2-衰落信道-1

2007-081现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室叶芝慧2007-082现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室第2讲衰落信道衰落信道对通信的影响无线移动信道传播特性信号时间扩展移动引起的信道时变性降低衰落影响的方法衰落信道的主要参数2007-083现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室当二十世纪五、六十年代首次对通信信道中产生衰减的机制进行建模的时候，此模型主要是用于分析在一个很宽的频带上沿着地表进行的通信。电离层传输的3~30MHZ高频（HF）频带、对流层散射的300MHZ~3GHZ甚高频（UHF）和3~30GHZ超高频（SHF）信道，这些都是受衰落影响的信道。本讲将重点分析UHF频段中的瑞利（Rayleigh）衰落，该衰落对移动通信系统产生影响，如蜂窝通信系统。重点介绍基本的衰落原理、衰落的类型以及减少衰落的方法。2007-084现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.1衰落信道对通信的影响分析系统性能时以理想加性高斯白噪声信道为分析基础。噪声来源接收机中产生的热噪声。进入天线的自然噪声和人为的噪声。影响可用天线温度描述。热噪声在有用信号频带范围内的功率谱密度是平坦的，概率密度函数是零均值的高斯密度函数（pdf）。移动通信外部噪声和干扰比接收机内部热噪声的影响大。在建模实际系统时，下一步是分析带限滤波器，在发射机中它用于将传输信号限定在给定频谱范围内；在接收机中带限滤波器通常采用匹配滤波器。由于滤波器的频带限制以及相位失真，必须采用特殊的信号设计和均衡技术以减少滤波器引起的码间串扰。2007-085现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室在分析无线信道的传输特性时，通常认为信号衰减与距离的关系与自由空间传播时一样。在自由空间模型中，假定信号从发射端到接收端的传输过程中射频能量不会被物体吸收或反射，也假定大气层对信号没有影响，且认为信号的传输是远离地球的（或认为可以忽略各种反射的影响）。在理想空间信道中，射频能量的衰减和收、发端距离的平方成正比，衰减Ls(d)称作路径损耗或自由空间损耗。当接收天线是迷向（各向同性）时，Ls(d)可以表示为(2.1)d是收、发端的距离，λ是传输信号的波长。2.1衰落信道对通信的影响2007-086现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室在这种理想传输中，接收信号的能量可以被精确预测。但在大多数实际信道中，信号的传输是在靠近地球的空气中进行的，所以理想空间模型对描述信道特性和预测系统的性能是不够的。在无线移动通信系统中，信号从发射端可以通过多条反射路径到达接收端，这种现象称为多径传输。它会使接收信号的振幅、相位以及角度产生波动，这种现象称为多径衰落。端到端的系统建模和设计采用多种技术的综合以减少衰落的影响，它比仅因AWGN而引起降级的信道设计要复杂得多。2.1衰落信道对通信的影响2007-087现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性图2.1衰落信道的分类2007-088现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性两类衰落：大规模衰落和小规模衰落。大规模衰落表示由于在大范围内移动而引起的平均信号能量的减少或路径损耗。原因是收、发端间地表轮廓的影响。大规模衰落常用平均路径损耗（服从n次方律）和围绕均值的对数正态分布变量来描述。小规模衰落是指信号的幅值、相位的动态变化，反映在收、发端间空间位置的微小变化（小至半个波长）上。小规模衰落表现为：信号的时延扩展（信号弥散）和信道的时变特性。信道的时变特性是由于发和接相对移动而造成传输路径的变化。传输路径的变化速率影响衰落速率。如果存在大量反射路径而不存在视行信号分量，此时的小规模衰落称作瑞利衰落，接收信号的包络由瑞利pdf统计描述。若存在一个没有衰落的主要信号分量，则接收信号的小规模衰落的包络服从Rician分布。当信号的视行路径被阻挡时小规模衰落服从瑞利分布，否则服从Rician分布。无线移动通信跨越比较大的区域，其信号必然同时受大规模衰落和小规模衰落的影响。2007-089现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性大规模衰落可看成是信号的小规模波动的空间平均。为了从大规模阴影效应中去除信号的小规模波动影响，常将接收信号在10~30个波长上求平均来估计。有3种影响信号传播的基本方式：反射当电磁波在传输时遇到尺寸远大于RF信号波长λ的光滑表面时，会出现反射现象。衍射当收、发端之间的路径存在密度较大的物体，其尺寸比λ大，就会在阻碍物之后产生次级波。衍射出现的原因是收、发端之间没有视行路径，RF信号的能量不能直接到达接收端。常称为遮蔽，因为即使存在不可穿透障碍物，衍射场仍能到达接收机。散射当信号传输中遇到大的、粗糙的表面，或者尺寸与λ相当的表面时，其能量会发生散射或向所有的方向反射。传输路径上任何使信号发生散射或反射的物体都称为散射物。2007-0810现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性小规模衰落的原因是信号的时延扩展和信道的时变特性，可以从时域和频域两个角度来加以研究。根据信号的时延扩展，衰落可以分为频率选择性衰落和频率非选择性（平坦）衰落。根据信道的时变特性，衰落可以分为快衰落和慢衰落。在无线移动应用中，进行链路预算时必须估计路径损耗。估计路径损耗应考虑以下几个因素：（1）对于大规模衰落，平均路径损耗是距离的函数；（2）平均路径损耗接近最坏情况的值或者大规模衰落的边界值（一般是6~10dB）；（3）接近最坏情况的瑞利衰落或者小规模衰落的边界值（一般是20~30dB）。2007-0811现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性利用复数概念，传输信号可以写成（2.2）Re{·}表示{·}的实部，fc是载波频率。