《無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第03章 小尺度衰落

第3章小尺度衰落和多徑效應(yīng)小尺度衰落的基本概念小尺度衰落是指在短時間或者短距離范圍內(nèi)，接收的無線電信號幅度或者相位快速隨機變化的現(xiàn)象，這種衰落是由于發(fā)射信號經(jīng)歷多條傳播路徑，以微小的時延差到達接收機相互干涉引起的，對無線通信的性能影響巨大，其衰落的速度和深度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰影衰落，從而導(dǎo)致信號產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。小尺度衰落表現(xiàn)為接收信號功率劇烈起伏，陸地移動通信環(huán)境下，衰落速率可以達到每秒40次左右，衰落深度可高達30dB以上，通過功率儲備或者功率控制來解決小尺度衰落需要付出巨大的代價，得不償失。小尺度衰落是無線通信技術(shù)要解決的核心問題，本書后續(xù)章節(jié)專門討論能夠?qū)剐〕叨人ヂ涞母鞣N技術(shù)，本章首先說明小尺度衰落產(chǎn)生的機理、特性及其對信號的影響。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用2小尺度衰落的成因

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用3小尺度衰落的成因以900MHz為例，如果接收機處于21.9m至33.1m距離范圍內(nèi)的不同位置，接收功率變化劇烈，最大接收功率與最小接收功率相差約30dB（即1000倍），接收功率隨位置發(fā)生漲落的現(xiàn)象稱為位置選擇性；如果接收機是運動的，即使是行人3.6km/小時的速度，就意味著在大約10秒的時間內(nèi)接收功率經(jīng)歷1000倍的劇烈漲落，如果是300km/小時的高鐵，則功率劇烈漲落每秒將發(fā)生數(shù)十次，接收功率隨時間發(fā)生漲落的現(xiàn)象稱為時間選擇性；圖中還可以發(fā)現(xiàn)，由于相位差與載波頻率相關(guān)，因此同樣的接收天線位置，載波頻率不同，接收功率也是不同的，圖中21.9m處兩種載波頻率的接收功率相差20dB以上，接收功率隨頻率發(fā)生漲落的現(xiàn)象稱為頻率選擇性。這種短距或者短時發(fā)生的信號隨機漲落現(xiàn)象稱為小尺度衰落，成因主要有二，一是多徑傳播，多徑導(dǎo)致頻率選擇性；二是運動，運動導(dǎo)致時間選擇性；兩方面的因素對信號的共同影響導(dǎo)致小尺度衰落。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用4小尺度衰落的表現(xiàn)收發(fā)信機之間往往存在多條傳播路徑，可能分別經(jīng)歷反射、散射或者繞射等多種傳播機制到達接收機。首先，每條傳播路徑具有不同的傳播時延，因此各傳播路徑到達接收機的早晚不同，如果發(fā)射機發(fā)射一個持續(xù)時間極短的窄脈沖，根據(jù)脈沖寬度和每徑傳播時延不同，則接收機可能收到先后到達的若干獨立窄脈沖，也可能收到時域展寬的單個脈沖，這種因為傳播時延導(dǎo)致的接收信號時域彌散現(xiàn)象稱為時延擴展，如下圖所示。其次，不同路徑對信號幅度、相位的影響也不同，因此先后到達接收機的無線電波分別具有不同的隨機幅度、隨機相位，這些無線電波相互干涉疊加，對于傳輸信號中不同的頻率分量來說，分別經(jīng)歷了不同的相移，從而對應(yīng)的干涉結(jié)果都是不同的，有的頻率分量上是信號幅度增強的效果，有的是削弱的效果，或者說傳輸信號中不同的頻率分量上信道增益是隨機變化的，這個現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用5小尺度衰落的表現(xiàn)如果進一步考慮收發(fā)信機之間的相對運動或者環(huán)境物體的運動，則來自不同傳播路徑的接收信號因為入射角度不同，將產(chǎn)生不同的多普勒頻移，從而接收到的疊加信號表現(xiàn)出頻率域的彌散現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為多普勒擴展。最后，運動將導(dǎo)致傳播環(huán)境不斷變化，從而多徑的衰落特性、時延擴展、多普勒擴展都將隨時間改變而不斷變化，具體來說，接收機位置的微小變化就會引起隨機相位的劇烈變化，從而導(dǎo)致合成信號強度隨接收機位置變換而產(chǎn)生強烈的隨機波動，這種由運動導(dǎo)致的短距離上的信號衰落就是位置選擇性衰落或者時間選擇性衰落?？傮w來看，無線信道或移動無線信道具有時變的衰落特性，是一個線性時變系統(tǒng)。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用6無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用7無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用8無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用9無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用10無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用11無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用12無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用13無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用14無線信道的沖激響應(yīng)模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用15信道的描述參數(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用16信道的描述參數(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用17信道的描述參數(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用18時間色散參數(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用19時間色散參數(shù)無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用20功率時延譜及相關(guān)描述參數(shù)圖時間色散參數(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用21時間色散參數(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用22時間色散參數(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用23時間色散參數(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用24相干帶寬

