无线信道的传输模型PPT

❖ ◆其次，由于用户台的移动性，传播参数随 时变化，引起接收场强的快速波动。
❖
❖ ◆移动信道是一种是时变信道。
❖
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❖在上述移动信道的三个主要特点以及传 播的三种主要机制作用下，无线电波通过 移动信道时,接收点的信号将产生：
❖1、三类损耗 ❖2、四种效应
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莱斯(Ricean)衰落
指含有一个强直射波的N个路径传播时，若每条路
径的信号幅度为高斯分布，相位在0~2为均匀分布，则
合成信号包络分布为莱斯分布。
p(r)r2exp r2 2 [ 22]•I0( r 2)
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Ricean分布与Rayleigh分布的 关系
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18.06.202弱0 的现象，即使离基站较远的用户产生掉话(通 27 信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。
❖ 阴影效应：由大型建筑物和其它物体的阻挡， 在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。 它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光 波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长 较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与 专用仪表可以测试出来。
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多径信号——小尺度衰落及分布
❖
❖
◆ Rayleigh衰落
❖
◆ Rice衰落
❖
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瑞利(Rayleigh)衰落
❖ 设无直射波的N个路径信号的幅值和到达接收天线的方 位角是随机的且统计独立
❖ 发送信号为：
so(t)a0ej2fct
❖
接收信号为： N r(t)
e e j(2[(fcfD )i(t)fD t] i) j2fct
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实际空间传播
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移动通信环境---场强测试曲线
C e llu la r sta tio n
Cn n V
R aBduioildTinogw e r
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复杂的移动通信信道
❖ ◆首先，传播环境十分复杂，传播机理多种 多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直 射、绕射、反射、散射。
18.0径6.202效0 应。这类多径干扰是非常复杂的，有时 30 根本收不到主径直射波，收到的是一些连续
❖ 多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移 动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起 的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这 一现象只产生在高速(≥70km/h)车载通信时， 而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内 通信，则不予考虑。
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n P (d ) d S (d )R (d )
d
表示移动台与基站的距离及方向性。当移动台运动时，距离又是时间 的函数。
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二种传播模型： 大尺度模型和小尺度模型
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二种传播模型（续）
✓ ◆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
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绕射（Diffraction）
❖ 当发射机和接收机之间的传播路由 被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射.
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散射（Scattering）
❖ 当电磁波的传播路由上存在小于波长的 物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目 非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表 面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、 街道标志和灯柱等.
信号谱密度
信号强度
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频率
快衰落
时间
慢衰落
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Baidu Nhomakorabea间选择性衰落
❖ 1)信道输入： ❖ 时域：单频等幅载波； ❖ 频域：在单一频率上单根谱线(脉冲)； ❖ 2)信道输出：
❖ 时域：包络起伏不平；
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传播路径
◆直射波---视距传播
◆反射波
发射天线
◆地表面波
直射波 反射波
地表面波
接收天线
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反射（Reflection）
❖ 当电磁波遇到比波长大得多的物体时， 发生反射。反射发生在地球表面、建筑 物和墙壁表面
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多径效应(3)－移动通信信道分析
❖ 时延扩展 频率选择性衰落 ❖ 频率扩展 时间选择性衰落 ❖ 角度扩展 空间选择性衰落
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4.1.2 时延扩展---频率选择性衰落
所谓频率选择性衰落是指在不同频
段上衰落特性不一样。
信号强度
信号谱密度
t0 t1t2 t3...
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❖ ◆定义： 由于移动信道中直射、反射和折射现
象的同时存在，使得发射信号通过不同的传播 路径，形成幅度、相位及到达时间相互区别的 多个信号而到达接收台；并且不同多径成分的 相位、幅度等都是随机、独立变化的；接收到 的信号由大量具有随机幅度，相位和到达角度 的平面波组成。这些多径分量在接收天线进行 矢量组合，从而使接收信号失真或衰落。
信道的传输模型
信道模型的分类
信道的传播模型可以分为： ❖ 大尺度传播模型和小尺度衰落。
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大尺度传播模型
定义：
❖ 描述了长距离内接收信号的强度的缓慢变化， 这些变化是由发射天线和接收天线之间传播 路径上的障碍物遮挡造成的。
主要的模型代表有：
Lee 模型、Okumura-Hata模型、 COST231-Hata模型、Walfisch-Ikegami模 型(WIM)、室内传播模型
概要
◆无线电波传播特性分析
★自由空间传播 ★陆地传播机制
◆移动环境下的信道分析
★移动无线传播环境
小尺度模型分析
★大尺度模型分析
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小尺度衰落模型分析
❖ ★ 多径效应 ❖ ★ 存在的衰落及分布 ❖ ★ 时延扩展及相干带宽 ❖ ★ 多普勒效应及相干时间 ❖ ★ 移动信道分类
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多径效应 （1）
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移动环境的场强特性
移动通信环境下场强变化剧烈
场强变化的平均值随距离增加而衰减 场强特性曲线的中值呈慢速变化---慢衰落 场强特性曲线的瞬时值呈快速变化---快衰
落
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❖ 2.接收信号中的四种效应
阴影效应：由地形结构起伏，不同障碍物对电 波的遮挡引起的随机性，表现为慢衰落
多径效应：由移动体周围的局部散射体引起的 多径传播，表现为快衰落
衰落周期，即与时域中的时延扩散程度
18.06.2020 成正比T2=1/L。
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频率选择性衰落其现象、成因与机理 如图所示：
1 L
f
宽带 移动信道
f L
2
t
t0
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t t0 t
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4.1.3 频率扩展---时间选择性衰落
所谓时间选择性衰落，是指在不同 的时间衰落特性是不一样的。
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❖ 为什么要研究无线信道?
