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1、移动通信系统中的信道特性课程目标：l 了解无线传播特性l 了解无线衰落l 掌握TD中抗衰落的技术参考资料：l 参考资料1目 录第1章 概述1第2章 无线电波传播特性22.1 移动无线电传播环境2 无线传播环境之LOS3 无线传播环境之NLOS3 无线传播环境之穿透到室内42.2 接收点地理环境的复杂性与多样性4 典型密集城区地理环境4 典型普通城区地理环境5 典型郊区环境6 典型农村环境62.3 几种根本传播机制7 直射波自由空间传播7 反射波8 绕射波8 透射波9 散射波9第3章 无线信道衰落103.1 移动无线信道统计分析10 瑞利分布10 莱斯分布11 对数正态分布12 慢衰落12 快衰
2、落13 多普勒频移193.2 衰落对数字通信系统性能的影响20 时延扩展20 频域扩展21 场强的随机快速起伏21 四类衰落信道22第4章 无线信道抗衰落技术244.1 扩频244.2 Rake254.3 交织254.4 均衡264.5 分集274.6 信道编码27第1章 概述& 知识点l 概述l 本课题主要从：无线电波的传播特性、无线信道衰落、衰落对无线信道的影响、抗衰落技术等方面来介绍信道特性。介绍了和无线信道特性有关的一些根本的概念；引入了典型传播环境的实例图解，图文结合有助于理解一些传播环境；本文没有过多的用高等数学来推导一些结论，主要对信道特性到达理解程度。关于第三章节介绍的抗衰落技
3、术，在本文中只是简单介绍，由于文档类别和页数限制没有做详细的阐述。 第2章 无线电波传播特性& 知识点l 视距非视距传播环境l 城区环境划分l 无线传播机制现代通信的开展，尤其是在移动通信商业化后， 、车载台等移动通信终端的出现使人们充分领略了现代生活的风采。在享受其带来的种种便利时，我们也积累了很多诸如此类的“生活经验：当我们在高速行驶的汽车上用 通话时，接收到的信号往往不尽人意；当我们在城市的某一个角落时，接收到的语音质量常常让用户对运营商不满；当我们站在群峰之巅，“一览众山小时，却不能用 向朋友直抒胸臆为什么会有这些遗憾呢？我们知道，移动通信正是以其可移动性而具有强大的生命力，但是这也使
4、得移动通信的无线电传播环境比有线通信更加恶劣。一方面，携带信息的电磁波的传播是扩散的，另一方面，地理环境复杂多变、用户移动随机不可预测，所有这些都造成了无线电波传播的损耗。因此，对无线电传播环境的了解、研究，对于整个移动通信系统的无线方面的优化和无线通信系统的开展至关重要。2.1 移动无线电传播环境大家都知道：一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。基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径，我们称之为无线移动信道。从某种意义上来说，对移动无线电传播环境的研究就是对无线移动信道的研究。其中传播路径可分为直射传播(LOS，Line-of-sight)和非直射传播(non LOS
5、)。一般情况下，在基站和移动台之间不存在直射信号，此时接收到的信号是发射信号经过假设干次反射、绕射或散射后的叠加。而在某些空旷地区或基站天线较高时可能存在直射传播路径。2.1.1 无线传播环境之LOS图 11 LOS无线传播环境2.1.2 无线传播环境之NLOS 图 12 NLOS无线传播环境2.1.3 无线传播环境之穿透到室内图 13 室内穿透传播环境在复杂的环境中，接收到信号可能是直射波、地面反射波和散射波的合成信号，接收到的合成场强为各局部的矢量合成波，从而产生多径效应。即使收发之间存在LOS环境，由于地面及周围建筑物的反射影响，多径仍然存在。由于多径是同一信号源经过不同的路径进行传播，
6、存在微小的时延差到达接收点，由于矢量的叠加，会引起信号的幅度的变化。其变化的程度取决于多径信号的幅度、时延以及传播信号的带宽。信道的时变性引起信号频率的展宽，导致Doppler效应。信道的多径传播会引起信号在时间上展宽应导致频率选择性衰落。2.2 接收点地理环境的复杂性与多样性 2.2.1 典型密集城区地理环境环境描述：地形平坦，地物分布密集，不均匀，多数街道比拟狭窄，10层以上高楼较多，地物高度上不均匀。 图 14 典型密集城区地理环境图2.2.2 典型普通城区地理环境环境描述：地形平坦，地物分布非常密集，均匀，多数街道为狭窄的小巷子。无高楼，所有建筑物几乎都在25米以下，平均建筑物高度10
7、15米，高度较均匀 。图 15 典型普通城区地理环境2.2.3 典型郊区环境环境描述：地形略有起伏，地物不规那么分布，有村落、厂房、田地、小山丘等多种场景。村落内民房分布较紧凑，其余建筑分布稀疏。建筑物均较低矮，平均高度为1520m以下。图 16 典型郊区环境2.2.4 典型农村环境环境描述：近端地形平坦，远端地形有较大波动，为城乡结合部，建筑物分布不均匀，有些地方密集，有些地方稀疏，道路比拟宽敞。建筑物均较低矮，平均高度为1520米以下。图 17 典型农村环境2.3 几种根本传播机制由于高大建筑物或远处高山等阻挡体的存在，常常会导致发射信号经过不同的传播路径到达接收端。这即所谓的多径传播效应
8、(Multipath Propagation)。各径信号经过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角，这将导致接收信号的时延扩展(Delay Spread)和角度扩展(Angle Spread)。另外，移动用户在传播径向方向的运动将使接收信号产生多普勒(Doppler)扩展，其结果是导致接收信号在频域的扩展，同时改变了信号电平的变化率。归纳起来，由于地理环境的复杂性和多样性，用户移动的随机性和多径传播现象等因素的存在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。人们通过理论分析和长期的实际观测，建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型。无论是慢衰落还是快衰落，从其产生的物理机理来看，都离不开电
