第5章1移動通信系統(tǒng)

第5章1移動通信系統(tǒng)第一頁，共56頁。ITU:InternationalTelecommunicationsUnion國際電信聯(lián)盟IEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers美國電氣和電子工程師協(xié)會IMT-2000:InternationalMobileTelecommunications-2000國際移動電話系統(tǒng)-2000

3GPP:The3rdGenerationPartnershipProject3G技術(shù)規(guī)范機構(gòu)LTE:LongTermEvolution長期演進GSM:GlobalSystemforMobileCommunications全球移動通信系統(tǒng)移動通信發(fā)展歷程第二頁，共56頁。學(xué)習(xí)重點和要求理解電波傳播的基本特性了解3種電波傳播的機制掌握自由空間和陰影衰落概念掌握多徑信道模型的原理和多徑信道的參數(shù)理解無線信道中信號經(jīng)歷多徑衰落的基本特性，掌握多徑傳播與快衰落、陰影衰落、時延擴展與相干帶寬的關(guān)系掌握描述信道衰落特性的特征量3第三頁，共56頁。主要內(nèi)容2.1概述電波傳播的基本特性電波傳播特性的研究2.2自由空間的電波傳播2.33種基本電波傳播機制反射與多徑信號繞射散射4第四頁，共56頁。2.4陰影衰落的基本特性2.5移動無線信道及特性參數(shù)多徑衰落的基本特性多普勒頻移多徑信道的信道模型描述無線信道的主要參數(shù)多徑信道的統(tǒng)計分析多徑信道的分類衰落特性的特征量衰落信道的建模與仿真主要內(nèi)容5第五頁，共56頁。主要內(nèi)容2.6電波傳播損耗預(yù)測模型室外傳播模型室內(nèi)傳播模型傳播模型校正6第六頁，共56頁。2.1概述2.2自由空間的電波傳播2.33種基本電波傳播機制2.4陰影衰落的基本特性2.5移動無線信道及特性參數(shù)2.6電波傳播損耗預(yù)測模型主要內(nèi)容7第七頁，共56頁。2.1概述2.1.1電波傳播的基本特性按視距分類視距信道：直射傳播（LOS：Light-Of-Sight），如衛(wèi)星傳播信道非視距信道：非直射傳播（Non-LOS）：繞射、散射、反射按不同距離內(nèi)信號強度變化的快慢分類大尺度衰落小尺度衰落按信號與信道變化快慢程度的比較分類長期慢衰落短期快衰落8第八頁，共56頁。2.1概述直射傳播：在自由空間中,電波沿直線傳播而不被吸收,也不發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象而直接到達接收點的傳播方式。直射波傳播損耗可看成自由空間的電波傳播損耗:其中,d為距離(km),f為工作頻率(MHz)。

9第九頁，共56頁。2.1概述反射(reflection)：當電磁波遇到比波長大得多的物體時發(fā)生反射，反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面。散射(scattering)：當波穿行的介質(zhì)中存在小于波長的物體，并且單位體積內(nèi)阻擋體的個數(shù)非常巨大時，發(fā)生散射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體。繞射(diffraction)：當接收機和發(fā)射機之間的無線傳播被尖銳的邊緣阻擋時，發(fā)生繞射。

10第十頁，共56頁。圖2-1典型的移動信道電波傳播方式1.直射波(最強)3.繞射波(次強)2.反射波(次強)4.散射波(最弱)散射體2.1概述11第十一頁，共56頁。2.1概述大尺度衰落：用于描述發(fā)射機與接收機之間的長距離（幾百或幾千米）或長時間上信號強度的變化，又叫做長期慢衰落。小尺度衰落：用于描述發(fā)射機與接收機之間的短距離（幾個波長）或短時間（秒級）內(nèi)信號強度的快速變化，又叫做短期快衰落。兩種衰落并非獨立，同時存在與無線信道中大尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多徑）描述長距離上信號強度的緩慢變化短距離上信號強度的快速波動原因信道路徑上固定障礙物的陰影移動臺運動和地點的變化影響業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域信號傳輸質(zhì)量12第十二頁，共56頁。2.1概述無線移動通信信道的基本概念r(t)=m(t)×r0(t)長期慢衰落：m(t)路徑損耗：自由空間損耗由信道路徑上的固定障礙物的陰影產(chǎn)生，短期快衰落：r0(t)由移動臺的運動和環(huán)境變化產(chǎn)生13第十三頁，共56頁。2.1概述長期慢衰落和短期快衰落移動臺相對位移（距離）移動臺運動的小區(qū)域基站發(fā)射天線實線：短期快衰落虛線：長期慢衰落r0(t)m(t)14第十四頁，共56頁。電波傳播特性的研究基本方法理論分析方法（如射線跟蹤法）現(xiàn)場測試方法（如沖激響應(yīng)法）

