第二章 移动通信信道(二)

第2章移动信道现代移动通信AbisA接口MSBSSOMC-R操作维护中心BSC基站控制器MSC移动交换中心BTS基站收发信机BTS基站收发信机BTS基站收发信机MSMSUm通过本章学习，着重解决以下问题：大尺度传播特性大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之间(T-R)长距离(几百米或几千米)上的场强变化小尺度传播特性小尺度传播模型:描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内的接收场强的快速波动的传播模型统计特性主要参数建模与仿真第2章移动信道对移动信道有一个全面深入的理解本次课教学目的：掌握描述多径信道参数的物理意义理解小尺度衰落类型第2章移动信道2.3描述多径衰落信道的主要参数移动信道是弥散信道。电波通过移动信道后，信号在时域上、频域上和空间（角度）上都产生弥散，本来分开的波形在时间上或频谱上或空间上会产生交叠，使信号产生衰落失真。多径效应在时域上引起信号的时延扩展，使得接收信号的时域波形展宽，相应地在频域上规定了相关（干）带宽性能。当信号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性衰落。多普勒效应在频域上引起频谱扩展，使得接收信号的频谱产生多普勒扩展，相应地在时域上规定了相关（干）时间性能。多普勒效应会导致发送信号在传输过程中，信道特性发生变化，产生所谓的时间选择性衰落。散射效应会引起角度扩展。移动台或基站周围的本地散射以及远端散射会使得天线的点波束产生角度扩散，在空间上规定了相关距离性能。空域上波束的角度扩散造成了同一时间、不同地点的信号衰落起伏不一样，即所谓的空间选择性。2.3描述多径衰落信道的主要参数功率时延分布（PDP，PowerDelayProfile）描述信道在时间上的色散；多普勒功率谱密度（DPSD，DopplerPowerSpreadDensity）描述信道在频率上的色散；功率角度谱（PAS，PowerAzimuthSpectrum）描述信道在角度上的色散。时延扩展、相关带宽、多普勒扩展、相关时间、角度扩展和相干距离2.3.1时延扩展与相干带宽时间色散(TimeDispersionParameters)定义：因多径传播造成信号时间扩散的现象。成因：发射信号经过不同路径到达接收点的时间各不相同。例子说明，以发射单脉冲为例。时变多径信道响应示例(a)N=3(b)N=4(c)N=5(a)(b)(c)t=t0t=t0+2t=t0+(a)(b)(c)(a)(b)(c)t=t0t=t0+2t=t0+描述时间色散的重要参数平均附加时延rms时延扩展最大附加时延(XdB)多径能量从初值衰落到低于最大能量处XdB的时延，即tx-t0kkkkkkkkkkPPaa)()(2222)(（其中）kkkkkkkkkkPPaa)()(222221、时延扩展描述时间色散的重要参数多径时间色散参数典型值（450MHz900MHz）如下表所示。由表可见：市区的时延要比郊区大，也就是说，从多径时间色散考虑，市区传播条件更为恶劣。为了避免码间干扰，如无抗多径措施，则要求信号的传输速率必须比1/στ低得多。1、时延扩展起因：由时间色散引起。定义：指某一特定频率范围内，在该范围内，任两个频率分量有很强的幅度相关性，即所有频率分量几乎具有相同的增益及线性相位。定量表达式:如果相干带宽定义为频率相关系数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽近似为：如果将定义放宽至相关函数值大于0.5，则相干带宽近似为：501cB51cB2、相干带宽2、相干带宽信号带宽远远小于相干带宽的情况如图8所示，通过图的动态变化我们可以看出：1）在信号带宽范围内，各频点的幅度有基本相同的增益，也就是说，发送信号的频谱基本保持不变；2）信道的增益是随着时间变化的，也就是接收端信号的功率是不断变化的，这种信号忽大忽不小的变化就是衰落。2、相干带宽所传输的信号带宽大于相干带宽,则所传输的信号将产生明显的畸变如图所示。通过图的动态变化，我们可以看出：1）在信号带宽范围内，对不同的频率成份有了不同的响应，也就是说对信号的频率具有了选择性，信号发生了失真；2）信道的总增益随时间变化很小，接收信号的功率基本不变。2.3.2多普勒扩展和相干时间1、多普勒扩展描述信道频率色散的参数。起因：由移动台与基站间的相对运动或是信道中物体运动引起的。