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無線通信原理2023/7/261第5章

小尺度衰落和多徑效應2023/7/26無線通信原理與應用23本章內容概述5.1小尺度多徑傳播5.2兩徑模型5.3多普勒頻移5.4移動多徑信道的參數5.5小尺度衰落類型5.6瑞利分布5.7萊斯分布2023/7/26無線通信原理與應用4概述傳輸模型輸出輸入信號衰減相位7/26/20235路徑損耗概述路徑損耗陰影衰落多徑衰落d實測場強2023/7/26無線通信原理與應用6概述大尺度和小尺度大尺度衰落波動發生在大約10-40個波長范圍內小尺度衰落波動發生在大約一個波長范圍內路徑損耗大尺度衰落（陰影衰落）小尺度衰落（瑞利，萊斯）2023/7/26無線通信原理與應用概述2023/7/26無線通信原理與應用7概述2023/7/26無線通信原理與應用89本章內容概述5.1小尺度多徑傳播5.2兩徑模型5.3多普勒頻移5.4移動多徑信道的參數5.5小尺度衰落類型5.6瑞利分布5.7萊斯分布2023/7/26無線通信原理與應用小尺度多徑傳播2023/7/26無線通信原理與應用10小尺度多徑傳播三種選擇性衰落頻率選擇性衰落，Frequencyselectivefading時間選擇性衰落，Timeselectivefading空間選擇性衰落，Spaceselectivefading三種分集方法頻率分集，FrequencyDiversity時間分集，TimeDiversity空間分集，SpaceDiversity發送/接收分集，Transmit/ReceiveDiversity,極化分集PolarizationDiversity2023/7/26無線通信原理與應用11小尺度多徑傳播2023/7/26無線通信原理與應用1213多徑傳播對寬帶信道影響多徑傳播對寬帶信道影響頻域：信道傳輸函數隨我們關心帶寬而變化（信道的頻率選擇性）時域：信道的沖擊響應不是δ函數，到達的信號的持續時間比發送的信號長（時間色散）在寬帶信道上的工作的系統有一些重要的性質符號間干擾（ISI）——信號失真（有害）可以減少衰落的影響——深衰落風險下降（有利）2023/7/26無線通信原理與應用多徑傳播的影響——時延彌散14發送沖激信號接收信號（信道沖激響應）不同路徑的信號具有不同的衰減和時延當發送沖激信號，而不是正弦連續信號（單載波），不同路徑的信號在接收端可以區分開。沖激信號在時域寬帶為0，頻域寬度無窮正弦連續信號在時域寬度無窮，頻域寬度為02023/7/26無線通信原理與應用時延彌散—多徑15沖激響應相對第一徑的時延靜態場景：發射機，接收機和散射體都不動。處于同一橢球面上的散射體反射信號具有相同的時延（不可分辨多徑）。處于不同橢球面上的散射體反射分量具有不同的時延（可分辨多徑）時延擴展：在一串接收脈沖中，最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值，即最后一個可分辨的延時信號與第一個延時信號到達時間的差值，記為Δ。實際上，Δ就是脈沖展寬的時間。發送窄脈沖寬度為T，則接收信號寬度為T+Δ2023/7/26無線通信原理與應用符號間干擾（碼間串擾）16符號間干擾接收信號中一個碼元的波形會擴展到其他碼元周期中，引起符號間干擾(ISI)符號間干擾的減弱使碼元周期遠大于多徑效應引起的時延擴展Δ等效：碼元速率Rb遠小于時延擴展的倒數，Rb<<1/Δ2023/7/26無線通信原理與應用窄帶vs寬帶--信道頻率響應17寬帶信道不同頻率的信道響應不同。窄帶信道中頻率響應為常數，反射、透射和繞射系數認為在所研究的帶寬內是常數窄帶信道可以認為是寬帶信道在頻域的一個切片。