03次课第02章移动信道的传播特性-2_2013.

数字移动通信3-1数字移动通信DigitalMobileCommunicationDigitalMobileCommunication数字移动通信数字移动通信3-2数字移动通信第2章移动通信信道数字移动通信3-3第2章讲述内容2.1陆地无线电波传播特性2.2移动通信信道的多径传播特性2.3描述多径衰落信道的主要参数2.4阴影衰落的基本特性2.5电波传播损耗预测模型2.6多径衰落信道的建模和仿真数字移动通信3-4第2章第2讲要求与重点1.了解多径衰落信号幅度的特征量2.掌握描述多径信道参数的物理意义3.理解多径衰落对通信系统的影响4.理解衰落类型和阴影衰落的特性重点：描述多径信道的主要参数难点：相关（干）带宽、相关时间、相关距离数字移动通信3-5本次课解决的问题1.移动通信信道中的电波传播三级模型？2.描述信道特性的参数：相干带宽？相干时间？相干距离？3.信道衰落类型的关系？数字移动通信3-62.2移动通信信道的多径传播特性一、移动通信信道中的电波传播特性移动信道是一种时变信道信号传播过程中受到来自不同类型的损耗()()()()PdLdSdRd传播损耗阴影衰落多径衰落d：移动台与基站的距离大尺度衰落小尺度衰落数字移动通信一、移动通信信道的传播特性3-71、传播损耗(路径损耗）长程范围内的信号电平变化（几千米量级）电波传播引起的平均接收功率衰减取决于发射机与接收机之间的距离自由空间时，n=2，一般情况下n=3～5()nLdd数字移动通信3-8一、移动通信信道的传播特性2、阴影衰落——阳光不能普照由大型障碍物的遮挡引起，包括传播环境中的地形起伏、人造建筑物等短程范围内的信号电平变化（数百波长量级）数字移动通信3-9一、移动通信信道的传播特性3、小尺度衰落——余音绕梁＋跑得太快主要由多径效应和多普勒效应引起数十波长量级内的信号电平变化接收信号场强的瞬时值快速变化，在几个波长间距内的变化幅度可达30dB数字移动通信一、移动通信信道的传播特性图2-6陆地移动通信信道中的电波传播特性数字移动通信3-11二、移动通信信道的二种传播模型大尺度路径损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。受到收发距离及地形地貌的影响小尺度多径衰落传播模型描述移动台在极小范围内移动时，短距离（几个波长）或短时间（秒级）上接收场强的快速变化，用于确定移动通信系统应该采取的抗衰落技术。大尺度衰落可看成信号小尺度衰落的空间平均！当移动通信跨越比较大的区域时，会同时受到大尺度衰落和小尺度衰落的影响！数字移动通信三、移动环境的多径传播多径传播的产生及影响信道中的反射物和散射物导致发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号幅度波动－小尺度衰落。延长信号到达接收机的时间，引起码间串扰。3-12800MHz室内环境中典型传播时延扩展为1μs，符号速率200kbps，符号宽度？重叠覆盖率？数字移动通信三、移动环境的多径传播数字移动通信多径传播示意图余音绕梁看上去信号有什么变化呢？数字移动通信在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电平变化和剧烈的相位摆动多径衰落数字移动通信四、多普勒频移多普勒频移与移动台运动速度及移动台方向与无线电波入射方向之间的夹角有关。频率变化值朝向入射波方向移动－多普勒频移为正值；被向入射波方向移动－多普勒频移为负值。()cos()dvftt*信号经不同方向传播，多径分量造成接收信号频谱的多普勒扩展。数字移动通信四、多普勒频移数字移动通信3-18四、多普勒频移移动的可以是收发端的相对运动或者传播环境中主要散射体的运动。看上去信号有什么变化呢？数字移动通信五、多径接收信号的统计特性(自学)移动无线信道统计分析：对接收信号的功率或电压包络进行定量描述。瑞利分布莱斯分布Nakagami-m分布3-19数字移动通信3-201、瑞利分布产生的原因在发信机与收信机之间没有直射波通路；有大量反射波存在，到达接收天线的方向角和相位随机，且在0～2π内均匀分布；各个反射波的幅度和相位统计独立。接收信号的统计分析（σ为方差）包络概率密度函数（瑞利分布）：相位概率密度函数（均匀分布）：0)(2222rerrpr2021)(p数字移动通信3-212、莱斯分布产生的原因离基站较近的区域，通常存在占支配地位的直射波信号。当存在一个主要的静态(非衰落)信号分量时，接收信号包络服从莱斯分布。接收信号的统计分析220222()()exp()2ssrrrrrrprI当主要分量减弱后，莱斯分布退化为瑞利分布！数字移动通信3-223、Nakagami-m分布由Nakagami在20世纪60年代提出基于现场测试的实验方法用曲线拟合得到近似分布的经验公式对无线信道的描述有很好的适应性当m＝1时，退化为瑞利分布。当m较大时，接近于高斯分布。2122()exp[]()mmrmmrmrprm数字移动通信六、衰落信号幅度的特征量(自学)对于链路设计而言，希望得到影响链路性能的重要统计量一条衰落信道每隔多长时间就会衰落到某一特定的电平之下？这条信道将在该门限下持续多长时间？工程实用中，常常用一些特征量表示衰落信号的幅度特点。3-23数字移动通信3-241、衰落率/2AvF信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播的路径数有关。当移动台的行进方向朝着或背着电波传播方向时，衰落最快。数字移动通信3-252、电平通过率包络在单位时间以正斜率通过某规定电平R的次数实测发现，深度衰落发生的次数较少，浅度衰落发生得相当频繁。衰减20dB概率为1%，衰减30dB和40dB的概率分别为0.1%和0.01%。