多普勒扩展定义：为一个频率范围BD，在此范围内接收的多普勒谱有非0值。含义：多普勒扩展BD是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。相干时间定义：信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。含义：在相干时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。与多普勒扩展的关系：是多普勒扩展在时域的表示，具体为2、相干时间mcfT1其中，fm是最大的多普勒频移(v/λ)。若时间相关函数定义为大于0.5时，相干时间近似为：mcfT1692、相干时间相干时间与多普勒扩展的关系在现代数字通信中，一种普遍的定义方法是将相干时间定义为式(4.40a)与式(4.40b)的几何平均，即：mmcffT423.01692相干带宽与相干时间时间色散：时延扩展－相干带宽频率色散：多普勒扩展－相干时间相干带宽：信道的频谱特性，或者说是结构特性相干时间：信道的时变特性时间选择性：符号的尾端与符号的前端的信道特性发生了变化频谱选择性：信号频谱内具有不同增益2.3.3角度扩展和相关距离1、角度扩展描述信道角度色的参数。起因：由移动台或基站周围的本地散射体以及远端散射体引起的。角度扩展定义：为归一化角度功率谱的均方根值。特性：角度扩展越大，表明散射越强，信号在空间的色散度越高；反之，角度扩展越小，表明散射越弱，信号在空间的色散度越低。0()Pd2＝（－）相干距离定义：信道冲击响应维持不变（或一定相关度）的空间间隔的统计平均值。含义：在相干距离间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。与角度扩展的关系：是角度扩展在空域的表示，具体为2、相干距离相关距离除了与角度扩展有关外，还与来波到达角有关。为了保证相邻两根天线经历的衰落不相关，在弱散射下的天线间隔要比在强散射下的天线间隔要大一些。0.187cosD2.3.4多径衰落信道的分类移动信道中的时间色散和频率色散可能产生4种衰落效应信号特性与信道特性的相互关系决定了不同的发送信号会经历不同类型的衰落根据信号带宽和信道带宽的比较：平坦衰落频率选择性衰落根据发送信号与信道变化快慢程度快衰落慢衰落平坦衰落：形成条件：如果移动无线信道带宽远大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益及线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。判定条件：克服方法：AGCBsBcorTsστ1、平坦衰落与频率选择性衰落频率选择性衰落：形成条件：如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道特性会导致接收信号产生选择性衰落。判定条件：克服方法：均衡等1、平坦衰落与频率选择性衰落BsBcorTsστ快衰落形成条件：信道的冲激响应在符号周期内变化很快，即信道的相干时间比发送信号的符号周期短。定量判据:符号周期（Ts）相干时间（Tc）或多普勒扩展（BD）信号带宽（Bs）慢衰落形成条件：信道的冲激响应变化率比发送的基带信号变化率低。即信道的相干时间比发送信号的符号周期长。定量判据:符号周期（Ts）相干时间（Tc）或多普勒扩展（BD）信号带宽（Bs）2、快衰落与慢衰落3、衰落类型信号所经历的衰减类型，其衰减是以下参数的函数(a)符号周期(b)基带信号带宽平坦慢衰落平坦快衰落频率选择慢衰落频率选择快衰落(a)发送符号周期TCTSTSσ发送信号的符号周期平坦快衰落平坦慢衰落频率选择快衰落频率选择慢衰落(b)发送基带信号带宽BdBSBC发送基带信号带宽信号所经历的衰减类型，其衰减是以下参数的函数(a)符号周期(b)基带信号带宽平坦慢衰落平坦快衰落频率选择慢衰落频率选择快衰落(a)发送符号周期TCTSTSστ发送信号的符号周期平坦慢衰落平坦快衰落频率选择慢衰落频率选择快衰落(a)发送符号周期TCTSTSσ发送信号的符号周期平坦快衰落平坦慢衰落频率选择快衰落频率选择慢衰落(b)发送基带信号带宽BdBSBsBC发送基带信号带宽平坦快衰落平坦慢衰落频率选择快衰落频率选择慢衰落(b)发送基带信号带宽BdBSBC发送基带信号带宽描述多径衰落信道的主要参数时延扩展与相干带宽多普勒扩展与相干时间角度扩展与相干距离多径衰落信道的分类小结