移動(dòng)通信無線傳播與信道演示文稿

移動(dòng)通信無線傳播與信道演示文稿2-1現(xiàn)在是1頁\一共有61頁\編輯于星期二（優(yōu)選）移動(dòng)通信無線傳播與信道現(xiàn)在是2頁\一共有61頁\編輯于星期二3-32.2移動(dòng)通信信道的多徑傳播特性一、移動(dòng)通信信道中的電波傳播特性移動(dòng)信道是一種時(shí)變信道

信號(hào)傳播過程中受到來自不同類型的損耗

傳播損耗陰影衰落多徑衰落：移動(dòng)臺(tái)與基站的距離大尺度衰落小尺度衰落現(xiàn)在是3頁\一共有61頁\編輯于星期二一、移動(dòng)通信信道的傳播特性3-41、傳播損耗(路徑損耗）長(zhǎng)程范圍內(nèi)的信號(hào)電平變化（幾千米量級(jí)）電波傳播引起的平均接收功率衰減取決于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離

自由空間時(shí)，n=2，一般情況下n=3～5現(xiàn)在是4頁\一共有61頁\編輯于星期二3-5一、移動(dòng)通信信道的傳播特性2、陰影衰落——陽光不能普照由大型障礙物的遮擋引起，包括傳播環(huán)境中的地形起伏、人造建筑物等短程范圍內(nèi)的信號(hào)電平變化（數(shù)百波長(zhǎng)量級(jí)）現(xiàn)在是5頁\一共有61頁\編輯于星期二3-6一、移動(dòng)通信信道的傳播特性3、小尺度衰落——余音繞梁＋跑得太快主要由多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)引起數(shù)十波長(zhǎng)量級(jí)內(nèi)的信號(hào)電平變化接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值快速變化，在幾個(gè)波長(zhǎng)間距內(nèi)的變化幅度可達(dá)30dB現(xiàn)在是6頁\一共有61頁\編輯于星期二一、移動(dòng)通信信道的傳播特性圖2-6陸地移動(dòng)通信信道中的電波傳播特性現(xiàn)在是7頁\一共有61頁\編輯于星期二3-8二、移動(dòng)通信信道的二種傳播模型大尺度路徑損耗傳播模型描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長(zhǎng)距離上平均場(chǎng)強(qiáng)的變化，用于預(yù)測(cè)平均場(chǎng)強(qiáng)并估計(jì)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(dòng)臺(tái)在極小范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，短距離（幾個(gè)波長(zhǎng)）或短時(shí)間（秒級(jí)）上接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速變化，用于確定移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該采取的抗衰落技術(shù)。大尺度衰落可看成信號(hào)小尺度衰落的空間平均！當(dāng)移動(dòng)通信跨越比較大的區(qū)域時(shí)，會(huì)同時(shí)受到大尺度衰落和小尺度衰落的影響！現(xiàn)在是8頁\一共有61頁\編輯于星期二三、移動(dòng)環(huán)境的多徑傳播多徑傳播的產(chǎn)生及影響信道中的反射物和散射物導(dǎo)致發(fā)射波到達(dá)接收機(jī)時(shí)形成在時(shí)間、空間上相互區(qū)別的多個(gè)無線電波。不同多徑成分具有的隨機(jī)相位和幅度引起信號(hào)幅度波動(dòng)－>小尺度衰落。延長(zhǎng)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，引起碼間串?dāng)_。3-9800MHz室內(nèi)環(huán)境中典型傳播時(shí)延擴(kuò)展為1μs，符號(hào)速率200kbps，符號(hào)寬度？重疊覆蓋率？現(xiàn)在是9頁\一共有61頁\編輯于星期二2-10接收信號(hào)脈沖響應(yīng)傳遞函數(shù)現(xiàn)在是10頁\一共有61頁\編輯于星期二三、移動(dòng)環(huán)境的多徑傳播現(xiàn)在是11頁\一共有61頁\編輯于星期二多徑傳播示意圖余音繞梁看上去信號(hào)有什么變化呢？現(xiàn)在是12頁\一共有61頁\編輯于星期二2-13快變頻率選擇信道慢變頻率選擇信道若時(shí)不變現(xiàn)在是13頁\一共有61頁\編輯于星期二在不到一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)幾十分貝的電平變化和劇烈的相位擺動(dòng)多徑衰落現(xiàn)在是14頁\一共有61頁\編輯于星期二四、多普勒頻移多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及移動(dòng)臺(tái)方向與無線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。頻率變化值朝向入射波方向移動(dòng)－>多普勒頻移為正值；被向入射波方向移動(dòng)－>多普勒頻移為負(fù)值。*信號(hào)經(jīng)不同方向傳播，多徑分量造成接收信號(hào)頻譜的多普勒擴(kuò)展?，F(xiàn)在是15頁\一共有61頁\編輯于星期二四、多普勒頻移現(xiàn)在是16頁\一共有61頁\編輯于星期二3-17四、多普勒頻移移動(dòng)的可以是收發(fā)端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者傳播環(huán)境中主要散射體的運(yùn)動(dòng)?？瓷先バ盘?hào)有什么變化呢？現(xiàn)在是17頁\一共有61頁\編輯于星期二五、多徑接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性移動(dòng)無線信道統(tǒng)計(jì)分析：對(duì)接收信號(hào)的功率或電壓包絡(luò)進(jìn)行定量描述。瑞利分布萊斯分布

