Advance of Smart Technologies for W-CDMA Systems

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1 Chapter 5. 移动无线电传播小尺度衰落与多径效应小尺度多径一个多径信道的冲激响应模型小尺度多径测量移动多径信道的参数小尺度衰落类型 Rayleigh 分布与 Riea 分布多径衰落信道的统计模型

2 5.1 小尺度多径传播小尺度衰落或简称衰落, 是指无线信号在经过短时间或或短距传播后其幅度相位及多径时延的快速波动, 以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播以微小的时间差到达接收机的信号相互干扰所致

4 无线信道的多径导致小尺度衰落效应的产生主要效应表现为 : (1) 经过短距或短时间传播后信号强度的急速变化 ; () 在不同的多径信号上, 存在着时变多普勒频移引起的随机频率调制 ; (3) 多径传播时延引起的时间扩展 ( 回声 )

5 影响小尺度衰落的因素 : (1) 多径传播 - 符号间干扰 (ISI) 引起的信号拖尾 () 移动台的运动速度 - 多径分量存在不同多普勒频移导致的随机频率调制 (3) 环境物体的运动速度 - 多径造成的时变多普勒频移 (4) 信号的传输带宽 - 信号的传输带宽大于多径信道的相干带宽, 接收信号会失真

6 多普勒频移 l vt 路程差造成的相位变化 l: = 频率变化值, 即多普勒频移 : d 1 v os t 多径分量造成接收机信号的多普勒扩展, 增加了信号带宽 os S l X d v Y

7 5. 一个多径信道的冲激响应模型移动无线信道的小尺度变化与移动无线信道的冲击响应直接相关 ; 冲击响应是宽带信道的特性, 它包含了所有用于仿真和分析信道无线传播的必要信息 ; 移动无线信道可以建模为一个具有时变 ( 接收机空间运动 ) 冲激响应特性的线性滤波器

8 一个多径信道的冲激响应模型 xt () j yt () t h( t, ) Re h ( t, ) e 带通信道的冲击响应模型 b t () 1 rt () h ( t, ) b 基带的等效信道冲击响应模型 1 y( t) x( t) h( t) r( t) ( t) hb ( t) x( t) Re ( t)exp j t y( t) Re r( t)exp j t L1 h ( t, ) ( t, )exp j ( t) ( t, ) ( t) b l l l l l0 滤波器特性与的 A 和和多径的 τ 有关

9 h b ( t, ) t t 3 ( t ) 3 t ( t ) t 1 t N N 1 ( t ) 0 ( t ) 1

10 带宽与接收功率 P 之间的关系对窄带宽 Tbb<τh. 脉冲, 多径可以被分离, 接收功率变化较小 p( t) max 1 T r( t) exp j p t exp j ret t N1 N1 max bb i i i i i i i0 i0 T bb 1 max * r t0 r( t) r ( t) dt 0 max T bb max 1 N N Re j t0 i t0 p t j p t i exp j j i dt 0 max 4 j0 i0 E P E j L1 L1 exp, WB, l l l0 l0 l

11 带宽与接收功率 P 之间的关系对于连续波 (CW) 信号, 多径不能被分离, 导致大幅度信号波动 N 1 1 r( t) i exp i0 N 1 exp, i i i0 j r t j t i 1 N N 1 N 1 N 1 E, P E, j r l0 l0 l0 l, jl exp os CW l l l lj l j rlj Ea ala j

12 5.3 小尺度多径测量多径结构对决定小尺度衰落效应很重要, 因而出现多种宽带探测 (soudig) 技术这些技术分为 : 直接脉冲测量扩频滑动相关器信道测量扫频测量

13 直接射频脉冲系统 T x REP 脉冲发生器脉冲宽度 = bb 射频链路 R x BW=/ bb 分辨率 = 脉冲宽度 BPF 检波器数字存储示波器

14 多径分量间最小的可分离时延应等于探测脉冲宽度可以提供本地功率延迟分布主要问题是系统受干扰和噪声影响严重另一个缺点是收不到多径分量各自的相位

15 扩频滑动相关信道检测 T x 发送时钟 R =[Hz]=1/T PN 序列发生器分辨率 ~1/R(rms 脉冲宽度 ) R x BW=R PN 序列发生器接收时钟相对带宽 BW(-) [Hz] 数字存储示波器 BPF BPF 检波器

16 系统可将时间间隔等于或大于 Δτ=T 的两个多径分量分离出来可以滤除带通噪声测量不是实时的

17 频域信道探测 Tx 带扫描频率发生器的矢量网络分析仪 X Y S- 参数测试仪端口 1 端口离散付氏反变换处理器 S 1 H Rx Y X h( t) FT H ( ) 1

18 室内信道探测 ; 测量具有非实时特性 ; 系统需要收发信机之间具有精确的时间校准和严格同步

19 5.4 移动多径信道的参数时间色散参数平均附加时延 (τ) rms 时延扩展 (σ τ ) P k k k k k k k k P k k P k, k k k k k k P k k 的典型值 ms( 室外 ), s( 室内 ) k 最大附加时延 (XdB): 多径能量从初值衰落到低于最大能量 X db 处的时延值