應(yīng)用成果傳播預(yù)測模型的建立為實現(xiàn)信道仿真提供基礎(chǔ)考慮問題衰落的物理機制功率的路徑損耗接收信號的變化和分布特性2.1概述第十五頁，共56頁。2.2自由空間的電波傳播16第十六頁，共56頁。關(guān)鍵概念相干帶寬（coherentbandwidth）

：指某一特定的頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)的任意兩個頻率分量都具有很強的幅度相關(guān)性，即在相干帶寬范圍內(nèi)，多徑信道具有恒定的增益和線性相位。相干帶寬近似等于最大多徑時延的倒數(shù)。從頻域看，如果相干帶寬小于發(fā)送信道的帶寬，則該信道特性會導(dǎo)致接收信號波形產(chǎn)生頻率選擇性衰落，即某些頻率成分信號的幅值可以增強，而另外一些頻率成分信號的幅值會被削弱。相干時間（coherenttime）

：相干時間就是信道保持恒定的最大時間差范圍，發(fā)射端的同一信號在相干時間之內(nèi)到達接收端，信號的衰落特性完全相似，接收端認為是一個信號。如果該信號的自相關(guān)性不好，還可能引入干擾，類似照相照出重影讓人眼花繚亂。從發(fā)射分集的角度來理解：時間分集要求兩次發(fā)射的時間要大于信道的相干時間，即如果發(fā)射時間小于信道的相干時間，則兩次發(fā)射的信號會經(jīng)歷相同的衰落，分集抗衰落的作用就不存在了。17第十七頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)2.5.1多徑衰落的基本特性18第十八頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)多徑衰落在移動通信環(huán)境中，發(fā)射的電波經(jīng)歷了不同路徑；導(dǎo)致傳播時間和相位均不相同。接收信號的幅度在較短時間內(nèi)急劇變化，產(chǎn)生了衰落。19第十九頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)多徑衰落現(xiàn)象

圖(a)兩徑傳播的疊加（加強和減弱）

圖(b)衰落包絡(luò)隨兩徑不同相位的變化20第二十頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)2.5.3多徑信道模型

假設(shè)輸入信號為多徑環(huán)境下的接收信號可分辨多徑數(shù)目每徑衰落系數(shù)每徑時延每徑相移21第二十一頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)

信道沖激響應(yīng)函數(shù)接收信號22第二十二頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)23第二十三頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)2.5.2多普勒頻移多譜勒效應(yīng)：移動臺在移動中通信，接收信號頻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。多譜勒頻移(DopplerFrequencyShift)與移動速度、方向24第二十四頁，共56頁。XYV2.5移動無線信道及特性參數(shù)25第二十五頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)多譜勒效應(yīng)的解釋相位發(fā)生隨機變化，即隨機調(diào)頻信號多徑信道中，一個單頻信號f擴展為f＋fd，導(dǎo)致頻譜擴展。相干時間Tcoh=1/fm，表征時變信道影響信號衰落的衰落節(jié)拍，信道隨這個節(jié)拍在時域上對信號有不同的選擇性。－－時間選擇性衰落。多譜勒效應(yīng)主要影響接收機的誤碼性能26第二十六頁，共56頁?；跁r延擴展1.信號帶寬<<信道相干帶寬2.信號符號周期>>時延擴展1.信號帶寬>信道相干帶寬2.信號符號周期<時延擴展平坦衰落頻率選擇性衰落2.5移動無線信道及特性參數(shù)2.5.4多徑信道主要參數(shù)&2.5.6多徑衰落信道分類時域上分析（頻率選擇性衰落）27第二十七頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)時延擴展平均時延：歸一化時延譜曲線的數(shù)學(xué)期望均方值時延擴展

p(t)Tmta均方值時延擴展描述了多徑信道時延的統(tǒng)計特性。28第二十八頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)相干帶寬信號中不同頻率分量通過多徑信道后，所受衰落是否相同依賴于信號帶寬與相干帶寬；信號帶寬>相干帶寬：頻率選擇性衰落信號帶寬<<相干帶寬：非頻率選擇性衰落相干帶寬BC＝1/(2πΔ)29第二十九頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)頻率選擇性衰落BS>BC

(TS<Δ)30第三十頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)頻率選擇性衰落與平坦衰落平坦衰落信道（非彌散信道）BS<<BC

(TS>>Δ)31第三十一頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)基于多普勒擴展多普勒頻移低1.信號符號周期<<信道相干時間2.基帶信號變化>>信道變化多普勒頻移高1.信號符號周期>信道相干時間2.基帶信號變化<信道變化非時間選擇性衰落（慢衰落）時間選擇性衰落（快衰落）

頻域上分析（時間選擇性衰落）32第三十二頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)時間選擇性衰落與非時間選擇性衰落時間選擇性衰落（快衰落）TS>TC并且BS

<BD(多譜勒擴展)

既有平坦快衰落，也有頻率選擇性快衰落非時間選擇性衰落（慢衰落）TS<<TC并且BS>>

BD(多譜勒擴展)