窄帶：系統的相對帶寬（帶寬除以載波頻率）遠小于1例如：GSM系統頻率900MHz，系統帶寬200kHz。2023/7/26無線通信原理與應用18本章內容概述5.1小尺度多徑傳播5.2兩徑模型5.3多普勒頻移5.4移動多徑信道的參數5.5小尺度衰落類型5.6瑞利分布5.7萊斯分布2023/7/26無線通信原理與應用19兩徑模型兩徑模型2023/7/26無線通信原理與應用20時不變兩徑模型時不變模型：各徑的時延(路徑長度)差不隨時間變化空間衰落類似于波的干涉2023/7/26無線通信原理與應用21時變模型:各徑的時延(路徑長度)差隨時間變化（發射機/接收機/散射體移動）產生時間衰落多普勒頻移時變兩徑模型2023/7/26無線通信原理與應用22本章內容概述5.1小尺度多徑傳播5.2兩徑模型5.3多普勒頻移5.4移動多徑信道的參數5.5小尺度衰落類型5.6瑞利分布5.7萊斯分布2023/7/26無線通信原理與應用多普勒頻移2023/7/26無線通信原理與應用232023/7/262425多普勒譜多普勒頻移接收機以速度同電波傳播方向(頻率為)呈角移動例:接收信號的頻率其中多普勒頻移最大多普勒頻移音”紐”2023/7/2626多普勒譜紅移現象（宇宙大爆炸的另一個證據）1929年哈勃發現，將星系中特定原子的光譜與地球上實驗室內同種原子的光譜進行比較，發現譜線波長向長波端偏移，這種現象稱為“紅移”，可以推斷星系正在遠離地球。離地球越遠的星系遠離速度越高，兩者之間為線性關系 V=H×D（V為退行速度，H=50~75km/s/百萬秒距為哈勃常數，D為距離，單位百萬秒距，即光1百萬秒運行距離）思考題：某星系的某一譜線波長為515納米，但在地球上同一譜線的波長卻為500納米，求該星系的退行速度。愛德溫·哈勃(EdwinP.Hubble)（1889～1953）哈勃定律2023/7/2627多普勒譜由于方向角θ不同，兩徑的多普勒頻移不同多普勒頻移引起隨機調頻（相當于接收機與發射機本振有頻偏）多普勒譜2023/7/26無線通信原理與應用28多普勒譜多普勒譜來自不同角度的波（為簡化，假定功率相同）若發信號頻率為f0時，接收機收到的頻率頻率色散2023/7/26無線通信原理與應用29多普勒譜經典譜(Jakes譜)沒有視距分量二維平面,接收機位于散射區中央到達天線的入射角均勻分布在[0,2π)天線是垂直偶極子時到達場的平均功率浴缸2023/7/2630多普勒譜高斯譜（GAUS1，GAUS2） 散射體相對比較集中，且距發射機較遠3dB截止頻率2023/7/2631本章內容概述5.1小尺度多徑傳播5.2兩徑模型5.3多普勒頻移5.4移動多徑信道的參數5.5小尺度衰落類型5.6瑞利分布5.7萊斯分布2023/7/26無線通信原理與應用5.4移動多徑信道的參數移動通信系統參數信號帶寬，Signalbandwidth符號速率，SymbolrateRs(SymbolperiodTs)數據速率，DatarateR信號功率，Signalpower性能需求，Performancerequirements移動多徑信道關鍵的參數時間色散參數頻率色散參數角度色散參數這些參數是區分小尺度衰落類型的主要依據2023/7/26無線通信原理與應用32時間色散參數2023/7/26無線通信原理與應用33時間色散時延擴展是由反射及散射時傳播路徑引起的現象。多徑效應在時域上造成數字信號波形的展寬。多徑時散：假設基站發射一個極短的脈沖信號，經過多徑信道后，移動臺接收到的信號呈現為一串脈沖，結果使脈沖寬度被展寬。由于多徑性質是隨時間而變化的，如果進行多次發送試驗，則接收到的脈沖序列是變化的圖中包括脈沖數量N的變化、脈沖大小的變化及脈沖時延差的變化。