21 例子 5.4. 计算右图所示的 RMS 时延扩展 P 0dB 0dB (a) P k k k (1)(0) (1)(1) 0.5s P 11 k k P P 11 k k k (1)(0) (1)(1) k k s 0.5 (0.5) 0.5s ( s)

22 (b) 若采用 BPSK 调制, 在不使用均衡的情况下, 可以经信道传输的最大比特速率是多少? T T s R s s s 5s ksps T 5s s R log M R 00kbps b s

23 相干带宽 B: 时延扩展与 B 是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数 B B 1 50,( 频率相关函数大于 0.9) 15,( 频率相关函数大于 0.5)

24 多普勒扩展 BD 与相干时间 T: BD : 定义为一个频率范围, 在此范围内接收的多普勒谱有非 0 值 T: 一段时间间隔, 在此间隔内, 两个到达信号幅度有很强的相关性 T 1 m T 9 16,( 时间相关函数大于 0.5 ), v / m m T 9 16 m 0.43/ m,( 上两式的几何平均 )

25 例 5.5. 计算下图所示多径分布的平均附加时延 rms 时延扩展及最大附加时延 (10dB) 设信道相干带宽取 50%, 则该系统在不使用均衡器的条件下对 AMPS 和 GSM 业务是否合适? 0dB -10dB -0dB -30dB r P ( s)

26 10dB P k k k (1)(5) (0.1)(1) (0.1)() (0.01)(0) 4.38s P k k k k (1)(5) (0.1)(1) (0.1)() (0.01)(0) k k P P k 1.07 (4.38) 1.37s 5s B kHz 5 5(1.37) AMPS: 30kHz, GSM: 00kHz 1.07s

27 例 5.6. 选择测量小尺度传播需要的合适的空间采样间隔, 假设连续采样值有很强的时间相关性, 若 =1900MHz ad v=50m/s, 移动 10m 需要多少采样值? 假设可以在运动的车辆上实时进行采样, 则进行这些测量需要多少时间? 信道的多普勒扩展 B D 为多少?

28 T s v 16 v m 采样间隔 T / T 采样空间间隔 x v 1.41m 10 Nx 708 samples x 10m 测量所需时间 = 0.s 50 m/ s v BD m Hz

29 5.5 小尺度衰落类型小尺度衰落 ( 基于多径时延扩展 ) 平坦衰落 (1) 信号带宽 < 信道带宽 () 延迟扩展 < 符号周期频率选择性衰落 (1) 信号带宽 > 信道带宽 () 延迟扩展 > 符号周期小尺度衰落 ( 基于多普勒扩展 ) 快衰落 (1) 大多普勒频移 () 相干时间 < 符号周期 (3) 信道变化快于基带信号变化慢衰落 (1) 小普勒频移 () 相干时间 > 符号周期 (3) 信道变化慢于基带信号变化

30 平坦衰落发送信号的频谱特性在接收端保持不变信号强度随时间变化, 幅度变化服从 Rayleigh 分布

31 频率选择性衰落信道中发送信号的时间色散引起频率选择性衰落这样信道就造成了符号间干扰 (ISI)

32 发送信号的符号周期 T s 平坦慢衰落频率选择性慢衰落平坦快衰落频率选择性快衰落 T s T B s 发送信号的带宽 B 频率选择性快衰落平坦快衰落频率选择性慢衰落平坦慢衰落 B s B d

33 5.6 Rayleigh 分布与 Riea 分布 Rayleigh 分布是常用的描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种分布 R r r r exp 0 r 0 r 0

34 当存在一个主要的静态 ( 非衰落 ) 信号分量时, 如视距传播小尺度衰落的包络服从 Riea 分布 R r r r A ra exp I 0, A 0, r 0 0, r 0 A K(dB) (Riea 因子 ) 10 log, A是主信号幅度

36 5.7 多径衰落信道的统计模型平坦衰落的 Clarke 模型 ( 城市 ) 电磁场的统计特性基于散射垂直极化天线的固定发射机入射到移动天线的电磁场由 N 个平面波组成, 这些平面波具有任意的载波相位入射方位角以及相等的平均幅度相等平均幅度的假设基于不存在视距路径

37 以任意角度到达的平面波示意图

38 对第个以角度 α 到达 x 轴的入射波, 1 ) os( os.. ) os( si ) os( os N N y N x N z C C H E t t C E H v r C t C E H E E t C E E H E 的平均值 : 场进行规一化后, 可得和对个到达分量的随机相位 : 第, 表示不同电波幅度实, 场本地平均, 场强分量 : 和到达移动台的垂直极化平面波存在多普勒频移 :

39 若 N 足够大, Ez, Hx 和 Hy 可以近似看作高斯随机变量假设相位角在 (0,π] 内有均匀的 PDF, E 场可以表示为 :, 0 0, 0 exp ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( / 0 ) si( ), os( ) )si( ( ) )os( ( ) ( 1 0 ) ( E r r r r r p Rayleigh Jaobea t r t T t T t E E E E T T T T t C E T t C E T t t T t t T E s z z s s N t s N t s z, 分布 : 变换可知, 接收信号包络服从从场包络为 : 接收的是非相关均值的高斯随机变量, 有相等的方差 : 和