9、磁波传播的五种根本机制：直射、反射、绕射、透射、散射。因此，对移动无线电传播环境的分析将从这五种根本传播机制开始。2.3.1 直射波自由空间传播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。 在实际环境中很难找到理想的自由空间，即直射波的传播，但在研究移动通信环境电波传播问题时往往作为各种传播环境的比拟标准。自由空间中距发射机处辐射功率密度为 式中为发射功率，为发射天线增益。假设接收天线增益为，有效面积为 因此，接收天线的接收功率为 2.3.2 反射波它是在电波遇到比波长大得多的物体时发生的，比方地面、建筑物墙体外表的反射等。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
10、度次之。 自由空间传播中的有关公式只能用于非常严格的条件下，实际的移动无线传播总是受到阻挡或地面的反射。在此种情况下，我们主要考虑两种情况，球形地面的反射，和平坦地面的反射。球面发射即收发天线之间距离足够远，以致必须考虑到地面外表的曲率影响；平坦地面反射即收发天线之间距离足够小，以致可以忽略地球外表的曲率影响。2.3.3 绕射波它通常发生在发射机和接收机之间视距路径受到阻挡的情况下。由阻挡面产生的二次波出现在整个空间中，甚至当发射机和接收机之间不存在视距路径时，在阻挡物的阴影区内会绕过阻挡物产生弯曲波。其强度与反射波相当。 惠更斯原理绕射现象可以用惠更斯原理解释，即波前上所有点可作为产生次级波
11、的电源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。绕射波是由次级波的传播进入阴影区形成的。阴影区绕射波场强就是围绕障碍物所有次级波的矢量和。菲涅尔区菲涅尔区表示从发射机到接收机的次级波路径长度比视距路径长度大的连续区域，即每个圆的射线超过局部的路径长度为。因此，相邻同心圆发出的次级波到达接收机的路径差为，即穿过第同心圆的路径长度为，其中为和之间的距离。这些圆成为菲涅尔区，其中为第一菲涅尔区。第个菲涅尔区半径可近似表示为 该近似式仅适用于的情况。在电波传播中，对次级波的阻挡产生的绕射损耗仅有一局部能量能绕过阻挡物，即一些菲涅尔区发出的次级波被阻挡。根据阻挡物的几何特征，接收能量为非阻挡菲涅尔区所
12、奉献能量的矢量和。2.3.4 透射波主要发生在室外向室内传播的情况下，而在室外由于透射传播方式的信号与其他方式相比显得很弱，因此往往不考虑。当射线到达两种不同介质界面时，将有局部能量发射到第一种介质中即反射线，另一局部能量透射到第二种介质中即透射线和折射线。对室外传播，投射线的影响很小。当射线透射过建筑物外墙时，由于透射后遇到后续障碍物引起场强衰减很快。因此，再返回到室外介质的射线场可以忽略。对室内传播现象，透射过墙体的射线起重要作用，因此室内传播模型必须考虑透射线。穿过墙体的透射线可以用透射系数，该透射系数可以对典型建筑物墙体用测量方法获得，但经验透射系数没有考虑到诸如入射线，墙体厚度等参数
13、的影响。2.3.5 散射波发生在电波传播时遇到许多尺寸小于波长的散射体的情况下，主要由粗糙外表、小散射体或其他不规那么物体引起的，比方城市环境的树叶、街道广告牌和灯柱等就是散射体。其信号强度最弱。图 18 电磁波的反射，散射，和绕射的实例第3章 无线信道衰落& 知识点l 无线信道特性l 信道衰落类型无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有权度的随机性，特别难以分析电磁波传播的机理是多种多样的。由无线电波的传播特性我们可以知道：发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高
14、层建筑产生了强烈的绕射损耗；此外，由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减，甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决一般利用统计方法，并且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行。3.1 移动无线信道统计分析3.1.1 瑞利分布 概念：如果衰落是由各向同性的多径引起的，那么接收到的信号是一个复高斯随机过程，复高斯随机过程的包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布，因此这样的衰落信号称为瑞利衰落。在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、
15、散射体和折射体的数量是相当多的，所以信道的冲激响应表示如下2： ，其中，L代表到达多径的条数； Al代表第l条路径的信号幅度； l代表第l条路径相对第一条路径=0的时延； l代表第l条路径的信号相位。 当径数较多时，可假设没有直射信道，因此信道的冲激响应h()可以看成一个零均值复高斯过程，其包络的值A符合瑞利分布，分布函数p(A)为： 信号包络的均值为，方差为2。 相位符合均匀分布的，分布函数p()：。此种信道被称为瑞利信道。 值得注意的是，瑞利衰落和时间选择性衰落、空间选择性衰落、频率选择性衰落是两个层面、两个角度的概念，不能划在一起。当发射机和接收机之间没有很强的视距传播路径时，瑞利分布是一个很好的信道传播模型。它可以适当地表示市区中的信道条件，其中大楼会阻碍视距
