無線信道與MIMO信道課件

1、2.1 引言移動通信電波傳播路徑損耗和多徑衰落 第2章 無線信道與MIMO信道1慢衰落:慢衰落指的是接收信號強度隨機變化緩慢，具有 十幾分鐘或幾小時的長衰落周期?？焖ヂ?接收信號強度隨機變化較快，具有幾秒鐘或幾分 鐘的短衰落周期。典型信號衰落特性 快衰落慢衰落2 信號通過無線信道時，會遭受各種衰落的影響，一般來說接收信號的功率可以表達為表示移動臺與基站的距離 （1）電波在自由空間內的傳播損耗 ,也被稱作大尺度衰落。其中 取值一般為24； （2） ：陰影衰落 （3） ：多徑衰落32.2 無線信道 2.2.1 大尺度衰落與陰影效應最簡單的大尺度路徑損耗的模型可以表示為表示本地平均發(fā)射信號功率； 表

2、示接收功率； 表示發(fā)射機與接收機之間的距離 ；是獨立于距離、功率和帶寬的常數(shù)； 可以得到平均的信號噪聲比()為 是單邊噪聲功率譜密度， 是信號帶寬。 1. 大尺度衰落4如果為保證可靠接收，要求 表示信噪比門限 可見，如果不采用其他特殊的技術，則數(shù)據的符號速率以及電波的傳播范圍都會受到很大的限制。但是在一般的蜂窩系統(tǒng)中，由于小區(qū)的規(guī)模相對較小，所以這種大尺度衰落對移動通信系統(tǒng)的影響并不需要單獨加以考慮。52. 陰影衰落 路徑損耗與陰影衰落合并在一起反映了無線信道在大尺度上對傳輸信號的影響，可以合稱為大尺度衰落，因為這種衰落對信號的影響反映為信號隨傳播距離的增加而緩慢起伏變化，所以也稱為慢衰落。

3、電磁波在空間傳播時受到地形起伏、高大建筑物的阻擋，在這些障礙物后面會產生電磁場的陰影，造成場強中值的變化，從而引起信號衰減，稱為陰影衰落。陰影衰落是以較大的空間尺度來衡量的，其統(tǒng)計特性通常符合對數(shù)正態(tài)分布。62.2.2 多徑衰落三種最重要的多徑衰落效應： 信號強度在一段很小的傳播距離或時間間隔內快速變化； 不同路徑信號的多普勒頻移的變化引起的隨機頻率調制； 多徑傳播時延引起的擴展；影響多徑衰落的因素：1.多徑傳播2.移動臺的速度3.周圍物體的速度4.信號的發(fā)射帶寬7多徑傳播信道的沖激響應模型是所有傳播路徑的數(shù)目; 和 是每路信號的強度和到達時間。 對上式進行傅立葉變換得到信道多徑環(huán)境下的頻率響

4、應（傳輸函數(shù)）設發(fā)射信號為 ，則接收到的信號是經多徑傳播后的總和 假設時延擴展8V0V0遲延t0遲延t0 9 信道的多徑數(shù)目為 7，信號經7條不同路徑到達時的幅度和時間是隨機選擇的。 2.2.3 無線信道的時變性以及多普勒頻移若發(fā)射信號 ，則接收到的信號為 10多普勒效應引起的附加頻率偏移稱為多普勒頻移，可以用下式表示 表示移動臺和觀察者之間的相對運動速度表示最大多普勒頻移 表示載波頻率， 表示光速，為運動路線與入射角之間的夾角 多普勒擴展（Doppler spread）是一種由多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過程的頻率擴散（frequency dispersion），又稱時間選擇性衰落（time s

5、elective fading）。當移動用戶向著基站方向運動時，多普勒頻移為正，即接收頻率增加。 當移動用戶遠離基站方向運動時，多普勒頻移為負，即接收頻率減小。 11若發(fā)射信號 ，則接收到的信號為 考慮多普勒頻移是第徑的多譜勒頻移。 如果接收機、發(fā)射機或環(huán)境是移動的，多徑傳播信道的沖激響應模型 多譜勒角頻移會使接收信號的頻譜擴展. 12 時延擴展頻率選擇性衰落最大時延擴展：第一個到達接收天線的信號分量與最后一個到 達的信號分量之間的時間差。相干帶寬：指某一特定的頻率范圍，在該頻率范圍內的任意兩個頻率 分量都具有很強的幅度相關性，即在相干帶寬范圍內，多 徑信道具有恒定的增益和線性的相位。 如果相

6、關帶寬小于發(fā)送信號的帶寬，則該信道特性會導致接收信號波形產生頻率選擇性衰落。反之，如果多徑信道的相干帶寬大于發(fā)送信號的帶寬，則接收信號經歷平坦（Flat）衰落，或頻率非選擇性衰落。2.2.4選擇性衰落13多徑時延擴展平坦衰落頻率選擇性衰落1.信號的帶寬信道的帶寬2.時延擴展碼元間隔 多普勒擴展（時變性）時間選擇性衰落相干時間：指一段時間間隔，在此間隔內，接收信號的幅值具有很強的相關性，即在相干時間內，信道的沖激響應保持不變。14 如果基帶信號的符號周期大于信道的相干時間，則在基帶信號的傳輸過程中信道可能會發(fā)生改變，導致接收信號的失真，產生時間選擇性衰落（快衰落）；如果基帶信號的符號周期小于信道

7、的相干時間，則在基帶信號的傳輸過程中信道不會發(fā)生改變，也不會產生時間選擇性衰落，也稱慢衰落。多普勒擴展快衰落慢衰落1.相干時間碼元間隔2.信道變化比基帶變化慢15 快衰落情況下，非常短的距離內，接收機信號的起伏可達10dB30dB，并且接收信號的包絡在視距通信的情況下呈萊斯分布，在非視距通信的情況下呈瑞利分布。非視距通信視距通信角度擴展空間選擇性衰落相關距離:定義為兩根天線上的信道沖激響應保持一定相關時的最大空間距離。 2.2.5瑞利分布與萊斯分布162.3 常用多徑信道計算機仿真模型1.常用室內信道模型二徑模型指數(shù)衰減模型PDP：Power Delay Profile17 IEEE 802.

