第5章-小尺度衰落

1移动无线信道（II）第5章小尺度衰落和多径效应2主要内容回顾小尺度上移动无线信道对信号的影响多径信道冲击响应模型移动多径信道参数及小尺度衰落类型瑞利衰落分布和莱斯衰落分布平坦衰落的Clarke模型及其仿真电平通过率与平均衰落持续时间3回顾前一章里，我们主要讨论了信号随传播距离d变化的规律。我们注意到，对这方面规律的认识对蜂窝系统及其他无线系统的规划与设计起着决定性作用——比如，就特定传播环境下的链路预算而言，路径损耗指数n和大尺度衰落容限等概念是必不可少的。简而言之，对路径损耗和大尺度衰落的研究为人们从宏观上认识移动无线信道对信号的影响提供了依据。4但是，另一个问题就出现了——微观上，或者说小尺度上信道对信号存在什么样的影响呢？考虑右图所示的简单的电波传播场景：BS发MS收。路径损耗和大尺度衰落研究只回答了BS发出信号传播到距BS为d处时的损耗状况，那么在MS匀速移动远离BS的过程中又发生了什么呢？5MS到BS的多径传播6小尺度衰落效应在小尺度（几倍波长）上，移动无线信道主要对传播信号存在以下几种效应：由多径传播造成的信号强度在短距离（短时间）上的急剧变化。接收信号幅度变化多普勒频移。接收信号载频变化多径时延引起信号的时间色散。基带解调信号波形失真我们将这些效应统称为多径效应或小尺度衰落效应。7多径传播在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑物低很多，因此不存在从移动台的基站的单一视距传播，这样就导致了衰落的产生。即使存在一条视距传播路径，由于地面与周围建筑物的反射，同一发射信号会沿两条或多条路径传播后，以微小的时间差到达接收机，实际的接收信号则由这些信号合成得到。这种无线电波沿着多条不同的路径的传播，称为多径传播。由于各条到达接收机的传播路径不同，信号所经历的路程也就不同，这样到达接收机的不同多径信号之间存在着幅度、相位和入射角度上的差异。另一方面，路程不同也决定了各多径信号在到达时间上的差异。8小尺度衰落简单的接收机无法辨别多径传播的不同的多径分量，而仅仅是将它们加起来，以致于它们彼此之间相互干涉。这种干涉可能是相长的、也可能是相消的，这要依赖于各个多径分量的相位状态。而相位状态主要取决于相应多径分量的传播路径长度，从而也就依赖于移动台及相互作用体的位置。因此，如果发射机、接收机或者相互作用体处于运动之中，干涉信号以及相应的合成信号幅度都会随着时间而变化。这种效应——即，由于不同多径分量的相互干涉而引起的合成信号幅度的变化——称为小尺度衰落（small-scalefading）。910室内接收功率实测曲线测试条件：发射机固定，接收机移动，并逐渐远离发射机。载频2GHz（波长0.15m）。实时接收功率接收功率的本地均值111213小尺度衰落反映的是在短距离（几倍波长）上接收信号强度的变化情况。实测表明，移动无线信道中，在与波长相当的距离上，信号强度的变动范围可能达到30～40dB。这意味着在发生短距（短时）变化时，信号功率可能会有1000～10000倍的变化发生。这样的变化情况不采取一定措施是无法保证接受质量的。应该指出，我们强调的“移动无线信道”的移动性并不仅仅来自移动台，传播环境中也会存在各式各样移动的相互作用体。所以，即使移动台不移动，小尺度衰落现象同样存在。14多普勒（Doppler）频移什么是多普勒效应如何计算多普勒频移多普勒效应引起对信号的随机调频。15多普勒效应由于相对运动而引起的频率变化称作多普勒效应。最早由Doppler在研究声波传播时发现。电波传播过程中，也会存在由于移动台或（相互作用体）的运动而造成的接收频率与发射频率出现差异的现象，这种现象也被称为多普勒效应。