当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 第9章多径衰落信道上的数字信号传输(通信原理节选)
1第9章多径衰落信道上的数字信号传输9.1引言目前,移动无线通信在我们的生活中应用越来越广泛。例如,数字蜂窝移动通信、短波通信、微波通信、无线局域网等。各种移动无线通信系统中,发送机和接收机之间的信号传输都是通过无线信道传输的。虽然,不同的移动无线通信系统的信道媒质和传输方式不尽相同,但它们的信道传输机理都具有共同的特点-多径衰落。我们将各种移动无线通信系统中通信信号的传输归结多径衰落信道上的数字信号传输。本章主要结合陆地移动通信,来讨论多径衰落信道及数字信号传输问题。9.2多径衰落信道的数学模型与分类本节对无线信道特性、信道的数学描述、多径衰落信道的分类和数学模型进行分析。9.2.1无线信道的特性1.电磁波的传播机制移动无线通信所传送的信息是通过电磁波承载在空中传播来实现的。电磁波传播的途径就是无线信道,这种信道是一种开放性信道,电磁波的传播特性就决定了无线信道的特性。而电磁波的传播特性与电磁波的传播机制有密切关系。电磁波传播的一种最简单的情况是自由空间传播,也就是在发射机与接收机之间无阻挡的视距传播。这是一种直射的传播机制,主要出现在卫星通信系统和微波通信系统的无线视距链路中。电磁波在自由空间中传播路径损耗与(发射机与接收机之间)距离的平方2()d成正比,与射频频率的平方2()f成反比。根据自由空间的路径损耗可以对视距无线链路进行设计。然而,在移动通信系统中,电磁波传播环境(或通信媒质)要复杂得多。移动通信系统的基站天线高度一般在30~100米,移动台天线高度在1~4米,通信媒质包括大气、地形、自然物、建筑物和天气等,电磁波的传播通常会遇到各种障碍物,而且移动台的位置可能会发生位移,电磁波的传播环境在不断变化。因此,在移动通信系统中,电磁波的传播机制通常不是自由空间的视距传播,而是反射、绕射和散射等三种基本的传播机制。反射—当电磁波传播时遇到尺寸比波长大得多的物体表面时,绘发生反射现象。如地球表面、建筑物和墙壁表面都绘引起电磁波的反射。绕射—当发射天线与接收天线之间存在密度比较大且尺寸比波长大的物体,就会在阻挡物的后面产生次级波,也就是说电磁波“绕过”障碍物继续传播,这种现象称为绕射。当收发两端天线不存在视距路径(被障碍物遮挡)时,电磁波通过绕射仍能到达接收机。散射—当电磁波传播时遇到大的粗糙的表面,或尺寸与波长相当的物体表面时,电磁波的能量会发生散射或向各个方向反射。例如,引起电磁波散射的物体有路灯、街道路标、树叶等。2.衰落的类型电磁波传播特性除了在自由空间中基本的传播特性外,电磁波的传播受到周围复杂而变化环境的影响。也就是说,电磁波的传播环境具有复杂性、时变性和随机性,这就决定了电磁波的传播特性亦即无线信道的特性是复杂的并且随机时变的,它属于变参信道。由于该信道具有多径和衰落的特点,故又称为多径衰落信道。通常采用理论上的统计方法与实验测试相结合来建立无线信道的数学模型。然后根据信道的模型来对移动无线通信系统进行理论研究、系统设计和性能分析。首先,我们来观察一移动台接收信号场强的测试记录,如图9.2—1衰落信号。接收信号电平可以表示为)()()()()()(00xrxmxrtrtmtr或(9.2-1)式中,)(tm为称为大尺度衰落分量(有时称为局部均值),)(0tr称为小尺度衰落分量,x表示移动台的位移,v表示移动台运动的速度。r(x)dB或r(t)x或tx=vtm(t)图9.2—1接收信号场强测试记录2可见,移动无线信道的衰落可分为大尺度衰落和小尺度衰落两种类型。