接收信號為：2023/7/26無線通信原理與應用34時間色散參數平均附加時延2023/7/26無線通信原理與應用35時間色散參數

2023/7/26無線通信原理與應用36時間色散參數2023/7/26無線通信原理與應用37時間色散參數實例某室內功率延遲、rms時延擴展、平均附加時延、最大附加時延及門限值的實例2023/7/26無線通信原理與應用38時間色散參數實例P138例5.4（a）2023/7/26無線通信原理與應用39

定義：在該頻率范圍內，信道是平坦的。即：所有譜分量以“幾乎”相同的增益和線性相位通過信道（統計意義上的）換句話說：相干帶寬是一特定的頻率范圍，在該范圍內，任意兩個頻率分量具有很強的幅度相關性；超出該范圍的兩個頻率分量受信道影響的關系不大。表示相關度為某一特定值時的信號帶寬。2023/7/26無線通信原理與應用40

2023/7/26無線通信原理與應用41

P139例5.52023/7/26無線通信原理與應用425.4.3頻率色散參數——多普勒擴展和相干時間第二類參數：頻率色散參數

描述小尺度信道中頻率色散和時變特性的參數主要參數：

多普勒擴展

相關時間

2023/7/26無線通信原理與應用43多普勒擴展和相干時間第二類參數：頻率色散參數

描述小尺度信道中頻率色散和時變特性的參數主要參數：

多普勒擴展

相關時間時延擴展和相干帶寬參數是用于描述信道色散的兩個參數，但它們并未提供描述信道時變特性的信息。信道的時變特性主要是由于移動臺與基站之間的相對運動引起的，或是由電波傳播路徑上的物體的運動引起的。即時變特性的主要原因是“運動”，因此可用多普勒擴展和相干時間來描述小尺度內信道的時變特性2023/7/26無線通信原理與應用44

多普勒擴展定義：為一頻率范圍，在此范圍內接收的多普勒譜有非零值。設發送信號為正弦波，則接收信號的頻率為：最大頻移即為

2023/7/26無線通信原理與應用45

相干時間定義：信道的沖擊響應維持不變的時間間隔的平均值。換句話說：相干時間是一段時間間隔，在此間隔內到達的兩個信號具有很強的幅度相關性；超此間隔到達的兩個信號相關性很小。相干時間的定義：

fm為Doppler頻移要求頻率分量的相關函數大于0.5時：普遍的定義方法，上述兩式的幾何平均：2023/7/26無線通信原理與應用46多普勒擴展和相干時間實例P140-141例5.62023/7/26無線通信原理與應用4748本章內容概述5.1小尺度多徑傳播5.2兩徑模型5.3多普勒頻移5.4移動多徑信道的參數5.5小尺度衰落類型5.6

瑞利分布5.7萊斯分布2023/7/26無線通信原理與應用5.5小尺度衰落類型2023/7/26無線通信原理與應用49多徑時延擴展引起的衰落效應2023/7/26無線通信原理與應用50平坦衰落2023/7/26無線通信原理與應用51頻率選擇性衰落2023/7/26無線通信原理與應用52多普勒擴展引起的衰落效應2023/7/26無線通信原理與應用535.5小尺度衰落類型2023/7/26無線通信原理與應用5455本章內容概述5.1小尺度多徑傳播5.2多徑信道的沖激響應5.3小尺度多徑測量5.4移動多徑信道的參數5.5小尺度衰落類型5.6瑞利分布5.7萊斯分布2023/7/26無線通信原理與應用56瑞利分布——不含主導分量的小尺度衰落多徑模型各徑具有獨立的幅度和相位各徑矢量疊加2023/7/26無線通信原理與應用57不含主導分量的小尺度衰落（瑞利分布）不含主導分量的多徑模型實部Re(E)和虛部Im(E)都是很多隨機變量的和實部和虛部相互獨立實部和虛部服從均值為零正態分布（中心極限定理）幅度|E|服從瑞利分布相位服從均勻分布功率服從什么分布？7/26/2023瑞利分布模型發射為，則經過n條路徑傳播后的接收信號R(t)為：或為：設:則接收信號為：式中V(t)為合成波R(t)的包絡；為合成波R(t)的相位。即有:兩個正交高斯噪聲信號之和的包絡服從瑞利分布！即V(t)服從瑞利分布。2023/7/26無線通信原理與應用58典型的瑞利衰落包絡（工作頻率為900MHz）2023/7/26無線通信原理與應用59瑞利分布瑞利分布性質均值均方值rms平均功率方差中值pdf最大值累積分布發生在123r很小時2023/7/266061衰落余量平均功率與最小功率的差為衰落余量中斷概率r值小于rmin的Pr概率：衰落余量2023/7/26無線通信原理與應用62衰落余量例：在瑞利信道下，要留多少衰落余量才能使滿足中斷概率1%的要求?若衰落余量為6dB和3dB，中斷概率分別是多少?衰落余量為20dB,中斷概率0.01衰落余量為6dB,中斷概率0.221衰落余量為3dB,中斷概率0.3932023/7/26無線通信原理與應用63信干比對干擾受限系統，信號和干擾都受到瑞利衰落時,信干比的概率密度函數信干比的累積概率密度函數其中是信號的平均功率與干擾功率的比值例：若系統的信號和干擾都受到瑞利衰落，平均信干比為10dB，瞬時信干比低于0dB的概率為多少？10dB