多普勒效应所引起的频率偏移称作多普勒频移。16计算公式推导（1）MS匀速远离基站移动，速率为v。考虑行进路径上距离极短的两点：A点和B点。设两点相距Δd，从A到B移动耗时为Δt。电波频率为f，波长为λ。v入射电波ΔdBSMSAB结论：接收频率fre=fc+fd，其中fc为发射载频，fd为多普勒频移。此时，fd=－v/λ017计算公式推导（2）首先，假定所传输的是纯正弦载波，载频为fc，波长为λ；并设A点处电波（均匀平面波）信号可以表示为：。则传播到B点处时，信号可以表示为：。)tf2cos(A)t(s0c0c0cd2tf2cosAcdtf2cosA)cdt(sB点是波传播方向上后出现的点！！18计算公式推导（3）要计算频率的偏移量Δf，应该先计算从A点到B点相位的变化量Δφ。因为有：。考虑到电波（平面波）传播在波长λ的传播距离上相位变化为2π，并且在Δdλ时有：。tf21d219计算公式推导（4）。一般我们将这个频率的改变记作fd。上式告诉我们，在MS匀速远离BS的情况下，多普勒频移为负值，并且等于移动速率v和电磁波波长λ的商，即vvtftvd22121。vfd20计算公式推导（5）：类似地，我们可以得到MS匀速靠近基站移动，速率为v。考虑行进路径上距离极短的两点：B点和A点，有：。vfdv入射电波ΔdBSMSAB结论：接收频率fre=fc+fd，其中fc为发射载频，fd为多普勒频移。此时，fd=＋v/λ021推广的结论其中，θ为入射波与MS运动方向的夹角，0θπ。v入射波θMS。cosvfd22例（课本pp124例5.1）发射载频fc=1850MHz，v＝60mph，1mile=1609m，求以下情形的多普勒频移：（1）接收机运动方向与入射波方向正好相反；（2）接收机运动方向与入射波方向正好相同；（3）接收机运动方向与入射波方向垂直。23多普勒效应引起的随机调频实际情况并没有刚才我们设定的——只有单一入射波且MS匀速移动——那么简单，而往往是在不同多径信号上存在着时变的多普勒频移，这就引起了对接收信号的随机调频。这与移动台的运动速度、运动方向及接收机多径波的入射角度有关。应该指出，由于要考虑移动性（不仅仅是移动台的移动），当移动速率有所增加时，多普勒频移就会加大，同时也意味着信道随时间变化得越快。24多径传播时延引起的时间弥散多径传播的每个多径波到达的接收机的路径不同，因此他们到达的时间也不同，每个多径波在接收机处并不是完全对齐的，这样一个基带信号的符号所占用的时间将会超过其本来符号周期。从而对其它的符号产生串扰，即码间串扰，这样就会引起信号模糊。60125影响小尺度衰落的因素多径传播移动台的运动速度环境物体的运动速度信号的传输带宽26两种运动速度的影响若环境物体的运动速度大于移动台的运动速度，那么这种运动将对小尺度衰落起决定性作用。反之，可以仅考虑以移动台运动速度的影响，而忽略环境物体的运动的影响。27多径信道冲击响应模型的特征由于移动通信信道的输出信号是输入信号经多条路径到达接收机的总和，因此可以看做是线性滤波器。接收机位置不同，多径信号的情况不同，因此其冲击响应模型是位置的函数。而位置又是时间的函数，因此该模型是时变的。28时延段量化技术在移动通信中，将信道冲击响应的多径时延τ量化为多个相同的时延段，称为附加时延段。每段时延宽度均为，其中，表示接收机第一次接收到的信号。则有其中N表示相等间隔的多径分量的的最大数目，包括第一次到达的分量。这种量化技术确定了信道冲击响应模型的精确性，表示该模型可以用于分析带宽小于的传输信息。