1、第三講移動通信信道 2 多徑傳輸特征及定量描述數字移動通信第1頁上次課重點回顧 VHF和UHF電波主要有幾個傳輸方式？ 自由空間中電波傳輸損耗改變有何規律？ 大氣對電波傳輸有何影響？ 繞射損耗與哪些原因相關？反射模型中，電波傳輸損耗改變有何規律？第2頁第2章 移動通信信道2.1 陸地無線電波傳輸特征2.2移動通信信道多徑傳輸特征2.3描述多徑衰落信道主要參數2.4 陰影衰落基本特征2.5 電波傳輸損耗預測模型2.6 多徑衰落信道建模和仿真2.7 MIMO信道介紹第一次課第二次課第三次課第3頁 此次課要求與重難點要求與重點掌握多徑傳輸基本特征和多徑衰落對數字移動通信影響。了解描述多徑信道參數，了

2、解小尺度衰落模型。重點：相關（干）帶寬、相關時間、相關距離 難點：多徑衰落對接收信號影響第4頁此次課需要處理主要問題什么是電波傳輸三級模型？多徑傳輸對接收信號有何影響？怎樣定量描述多徑傳輸特征？多普勒擴展對接收信號有何影響？怎樣定量描述？描述信道特征關鍵參數有哪些？多徑衰落信道怎樣分類？第5頁2.2.1 移動通信信道中電波傳輸損耗特征2.2.2 移動環境下多徑傳輸2.2.3 多普勒頻移2.2.4 多徑接收信號統計特征（自學）2.2.5 衰落信號幅度特征量2.2 移動通信信道多徑傳輸特征第6頁一、電波傳輸損耗特征 移動信道是一個變參信道 信號傳輸過程中會遭受不一樣類型損耗 傳輸損耗陰影衰落多徑衰

3、落：移動臺與基站距離大尺度衰落小尺度衰落第7頁1、傳輸損耗(路徑損耗） 長程范圍內信號電平改變（幾千米量級） 電波傳輸引發平均接收功率衰減 取決于發射機與接收機之間距離 自由空間時，n=2，普通情況下n=35一、電波傳輸損耗特征第8頁2、陰影衰落 陽光不能普照 短程范圍內信號電平改變（數百波長量級） 由大型障礙物遮擋引發，包含傳輸環境中地形起伏、人造建筑物等一、電波傳輸損耗特征第9頁3、小尺度衰落 余音繞梁 主要由多徑效應和多普勒效應引發 數十波長量級內信號電平改變 接收信號場強瞬時值快速改變，在幾個波長間距內改變幅度可達30dB一、電波傳輸損耗特征第10頁傳輸損耗一、電波傳輸損耗特征距離(k

4、m)場強02468806040200幾百個波長（陰影衰落）幾十個波長（多徑衰落）第11頁 大尺度路徑損耗傳輸模型 描述發射機和接收機之間長距離上平均場強改變，用于預測平均場強并預計無線覆蓋范圍。 受到收發距離及地形地貌影響。 小尺度多徑衰落傳輸模型 描述移動臺在極小范圍內移動時，短距離（幾個波長）或短時間（秒級）上接收場強快速改變，依據小尺度衰落確定應采取抗衰落技術。 當移動通信跨越比較大區域時，會同時受到大尺度衰落和小尺度衰落影響！一、電波傳輸損耗特征第12頁2.2.1 移動通信信道中電波傳輸損耗特征2.2.2 移動環境下多徑傳輸2.2.3 多普勒頻移2.2.4 多徑接收信號統計特征（自學）

5、2.2.5 衰落信號幅度特征量2.2 移動通信信道多徑傳輸特征第13頁二、移動環境多徑傳輸 1、多徑傳輸基本概念 信道中存在各種反射物和散射物 發射波抵達接收機時形成在時間、空間上相互區分多個無線電波第14頁二、移動環境下多徑傳輸余音繞梁多徑傳輸示意圖 1、多徑傳輸基本概念第15頁二、移動環境下多徑傳輸2、多徑傳輸對接收信號產生影響 當兩個多徑信號同相時，合成信號是什么樣？ 當兩個多徑信號相位相差180度時，合成信號是什么樣？第16頁 多徑傳輸會造成接收信號在不到一個波長范圍內會出現幾十分貝電平改變和猛烈相位擺動 。 延長信號抵達接收機時間，引發碼間串擾。二、移動環境下多徑傳輸2、多徑傳輸對接