基带波形g(t)称为s(t)的复包络，表达为（2.3）R(t)=|g(t)|是包络幅值，Ф(t)是相位。对纯频率或纯相位已调信号，R(t)是常量；对一般情况，R(t)相对于t=1/fc作缓慢变化。2007-0812现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性衰落环境下，g(t)被乘性因子α(t)e-jθ(t)修正，变化后的基带信号可表示为α(t)e-jθ(t)g(t)。包络的幅值α(t)R(t)可表示为a(t)R(t)=m(t)×r0(t)×R(t)(2.4)m(t)：包络的大规模衰落分量，r0(t)：小规模衰落分量。m(t)服从高斯正态分布。有时r0(t)还表示多径或瑞利衰减。图2.3：α(t)和m(t)之间的关系。假定是未经调制的载波，即式（2.4）中的R(t)=1。图2.3a描绘了接收信号能量与天线之间距离的关系。接收信号能量是乘性因子α(t)的函数。小规模衰落产生的两相邻零点幅值间的天线偏移约半个波长。图2.3b中，大规模衰落或局部均值m(t)已被移去，便于分析小规模衰落r0(t)。m(t)可通过计算接收信号包络在10~30个波长上的平均值而得到。对数正态衰落是位置的相对缓慢变化函数，而瑞利衰落则是位置的相对快速变化函数。2007-0813现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室图2.3大规模衰落和小规模衰落2007-0814现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性大规模衰落_无线信道传播模型Okumura给出了综合的路径损耗数据的测量。Hata归纳出参数方程。平均路径损耗是收、发端距离d的函数，它与d和参考距离d0之比值的n次方成正比，用数学表达式表示为（2.5）()PLd写成dB形式：（2.6）参考距离d0是远离发射天线的一个点与发射天线之间的距离。对大单元d0取1km，对微单元d0取100m，对室内信道d0取1m。Ls(d0)可由等式（2.1）求出或由测量得到。是给定d的平均路径损耗。()PLd2007-0815现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性大规模衰落在log-log坐标图中，dd0时，与d的关系是斜率为10ndB/10倍的直线。n取决于频率、天线高度和传输环境。在自由空间中信号传输服从倒数平方律，n等于2。如果存在强烈的导波，n可能低于2。当有障碍物的时候，n比较大。图2.4给出了在德国一些地点测出的路径损耗与距离的关系。d0=100m。图中也给出了不同指数值时对应的直线。式（2.6）表达的路径损耗对距离的关系是一个平均值。对相同的T-R，不同地方的周边环境不同，有必要对均值方程作修改。图2.4说明在某些情况下路径损耗值的修改有可能比较大。测量结果显示，任意d的路径损耗Ld是一个均值为、服从对数正态分布的随机变量。()PLd2007-0816现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室图2.4在德国一些地方测量的路径损耗与距离之间的关系2007-0817现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性大规模衰落路径损耗Lp(d)可由加上一个随机变量Xσ得到()PLd（2.7）Xσ:零均值、标准方差为σ（dB表示）的高斯随机变量。Xσ是与位置、距离无关的量。由于Xσ和Lp(d)是随机变量，必须确定Xσ的初始值。通常根据测量结果确定，Xσ的值一般为6~10dB或更高。对给定收、发端距离的任意单元，统计描述大规模衰落造成的路径损耗参数有：（1）参考距离（2）路径损耗指数（3）Xσ的标准方差2007-0818现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性小规模衰落小规模衰落r0(t)。假设大规模衰落m(t)的影响是个常数，又假设天线是移动的，存在多条传输散射路径，每条对应一个时变传输时延τn(t)和一个时变乘性因子αn(t)。收到的带通信号为（2.8）将等式（2.2）代入式（2.8），有（2.９）接收信号的等效基带信号为（2.10）2007-0819现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性小规模衰落分析未经调制的载波传输，即g(t)=1，则（2.11）其中θn(t)=2πfcτn(t)。z(t)由一组时变矢量叠加而成，每个矢量振幅αn(t)，相位θn(t)。τn每改变1/fc，θn(t)变化2π。对fc=900MHz的蜂窝接收机，时延1/fc＝1.1ns。在自由空间中，对应的传输距离为33cm。因此较小的传输延迟，θn(t)就有明显变化。在当信号在两个路径方向上有16.5cm的路径差时，两个到达信号将会有180度的相位差。矢量的叠加有时增大z(t)的振幅，有时减小z(t)的振幅，式（2.11）的z(t)可以更简洁地表示为（2.12）其中α(t)是合成振幅，θ(t)是合成相位.2007-0820现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室图2.5多径反射信号对期望的信号的影响图2.5举例说明了多径信道引起衰落的原因，如所述。图中一个反射信号相对于期望的接收信号有一个相位延迟。反射信号的幅度衰减是障碍物反射的综合结果。2007-0821现代移动通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2.2无线移动信道传播特性小规模衰落当接收信号由多个反射信号和一个未经衰落的视行信号叠加而成时，包络服从Rician分布，称作Rician衰落：（2.14）式中σ2表示多径信号检波前的功率，A表示非衰落信号部分（称为镜像分量）的幅度峰值，I0(·)是0阶第一类修正Bessel函数。若镜像分量幅值0，则Rician的pdf趋于瑞利分布的pdf，为当没有镜像分量时，信号服从瑞利分布，对单个链路表示平均接收能量的最差情况。若没有说明，由衰落引起的信噪比损耗都服从瑞利分布，并且假设信号传播是在UHF波段，包括蜂窝通信。2000220exp,0()20,othersrrrpr