Nakagami-m分布3-18現(xiàn)在是18頁\一共有61頁\編輯于星期二3-191、瑞利分布

產(chǎn)生的原因在發(fā)信機(jī)與收信機(jī)之間沒有直射波通路；有大量反射波存在，到達(dá)接收天線的方向角和相位隨機(jī)，且在0～2π內(nèi)均勻分布；各個(gè)反射波的幅度和相位統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分析（σ為方差）包絡(luò)概率密度函數(shù)（瑞利分布）：相位概率密度函數(shù)（均勻分布）：現(xiàn)在是19頁\一共有61頁\編輯于星期二RayleighDistribution(PDF)2-20現(xiàn)在是20頁\一共有61頁\編輯于星期二3-212、萊斯分布產(chǎn)生的原因離基站較近的區(qū)域，通常存在占支配地位的直射波信號(hào)。當(dāng)存在一個(gè)主要的靜態(tài)(非衰落)信號(hào)分量時(shí)，接收信號(hào)包絡(luò)服從萊斯分布。接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)主要分量減弱后，萊斯分布退化為瑞利分布！現(xiàn)在是21頁\一共有61頁\編輯于星期二RicianDistribution(PDF)2-22現(xiàn)在是22頁\一共有61頁\編輯于星期二3-233、Nakagami-m分布由Nakagami在20世紀(jì)60年代提出基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)方法用曲線擬合得到近似分布的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)無線信道的描述有很好的適應(yīng)性當(dāng)m＝1時(shí)，退化為瑞利分布。當(dāng)m較大時(shí)，接近于高斯分布。m：shapeparameter，omega：spreadpara現(xiàn)在是23頁\一共有61頁\編輯于星期二Nakagami-mDistribution(PDF)2-24現(xiàn)在是24頁\一共有61頁\編輯于星期二2-25現(xiàn)在是25頁\一共有61頁\編輯于星期二六、衰落信號(hào)幅度的特征量對(duì)于鏈路設(shè)計(jì)而言，希望得到影響鏈路性能的重要統(tǒng)計(jì)量一條衰落信道每隔多長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)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(zhǎng)時(shí)間？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)。3-26現(xiàn)在是26頁\一共有61頁\編輯于星期二3-271、衰落率信號(hào)包絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)以正斜率通過中值電平的次數(shù)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。現(xiàn)在是27頁\一共有61頁\編輯于星期二3-282、電平通過率包絡(luò)在單位時(shí)間以正斜率通過某規(guī)定電平R的次數(shù)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，深度衰落發(fā)生的次數(shù)較少，淺度衰落發(fā)生得相當(dāng)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%?，F(xiàn)在是28頁\一共有61頁\編輯于星期二3-293、衰落持續(xù)時(shí)間

定義：信號(hào)包絡(luò)低于某個(gè)給定電平值的概率與該電平值所對(duì)應(yīng)的電平通過率之比。接收信號(hào)電平低于接收機(jī)門限電平時(shí)，就可能造成語音中斷或誤比特率突然增大。由于每次衰落的持續(xù)時(shí)間是隨機(jī)的，只能給出平均衰落持續(xù)時(shí)間。

思考：對(duì)工程設(shè)計(jì)的意義在哪里？現(xiàn)在是29頁\一共有61頁\編輯于星期二3-302.3描述多徑衰落信道的主要參數(shù)電波通過移動(dòng)信道后，信號(hào)在時(shí)域上、頻域上和空間（角度）上都產(chǎn)生色散（dispersion），使信號(hào)產(chǎn)生衰落失真。多徑效應(yīng)：時(shí)延擴(kuò)展

多普勒效應(yīng)：頻譜擴(kuò)展散射效應(yīng)：角度擴(kuò)展頻率選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落空間選擇性衰落現(xiàn)在是30頁\一共有61頁\編輯于星期二1、什么是時(shí)延擴(kuò)展？多徑傳播造成信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散假設(shè)發(fā)射一個(gè)極短的脈沖信號(hào)，經(jīng)過多徑信道后，接收信號(hào)呈現(xiàn)為一串脈沖

時(shí)延擴(kuò)展大小：最大傳輸時(shí)延和最小傳輸時(shí)延的差值3-31一、時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬現(xiàn)在是31頁\一共有61頁\編輯于星期二3-32一、時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬P(τ)相對(duì)幅度/dB0dBo30dBP(τ)τ（相對(duì)時(shí)延時(shí)間）Δ典型的時(shí)延（功率）譜曲線2、如何描述時(shí)延擴(kuò)展?時(shí)延功率譜：由不同時(shí)延信號(hào)分量的平均功率構(gòu)成

現(xiàn)在是32頁\一共有61頁\編輯于星期二2、如何描述時(shí)延擴(kuò)展?