6、收信號產生影響第17頁二、移動環境下多徑傳輸2、多徑傳輸對接收信號產生影響 經典實例 800MHz室內環境中經典傳輸時延擴展為1s，符號速率200kbps，符號寬度？重合率？符號寬度5s，重合覆蓋率20%第18頁2.2.1 移動通信信道中電波傳輸損耗特征2.2.2 移動環境下多徑傳輸2.2.3 多普勒頻移2.2.4 多徑接收信號統計特征（自學）2.2.5 衰落信號幅度特征量2.2 移動通信信道多徑傳輸特征第19頁三、多普勒頻移1842年由奧地利數學家、物理學家克里斯琴.多普勒.約翰首先提出。定義：當發射源與接收體之間發生相對運動時，接收頻率與發射頻率之差。火車汽笛聲改變？從遠而近時，汽笛音調變

7、尖從近而遠時，汽笛音調變低對無線通信場景怎樣更直白了解？1、何為多普勒頻移？第20頁三、多普勒頻移接收信號頻率與發射信號頻率不一致！多普勒頻移與移動臺運動速度及移動臺方向與無線電波入射方向之間夾角相關。 頻率改變值 ：2、多普勒頻移與移動臺運動間關系第21頁三、多普勒頻移思索：頻率改變有什么趨勢？朝向入射波方向移動多普勒頻移為正值；背向入射波方向移動多普勒頻移為負值。2、多普勒頻移與移動臺運動間關系思索：移動臺連續運動，會造成什么現象？第22頁2.2.1 移動通信信道中電波傳輸損耗特征2.2.2 移動環境下多徑傳輸2.2.3 多普勒頻移2.2.4 多徑接收信號統計特征（自學）2.2.5 衰落信

8、號幅度特征量2.2 移動通信信道多徑傳輸特征第23頁2.2.4 多徑接收信號統計特征（提醒） 移動通信信道統計分析：對接收信號功率或電壓包絡進行定量描述。 以瑞利分布為例，接收信號包絡和相位(為方差)：包絡概率密度函數（瑞利分布）：相位概率密度函數（均勻分布）：3-24第24頁四、衰落信號幅度特征量1、研究衰落信號幅度特征量必要性 鏈路設計需要得到鏈路性能幅度特點 一條衰落信道每隔多長時間就會衰落到某一特定電平之下？ 這條信道將在該門限下連續多長時間？ 工程應用中，經常用一些特征量表示衰落信號幅度特點。第25頁2、衰落率 定義：信號包絡在單位時間內以正斜率經過中值電平次數 與發射頻率、移動臺行

9、進速度、方向及多徑傳輸路徑數相關。 當移動臺行進方向朝著或背著電波傳輸方向時，衰落最快。四、衰落信號幅度特征量第26頁3、電平經過率包絡在單位時間以正斜率經過某要求電平R次數 深度衰落發生次數較少，淺度衰落發生得相當頻繁。 衰減20dB概率為1%，衰減30dB和40dB概率分別為0.1%和0.01%。四、衰落信號幅度特征量第27頁4、平均衰落連續時間 定義：信號包絡低于某個給定電平值概率與該電平值所對應電平經過率之比。 思索：怎樣了解物理含義？ 信號包絡低于某個給定電平值概率 -值越大，衰落情況越嚴重 電平經過率 - 值越大，衰落改變速度越快，停留在某狀態時間越短四、衰落信號幅度特征量第28頁

