第二章-信道模型

1国家重点实验室第二章信道模型2国家重点实验室第二章预读文献1.RichardB.Ertel，etal,OverviewofSpatialChannelModelsforAntennaArrayCommunicationSystems,IEEEPersonalCommunications,February1998,pp:10-22.3国家重点实验室第二章预读文献(2)2.A.F.Molisch,WidebandWirelessDigitalCommunications,电子工业出版社。第3章：无线移动信道4国家重点实验室2.1信道模型•信道是指以传输媒质为基础的信号通道译码器调制器发转换器媒质收转换器解调器编码器调制信道编码信道输入输出5国家重点实验室2.1信道模型•调制信道模型线性时变网络si(t)so(t)加性白噪声[]f反映了信道特征，不同的物理信道具有不同的特征()()()()()oirtstntfstnt=+=+⎡⎤⎣⎦输入的已调信号调制信道对输入信号的响应输出波形()()()()ioifstststct==∗⎡⎤⎣⎦信道单位冲击响应()()()()ioifstststct==∗⎡⎤⎣⎦()Ctc=+()ist()()()irtcstnt=+()nt加性高斯噪声信道模型线性滤波器c(t)+()ist()()()()irtctstnt=∗+()nt带有加性噪声的线性滤波器信道模型线性时变滤波器c(t,τ)+()ist()()()(),irtctstntτ=∗+()nt带有加性噪声的线性时变滤波器信道模型6国家重点实验室2.1信道模型•在无线移动通信工作环境中，电波不仅随着传播距离增加会发生弥散损耗，并且受地形、建筑物的遮蔽影响将产生“阴影效应”；•而且信号经过多点反射还会从多条路径到达接收点，这样，多径信号的幅度、相位和到达时间不同，相互叠加会产生电平快衰落和时延扩展；•另外，移动通信由于快速移动，不仅引起多普勒频移产生随机调频，而且会使电波传播特性发生快速的随机起伏。•因此，无线移动通信环境是一种随时间、环境和其他外部因素变化而变化的传播环境。7国家重点实验室2.1.1不考虑空间特性的信道模型（采用全向天线）8国家重点实验室一、信道基本特性•移动通信大多采用300MHz-10GHz的频段，这些频段的最大波长只有10m，与信号传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的相比要小的多，故电波主要是以直射、反射、散射、绕射等方式传播，因此到达接收端的信号可能不是单一路径来的，而是通过许多路径上到达的。•接收端的信号是这些多径信号的叠加。这些沿不同路径传播的信号大体上是相互独立的，同时也是随机的，每一径的幅度、相位、到达时延都不同，因此，接收端的叠加有时候是同相叠加从而使信号强度增强，有时候又是反向叠加使信号强度明显降低，而且随着距离的变化也会出现这种情况，这就使得接收信号在时域和空域呈现急剧变化，称为快衰落。地面波传播天波传播地面反射波直射波传播9国家重点实验室一、信道基本特性1.多径(MultiplePaths)￭直射波￭大物体的反射(Reflect)和电磁波的绕射(Diffract)￭信号的散射（Scattering）RRSD灯柱D点到点的传输10国家重点实验室一、信道基本特性2.多普勒频移（DopplerShift）发射台或接收台和/或信道中其他物体的运动造成例如：f0=900MHz,λ=1/3mCase1:v=54km/h=15m/s;fmax=v/λ=45HzCase2:v=360km/h=100m/s;fmax=v/λ=300Hz信号的行程差Æ相位差Æ频移22cs=ovtdππλθφλ=ΔΔΔ1cos=csfo2mDvftφθθπλΔ==Δ11国家重点实验室一、信道基本特性R是地面反射系数，忽略反射面的衰耗。简单两径反射信道时延扩展12国家重点实验室一、信道基本特性如果发射信号相对时延扩展是窄带的有：窄带接收信号的功率为：直射信号和反射信号的相位差最大时延扩展13国家重点实验室临界距离n≈2n≈4发送天线高度=50m两路信号正向相加小范围的衰落Pr∝nrdP−∝Log10(50)=1.69914国家重点实验室一、信道基本特性mhhdrtc800/4==λ举例：Determinethecriticaldistanceforthetwo-raymodelinanurbanmicrocell(ht=10m,hr=3m)andanindoormicrocell(ht=3m,hr=2m)forfc=2GHz.Solution:fortheurbanmicrocellandfortheindoorsystem.mhhdrtc160/4==λ合适？15国家重点实验室一、信道基本特性Acellradiusof800minanurbanmicrocellsystemisabitlarge:urbanmicrocellstodayareontheorderof100mtomaintainlargecapacity.However,ifweusedacellsizeof800munderthesesystemparameters,signalpowerwouldfalloffasd2insidethecell,andinterferencefromneighboringcellswouldfalloffasd4,andthuswouldbegreatlyreduced.Similarly,160misquitelargeforthecellradiusofanindoorsystem,astherewouldtypicallybemanywallsthesignalwouldhavetogothroughforanindoorcellradiusofthatsize.Soanindoorsystemwouldtypicallyhaveasmallercellradius,ontheorderof10-20m.16国家重点实验室信道基本特性β=2π/λ17国家重点实验室信道基本特性多径的多少取决于基站的高度和周围的环境18国家重点实验室平均路径损耗（对数正态分布）平均值的慢变化快变化（瑞利分布）地面环境传输效应微观衰落：几个波长内平均宏观衰落：几十个波长内平均接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，这就是多径衰落引起的，又称为快衰落，或小尺度衰落。