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1、1移动通信系统中的信道特性移动通信系统中的信道特性2学习目标学习目标l学习完成本课程您将会：了解移动通信中的无线传播和信道的特性了解移动通信中的抗衰落技术3无线传播特性l无线传播无线传播的的特性特性l无线信道的特性无线信道的特性l大尺度路径损耗大尺度路径损耗l小尺度衰落和多径效应小尺度衰落和多径效应 l无线信道抗衰落技术无线信道抗衰落技术l移动通信系统中信号传播的效应移动通信系统中信号传播的效应 4无线传播特性l传播的开放性传播的开放性 l接收点地理环境的复杂性与多样性接收点地理环境的复杂性与多样性 l通信用户的随机移动性通信用户的随机移动性 5无线传播特性1、传播的开放性、传播的开放性 l一
2、切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的。6无线传播特性2、接收点地理环境的复杂性与多样性、接收点地理环境的复杂性与多样性 l一般可将地理环境划分为下列四类典型区域： l高楼林立的城市中心繁华区，也称密集城区；l一般楼宇的城市区域，也称一般城区； l以一般性建筑物为主的近郊小城镇区，也称郊区； l以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。7无线传播特性3、通信用户的随机移动性、通信用户的随机移动性 l慢速步行时的通信； l高速车载时的不间断通信。8无线信道的特性l无线传播无线传播的的特性特性l无线信道的特性无线信道的特性l大尺度路径损耗大尺度路径损耗l小尺度衰落和多径效应小尺度衰落和多径
3、效应 l无线信道抗衰落技术无线信道抗衰落技术l移动通信系统中信号传播的效应移动通信系统中信号传播的效应 9无线信道的特性l时延扩展时延扩展l频域扩展频域扩展10无线信道的特性l时延扩展时延扩展信道的时间弥散性（信道的时间弥散性（Time dispersion） 无线信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。11无线信道的特性l频域扩展频域扩展信道的频率弥散性（信道的频率弥散性（Freque
4、ncy dispersion） 12大尺度路径损耗l无线传播无线传播的的特性特性l无线信道的特性无线信道的特性l大尺度路径损耗大尺度路径损耗l小尺度衰落和多径效应小尺度衰落和多径效应 l无线信道抗衰落技术无线信道抗衰落技术l移动通信系统中信号传播的效应移动通信系统中信号传播的效应 13大尺度路径损耗五种基本传播机制五种基本传播机制l直射波（自由空间传播）直射波（自由空间传播）l反射波反射波l绕射波绕射波l散射波散射波l透射波透射波14大尺度路径损耗大尺度路径损耗15大尺度路径损耗大尺度路径损耗DiffractionRefractionPenetrationSUBTSScattering16大尺
5、度路径损耗l1、直射波、直射波：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。 l2、多径反射波、多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。 l3、绕射波、绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。 l4、散射波、散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。l5、透射波：、透射波：当射线到达两种不同介质界面时，有一部分能量透射到第二种介质中。 透射会使场强产生急剧衰减。17大尺度路径损耗路径传播损耗路径传播损耗l又称衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了又称衰耗
6、，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。电平平均值的变化趋势。 18小尺度衰落和多径效应l无线传播无线传播的的特性特性l无线信道的特性无线信道的特性l大尺度路径损耗大尺度路径损耗l小尺度衰落和多径效应小尺度衰落和多径效应 l无线信道抗衰落技术无线信道抗衰落技术l移动通信系统中信号传播的效应移动通信系统中信号传播的效应 19小尺度衰落和多径效应 l小尺度衰落：简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距传小尺度衰落：简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距传播后其幅度快速
7、衰落播后其幅度快速衰落 20小尺度衰落和多径效应什么是多径什么是多径l在CDMA系统中当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度时，这两个信号是不相关的，或者说是可分离的。我们习惯上将某一可分离的信号叫做信号的径。 21小尺度衰落和多径效应小尺度多径传播表现为：小尺度多径传播表现为：l经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。l在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制。率调制。l多样传播时延引起的扩展多样传播时延引起的扩展(回音回音)。 22l在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建
8、筑物矮很多，因而不存在从移动台到基站的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这样一条视距传播路径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传授仍会发生。入射电波以不同的传授方向到达，具有不同的传播时延。空间任一点的移动台所收到的信号都由许多平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成分被接收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。即使移动接收机处于静止状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中的物体的运动而产生衰落。l 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落只与空间路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空间变化看作瞬时变化。在空间不同点
