22移動(dòng)信道的衰落特性

1、§2-2 移動(dòng)信道的衰落特性n 大尺度傳播特性：描述的是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間長距離上的場強(qiáng)變化n 路徑傳播損耗：它反映了傳播在宏觀大范圍(幾百米或幾千米)的空間距離上的接收信號(hào)電平平均值的變化趨勢(shì)。n 由于陰影效應(yīng)和氣象條件變化造成的接收?qǐng)鰪?qiáng)中值的緩慢變化，這種損耗是中等范圍內(nèi)（數(shù)十至數(shù)百個(gè)波長范圍）接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗。一般認(rèn)為慢衰落與工作頻率無關(guān)，僅取決于移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度，衰落深度取決于障礙物的狀態(tài)；且衰落后信號(hào)的幅度服從于對(duì)數(shù)正態(tài)分布。移動(dòng)用戶和基站之間的距離為r時(shí)，傳播路徑損耗和陰影衰落用dB可以表示為：10lgl(r,)=10nlgr+n 小尺度傳播特性：描述短距離

2、(幾個(gè)波長)或短時(shí)間(秒級(jí))內(nèi)的接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)情況。n 快衰落損耗：由于多徑傳播而產(chǎn)生的損耗。它反映微小范圍（幾個(gè)至數(shù)十個(gè)波長范圍）接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗。一、快衰落/多徑衰落/瑞利衰落：多徑傳播是陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特征。多普勒頻移 n 成因：路程差造成的接收信號(hào)相位變化值，進(jìn)而產(chǎn)生多普勒頻移。n 后果：信號(hào)經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)信號(hào)的多普勒擴(kuò)展，進(jìn)而增加信號(hào)帶寬。n 計(jì)算：由路程差造成的接收信號(hào)相位變化值為：由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移fd為： 移動(dòng)環(huán)境：n 基站高、移動(dòng)臺(tái)低?；咎炀€通常高30 m，可達(dá)90 m；移動(dòng)臺(tái)天線通常為23 m以下。n 移動(dòng)臺(tái)周

3、圍的區(qū)域稱為近端區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的物體造成的反射是造成多徑效應(yīng)的主要原因。n 離移動(dòng)臺(tái)較遠(yuǎn)的區(qū)域稱為遠(yuǎn)端區(qū)域，在遠(yuǎn)端區(qū)域，只有高層建筑、較高的山峰等的反射才能對(duì)該移動(dòng)臺(tái)構(gòu)成多徑。二、多經(jīng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性1） 瑞利Rayleigh衰落：在多徑傳播信道中，若N條路經(jīng)彼此相互獨(dú)立且沒有一個(gè)信道的信號(hào)占支配地位，或者沒有直射波信號(hào)，僅有很多的反射波，則接收信號(hào)的包絡(luò)將服從瑞利分布。2） 萊斯Ricean衰落：在多徑傳播信道中，若接收信號(hào)中有一個(gè)信道的信號(hào)占支配地位（常常是直射波），則其包絡(luò)將服從萊斯分布。3） Nakagami-m分布：在20世紀(jì)60年代，Nakagami通過基于現(xiàn)場測(cè)試的實(shí)驗(yàn)方法，用曲線

4、擬合得到近似分布的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于無線信道的描述有很好的適應(yīng)性。n 瑞利分布假設(shè)條件 n 在發(fā)信機(jī)與收信機(jī)之間沒有直射波通路；n 有大量反射波存在，且到達(dá)接收天線的方向角是隨機(jī)的，相位也是隨機(jī)的，且在02內(nèi)均勻分布：n 各個(gè)反射波的幅度和相位都是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。n 離基站較遠(yuǎn)，反射物較多若N個(gè)信號(hào)的幅值和到達(dá)接收天線的方位角是隨機(jī)的且滿足統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，則接收信號(hào)為：=式中，為經(jīng)反射(或散射)到達(dá)接收天線的第i個(gè)信號(hào)，其振幅為i, 相移為i。 i為Si(t)與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角, 其多普勒頻移值為：。為載波角頻率，0為載波初相。當(dāng)N很大，由中心極限定理可知，接收信號(hào)的同相分量和正交分量均服從高斯分布

5、，其包絡(luò)服從瑞利分布：，式中，為信號(hào)的平均功率，（為包絡(luò)檢波前接收信號(hào)的均方根值）為信號(hào)的幅度值。   不超過某特定值R的接收信號(hào)包絡(luò)的概率。-（2.7）進(jìn)一步分析可得：(一階矩)均值：- - (2.8)(二階矩)均方值(信號(hào)包絡(luò)的功率)： - (2.9)方差(信號(hào)包絡(luò)的交流功率)：- (2.10)圖2 4 瑞利分布的概率密度i. 當(dāng)r=時(shí)，p(r)為最大值，表示r在值出現(xiàn)的可能性最大：ii. 當(dāng)時(shí)，p(r)=0.5，因此1.177為信號(hào)包絡(luò)樣本的中值，記作rmid。n 萊斯分布（Rician）當(dāng)接收信號(hào)中有視距（LOS）傳播的直達(dá)波時(shí)，視距信號(hào)成為主接收信號(hào)分量