信道基本特性在该波长范围内，信号的短区间中心值也出现缓慢变化的特征，这是阴影衰落，或大尺度衰落。19国家重点实验室一、信道基本特性--平坦衰落信道()()()()ytatxtnt=+时变的衰减，即衰落()tα可服从以下分布1）当存在大量统计独立的散射体，并且没有一个散射体占主导地位]2exp[)(222σασαα−•=pdf∞≤α0瑞利分布，Rayleigh2）有一个散射体占主导地位（通常称为视距LOS分量）)(]2exp[)(202222σασασααAIApdf•+−•=∞≤α0莱斯分布，Rice]exp[)()(2)(212Ω−•Ω•Γ=−αααmmmpdfmm3）从实际中测量得出的2/1;0≥≥mαNakagami-m：纳卡伽米分布第一类零阶贝塞尔函数占主导地位信号分量的幅度莱斯参数222AKσ=()0,AKdB→→−∞莱斯分布转变为瑞利分布1m=瑞利分布()2121kmk+=+莱斯分布衰落参数，控制信号衰落的程度20国家重点实验室一、信道基本特性大范围内的幅度均值分布•瑞利衰落和莱斯衰落被称为小尺度衰落，描述的是大约10个波长范围内幅度的变化。•大尺度上，实验表明小尺度平均幅度F服从对数正态分布]2))(ln(exp[21)(22FFFFFpdfσμπσ−−•=μF,是ln(F)的均值和方差，其均值主要由基站和移动台之间的路径损耗决定，方差通常在4~8dB之间。平均值的慢变化：（F＝σ2信号的功率）Fσ21国家重点实验室二、传播预测模型•设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。这样，才能进一步设计系统或设备的其他参数或指标。•给定条件：发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度及收发信机之间距离等。•这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。信号的中值是指长区间中值。22国家重点实验室‡Okumura（奥村）模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF和UHF频段。‡Okumura模型的特点是：¾以准平坦地形大城市地区的场强中值或路径损耗作为基准，¾对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。Okumura（奥村）模型23国家重点实验室‡自由空间基本路径损耗‡相对于自由空间的基本中值损耗；‡基站天线高度增益因子；‡移动台天线高度增益因子。¾第一项用基本公式计算，¾后三项由图表给出()()()fhHdhHdfALLmmbbmbsM,,,−−+=在大城市地区，当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时，相对于自由空间的中值损耗。准平坦地形大城市区的中值路径损耗24国家重点实验室‡郊区修正因子；‡丘陵修正因子；‡斜坡地形修正因子；‡水陆混合传播路径修正因子()()()isAhsmmbbmbsMkkkkfhHdhHdfALL−−−−−−+=,,,不规则地形及不同环境的中值路径损耗25国家重点实验室课程回顾•信道基本特性-多径和多普勒频移•信道基本特性-平坦衰落信道，包络分布函数•传播预测模型1cos=csfo2mDvftφθθπλΔ==Δ平均路径损耗（对数正态分布）平均值的慢变化快变化（瑞利分布）地面环境传输效应微观衰落：几个波长内平均宏观衰落：几十个波长内平均()()()fhHdhHdfALLmmbbmbsM,,,−−+=计算两径接收功率，临界距离？1cos=csfo2mDvftφθθπλΔ==Δ26国家重点实验室二、传播预测模型•Hata模型Hata模型是由Okumura提出的一个图解的平均路径损耗经验公式，适用于150MHz到1500MHz。Hata将城市地区传播损耗表示为一个标准公式，并给出了在其他情况下应用的校正公式。城市地区中值路径损耗标准公式如下式：50()()69.5526.16log13.82log(44.96.55log()log)recteteLurbandBfhhhda=+−−+−其中，fc是载波频率(MHz，150MHz－1500MHz)，hte是发端(基站)天线有效高度(m，30m－200m)，hre是收端(移动台)天线有效高度(m，1m－10m)，d是收发端距离(km，1km－20km)，a(hre)是移动台天线的校正参数，是覆盖面积的函数。htehte27国家重点实验室二、传播预测模型•Hata模型对于中小城市，移动天线的修正因子为：对于大城市，移动天线的修正因子为（建筑物平均高度超过15m）)8.0lg56.1()7.0lg1.1()dB)((−−−=crecrefhfha1.1)54.1(lg29.8)dB)((MHz3002−=≤rerechhaf时，当2300MHz()()3.2(lg11.75)4.97crerefahdBh≥=−当时，接收天线和载频相关接收天线相关28国家重点实验室例题•大城市地区基站天线高度40m，发射频率为800MHz，移动台天线高度为2m，通信距离为15km，求中值路径损耗。29国家重点实验室二、传播预测模型•IMT-2000室内路径损耗模型室内办公室测试环境路径损耗模型室内路径损耗(dB)模型以下面简化形式表示，它来自COST231的附录l提出的室内模型。式中，R为收发信机的距离间隔(m)，n为在传播路径中楼层的数目。L在任何情况下应不小于自由空间损耗，可以期望12dB的对数正态阴影衰落标准偏差。1023730log18.30.461nLRnn+⎛⎞=++−⎜⎟+⎝⎠InternationalMobileTelecomSystem-2000,国际移动电话系统-2000：意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达20