1ii000iiiN2/29冲击响应的表示多径信道的冲击响应模型可表示为：假设信道在一小段时间内具有时不变特性，则：t时刻第i多径分量的实际幅度第i多径分量自由空间传播的相移第i多径分量在信道中的附加相移t时刻第i多径分量的附加时延10(,)(,)exp(2()(,))()Nbiciiiihtatjfttt10()exp()()Nbiiiihaj30时变信道的冲激响应实例31信号带宽与接收功率的关系在实际的无线通信系统中，一般采用信道测量技术来获得多径信道的冲激响应。考虑两种极端情况下的信道测量技术：脉冲测量信号（宽带）连续波测量信号（窄带）32脉冲测量信号情况（1）设输入为一个有规律的无线信号其中，p(t)是宽度(Tbb)很窄的周期性脉冲序列，其重复周期为：TREP≥τmax（最大附加时延）；fc是载波频率。令且令p(t)对其他所有有意义的附加时延来说都为0。()Re()exp(2)cxtptjftmax()2/0bbbbptTtT33脉冲测量信号情况（2）多径信道的输出r(t)为p(t)与hb(t,τ)的卷积：t0时刻的接收功率为：maxmax2*max01100max01()()()d11Re()()()()exp(())d4NNjijijijirtrtrttatatptptjt101()exp()()2Niiiirtajpt34脉冲测量信号情况（3）经化简得：假设多径分量接收功率构成了一个随机过程，其中各分量有随机分布的幅度和相位，可以证明，脉冲测量信号平均小尺度接收功率为：122000()()Niirtat1122,,00[]exp()NNaWBaiiiiiEPEaja35连续波测量信号情况（1）令测量信号的复包络为：c(t)=2则瞬时接收信号的复包络为：瞬时接收功率为：平均接收功率为：其中，为路径幅度相关系数。10()exp((,))Niiirtajt2120()exp((,))Niiirtajt21112,CW,0000,[]exp()2cos()NNNNaaiiiijijiiijjiEPEajar[]ijaijrEaa36连续波测量信号情况（2）当时，有：此种情况出现的条件为：多径分量的相位均匀分布在[0,2π]之间；不同路径分量的幅度不相关。这两个条件对大多数环境都成立。cos()00ijijr或12,CW0[]NaiiEPa37结论接收的宽带和窄带信号的总平均功率是相等的。当传输信号的带宽远大于信道带宽时，接收机可分离多径分量。当传输信号的带宽小于信道带宽时，多径分量不可分离，并会导致大幅度的衰落。38实测的冲激响应室内，4GHz载频，5倍波长的尺度上39移动多径信道的描述参数移动无线信道中同时存在两个效应：多径传播效应和多普勒效应。前者造成信号的时延扩展，后者造成信号的频率扩展。那么，1.如何描述多径时延？2.如何描述多普勒频率扩展？40多径时延的统计描述1）功率延迟分布2）平均附加时延3）均方根时延扩展4）信道的相关带宽Bc5）时间的延迟对应于频率的相关程度)(P41功率延迟分布P(τ)：自变量τ是相对于固定时延参考的附加时延（所谓固定时延参考可以是最先到达接收机的那个多径分量的传播时延），函数P(τ)表示瞬时接收功率的平均值随附加时延的变化情况。42功率延迟分布的测量多数多径信道的参数都与功率延迟分布有关，一般主要考虑其统计特性。为了获得其统计特性，可通过信道测量获得瞬时功率延迟分布，再求其统计值，便可获得功率延迟分布的特性。在信道测量时，为了避免大尺度衰落的影响，一般情况应满足以下条件：采样的空间距离小于1/4λ;对室外情况，接收机的移动距离小于6m对室内情况，接收机的移动距离小于2m43室外的功率延迟分布例44室内功率延迟分布例45就功率延迟分布的说明总的来说，接收功率随附加时延增长而衰减，直至不能从噪声中分辨出信号功率为止。理论上，人们曾经建立过这样的功率延迟分布模型：。即功率随附加时延的增长呈指数衰减规律，其中为附加时延平均