信號是發(fā)射信號經(jīng)過多條傳播路徑后信號分量疊加而成，被稱之為多徑效應(yīng)；信道的時變性是指信道的傳遞函數(shù)是隨時間而變化的，即在不同的時刻發(fā)送相同的信號，在接收端收到的信號是不相同的。多徑時變信道根據(jù)無線移動環(huán)境的統(tǒng)計，信道可以劃分為幾種典型的信道，其劃分依據(jù)主要從兩個角度出發(fā)：(1) 多徑時延擴展特性（信號包絡(luò)的隨機衰落） ；(2) 時變特性 ( 信號相位的隨機衰落 ) 。多徑效應(yīng)會引起信號的時域彌散性，與多徑時延擴展有關(guān)的一個重要概念就是多徑信道的相干帶寬( Coherent Ban

8、dwidth) ?，它反映了不同頻率分量所經(jīng)?歷衰落的相互關(guān)系 ( 即其包絡(luò)的相關(guān)性 ) 。信道的相干帶寬與均方根時延擴展?成反比，如果將相關(guān)函數(shù)大于0.5 認為相關(guān)，一般有下面的關(guān)系：1?5? （2 - 6）相干帶寬反映了無線移動信道對信號包絡(luò)的衰落具有頻率選擇性。小尺度衰落主要對于信號傳輸質(zhì)量有一定的影響。3圖 1大、小尺度衰落對信號平均功率的影響2.3 快衰落和慢衰落根據(jù)時變信道條件下信號的符號周期和時變信道的相關(guān)時間的關(guān)系，可以將時變信道分為快衰落信道和慢衰落信道?？焖ヂ淙魰r變信道的相干時間小于信號的符號周期，這時的時變信道稱為快衰落信道。類似于頻率選擇性衰落，快衰落信道也稱為時間選擇

9、性衰落?？焖ヂ湓颍?）多徑效應(yīng)。1、時延擴展：多徑效應(yīng)（同一信號的不同分量到達的時間不同）引起的接受信號脈沖寬度擴展的現(xiàn)象稱為時延擴展。時延擴展（多徑信號最快和最慢的時間差）小于碼元周期可以避免碼間串擾，超過一個碼元周期（WCDMA中一個碼片）需要用分集接受，均衡算法來接受。2、相關(guān)帶寬：相關(guān)帶寬內(nèi)各頻率分量的衰落時一致的也叫相關(guān)的，不會失真。載波寬度大于相關(guān)帶寬就會引起頻率選擇性衰了使接收信號失真。（2）多普勒效應(yīng)。?頻移 = ?相對速度 / （?光速 / ?電磁波頻率） ×cos?（入射電磁波與移動方向夾角）。多普勒效應(yīng)引起時間選擇性衰落，是由于相對速度的變化引起頻移度也隨之變

10、化。這時即使沒有多徑信號，接收到的同一路信號的載頻范圍隨時4間不斷變化引起時間選擇性衰落。范圍隨時間不斷變化引起時間選擇性衰落。交織編碼可以克服時間選擇性衰落。大范圍衰落主要會導(dǎo)致整體信號的電平衰落。路徑衰減極其依賴于距離。它對設(shè)備的影響是，由于降低了接收的信號功率，從而降低了信噪比（SNR）。陰影效應(yīng)和大范圍反射表現(xiàn)為在這種平均路徑衰減上的偏差。慢衰落由于移動臺的不斷運動，電波傳播路徑地形地貌是不斷變化的，因而局部中值也是不斷變化的這種變化所造成的衰落比多徑效應(yīng)引起的快衰落要慢得多，稱為慢衰落。慢衰落是由大氣折射、大氣湍流、大氣層結(jié)等平均大氣條件的變化而引起的，通常與頻率的關(guān)系不大，而主要與

11、氣象條件、電路長度、地形等因素有關(guān)。慢衰落一般服從對數(shù)正態(tài)分布。慢衰落產(chǎn)生的原因：（1）路徑損耗，這是慢衰落的主要原因。（2）障礙物阻擋電磁波產(chǎn)生的陰影區(qū)，因此慢衰落也被稱為陰影衰落。（3）天氣變化、障礙物和移動臺的相對速度、電磁波的工作頻率等有關(guān)。慢衰落的影響在于會產(chǎn)生陰影效應(yīng)。移動臺在運動中，由于大型建筑物和其他物體對電波的傳輸路徑的阻擋而在傳播接收區(qū)域上形成半盲區(qū)，從而形成電磁場陰影，這種隨移動臺位置的不斷變化而引起的接收點場強中值的起伏變化叫做陰影效應(yīng)。2.4 頻率選擇性衰落和平坦衰落信號通過移動信道時，會引起多徑衰落，根據(jù)衰落與頻率的關(guān)系，可將衰落分成兩類：即頻率選擇性衰落和非頻率選