0dB

2023/7/2664要求：產生長度為N的瑞利分布的復衰減序列h，且E{|h|2}=1信道輸入信號為s信道輸出信號為y信道加性噪聲為nMATLAB中瑞利衰落信道的仿真N=1e4；%N=10000h=(randn(1,N)+j*randn(1,N))/sqrt(2);%randn產生1*N個隨機數，服從0均值，方差為1的正態分布y=s’.*h+n;%n的產生方法2023/7/2665本章內容概述5.1小尺度多徑傳播5.2多徑信道的沖激響應5.3小尺度多徑測量5.4移動多徑信道的參數5.5小尺度衰落類型5.6瑞利分布5.7萊斯分布2023/7/26無線通信原理與應用66萊斯分布——有主導分量的小尺度衰落有主導分量的多徑實部Re(E)和虛部Im(E)都是很多個隨機變量的和實部和虛部相互獨立實部服從均值為A的正態分布,而虛部服從均值為零的正態分布幅度|E|服從萊斯分布相位服從非零均值的正態分布2023/7/26無線通信原理與應用67萊斯分布萊斯因子KK很大，正態分布K很小，瑞利分布0階第一類貝塞爾函數視距分量功率/漫射分量功率7/26/202368萊斯分布相位分布2023/7/26無線通信原理與應用69萊斯分布萊斯分布的性質均方值累積分布瑞利分布+主導分量MarcumQ函數2023/7/2670萊斯衰落信道的仿真%---RiceFading---h=sqrt(K/(K+1))+sqrt(1/(K+1))*rayleigh

y=s’.*h+n;方法1方法二Artech.House_2002_Simulation.and.Software.Radio.for.Mobile.Communicationsp51-552023/7/2671衰落余量平均功率與最小功率之比或差（對數域）為衰落余量例求Kr=0.3dB/3dB/20dB時中斷概率小于5%的衰落余量11.5dB/9.7dB/1.1dB2023/7/26無線通信原理與應用72無線信道的統計描述概述時不變兩徑模型時變兩徑模型不含主導分量的小尺度衰落含主導分量的小尺度衰落多普勒譜衰落的時間依賴性大尺度衰落2023/7/26無線通信原理與應用73衰落的時間依賴性衰落的時間相關性用衰落的自相關函數描述幅度相位互不相關輸入功率一樣自相關函數同向分量歸一化相關函數包絡歸一化相關函數2023/7/2674衰落的時間依賴性例:假設一個移動臺位于衰落深處,平均看來,這個移動臺要移動多少距離才能不再受衰落深度的影響?相關度為0.5時移動0.18λ相關度為0時移動0.38λ該圖要還對J平方的0.180.382023/7/26無線通信原理與應用75表征衰落特性參數衰落深度：低于平均功率一定值（例如10dB，20dB）的概率衰落深度部分反映了衰落的分布特性，還需要參數反映衰落的快慢