9、的多径波的影响下，高速运动的接收机可以在很短时间内经过若干次衰落。更为严重的情况是，接收机可能停留在某个特定的衰落很大的位置上。在这种情况下，尽管可能由行人或车辆改变了场模型，从而打破接收信号长时间维持失效的情况，但要维持良好的通信状态仍非常困难。天线空间分集可以防止极度衰落以至于无效的情况。l 由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。移动引起的接收机信号频移被称为多普勒频移。它与移动台的运动速度、运动方向，以及接收机多径波的入射角有关。23小尺度衰落和多径效应影响小尺度衰落的因素：影响小尺度衰落的因素：l多径传播多径传播 l移动台的运动速度移动台的运动速度 l环境物体的
10、运动速度环境物体的运动速度 l信号的传输带宽信号的传输带宽 24l无线信道中许多物理因素影响小尺度衰落，包括：l多径传播信道中反射及反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境，导致信号幅度、相位及时间的变化。这些因素使发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号强度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。多径传播常常延长信号基带部分到达接收机所用的时间由于码间干扰引起信号模糊。l移动台的运动速度基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制，这是由于多径分量存在的多普勒频移现象。决定多普勒频移是正频移或负频移取决于移动接收机是朝向还是背向基
11、站运动。l环境物体的运动速度如果无线悟道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。若环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。否则，可仅考虑移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。l信号的传输带宽如果信号的传输带宽比多径信道带宽大得多，接收信号会失真，但本地接收机信号强度不会衰落很多(即小尺度衰落不占主导地位)。以后台看到信道带宽可用相干带宽量化。这里，相关带宽是一个最大频率差的量度，与信道的特定多径结构有关。在此范围内，不同信号的幅度保持很强的相关性。若传输信号带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速改变，但信号不会出现时间失真。所以，小尺度信号的强度
12、和短距传输后信号模糊的可能性与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。25小尺度衰落和多径效应l多普勒频移多普勒频移1cos2dvft而且，由于移动通信中移动台的移动性，如前所说那样，无线信道中还会有多普勒效应。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。虽然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。 多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向，与无线电波入射方向之间
13、的夹角有关。若移动台朗向入射波方向运动，则多普勒频移为正(即接收频率上升)；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负(即接收频率下降)。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽 26小尺度衰落和多径效应移动无线信道统计分析移动无线信道统计分析l瑞利分布瑞利分布 l莱斯分布莱斯分布l对数正态分布对数正态分布27小尺度衰落和多径效应瑞利分布瑞利分布 l瑞利分布一般用来描述平衰落信号的接收包络或者多个多径分量包络的统计时变特性。 28小尺度衰落和多径效应莱斯衰落莱斯衰落l当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路径，通过主路径传输过来被接收的信号为一个稳定
14、幅度Ak和相位k，或者在媒质中，除了随机运动散射分量外，还存在固定散射或信号反射分量，但其余多径传输过来的信号仍如上面“瑞利衰落概率模型”所述。这种情况下，其包络的值A的概率分布不再具有零均值，包络具有莱斯分布 。29小尺度衰落和多径效应对数正态分布对数正态分布l由于建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的衰落，在时域上表由于建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的衰落，在时域上表现为慢速扰动，即称长期衰落（现为慢速扰动，即称长期衰落（long-term fading）。近似服从）。近似服从对数正态分布，其概率密度函数为对数正态分布，其概率密度函数为 30小尺度衰落和多径效应小尺度衰落产生的损耗小尺度衰落
15、产生的损耗l慢衰落（阴影衰落）损耗慢衰落（阴影衰落）损耗 l快衰落（多径衰落）损耗快衰落（多径衰落）损耗 同时由于各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快衰落。这种衰落是由多种路径引起的，所以称为多径衰落，也叫快衰落。 此外，接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化。主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为
16、慢衰落。31小尺度衰落和多径效应慢衰落（阴影衰落）损耗慢衰落（阴影衰落）损耗 l它是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率较慢故又称为慢衰落，由于慢衰落表示接收信号的长期变化，所以又称长期衰落（long-term-fading）。 l慢衰落符合对数正态分布 32阴影衰落阴影衰落对数正态阴影衰落对数正态阴影衰落由于受到地形地物等阴影的影响由于受到地形地物等阴影的影响，在信号到达处，经历了多次反，在信号到达处，经历了多次反射或绕射的包含随机量的多个信射或绕射的包含随机量的多个信号的叠加信号，体现的分布是正号的叠加信号，体现的分布是正态分布态分布典型的阴影衰落标准差是典型的阴影衰落标准差是8dB小尺度衰落和多径效应33小尺度衰落和多径效应快衰落（多径衰落）损耗快衰落（多径衰落）损耗 l它主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度和相位随移动台的运动表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围内数十波长量级接