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用25兩徑模型相干帶寬

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用26相干帶寬

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用27多普勒擴展與相干時間

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用28多普勒擴展與相干時間

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用29多普勒擴展與相干時間

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用30小尺度衰落的分類同樣的無線信道對不同帶寬信號的影響是不同的，根據(jù)信道特性和信號帶寬的不同對應(yīng)關(guān)系，可以將小尺度衰落分為以下四種類型：無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用31小尺度衰落的分類

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用32類型一：平坦衰落

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用33類型一：平坦衰落因此平坦衰落信道可使用單抽頭建模，接收信號等于發(fā)射信號乘以某個隨機的復(fù)系數(shù)，換言之，平坦衰落信道表現(xiàn)為隨機的幅度增益和隨機相移。對于接收機來說，只要知道該復(fù)系數(shù)的具體值，就可以很容易地通過簡單的除法求得發(fā)射信號。從頻域上看，由于信號帶寬遠(yuǎn)小于相干帶寬，同一時刻信號的不同頻率分量都經(jīng)歷了相近的幅度增益和相移，也就是說，經(jīng)歷了相似的衰落，傳輸特性相對平坦，信號的頻譜形狀經(jīng)過信道后基本不會產(chǎn)生失真，因此得名平坦衰落，平坦衰落信道也稱為窄帶信道。需要注意的是，盡管在某個瞬間信道傳輸特性是平坦的，但是由于不可分辨的多徑分量相互干涉，信道抽頭系數(shù)是隨機變量，不同時刻的抽頭系數(shù)不同，信道特性將隨時間發(fā)生快速變化，因此不同時刻的瞬時接收功率還是會存在劇烈起伏。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用34類型二：頻率選擇性衰落

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用35類型二：頻率選擇性衰落

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用36類型二：頻率選擇性衰落ETU的相干帶寬約為200KHz，EPA約為4.44MHz。與3MHz的信號帶寬相比，可以推得信號在ETU信道中經(jīng)歷了頻率選擇性衰落，從圖中可以看到不同的頻率分量經(jīng)歷了不同幅度的衰落；而在EPA信道中信號則經(jīng)歷了平坦衰落，可以看出接收功率譜與發(fā)射功率譜的形狀基本相同。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用37類型三：快衰落與慢衰落

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用38平坦衰落

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用39平坦衰落

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用40平坦衰落

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用41平坦衰落：包絡(luò)與功率分布

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用42瑞利分布的概率密度函數(shù)平坦衰落：包絡(luò)與功率分布

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用43平坦衰落：包絡(luò)與功率分布

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用44平坦衰落：包絡(luò)與功率分布

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用45萊斯衰落的概率密度函數(shù)平坦衰落：包絡(luò)與功率分布

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用46平坦衰落：多普勒譜

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用47平坦衰落：多普勒譜

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用48均勻散射模型圖平坦衰落：多普勒譜

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用49平坦衰落：多普勒譜無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用50均勻散射模型條件下瑞利衰落的多普勒譜維納-辛欽定理指出廣義平穩(wěn)隨機過程的功率譜密度是其自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換。因此多普勒功率譜是隨機接收信號自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，Jakes譜的這種形狀說明不同時刻的接收信號之間是存在相關(guān)性的。不同時刻的接收信號幅度之間不存在相關(guān)性（或者說不同時刻的接收信號幅度相互獨立）的典型例子是AWGN。再次強調(diào)上述結(jié)果是在均勻散射環(huán)境下得到的，許多無線信道（例如典型的微蜂窩和室內(nèi)環(huán)境或者天線具有指向性時）并不滿足均勻散射模型，那些環(huán)境下的多普勒譜與Jakes譜有很大的不同，需要另外分析，盡管如此，經(jīng)典多普勒譜仍然是使用最廣泛的模型。平坦衰落：電平通過率與平均衰落時長