❖ 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约, 移动无线信道具有多样性,同一无线空中接口在不同 的移动无线信道中的性能大不相同.
❖ 如何描述移动无线信道?
❖ 采用理论分析,场强实测统计和计算机模拟三种方法 .
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内容提要
❖
◆无线电波传播特性分析
均场强的变化，用于预测平均场强并估计无
线覆盖范围。
✓ ◆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
距离或短时间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技术措施。
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❖ ❖
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❖
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小尺度模型
定义：
❖ 描述短距离或短时间内接收信号强度快速变 化的。
模型代表：
❖ AGWN模型、Raleigh 时变信道模型、伦琴 衰落模型
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规划综合考虑
❖ 在规划中一般只考虑大尺度衰落，关心的是 接收点信号场强的平均值，因此只用到大尺 度传播模型，而小尺度衰落一般用在理论研 究中，用于传输技术的选择和数字接收机的 设计，在规划中一般不予考虑。
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❖ 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移
动用户与基站之间的距离也是在随机变化，
若各移动用户发射信号功率一样，那么到达
基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号
强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线
性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至
出现了以强压弱的现象，并使弱者，即离基
站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常
18.0称6.202这0 一现象为远近效应。
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❖ 多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂 性、使得接收到的信号不仅有直射波的主径 信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射 过来的多条不同路径信号。而且它们到达时 的信号强度，到达时间以及到达时的载波相 位都是不一样的。所接收到的信号是上述各 路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能 产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多
S ＝ PT / 4 d2
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d PT
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自由空间传播(2)
◆由于天线有方向性（设发射天线增益为GT）,则接收点 ❖的电波功率密度
S4P d T2G T (Wm2)
◆设接收天线的有效接收面积为 AR，则
2 AR 4GR
(m 2)
其中Gr为接收天线增益， 为自由空间波长
◆接收天线处的功率为:
i
❖ 令：
i 1
i 2[fc ( fD )i( t) fD t]i
N
x i cosi
i1
N
y i sini
i1
❖ 则： r(t)(xjy )ej2fct
❖ x和y是独立随机变量之和，根据中心极限定律， x 和y
趋于正态分布。因此合信号复包络 r x2 y2 为瑞利
18.06.❖2020分布即，：相位为均匀分布。p(r)r2exp2r2 [2] (r0) 42
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P R(4d)2P TG TG R (W )
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自由空间传播(3)
❖ 令：
Pr / PT = LS， 其中LS 定义为自由空
间传播损耗,
❖ 忽略天线增益的影响（理想点天线)
❖ 则： LS = (4 d / )2 = (4 f d / c )2 ❖ 以分贝数表示为：
L f s3 .4 2 2 4 ld 0 g (k) m 2l0 g f(M )( H d)B
多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引 起,多径条件下，引起多普勒频谱展宽
远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动 用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各 移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时 信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基 站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步 加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压
1. 三类不同层次的损耗
路径传播损耗：自由空间传播损耗（ Path loss）与弥散；
❖ 慢衰落损耗：主要由阴影效应引起；
❖ 快衰落：主要由多径效应和多普勒效 应引起。
❖
快衰落又可分为：空间选择性快
衰落、频率选择性快衰落与时间选择性
快衰落。
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接收信号的统计分析
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❖ ◆传播模型的重点：预测在距离发射机的给定距离 上平均接收的信号强度以及信号强度的变化
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自由空间传播（1）
◆什么叫自由空间？无任何衰减、无
任何阻挡、无任何多径的传播空间。
◆无线电波在自由空间传播时，其单位
面积中的能量会因为扩散而减少。这 种减少，称为自由空间的传播损耗。
如图所示，发射功率为PT，发射天线 为各向均匀辐射，则以发射源为中心， d为半径的球面上单位面积的功率为：
◆多径效应引起的接收问题：额外的路径损耗、
突发性误码、严重的码间干扰
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多径效应（2）
❖ ❖
❖ ❖ ❖ ❖
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幅度：衰落 在小的传播距离或时间段信
号强度的迅速变化
时间：多径时延 多径延迟所引起的时间扩散
频率：多普勒扩展 由于在不同多径信号上不同
的多普勒频移所产生的随机频率调制
❖
■自由空间传播
❖
■陆地传播机制
❖
◆移动环境下的信道分析
❖
■移动无线传播环境概述
❖
■小尺度多径衰落模型
❖
■大尺度路径损耗模型
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❖ ◆有线信道：平稳，可预测；
❖ ◆无线信道：极为随机，难于分析，难于模拟；非 视距、多径、运动，造成衰落。
❖ ◆传播机制：反射、绕射和散射；
❖ 例，城市中多径，无直视路径。
时间
窄带信号
频率
宽带信号
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❖ 1)信道输入
❖ 频域：白色等幅频谱
❖ 时域：在t0时刻输入一个脉冲 ❖ 2)信道输出
❖ 频域：衰落起伏的有色谱
❖ 时域：在t0 +t瞬间，脉冲在时域产生了 扩散，其扩散宽度为L/2。其中为t绝对 时延。
❖ 3)结论：由于信道在时域的时延扩散，
引起了在频域的频率选择性衰落。且其