既有平坦慢衰落，也有頻率選擇性慢衰落33第三十三頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)多普勒擴展相干時間若時間相關(guān)函數(shù)大于0.5時普遍定義方法34第三十四頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)圖2?5車速20km/h的瑞利衰落信號包絡(luò)（經(jīng)典譜）圖2?6車速50km/h的瑞利衰落信號包絡(luò)（經(jīng)典譜）35第三十五頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)注意，相干時間和相干帶寬同時作用于信號平坦,非時間選擇性衰落平坦,時間選擇性衰落頻率選擇性,非時間選擇性衰落頻率選擇性,時間選擇性衰落1.信號帶寬<<信道相干帶寬2.信號符號周期<<信道相干時間1.信號帶寬<<信道相干帶寬2.信號符號周期>信道相干時間1.信號帶寬>信道相干帶寬2.信號符號周期<<信道相干時間1.信號帶寬>信道相干帶寬2.信號符號周期>信道相干時間36第三十六頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)基于角度擴展低角度擴展高角度擴展空間選擇性衰落空間獨立性衰落

空域上分析（空間選擇性衰落）37第三十七頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)多徑信道影響的本質(zhì)：相干帶寬：當信號帶寬大于相干帶寬時，該信號在信道中傳輸則會產(chǎn)生頻率選擇性衰落。Bc≈1/相干時間：當信號碼元周期大于相干時間時，發(fā)生時間選擇性衰落。

Tc≈1/fm相關(guān)距離多天線信道沖激相應(yīng)具有較小相關(guān)度，空間選擇性衰落38第三十八頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)2.5.5多徑信道的統(tǒng)計分析瑞利(Rayleigh)衰落分布各個多徑信道彼此相互獨立，沒有一個信道占支配地位，即沒有直射波信號。此時，接收信號包絡(luò)的變化服從Rayleigh分布。障礙物均勻的城市街道或森林。描述平坦衰落信號或獨立多徑分量接收包絡(luò)統(tǒng)計時變特性。39第三十九頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)瑞利(Rayleigh)衰落分布的數(shù)學(xué)描述基本假設(shè)：接收信號經(jīng)歷N條獨立的衰落路徑到達接收端。接收信號表示為幅度載頻多普勒頻移相位40第四十頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)瑞利(Rayleigh)衰落分布的數(shù)學(xué)描述令TC(t)和TS(t)為高斯隨機過程中心極限定理N→∞41第四十一頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)瑞利(Rayleigh)衰落分布的數(shù)學(xué)描述概率密度函數(shù)：聯(lián)合概率密度函數(shù)：接收信號的包絡(luò)：接收信號的相位：42第四十二頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)瑞利(Rayleigh)衰落分布的數(shù)學(xué)描述將直角坐標轉(zhuǎn)化為極坐標形式由雅各比(Jacobian)行列式可求出新坐標系下的聯(lián)合概率表示在(0,2p)區(qū)間內(nèi)對q

積分,得到r的概率密度函數(shù)在(0,∞)區(qū)間內(nèi)對r

積分,得到q

的概率密度函數(shù)（Rayleigh分布,r>=0）（均勻分布）43第四十三頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)瑞利(Rayleigh)衰落分布的數(shù)學(xué)描述不超過某一特定值R的接收信號包絡(luò)概率分布函數(shù)統(tǒng)計量均值：方差：信號包絡(luò)樣本區(qū)間中值：滿足P(r≤rm)=0.5的rm44第四十四頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)瑞利衰落分布概率密度函數(shù)概率分布函數(shù)45第四十五頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)瑞利衰落46第四十六頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)萊斯(Rician)衰落分布多徑信道中，存在較強的直射波信號且它占有支配地位。此時，接收信號包絡(luò)的衰落變化服從Rician分布。概率密度函數(shù)A：主信號峰值；r：衰落信號包絡(luò);s

：r的方差；I0(·):0階第一類修正貝塞爾函數(shù)。47第四十七頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)K=A2/2s2定義主信號功率與多徑分量方差之比，稱為萊斯因子。A→0時，K→-∞dB,萊斯分布變?yōu)槿鹄植肌2/2s2>>1時，萊斯分布將向高斯分布趨近。48第四十八頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)萊斯(Rician)衰落分布：概率密度函數(shù)概率分布函數(shù)49第四十九頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)Nakagami-m分布Nakagami-m分布對于無線信道的描述具有很好的適應(yīng)性，常見的Rayleigh衰落、Ricean衰落都可以用其來描述。m越小，信道特性越惡劣；m越大，信道特性越好50第五十頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)若信號包絡(luò)r服從Nakagami-m分布，則其概率密度函數(shù)為51第五十一頁，共56頁。2.5移動無線信道及特性參數(shù)Nakagami-m分布和其他分布的聯(lián)系和Rayleigh分布的關(guān)系（M=1）此時Nakagami-m分布即成