6、，而從不同角度隨機(jī)到達(dá)的多徑分量疊加在此主信號(hào)上，此時(shí)的接收信號(hào)就呈現(xiàn)出萊斯分布。，- (2.11)萊斯因子k=，當(dāng)，即主信號(hào)減弱到與其他多徑信號(hào)分量的功率一樣時(shí)，混合信號(hào)的分布有轉(zhuǎn)變?yōu)槿鹄植迹划?dāng)，即主信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，混合信號(hào)的分布接近為高斯分布。二、 慢衰落 慢衰落的衰落速率與頻率無關(guān)，這一點(diǎn)與快衰落不同。慢衰落的衰落速率主要取決于傳播環(huán)境，即移動(dòng)臺(tái)周圍的地形，包括山丘起伏、建筑物的分布與高度、街道走向、基站天線的位置與高度以及移動(dòng)臺(tái)的速度。關(guān)于速度這一因素可從直觀上這樣理解，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)通過許多高層建筑物形成的電磁波陰影區(qū)時(shí)，速度不同,引起的衰落速率就不相同。慢衰落的深度，即接收信號(hào)局部中值電平

7、變化的幅度取決于信號(hào)頻率與障礙物的狀況。頻率較高的信號(hào)比頻率較低的信號(hào)容易穿透建筑物，而頻率較低的信號(hào)比頻率較高的信號(hào)具有較強(qiáng)的繞射能力。 快衰落的中值稱為短區(qū)間中值或局部中值。用一定寬度的平滑窗對(duì)接收信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行平滑處理就得到局部中值的變化曲線。該曲線反映了接收信號(hào)慢衰落的變化。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明，不管是市區(qū)還是郊區(qū)，接收信號(hào)的局部均值rm都近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,其概率密度函數(shù)為 可見：標(biāo)準(zhǔn)偏差：郊區(qū)比市區(qū)大，頻率越高值越大。四、衰落信號(hào)幅度的特征量工程實(shí)用中，常常用一些特征量表示衰落信號(hào)的幅度特點(diǎn)1） 場強(qiáng)中值：具有50%概率的場強(qiáng)值場強(qiáng)值高于規(guī)定電平值的持續(xù)時(shí)間占統(tǒng)計(jì)時(shí)間的一半時(shí)，

8、則規(guī)定的那個(gè)電平值即為場強(qiáng)中值。在T時(shí)間內(nèi)場強(qiáng)超過E0電平值的概率為：當(dāng)時(shí)，E0為場強(qiáng)中值；當(dāng)時(shí)，E0為超過80%場強(qiáng)值。2） 衰落率N：單位時(shí)間內(nèi)的場強(qiáng)包絡(luò)與場強(qiáng)中值相交次數(shù)的一半N=1.85(MHz) -（2.12）衰落率與發(fā)射頻率、移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)速度、方向及多徑傳播的路徑數(shù)有關(guān)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的行進(jìn)方向朝著或背著電波傳播方向時(shí)，衰落最快。對(duì)于900MHz移動(dòng)用戶，當(dāng)其以60Km/h的速度在傳播方向上行駛時(shí)，其平均衰落率：N=1.85*10*60*900=100Hz。電平通過率（Level Crossing Rate，LCR）：單位時(shí)間內(nèi)的場強(qiáng)包絡(luò)與給定電平相交次數(shù)的一半。在數(shù)學(xué)上可表示 -（2.1

9、3）其中，3） 衰落深度：接收電平與場強(qiáng)中值之差。衰落深度一般情況，衰落深度與衰落率有關(guān)。即深度衰落發(fā)生次數(shù)較少，淺度衰落發(fā)生頻繁。衰減20dB概率為1%，衰減30dB和40dB的概率分別為0.1%和0.01%4） 平均衰落持續(xù)時(shí)間：場強(qiáng)低于某一給定電平值的平均持續(xù)時(shí)間。在移動(dòng)通信中，當(dāng)接收機(jī)電平低于接收機(jī)門限電平時(shí)，就可能造成話音中斷或產(chǎn)生信令誤碼，知道了衰落持續(xù)時(shí)間，就可以判斷語音傳輸受影響的程度或者突發(fā)錯(cuò)誤的長度。其定義式為：=-（2.14）瑞利衰落情況下的平均衰落持續(xù)時(shí)間：-（2.15）若設(shè)-（2.16），則有： -（2.17）例1 設(shè)移動(dòng)臺(tái)速度為100m/s，工作頻率為1000MHz