无线信道的传输模型分解

信道的传输模型2020/4/21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。2020/4/21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2020/4/21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2020/4/21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。2020/4/21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.2020/4/21◆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■小尺度多径衰落模型■大尺度路径损耗模型内容提要2020/4/21◆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距离上平均接收的信号强度以及信号强度的变化2020/4/21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：S＝PT/4d2PTd2020/4/21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◆设接收天线的有效接收面积为，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:)(422mWGdPSTTRRGA42)()4(2WGGPdPRTTRRA)(2m2020/4/21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fd/c)2以分贝数表示为：)()(lg20)(lg2044.32dBMHzfkmdLfs2020/4/212020/4/212020/4/21传播路径◆直射波---视距传播◆反射波◆地表面波发射天线接收天线直射波反射波地表面波2020/4/21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2020/4/21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.2020/4/21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.2020/4/21实际空间传播2020/4/21移动通信环境---场强测试曲线BuildingRadioTowerCellularstationVCnn2020/4/212020/4/212020/4/21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。◆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。2020/4/21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2020/4/211.三类不同层次的损耗路径传播损耗：自由空间传播损耗（Pathloss）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。2020/4/21接收信号的统计分析2020/4/21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2020/4/212.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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，甚至出现了以强压弱的现象，即使离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。2020/4/21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。2020/4/21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，通常称这一现象为远近效应。2020/4/21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径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等等。2020/4/21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。2020/4/21)()()(dRdSddPn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。d2020/4/21二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型2020/4/21二种传播模型（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。2020/4/212020/4/212020/4/21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2020/4/21★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★移动信道分类小尺度衰落模型分析2020/4/21多径效应（1）◆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。◆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2020/4/21多径效应（2）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2020/4/21多径信号——小尺度衰落及分布◆Rayleigh衰落◆Rice衰落2020/4/21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：接收信号为：令：则：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。因此合信号复包络为瑞利分布，相位为均匀分布。即：)0(]2exp[)(222rrrrptfjoceats20)(NitfjtftffjiciDiDceetr12)])()[(2()(iDiDcitftff])()[(2tfjcejyxtr2)()(Niiix1cosNiiiy1sin22yxr2020/4/21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。)(]2exp[)(202222rIrrrp2020/4/21Ricean分布与Rayleigh分布的关系2020/4/21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2020/4/214.1.2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频率时间t0t1t2t3...窄带信号宽带信号2020/4/21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。且其衰落周期，即与时域中的时延扩散程度成正比T2=1/L。2020/4/21频率选择性衰落其现象、成因与机理如图所示：tt0ff0tt宽带移动信道t2LL12020/4/214.1.3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。信号谱密度信号强度时间频率快衰落慢衰落2020/4/21时间选择性衰落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；频域：以f0为中心产生频率扩散，其宽度为B。其中f为绝对多普勒频移，B为相对值。3)结论：由于用户的高速移动在频域引起多普勒频移，在相应的时域其波形产生时间选择性衰落。其衰落周期为T=Pi/B。2020/4/21时间选择性衰落其现象、成因与机理如图所示：f0f高速移动用户信道ttBfff0B2020/4/214.1.4角度扩展---空间选择性衰落所谓空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样。0°360°信号强度信号强度地理位置2020/4/21空间选择性衰落1)信道输入：射频：单频等幅载波;角度域：在角上的一个脉冲式的点波束。2)信道输出时空域：在不同接收点时域上衰落特性是不一样的，即同一时间，不同地点(空间)衰落起伏是不一样的，这样，从空域上看，其信号包络的起伏周期为；角度域：在原来角度上的点波束产生了扩散，其扩散宽度为。3)结论