10、4、平均衰落連續時間思索：平均衰落連續時間對工程設計意義在哪里？接收信號電平低于接收機門限電平時，就可能造成語音中止或誤比特率突然增大。由平均衰落連續時間可判斷通信受影響程度，確定是否會發生突發錯誤及突發錯誤長度。四、衰落信號幅度特征量第29頁2.3.1 時延擴展和相關帶寬2.3.2 多普勒擴展和相關時間2.3.3 角度擴展和相關距離（自學）2.3.4 多徑衰落信道分類2.3 描述多徑衰落信道主要參數第30頁1、時延擴展概念定義：多徑傳輸造成信號時間擴散 假設發射一個極短脈沖信號，經過多徑信道后，接收信號是什么樣？ 接收信號展現為一串脈沖，出現時間色散現象。五、時延擴展與相關帶寬第31頁五、時

11、延擴展和相關帶寬經典時延（功率）譜曲線2、時延擴展描述 時延功率譜：由不一樣時延信號分量平均功率組成P()相對時延值歸一化時延譜平均時延時延擴展， P()均方根最大多徑時延， P()下降到-30dB時時延差第32頁 平均時延 時延擴展 離散化 離散化五、時延擴展和相關帶寬2、時延擴展描述第33頁3、時延擴展經典實測數據參數市區郊區平均時延 (s)1.52.5 0.10.2 時延擴展 (s)1.03.0 0.22 最大時延 (-30dB) (s)5.012.0 3.07.0 平均時延擴展 (s)1.3 0.5 五、時延擴展和相關帶寬第34頁五、時延擴展和相關帶寬圖2-13 雙徑信道等效網絡 以雙

12、徑模型為例，且不計信道固定衰減4、多徑對信號頻域影響衰減系數兩徑時延差第一射線信號為Si(t)第二射線信號為Si(t)ej（t）第35頁五、時延擴展和相關帶寬 雙徑信道等效網絡傳遞函數為: 信道幅頻特征為:4、多徑對信號頻域影響第36頁圖2-14 雙射線信道幅頻特征 當 時，雙徑信號同相疊加，出現峰點； 當 時，雙徑信號反相相消，出現谷點。五、時延擴展和相關帶寬4、多徑對信號頻域影響 深入思索物理含義？當多徑時延差一定時，從頻域上看，當信號帶寬較寬時，會發生畸變！第37頁五、 時延擴展和相關帶寬指一特定頻率范圍，在該范圍內，兩個頻率分量有很強幅度相關性； 在此范圍內全部頻率分量幾乎含有相同增益

13、及線性相位。（1）相關帶寬定義5、多徑對信號頻域影響量化第38頁五、 時延擴展和相關帶寬相關系數大于0.9時，相關帶寬為：將定義放寬至相關系數大于0.5，相關帶寬為：實際工程上，普通采取下式估算：（2）相關帶寬定量計算5、多徑對信號頻域影響量化第39頁 相關帶寬由信道時延擴展決定，二者之間成反比關系。 信道實際情況 時延擴展（多徑結構） 相關帶寬五、時延擴展和相關帶寬6、時延擴展和相關帶寬關系第40頁 實例分析：時延擴展為1.37s，采取式(2-70)計算可得相關帶寬為116kHz。 思索：帶寬分別為30kHz信號和200kHz信號，在經過該信道后，從時域和頻域上看，各有什么區分？信號1：30

14、kHz - 33.3 s信號2： 200kHz - 5 s五、時延擴展和相關帶寬6、時延擴展和相關帶寬關系 平坦衰落 vs. 頻率選擇性衰落！-多徑干擾程度小，帶寬小于相關帶寬-多徑干擾程度大，帶寬大于相關帶寬第41頁五、時延擴展和相關帶寬【例2-6】未歸一化時延譜如圖例2.6所表示，試計算多徑分布平均附加時延和rms時延擴展。若設信道相關帶寬按式（2-70）計算，則該系統在不使用均衡器條件下對AMPS或GSM業務是否適當?圖例2.6某時延譜測量結果第42頁五、時延擴展和相關帶寬解：信號總功率： 平均附加時延： 時延平方平均值：第43頁五、時延擴展和相關帶寬解（續）： 用均方根值（rms）表示