T负斜率正斜率1t2t3t4t12344/T(A)AiNl0FA4i/4l数字移动通信3-263、衰落持续时间定义：信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平值所对应的电平通过率之比。接收信号电平低于接收机门限电平时，就可能造成语音中断或误比特率突然增大。由于每次衰落的持续时间是随机的，只能给出平均衰落持续时间。思考：对工程设计的意义在哪里？数字移动通信3-272.3描述多径衰落信道的主要参数电波通过移动信道后，信号在时域上、频域上和空间（角度）上都产生色散，使信号产生衰落失真。多径效应：时延扩展多普勒效应：频谱扩展散射效应：角度扩展频率选择性衰落时间选择性衰落空间选择性衰落数字移动通信1、什么是时延扩展？多径传播造成信号时间扩散假设发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，接收信号呈现为一串脉冲时延扩展大小：最大传输时延和最小传输时延的差值3-28一、时延扩展和相关带宽数字移动通信3-29一、时延扩展和相关带宽P(τ)相对幅度/dB0dBo30dBP(τ)τ（相对时延时间）Δm典型的时延（功率）谱曲线2、如何描述时延扩展?时延功率谱：由不同时延信号分量的平均功率构成数字移动通信2、如何描述时延扩展?时延扩展的相关参数Τ:相对时延值P(τ)：归一化时延谱：平均多径时延，P(τ)的一阶矩：时延扩展，P(τ)的均方根：最大多径时延，P(τ)下降到-30dB时的时延差3-30一、时延扩展和相关带宽mmT数字移动通信3-31一、时延扩展和相关带宽平均多径时延0()mPd22(())mPd22222()()kkkkkkkkkkaPaP时延扩展22()()kkkkkkmkkkkaPaP离散化22m离散化2、如何描述时延扩展?数字移动通信3-32多径时散参数典型值表2-1时延扩展典型实测数据参数市区郊区平均时延m1.5~2.5s0.1~0.2s时延扩展1.0~3.0s0.2~2s最大时延mT(-30dB)5.0~12.0s3~7.0s平均时延扩展1.3s0.5s数字移动通信3-33多径对信号频域的影响He(w,t)Si(t)S0(t)ΣΔ(t)β图2-13双径信道等效网络以双径模型为例，且不计信道的固定衰减()0()()(1)jtistste数字移动通信3-34多径对信号频域的影响双径信道等效网络的传递函数为:()0()(,)1()jteistHjtest信道的幅频特性为:2(,)1cos()sin()12cos(())Attjtt数字移动通信3-35多径对信号频域的影响图2-14双射线信道的幅频特性当时，双径信号同相叠加，信号出现峰点；当时，双径信号反相相消，信号出现谷点。()2tn()(21)tn数字移动通信3-36相关带宽定义指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性即在此范围内的所有频率分量几乎具有相同的增益及线性相位。数字移动通信3-37相关带宽定量计算相关系数大于0.9的某特定带宽将定义放宽至相关系数大于0.5工程上，见教材150cB15cB12cB数字移动通信相关带宽由信道的时延扩展决定，两者之间成反比关系。3-38时延扩展和相关带宽的关系信道实际情况时延扩展（多径结构）相关带宽实例：时延扩展为1.37s，相关带宽为146kHz数字移动通信思考：在上面的例子中，带宽分别为30kHz的信号和200kHz的信号，在经过该信道后，从时域和频域上看，各有什么区别？平坦衰落（30kHz-33.3s）频率选择性衰落（200kHz–5s）3-39时延扩展和相关带宽的关系数据传输速率低，则码元宽度长，带宽窄，多径信号不会干扰整个码元，信号带宽小于信道相关带宽。数据传输速率高，则码元宽度小，带宽宽，多径信号干扰码元程度高，信号带宽大于信道相关带宽。数字移动通信3-40平坦衰落在信号带宽范围内，各频点的幅度有基本相同的增益，即发送信号的频谱基本保持不变；信道的增益是随着时间变化的，接收端信号的功率可能不断变化，导致信号忽大忽小。数字移动通信3-41频率选择性衰落信道对信号的不同频率成分具有不同的响应，产生频率选择性，使信号发生失真。数字移动通信从频域来看多径现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应在相关带宽内信号传输失真小，若信号带宽超过相关带宽将产生较大的失真和符号间干扰信号传输速率受相关带宽的限制3-42相关带宽的意义数字移动通信3-43二、多普勒扩展和相关时间多普勒扩展（Dopplerspread）--频率色散由移动台与基站的相对运动，或传播路径中物体的运动引起。数字移动通信3-44多普勒扩展多普勒扩展：接收的多普勒谱为非0值的频率范围，一般定义为BD＝最大多普勒频移fm＝/v数字移动通信3-45相关时间定义相关时间就是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。在相关时间内，两个到达信号有很强的幅度相关性。相关时间是多普勒扩展在时域的表现形式，用于在时域描述信道频率色散的时变特性。数字移动通信3-46相关时间定量计算1）2）若时间相关函数定义为大于0.5时，相干时间近似为：3）工程上：1cmTfmmcffT423.01692916cmTf数字移动通信3-47多普勒扩展与相关时间的关系运动速度和信号频率多普勒扩展相关时间实例：移动台速率为60km/h，载频为900MHz，相关时间2.22ms相关时间由多普勒扩展决定，两者之间成反比关系。GSM系统（900MHz）步行（5km/h）:4.1667Hz车载（60km/h）:50Hz高铁（300km/h）:250HzGSM系统信道带宽200kHz！数字移动通信思考：在上面的例子中，传输速率为200bit/s和2000bit/s时，在经过该信道后，