《电波传播理论》课件 移动通信电波传播的小尺度衰落特性

15
3、电平通过率
电平通过率：在单位时间内信号振幅（包络） 以正斜率通过某规定电平的预期速率
❖ 慢衰落表明：至少在一个符号周期内，信号 所经历的信道响应不发生变化
❖ 说明的问题：多普勒扩展（或者说收发信机
及信道中障碍物的相对运动是产生无线信道
时变性的根源）
2020/11/29
7
第4节、小尺度衰落中幅度衰减的 统计特征
❖ 基本信号模型
接收信号由来自很多来自不同路径的反射、折射 或散射的发射信号副本在接收机端叠加构成
慢衰落 1、低多普勒扩展 2、相关时间>符号周期
TC
BS
传 输 的 基 带 信 BC 号 带 宽
频率选择性快衰落 平坦快衰落
TS
频率选择性慢衰落 平坦慢衰落
2020/11/29
BS 4
1、多径时延扩展引起的衰落效应
❖ 平坦衰落（最简单的衰落信道模型）：
信道相干带宽大于传输信号的带宽，接收信号电 平服从瑞利或赖斯分布（后面详细介绍原因）
❖ 原因：存在主径时，接收信号服从非零均值正态分 布，与瑞利分布的假设不同。
p
r
r2
exp
r2 A2
2 2
I
0
Ar
2
0
A 0,r 0 r 0
2020/11/29
12
第5节、描述小尺度衰落特性的统 计参量
❖ 统计参量：
场强均值、电平衰落率、电平通过率、衰落持续 时间、时延扩展、相干带宽、多普勒扩展、相干 时间
(R js) exp[ j(0t 0 )]
N
N
1
At [( ai cos i )2 ( ai sin i )2 (R2 S 2 ) 2
i 1
i 1
N
N
N
N
R ai cos i Ri ; S ai sin i Si
i 1
i 1
i 1
i 1
i
i
kvtcosi ; t
tan1
S R
2020/11/29
9
❖ R和S都是独立随机变量之和，根据概率论的 中心极限定理：大量独立随机变量之和接近 正态分布，且，R和S零均值互相独立，所以
p(R)
1
e
R2
2
2 R
;
p(S
)
2 R
1
e
S2
2
2 S
2 S
❖令
r 2 At 2 R2 S 2
t
tan1
S R
❖ 信号包络（电平）的pdf是
接收信号只需要做幅度调整即可接收
2020/11/29
5
❖ 频率选择性衰落：
信道相干带宽小于传输信号的带宽 存在ISI，接收机需要做均衡才能接收。
2020/11/29
6
2、多普勒扩展引起的衰落效应
❖ 快衰落和慢衰落：根据传输的基带信号相对 于信道的变化率而言的变化快慢
❖ 快衰落表明：在一个符号周期内，信号所经 历的信道响应发生变化（变化多于1次）
第七章、移动通信电波传播的 小尺度衰落特性
移动通信电波传播的小尺度衰落，或称为
简单衰落、多径衰落是用来描述一小段时间内 或一小段传播距离内信号在幅度、相位或多径 延迟上的快速波动。在移动通信信道中，电波 传播的小尺度衰落与随路径缓慢变化的大尺度 衰落叠加在一起，因此，我们研究移动通信电 波传播特性时，既要研究电波传播的路径损耗 特性，又要研究它的小尺度衰落特性。
2020/11/29
2
第2节、多普勒问题
❖ 当移动台正对发射台运动时，多普勒频移为正的最 大值；当移动台向着远离发射台的方向运动时，多 普勒频移为负的最大值。当移动台的运动方向垂直 于来波方向时，此时无多普勒频移。
fd
2
1
2
t
v cos
2020/11/29
3
第3节、小尺度衰落的分类
小尺度衰落 （基于多径时延散布）
时延散布和相关带宽描述了信道在局部的时延散 布特性
多普勒扩展和相关时间可用来描述信道在小尺度 区域内的时变特性
2020/11/29
13
1、场强均值
❖ 均值指电场强度（或接收电平）超过50％时 间的电场（电平）值，即在累积概率分布函 数中为50％的那一点的电场值。
❖ 例，瑞利衰落信号的场强均值
rm2
2020/11/29
1
第1节、小尺度衰落概念
❖ 概念：来自不同传播路径的电波在接收天线处相互 干涉而使接收天线接收到的场强矢量和振幅以及相 位上随时间急骤变化，使信号很不稳定的现象称为 衰落现象。
❖ 小尺度衰落的因素包括：
一小段传播时间或传播距离上信号强度的快速变化； 由多径信号不同的多普勒频移造成的随机频率调制； 由多径延迟造成的时延散布。
平坦衰落 1、信号带宽<信道带宽 2、时延散布<符号周期
小尺度衰落 （基于多普勒扩展）
快衰落 1、高多普勒扩展 2、相关时间<符号周期 3、信道变化比基带信号变化快
频率选择性衰落 1、信号带宽>信道带宽 2、时延散布>符号周期
TS
传
输
符
号
的
符
号
周 期
平坦慢衰落 频率选择性慢衰落
平坦快衰落 频率选择性快衰落
p(R, S)
1
e
At 2 2 2
2 2
p(r)
2 0
r
re 2 2 d
r
2
r
e 2 2
(0 r )
0 ( r 0)
2020/11/29
10
2、双线瑞利衰落模型
❖ 瑞利衰落假设所有路径的发射信号副本时间 延迟相同，但是，通常需要考虑不同时间延 迟的路径信号时，需要使用双线甚至多线瑞 利衰落模型
P(r rm ) 1 e 2 2 50% 0.5
rm 1.177
2020/11/29
14
2、电平衰落率
衰落率指信号振幅（包络）在单位时间里以 正斜率通过中值电平的次数
衰落率与发射频率、移动体的移动速度和行进 方向以及多径传播的路径数有关
平均衰落率：
wk.baidu.com
A
V
1.85103 V f
Hz
2
2020/11/29
每一条路径的发射信号副本具有不同的相位
所有路径的发射信号副本时间延迟相同（或者说 ，信号副本之间的时间无法分辨）
S0 (t) a0 exp[ j(0t 0 )]
N
S(t) Si (t) i 1
2020/11/29
8
1、瑞利分布
❖ 接收信号为
N
S(t) ai exp[ j(0t i )] At exp( i ) exp[ j(0t 0 )] i 1
hb (t) 1 exp( j1) (t) 2 exp( j2) (t )
2020/11/29
11
3、赖斯分布
❖ 在城市环境中，电波传播的直射波射线常常被障碍 物所阻挡，接收信号电平服从瑞利分布，但如果有 主要的一条类似于直射波射线的静态（非衰落）信 号分量存在，那么小尺度衰落的包络分布就是莱斯 分布。