衰落的特性与电磁波的传播环境和三种基本的传播机制都有密切的关系。在移动无线系统中,大尺度衰落与宏观环境及其变化密切相关,它随时间(或位移)而缓慢变化;小尺度衰落与微观环境及其变化密切相关,它随时间(或位移)快速变化。在这一节中主要介绍大尺度衰落,而小尺度衰落是本章重点研究的内容,将在后面的小节中详细讨论。3.大尺度衰落大尺度衰落可以由传播路径损耗来描述。根据理论和实测研究表明,受宏观环境影响的大尺度路径损耗包括两个部分:平均路径损耗和阴影。对平均路径损耗影响有两个主要因素:一是基本因素,如电磁波的工作频率(f),发射和接收天线的高度(th和rh),收发两天线之间的距离(d)等。二是环境因素(主要是环境的类型),与传播路径的宏观环境有关。宏观环境对电磁波传播路径损耗的影响称为阴影效应。宏观环境包括自然环境(开阔区,平地,丘陵,山地等地形形状以及天气状况)和人为环境(乡村,准郊区,郊区,城区,建筑物,树木等)。非自由空间的环境因素使得传播路径损耗变大,与距离的n次方)(nd成正比,n为路径损耗指数,它与环境的类型有关,取值范围是6~2n,例如自由空间2n,市区蜂窝5.3~6.2n,市区蜂窝阴影5~3n,被建筑物阻挡6~4n。在移动无线通信中,发送与接收天线之间电磁波传播路径经常遇到大的障碍物(如高楼、树木、山丘等),阴影效应是很明显的。阴影表示在相同距离条件下,不同位置周围环境的差异引起的路径损耗的偏差。由于环境差异的随机性,因此路径损耗偏差是一个随机变量。通过大量的测试和统计分析表明大尺度衰落)(tm是一个随机过程,任一时刻的幅度m是个服从对数正态分布随机变量。若定义新的随机变量mXln,则其概率密度函数为22()/21(),(-)2xpxex(9.2-2)随机变量X是表示大尺度衰落的路径损耗,均值为平均路径损耗,为路径损耗的标准偏差,它们都以dB为单位。对于典型的蜂窝环境,的取值范围是5~12dB。现在已经建立了考虑大尺度衰落各种影响因素的平均路径损耗模型。例如,在大城市使用的哈塔(Hata)模型,其平均路径损耗可以表示为(dB)69.5526.16log13.82log()(44.96.55log)logtrtfhahhd(9.2-3)式中,f是以MHz为单位的工作频率(150f1500),th是以米(m)为单位的发射天线高度(20030th),rh是以m为单位的接收天线高度()101th,d是以公里(km)为单位的发射机与接收机之间的距离)201(d。)(rha是移动天线的修正因子,其数值与环境有关,对大城市为2()3.2(log11.75)4.97,400MHzrrahhf(9.2-4)因此,大尺度衰落是由无线信道的阴影效应引起的,并服从对数正态分布。4.小尺度衰落小尺度衰落与电磁波传播的微观环境有关。电磁波从发射天线到接收天线可通过反射,绕射和散射等多种方式和多条路径到达,而且移动无线终端的运动造成微观环境的快速变化,每条路径达到的信号的幅度和时延(或时延产生的附加相移)都随时间而快速随机变化,合成的接收信号包络快速衰落以及频率发生偏移。这种微观环境对接收信号的影响称为移动无线信道的多径效应和多普勒效应。小尺度衰落又称为多径衰落或散射衰落等。相对比较而言,大尺度衰落是慢衰落,而小尺度衰落是快衰落。而小尺度衰落是由移动无线信道的多径效应和多普勒效应引起的。通常以接收信号的统计特性来描述小尺度衰落。研究表明,接收信号的包络服从瑞利分布,相位服从均匀分布。我们将在后面对此进行详细分析讨论。
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