40 Gas 提出了一种 Clarke 模型的谱分析接收功率 : P AG( ) p( ) d r 0 A是定向天线平均接收功率, G( ) 是天线方向增益模式若散射信号是频率为的 CW 信号, 则以角度入射的接收信号的 v 瞬时频率 : ( ) os( ) os 接收功率随频率的微分变化 : S( ) d m 令接收信号功率随频率的微分变化与随角度的微分变化相等, 有 : S( ) d A[ p( ) G( ) p( ) G( )] d 则 : d d si m 可表示为的函数 : 1 os si 1 m m

41 这仅是接收信号经过非线性包络检波器时的瞬时相关结果是第一类完全椭圆积分基带功率谱密度为 : 到达信号的多普勒分量的功率谱密度不确定或 ( )= 其输出频谱 : 间均匀分布 ) 以及到的天线 ( 对垂直范围的频谱均为频谱集中在载频附近, 超出 () ) ( , 1 ) ( ) ( 4 0 0, ) (, 1 )] ( ) ( ) ( ) ( [ ) ( 0 0 K K S S p G S G p G p A S m m bbe m m E m m m m Z Z

42 S E Z ( ) m m 未调制的 CW 载波的多普勒功率谱

44 多普勒扩展的频谱形状决定了时域衰落波形, 以及衰落的时间相关性 Rayleigh 衰落仿真器必须采用下式所示的衰落频谱, 以产生有适当时间相关性的实时衰落波形 S E Z ( )= m m

45 Clarke 和 Gas 衰落模型的仿真一种流行的仿真方法是利用同相和正交调制的概念来产生仿真信号, 该信号和被测数据非常相似每个高斯源可能由两个独立的高斯随机变量组成,g=a+jb 在频域利用频谱滤波器对随机信号进行整形 S E Z ( )= m m

46 相互独立用快速傅里叶反变换 (IFFT) 产生多普勒衰落的准确的时域形 os t 基带高斯噪声源基带高斯噪声源平衡混频器 Doppler 滤波器 s ( t 0 ) si t 有射频多普勒滤波器的采用正交调幅的仿真器

47 os t 相互独立基带高斯噪声源基带高斯噪声源基带 Doppler 滤波器基带 Doppler 滤波器平衡混频器 s 0 ( t) si t 有基带多普勒滤波器的采用正交调幅的仿真器

48 Smith 仿真方法如图 g N 1 g N 1 S E Z ( ) IFFT g N / g N / m 0 m m m 独立的复数高斯样本形式的线谱 r(t) g N 1 g N 1 S E Z ( ) g N / g N / IFFT 0 90 m 0 m 在基带频域采用 Rayleigh 衰落仿真 m m

49 测试信号 s(t) 1 N Rayleigh 衰落仿真 a 0 Rayleigh 衰落仿真 a 1 Rayleigh 衰落仿真 a N r(t) 根据增益和时延的不同设置, 可以进行平坦性或者频率选择性衰落条件下的仿真

50 电平交叉和衰落统计 : 电平交叉率 (LCR) Rayleigh 衰落信号的平均衰落时段两个重要的统计值对于设计差错控制编码及移动通信系统中的不同方案将接收信号的时间变化率与信号电平及移动台 MS 的速度联系起来

51 LCR: Rayleigh 衰落包络归一化为本地 rms 信号电平后, 沿正向穿过某一指定电平的速率每秒电平交叉的数目为 : 0 N rp R, r dr e R m r 是 r( t) 关于时间的导数, R / R rms

52 平均衰落时段 : 接收信号低于某指定电平 R 的平均时间段的值对 Rayleigh 衰落信号 : 1 Pr ( r R) N R e 1 m

53 双线 Rayleigh 衰落模型 Clarke s 模型及 Rayleigh 衰落统计模型, 适用于平坦衰落条件而不考虑多径时延一个常用的多径模型是独立的 Rayleigh 双线模型 h ( t) exp( j ) ( t) exp( j ) ( t ) b 和相互独立并且服从 Rayleigh分布和在 0, 均匀分布通过改变 τ, 可以产生大范围的频率选择性衰落

54 Saleh 和 Valezuela 室内统计模型 Saleh 和 Valezuela 基于测试结果, 提出了一个简单的室内信道多径模型 SIRCIM 和 SMRCIM 室内和室外统计模型 SIRCIM ( 室内无线信道冲激响应模型仿真 ) SMRCIM ( 移动无线信道冲激响应模型仿真 )

移动无线信道（II）

移动无线信道（II）移动无线信道 (II) 第 5 章小尺度衰落和多径效应 1 主要内容回顾小尺度上移动无线信道对信号的影响多径信道冲击响应模型移动多径信道参数及小尺度衰落类型瑞利衰落分布和莱斯衰落分布平坦衰落的 Clarke 模型及其仿真电平通过率与平均衰落持续时间 2 回顾前一章里, 我们主要讨论了信号随传播距离 d 变化的规律我们注意到, 对这方面规律的认识对蜂窝系统及其他无线系统的规划与设计起着决定性作用