无线信道的传输模型

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2020/5/22
统计预测
• 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， 有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条 同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到 时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所 收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就 说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为 径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂 有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连 反射波等等。
统计预测
信道的传输模型
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信道模型的分类 统 计 预 测 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
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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：
★自由空间
★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 2020/5/22
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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）
约,移动无线信道具有多样性,同一无线空中接 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 法.
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内容提要
统计预测
•
◆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
•
■移动无线传播环境概述
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复杂的移动通信信道
统计预测
•
◆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。
•
◆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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–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，即使离基站较远的用户产生掉话(通
中南信大学中断)现象，通常称这一现象为远近效2020应/5/2。2
•
■小尺度多径衰落模型
•
■大尺度路径损耗模型
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统计预测
• ◆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。
• ◆传播模型的重点：预测在距离发射机的给定 离上平均接收的信号强度以及信号强度的变化
r(t ) e e j(2 [( fc fD )i (t ) fD t ]i ) j 2fct i
• 令：
i 1
i 2 [( fc fD )i (t) fD t] i
N
x i cosi
i 1
N
y i sini
i 1
• 则： r(t) ( x jy )e j2 fct
• x和y是独立随机变量之和，根据中心极限定律， x 和y
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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。
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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• 析
• 传播
•
•
•
•
•
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概要
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◆无线电波传播特性分
S ＝ PT / 4 d2
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d PT
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自由空间传播(2)
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◆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
S
PT
4d 2
GT
(W m2 )
◆设接收天线的有效接收面积为 AR
2 AR 4 GR
(m2 )
，则
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:
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• 多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动 比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其 散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产 在高速(≥70km/h)车载通信时，而对于通常慢 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 )
型
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规划综合考虑 统 计 预 测
• 在规划中一般只考虑大尺度衰落，关心的是接 点信号场强的平均值，因此只用到大尺度传播 型，而小尺度衰落一般用在理论研究中，用于 输技术的选择和数字接收机的设计，在规划中 般不予考虑。
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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
◆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
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4.1.2 时延扩展---频率选择性衰统落计 预 测
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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时间
窄带信 号
频率
宽带信 号
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• 1)信道输入
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• 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
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传播路径
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–◆直射波---视距传播
–◆反射波 –◆地表面波
发射天线
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
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 统 计 预 测
–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
–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
Lee 模型、Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、 Walfisch-Ikegami模型(WIM)、室内传播模型
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小尺度模型
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定义： • 描述短距离或短时间内接收信号强度快速变化 模型代表： • AGWN模型、Raleigh 时变信道模型、伦琴衰落
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均场
强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范
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自由空间传播（1） 统 计 预 测
◆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：
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绕射（Diffraction）
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•
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）
统计预测
•
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
PR
(
4d
)2
PT GT GR
(W )
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自由空间传播(3)
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• 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
• L以fs 分3贝2.4数4表 2示0为lg ：d (km) 20 lg f (MHz ) (dB)
p(r)
r
2
exp[
r2 2 2
2
]•
I0 (r2
)
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Ricean分布与Rayleigh分布的关系
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多径效应(3)－移动通信信统道计分预析测
• 时延扩展 • 频率扩展 • 角度扩展
频率选择性衰落 时间选择性衰落 空间选择性衰落
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表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、
街道标志和灯柱等.
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2020/5Байду номын сангаас22
实际空间传播
统计预测
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移动通信环境---场强测试曲线
Cellular station
Cn n V
RaBduioildTinogwer
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• 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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• 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动 户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移 用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号 强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者 号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号 弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象， 使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(通信 现象，通常称这一现象为远近效应。
统计预测
•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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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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移动环境的场强特性
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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
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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
统计预测
• 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) a0e j2 fct
• 接收信号为： N
趋于正态分布。因此合信号复包络 r x2 y2
为瑞利分布，相位为均匀分布。
•
即：
p(r)
r
2
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exp[
r2
2 2
]
(r 0)
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莱斯(Ricean)衰落
统计预测
–
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。
• 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。且其衰落周期，即 与时域中的时延扩散程度成正比T2=1/L。