8、11 信道模型PDP功率譜室內模型182.濾波白噪聲模型（FWGN，F(xiàn)iltered White Gaussian Noise） 加性高斯白噪聲模型對衛(wèi)星信道、深空（deep-space）信道， 是一個精確的模型，然而，在很多通信系統(tǒng)中，信道還遭受加性噪聲之外的干擾，對于這些信道，簡單的AWGN模型是不適用的。 Clarke/Gans模型框圖19Clarke/Gans時變信道模型20為離散多普勒頻移； 為最大多普勒頻移； 為離散多普勒相位； 為獨立隨機變量。 3. HIPERLAN/2多徑信道模型（參考） 21HIPERLAN/2多徑信道模型（參考） 多徑序號k傳播延時k(ns)路徑功率（k）

9、101.02500.609531000.494541500.394052000.237162500.190073000.115983500.069994000.0462離散多徑信道系數(shù) 224. 頻率選擇性衰落信道仿真該模型的典型代表是ITU-R和COST207模型 序號步行A步行B車載A車載B多普勒譜相對延時（ns）平均功率（dB）相對延時（ns）平均功率（dB）相對延時（ns）平均功率（dB）相對延時（ns）平均功率（dB）1234560110190410 0.0 -9.7-19.2-22.80200800120023003700 0.0 -0.9 -4.9 -8.0 -7.8-23.90

10、310710109017302510 0.0 -1.0 -9.0-10.0-15.0-20.003008900129001710020000 -2.5 0.0-12.8-10.0-25.2-16.0典型典型典型典型典型典型ITU-R模型PDP 23COST 207（簡化TU，簡化BU）模型的PDP 序號典型城市（TU）鄉(xiāng)村（BU）相對延時（s）平均功率（dB）多普勒譜相對延時（s）平均功率（dB）多普勒譜12345600.20.51.62.35.00.1890.3790.2390.0950.0610.037ClassicClassicClassicGAUS1GAUS2GAUS20.00.31.

11、01.65.06.60.1640.2930.1470.0940.1850.117ClassicClassicGAUS1GAUS1GAUS2GAUS224COST 207模型的PDP 序號典型城市（TU）鄉(xiāng)村（BU）相對延時（s）平均功率（dB）多普勒譜相對延時（s）平均功率（dB）多普勒譜1234567891011120.00.10.30.50.81.11.31.72.33.13.25.00.0920.1150.2310.1270.1150.0740.0460.0740.0510.0320.0180.025ClassicClassicClassicClassicGAUS1GAUS1GAUS1G

12、AUS1GAUS2GAUS2GAUS2GAUS20.00.10.30.71.62.23.15.06.07.28.110.00.0330.0890.1410.1940.1140.0520.0350.1400.1360.0410.0190.006ClassicClassicClassicGAUS1GAUS1GAUS2GAUS2GAUS2GAUS2GAUS2GAUS2GAUS225COST 207模型(RA)的PDP典型城市（TU）鄉(xiāng)村（BU）相對延時（s）相對平均功率（dB）相對延時（s）相對平均功率（dB）00.20.61.62.45.0-30-2-6-8-1000.20.40.61517.20

13、-2-4-7-6-1226空時編 碼 空時解 碼 MIMO無線信道2.4 MIMO無線信道27非頻率選擇性衰落（平衰落）信道（時延擴展碼元間隔）是接收信號矢量； 是發(fā)送信號矢量； 是零均值復高斯隨機矢量。 28MIMO無線信道 Z1 Z1 Z1 Z1頻率選擇性衰落信道（時延擴展碼元間隔）29多徑信道MIMO系統(tǒng)輸入輸出關系 30MIMO信道相關性表示Kronecker乘積 為支路增益相關 為發(fā)送天線相關矩陣 為接收天線相關矩陣 312.5 仿真實例實例2-1 瑞利分布與萊斯分布clear, clfN=200000; %產生200000個信道系數(shù)供統(tǒng)計使用level=30; %統(tǒng)計區(qū)間被劃分的分

14、數(shù)。K_dB=-40 0 15; %萊斯因子為-40dB、0dB、15dBgss=k-*; k-o; k-+;k-; %繪制曲線的顏色、線形與標志符號 32% 瑞利模型Rayleigh_ch=Ray_model(N); %調用Ray_model子程序，產生瑞利分布幅度系數(shù) temp,x=hist(abs(Rayleigh_ch(1,:),level); %統(tǒng)計數(shù)據分布 plot(x,temp,gss(1,:)hold on33%萊斯模型for i=1:length(K_dB); %對不同萊斯因子進行信道模型仿真Rician_ch(i,:) = Ric_model(K_dB(i),N); %調用Ric_model產生萊斯分布幅度系數(shù)temp x = hist(abs(Rician_ch(i,:),level); %統(tǒng)計數(shù)據分布 plot(x,temp,gss(i+1,:)endxlabel(x), ylabel(Occurrence)legend(Rayleigh,Rician, K=-40dB,Ricia