12、擇性衰落（平坦衰落）假設(shè)信號碼元長度為 ?，第 ?條傳輸路徑的信號時延與信號平均時延之差為?, 則二者的不同組合可產(chǎn)生三種不同的衰落現(xiàn)象。（1）當信號碼元長度 ?較小，且 ? ?時，將引起“平坦衰落”；（2）當信號碼元長度 ?較長，且 ? ?時，將引起“時間選擇性衰落”；（3）當信號碼元長度?比較小，而?比較大，且不滿足? ?，將引起“頻率選擇性衰落”（這是時間擴散在頻域中的反映）。5頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落是指在不同的頻率衰落特性不同的現(xiàn)象，引發(fā)頻率選擇性衰落的原因多是時延擴展，時域的時延擴展導(dǎo)致的不同頻率的信號經(jīng)過頻率選擇性衰落信道的時候具有不同的響應(yīng)，如圖2 所示。圖 2頻率選擇性衰

13、落產(chǎn)生頻率選擇性衰落的因素：由信號和信道兩方面因素決定。對頻率選擇性衰落，傳輸信道對信號中不同頻率成分有不同的隨機響應(yīng)。由于信號中不同頻率分量衰落不一致，所以衰落信號波形將產(chǎn)生失真。對于非頻率選擇性衰落，各頻率分量所遭受的衰落具有一致性（即相關(guān)性），因而衰落信號的波形不失真。平坦衰落若多徑信道的相干帶寬大于信號的帶寬，這時，由于多徑信號的時域彌散性而造成的衰落為平坦衰落。在這種條件下。發(fā)射信號的頻譜特性通過多徑信道后，在接收端信號的頻譜仍然可以得到保持。下圖是衰落信道類型和信號、信道參數(shù)的關(guān)系6圖 3衰落信道類型和信號、信道參數(shù)的關(guān)系2.5 相干時間和相干帶寬相干帶寬是描述時延擴展的：相干帶寬

14、是表征多徑信道特性的一個重要參數(shù)，它是指某一特定的頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)的任意兩個頻率分量都具有很強的幅度相關(guān)性，即在相干帶寬范圍內(nèi)，多徑信道具有恒定的增益和線性相位。通常，相干帶寬近似等于最大多徑時延的倒數(shù)。從頻域看，如果相干帶寬小于發(fā)送信道的帶寬，則該信道特性會導(dǎo)致接收信號波形產(chǎn)生頻率選擇性衰落，即某些頻率成分信號的幅值可以增強，而另外一些頻率成分信號的幅值會被削弱。而相干時間是描述多譜勒擴展的：相干時間在時域描述信道的頻率色散的時變特性。相干時間與多普勒擴展成反比，是信道沖激響應(yīng)維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值。如果基帶信號的符號周期大于信道的相干時間，則在基帶信號的傳輸過程中信道可能會

15、發(fā)生改變，導(dǎo)致接收信號發(fā)生失真，產(chǎn)生時間選擇性衰落，也稱快衰落； 如果基帶信號的符號周期小于信道的相干時間，則在基帶信號的傳輸過程中信道不會發(fā)生改變，也不會產(chǎn)生時間選擇性衰落，也稱慢衰落。定義相干帶寬一般是用來劃分平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道的量化參數(shù)。如果信道的最大多徑時延擴展為?，那么信道的相干帶寬 ?= 1/?；若發(fā)射信號的射頻帶寬 ?，那么認為接收信號經(jīng)歷的是頻率選擇 性衰落，此時除了接收信號的包絡(luò)起伏變化，一般還存在碼間串擾，其信號模型為?(?)= ?(?- ?0)?(?-?0)+ ?(?-?1)?(-?1)+?(?).，其中 ?0、?1、. 等為可分辨多徑的時延，每個?(?-

16、?)一般為瑞利分布的隨機變量。7定義相干時間一般是用來劃分時間非選擇性衰落信道和時間選擇性衰落信道，或叫慢衰落信道和快衰落信道的量化參數(shù)。如果信道的最大多普勒頻移為fm，那么信道的相干時間 ?= 0.423/?。若發(fā)射信號的符號周期?，那么認?為接收信號經(jīng)歷的是快衰落，即?(?)的變化速度快與符號速率，此時如果對信道進行比較精確的估計或是均衡都是十分困難的。相干時間和相干帶寬都是描述信道特性的參數(shù)，當兩個發(fā)射信號的頻率間隔小于信道的相干帶寬，那么這兩個經(jīng)過信道后的，受到的信道傳輸函數(shù)是相似的，由于通常的發(fā)射信號不是單一頻率的，即一路信號也是占有一定帶寬的，如果，這路信號的帶寬小于相干帶寬，那么它整個信號受到信道的傳輸函數(shù)是相似的，即信道對信號而言是平坦特性的，非頻率選擇性衰落的。同樣在相干時間內(nèi)，兩路信號受到的傳輸函數(shù)也是相似的特性，通常發(fā)射的一路信號由于多徑效應(yīng)，有多路到達接收機，若這幾路信號的時間間隔在相干時間之內(nèi)，那么他們具有很強的相關(guān)性，接收機都可以認為是有用信號，若大于相干時間，則接收機無法識別，只能認為是干擾信號。3、總結(jié)通過以上的信道特性分析可見，由于無線信號傳播環(huán)境本身十分復(fù)雜。這使得無線信道特性也十分復(fù)雜。復(fù)雜、惡劣的傳播條件是無