時(shí)延擴(kuò)展的相關(guān)參數(shù):相對(duì)時(shí)延值P(τ)：歸一化時(shí)延譜

：平均多徑時(shí)延，P(τ)的一階矩

：時(shí)延擴(kuò)展，P(τ)的均方根

：最大多徑時(shí)延，P(τ)下降到-30dB時(shí)的時(shí)延差3-33一、時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬現(xiàn)在是33頁\一共有61頁\編輯于星期二3-34一、時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬平均多徑時(shí)延時(shí)延擴(kuò)展離散化離散化2、如何描述時(shí)延擴(kuò)展?現(xiàn)在是34頁\一共有61頁\編輯于星期二3-35多徑時(shí)散參數(shù)典型值現(xiàn)在是35頁\一共有61頁\編輯于星期二3-36多徑對(duì)信號(hào)頻域的影響He(w,t)Si(t)S0(t)Σ

Δ(t)

β圖2-13雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò)以雙徑模型為例，且不計(jì)信道的固定衰減現(xiàn)在是36頁\一共有61頁\編輯于星期二3-37多徑對(duì)信號(hào)頻域的影響雙徑信道等效網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:

信道的幅頻特性為:現(xiàn)在是37頁\一共有61頁\編輯于星期二3-38多徑對(duì)信號(hào)頻域的影響圖2-14

雙射線信道的幅頻特性當(dāng)時(shí)，雙徑信號(hào)同相疊加，信號(hào)出現(xiàn)峰點(diǎn)；當(dāng)時(shí)，雙徑信號(hào)反相相消，信號(hào)出現(xiàn)谷點(diǎn)?，F(xiàn)在是38頁\一共有61頁\編輯于星期二3-39相關(guān)帶寬定義指一特定頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性即在此范圍內(nèi)的所有頻率分量幾乎具有相同的增益及線性相位。現(xiàn)在是39頁\一共有61頁\編輯于星期二3-40相關(guān)帶寬定量計(jì)算相關(guān)系數(shù)大于0.9的某特定帶寬將定義放寬至相關(guān)系數(shù)大于0.5工程上，見教材現(xiàn)在是40頁\一共有61頁\編輯于星期二相關(guān)帶寬由信道的時(shí)延擴(kuò)展決定，兩者之間成反比關(guān)系。3-41時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬的關(guān)系信道實(shí)際情況時(shí)延擴(kuò)展（多徑結(jié)構(gòu)）相關(guān)帶寬實(shí)例：時(shí)延擴(kuò)展為1.37s，相關(guān)帶寬為146kHz現(xiàn)在是41頁\一共有61頁\編輯于星期二思考：在上面的例子中，帶寬分別為30kHz的信號(hào)和200kHz的信號(hào)，在經(jīng)過該信道后，從時(shí)域和頻域上看，各有什么區(qū)別？平坦衰落（30kHz-33.3s）

頻率選擇性衰落（200kHz–5s）3-42時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長(zhǎng)，帶寬窄，多徑信號(hào)不會(huì)干擾整個(gè)碼元，信號(hào)帶寬小于信道相關(guān)帶寬。數(shù)據(jù)傳輸速率高，則碼元寬度小，帶寬寬，多徑信號(hào)干擾碼元程度高，信號(hào)帶寬大于信道相關(guān)帶寬?，F(xiàn)在是42頁\一共有61頁\編輯于星期二3-43平坦衰落在信號(hào)帶寬范圍內(nèi)，各頻點(diǎn)的幅度有基本相同的增益，即發(fā)送信號(hào)的頻譜基本保持不變；信道的增益是隨著時(shí)間變化的，接收端信號(hào)的功率可能不斷變化，導(dǎo)致信號(hào)忽大忽小?，F(xiàn)在是43頁\一共有61頁\編輯于星期二3-44頻率選擇性衰落信道對(duì)信號(hào)的不同頻率成分具有不同的響應(yīng)，產(chǎn)生頻率選擇性，使信號(hào)發(fā)生失真。

現(xiàn)在是44頁\一共有61頁\編輯于星期二從頻域來看多徑現(xiàn)象將導(dǎo)致頻率選擇性衰落，即信道對(duì)不同頻率成分有不同的響應(yīng)在相關(guān)帶寬內(nèi)信號(hào)傳輸失真小，若信號(hào)帶寬超過相關(guān)帶寬將產(chǎn)生較大的失真和符號(hào)間干擾信號(hào)傳輸速率受相關(guān)帶寬的限制