15、時延擴展：相關帶寬為：第44頁五、時延擴展和相關帶寬AMPS系統帶寬為30kHz小于相關帶寬 ， 所以不使用均衡器，系統就能正常工作；GSM系統帶寬為200kHz大于相關帶寬 ， 需要使用均衡器，系統才能正常工作。解（續）：討論： ，該系統在不使用均衡器條件下對AMPS或GSM業務是否適當？ 取決于：系統帶寬和相關帶寬關系第45頁（1）平坦衰落五、時延擴展和相關帶寬7、平坦衰落與頻率選擇性衰落思索：平坦衰落有何特點？在信號帶寬范圍內，各頻點幅度增益基本相同，即發送信號頻譜基本保持不變；信道增益伴隨時間改變，接收信號功率可能不停改變，造成信號忽大忽小。第46頁（2）頻率選擇性衰落五、時延擴展和相

16、關帶寬7、平坦衰落與頻率選擇性衰落思索：頻率選擇性衰落有何特點？信道對信號不一樣頻率成份含有不一樣響應。產生頻率選擇性，使信號發生失真。第47頁平坦衰落數據傳輸速率低，則碼元寬度長，帶寬窄，多徑信號不會干擾整個碼元，信號帶寬小于信道相關帶寬。 頻率選擇性衰落數據傳輸速率高，則碼元寬度小，帶寬寬，多徑信號干擾碼元程度高，信號帶寬大于信道相關帶寬。五、時延擴展和相關帶寬7、平坦衰落與頻率選擇性衰落 思索：信道多徑分布對通信有何影響？信號傳輸速率受相關帶寬（多徑分布）限制!第48頁2.3.1 時延擴展和相關帶寬2.3.2 多普勒擴展和相關時間2.3.3 角度擴展和相關距離（自學）2.3.4 多徑衰落

17、信道分類2.3 描述多徑衰落信道主要參數第49頁六、 多普勒擴展和相關時間1、多普勒擴展（Doppler spread）現象定義 定義：若發送信號頻率為fc純粹弦波，接收信號頻譜在fc- fd至fc- fd范圍內存在分量，則其中fd稱為多普勒頻移。實際多普勒頻移最大多普勒頻移最小多普勒頻移出現頻率色散現象第50頁六、 多普勒擴展和相關時間2、多普勒擴展量化多普勒擴展指接收信號多普勒譜為非0值頻率范圍，表示式為：第51頁六、 多普勒擴展和相關時間3、相關時間定義及量化 定義：信道沖激響應維持不變（或一定相關度）時間間隔統計平均。 在相關時間內，兩個抵達信號有很強幅度相關性。若時間相關函數定義為大

18、于0.5時，相關時間可近似為：第52頁六、 多普勒擴展和相關時間4、多普勒擴展與相關時間關系 相關時間由多普勒擴展決定，二者之間成反比關系。 運動速度和信號頻率 多普勒擴展 相關時間第53頁六、 多普勒擴展和相關時間4、多普勒擴展與相關時間關系 實例分析：移動臺速率為60km/h，載頻為900MHz，相關時間3.58ms。 思索：傳輸速率為200bit/s和bit/s時，在經過該信道后，從時域上看，有什么區分？信號1：bit/s 0.5ms信號2：200bit/s 5ms 快衰落 vs. 慢衰落！- 碼元寬度小于相關時間，衰落一致！- 碼元寬度大于相關時間，衰落不一致！第54頁 數據傳輸速率低，則碼元寬度長，信道以快于傳輸符號率速度波動，接收信號易受快衰落影響。六、 多普勒擴展和相關時間5、快衰落與慢衰落 快衰落：信道相關時間比發送信號碼元寬度短。 慢衰落：信道相關時間比發送信號碼元寬度大。第55頁六、 多普勒擴展和相關時間 移動臺速度(或信道路徑中物體速度)及基帶信號發送速率，決定了信號是經歷快衰落還是慢衰落。 思索：快衰落有沒有好處？怎樣利用？ 預防長久處