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用51電平通過率與平均衰落時長

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用52平坦衰落：電平通過率與平均衰落時長無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用53(a)N(R)~ρ (b)τR?fm~ρ平坦衰落：電平通過率與平均衰落時長

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用54平坦衰落：電平通過率與平均衰落時長

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用55平坦衰落：電平通過率與平均衰落時長下圖(a)給出了某次測試中，單頻子載波信號通過瑞利衰落信道后1秒內(nèi)的接收能量波動，其中運動速度為6km/h，載波頻率為1800MHz，最大多普勒頻移為10Hz。圖(b)則給出了同樣的載波頻率，運動速度為60km/h，最大多普勒頻移為100Hz的測試結(jié)果。說明隨著運動速度的增加，衰落加快了，具體表現(xiàn)為同樣的目標(biāo)功率條件下，電平通過率變大，平均衰落時長變短。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用56(a)運動速度6km/h(b)運動速度60km/h衰落信道仿真:抽頭時延線模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用57衰落信道仿真:抽頭時延線模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用58EPA（ExtendedPedestrianA）ETU（ExtendedTypicalUrban）EVA（ExtendedVehicularA）抽頭時延/ns相對功率/dB抽頭時延/ns相對功率/dB抽頭時延/ns相對功率/dB00.00-1.000.030-1.050-1.030-1.570-2.0120-1.0150-1.490-3.02000.0310-3.6110-8.02300.0370-0.6190-17.25000.0710-9.1410-20.81600-3.01090-7.0

2300-5.01730-12.0

5000-7.02510-16.9衰落信道仿真:抽頭時延線模型下表總結(jié)了三種信道模型規(guī)定的多普勒頻移及時間色散方面的描述參數(shù)，可以看出行人信道EPA的時延擴展最小，ETU的時延擴展最大，這是因為市內(nèi)的傳播環(huán)境最復(fù)雜。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用59模型抽頭數(shù)目均方根時延擴展最大附加時延最大多普勒頻移EPA745ns410ns5HzEVA9357ns2510ns5Hz或70HzETU9991ns5000ns70Hz或300Hz衰落信道仿真:抽頭時延線模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用60衰落信道仿真:抽頭時延線模型

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用61衰落信道仿真:瑞利衰落的計算機仿真

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用62衰落信道仿真:瑞利衰落的計算機仿真

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用63衰落信道仿真:瑞利衰落的計算機仿真

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用64衰落信道仿真:瑞利衰落的計算機仿真

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用65Jakes仿真模型衰落信道仿真:瑞利衰落的計算機仿真Jakes仿真模型的優(yōu)點是計算復(fù)雜度很低，但是全部采用確定值，因此產(chǎn)生的信號非廣義平穩(wěn)且不具各態(tài)歷經(jīng)性，其二階統(tǒng)計特性與Clarke參考模型相差較大。基于Jakes仿真模型的多種改進方法，均是通過引入隨機多普勒頻率、隨機正弦波初始相位等隨機變量來避免確定性，有興趣的讀者可以自行查閱相關(guān)參考資料。成形濾波法則是從頻域出發(fā)，直接使瑞利衰落樣本的多普勒譜服從Jakes譜的形狀。具體做法是將高斯白噪聲輸入成形濾波器來產(chǎn)生指定形狀的多普勒功率譜，實部和虛部均是具有特定形狀多普勒功率譜的高斯色噪聲，因此包絡(luò)服從瑞利分布。成形濾波法的困難在于，與基帶信號速率相比，最大多普勒頻移往往很小，因此成形濾波器的帶寬很小，從而輸出的采樣間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基帶信號，必須執(zhí)行比例極高的上采樣，才能得到與基帶信號采樣速率相等的抽頭系數(shù)，這將消耗很多的計算存儲資源，不適