3-45相關(guān)帶寬的意義現(xiàn)在是45頁\一共有61頁\編輯于星期二3-46二、

多普勒擴(kuò)展和相關(guān)時(shí)間多普勒擴(kuò)展（Dopplerspread）--頻率色散

由移動(dòng)臺(tái)與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或傳播路徑中物體的運(yùn)動(dòng)引起?，F(xiàn)在是46頁\一共有61頁\編輯于星期二3-47多普勒擴(kuò)展多普勒擴(kuò)展：接收的多普勒譜為非0值的頻率范圍，一般定義為BD＝最大多普勒頻移fm＝現(xiàn)在是47頁\一共有61頁\編輯于星期二3-48相關(guān)時(shí)間定義相關(guān)時(shí)間就是信道沖激響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。在相關(guān)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)到達(dá)信號(hào)有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。相關(guān)時(shí)間是多普勒擴(kuò)展在時(shí)域的表現(xiàn)形式，用于在時(shí)域描述信道頻率色散的時(shí)變特性?，F(xiàn)在是48頁\一共有61頁\編輯于星期二3-49相關(guān)時(shí)間定量計(jì)算1）2）若時(shí)間相關(guān)函數(shù)定義為大于0.5時(shí)，相干時(shí)間近似為：3）工程上：現(xiàn)在是49頁\一共有61頁\編輯于星期二3-50多普勒擴(kuò)展與相關(guān)時(shí)間的關(guān)系運(yùn)動(dòng)速度和信號(hào)頻率多普勒擴(kuò)展相關(guān)時(shí)間實(shí)例：移動(dòng)臺(tái)速率為60km/h，載頻為900MHz，相關(guān)時(shí)間20ms，保守估計(jì)為3.58ms相關(guān)時(shí)間由多普勒擴(kuò)展決定，兩者之間成反比關(guān)系。GSM系統(tǒng)（900MHz）步行（5km/h）:4.1667Hz車載（60km/h）:50Hz高鐵（300km/h）:250HzGSM系統(tǒng)信道帶寬200kHz！現(xiàn)在是50頁\一共有61頁\編輯于星期二思考：在上面的例子中，傳輸速率為200bit/s和2000bit/s時(shí)，在經(jīng)過該信道后，從時(shí)域域上看，有什么區(qū)別？

慢衰落（2000bit/s–0.5ms）

快衰落（200bit/s–5ms）3-51多普勒擴(kuò)展與相關(guān)時(shí)間的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率低，則碼元寬度長(zhǎng)，信道變化的包絡(luò)以快于傳輸符號(hào)率的速度波動(dòng)，易受時(shí)間選擇性衰落影響?，F(xiàn)在是51頁\一共有61頁\編輯于星期二3-52相關(guān)時(shí)間的意義從時(shí)域上看，慢變信道具有大的相關(guān)時(shí)間，從頻域上看，等效為小的多普勒擴(kuò)展。移動(dòng)臺(tái)的速度(或信道路徑中物體的速度)及基帶信號(hào)發(fā)送速率，決定了信號(hào)是經(jīng)歷快衰落還是慢衰落?，F(xiàn)在是52頁\一共有61頁\編輯于星期二3-53相關(guān)時(shí)間的意義

思考：快衰落有沒有好處？如何利用？防止長(zhǎng)期處于深度衰落

時(shí)間分集的設(shè)計(jì)思考：慢衰落有沒有壞處？如何克服？當(dāng)處于深度衰落時(shí)，可采用慢跳頻的方式克服現(xiàn)在是53頁\一共有61頁\編輯于星期二3-54三、角度擴(kuò)展和相關(guān)距離（自學(xué)）

散射效應(yīng)會(huì)引起角度擴(kuò)展移動(dòng)臺(tái)或基站周圍的本地散射以及遠(yuǎn)端散射會(huì)使得天線的點(diǎn)波束產(chǎn)生角度擴(kuò)散?？沼蛏喜ㄊ慕嵌葦U(kuò)散造成了同一時(shí)間、不同地點(diǎn)的信號(hào)衰落起伏不一樣，即所謂的空間選擇性?，F(xiàn)在是54頁\一共有61頁\編輯于星期二3-552.3.4多徑衰落信道的分類移動(dòng)信道中的時(shí)間色散和頻率色散可能產(chǎn)生4種衰落效應(yīng)根據(jù)信號(hào)帶寬和信道帶寬的比較平坦衰落頻率選擇性衰落根據(jù)發(fā)送信號(hào)與信道變化快慢程度快衰落慢衰落現(xiàn)在是55頁\一共有61頁\編輯于星期二3-56一、平坦衰落與頻率選