無(wú)線(xiàn)信道特性分析

技術(shù)專(zhuān)題//無(wú)線(xiàn)信道特性分析文國家廣電總局節目傳輸中心韓曉晗//摘要:本文對無(wú)線(xiàn)信道中的大尺度衰落、小尺度衰落等特性和多徑信道建模進(jìn)行了分析和介紹，有利于從事無(wú)線(xiàn)通信研究工作的人員進(jìn)行信道分析和仿真研究。關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)信道衰落特性多徑信道建模1前言.時(shí)，接收信號功率的平均值基本保持不率 與距離的關(guān)系通常用下式表示;各類(lèi)信號從發(fā)射端發(fā)送出去以后，變,但當它們的相對位置的改變遠超過(guò)Px=(2-4)在到達接收端之前經(jīng)歷的所有路徑，統上述范圍時(shí)， 接收信號的平均功率將會(huì )其中: 42z,稱(chēng)為路徑損耗系數，稱(chēng)為信道。其中，如果傳輸的是無(wú)線(xiàn)信有幾個(gè)數量級的變化。 大尺度衰落正是一般可取為3-4。號，則電磁波所經(jīng)歷的路徑，我們稱(chēng)之用來(lái)描述接 收機和發(fā)射機之間的距離有除了路徑損耗，大尺度衰落還包括為無(wú)線(xiàn)信道。大尺度變化時(shí)，接收信號平均功率值的陰影衰落。 陰影衰落使得實(shí)際的損耗成信號從發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)的傳輸變化規律。為-一個(gè)隨機變量，由式(2-1) 求出的過(guò)程中，會(huì )經(jīng)歷各種復雜的傳播路徑，在自由空間傳播條件下，接收機接是 與發(fā)射機的距離為d處的平均路徑損包括直射路徑、反射路徑、衍射路徑、收的平均功率 可由下式給出:耗，一般認為實(shí)際的損耗服從對數正態(tài)散射路徑以及這些路徑的隨機組合。同=o)88, (21)分布。時(shí)，電波在各條路徑的傳播過(guò)程中，有其中: P,是發(fā)射功率;綜合考慮路徑損耗和陰影衰落，大用信號會(huì )受到各種噪聲的污染，包括加g,是發(fā)射天線(xiàn)增益;尺度衰落下路徑損耗可以表示為:性噪聲( 如高斯白噪聲)、乘性噪聲的g,是接收天線(xiàn)增益;PLU(dB)=常量+10alogd+Bm (2-5 )污染，因而會(huì )出現不同情形的損傷，嚴λ是電波波長(cháng);其中: m表示由陰影衰落引起的重時(shí)，會(huì )使有用信號難以恢復。無(wú)線(xiàn)信d是發(fā)射機與接收機之間的距離。路徑損耗(dB),是一一個(gè)正態(tài)分布的隨號在傳播時(shí)，不僅存在自由空間固有的將式(2-1代入以dB為單位的路徑機變量， 均值為0，方差為味，在大傳輸損耗，還會(huì )受到由于建筑物、地形損耗公式， 可得出:多數的經(jīng)驗公式中，標準差σpg可以取等的阻擋而引起信號功率的衰減，這種(-10-3102452+2/+20+20d-G,-a, 4-12dB。衰減還會(huì )由于移動(dòng)臺的運動(dòng)和信道環(huán)境(2-2)的改變出現隨機的變化。其中: f為電磁波頻率;3小尺度衰落下面將對無(wú)線(xiàn)信道中的大尺度衰G和G,分別為發(fā)射和接收天線(xiàn)增益無(wú)線(xiàn)信道的小尺度衰落是無(wú)線(xiàn)通落、小尺度衰落等特性和多徑信道建模(dB )。信環(huán)境的重要衰落特征，包括因多徑效等進(jìn)行分析和論述，希望能對從事無(wú)線(xiàn)由式(2-1)可以看出，由空間應而引起的衰落和信道時(shí)變性引起的衰通信研究工作的人員提供幫助。中，接收信號的功率與距離的平方成反落。 其中，由于反射、散射等影響，使比，即:得實(shí)際到達接收機的信號是發(fā)射信號經(jīng)2大尺度衰落Px一.(2-3)中國煤化工號分量疊加而成，通常情況下，當接收機和發(fā)射機在實(shí)際的移動(dòng)環(huán)境中，HC N M H G言道的時(shí)變性是指之間的相對位置在1-10m的范圍內變化比自 由空間中的大許多，接收信號的功信道 的傳遞函數是隨時(shí)間而變化的，即76"很D&TETeLEVISION INFORMATION /20090年7月/ww.i.n1無(wú)線(xiàn)技術(shù)//在不同的時(shí)刻發(fā)送相同的信號，在接收頻現象。 在多徑環(huán)境下，收發(fā)天線(xiàn)間相期和時(shí) 變信道的相關(guān)時(shí)間的關(guān)系，可以端收到的信號是不相同的。對運動(dòng)以及傳播環(huán)境中的移動(dòng)物體的隨將時(shí)變信道 分為快衰落信道和慢衰落信多徑時(shí)變信道根據無(wú)線(xiàn)移動(dòng)環(huán)境機移動(dòng)， 造成了多普勒頻譜擴展，即單道。的統計，信道可以劃分為幾種典型的信-頻率信 號經(jīng)過(guò)時(shí)變衰落信道之后會(huì )呈(1)快衰落道,其劃分依據主要從兩個(gè)角度出發(fā):現為具有一定帶寬的信號，這又可以稱(chēng)若時(shí)變信道的相干時(shí)間小于信號的(1)多徑時(shí)延擴展特性(信號包 為信道的頻率彌散性( Frequency Dis- 符號周期,這時(shí)的時(shí)變信道稱(chēng)為快衰落絡(luò )的隨機衰落);persion)。信號發(fā)生多普勒擴展后的頻信道。 類(lèi)似于頻率選擇性衰落,快衰落(2)時(shí)變特性(信號相位的隨機譜范圍為:信道也稱(chēng)為時(shí)間選擇性衰落。衰落)。B.=UJ.-fsmfc+JamaJ_(2)慢衰落多徑效應會(huì )引起信號的時(shí)域彌散其中: fum =上為最大多普勒頻若時(shí)變信道的相干時(shí)間遠遠大于性，與多徑時(shí)延擴展有關(guān)的一-個(gè)重要概移信號的符號周期，這種時(shí)變信道稱(chēng)為慢念就是多徑信道的相干帶寬( Coherentf為載波頻率;衰落信道。在這種條件下，時(shí)變信道衰Bandwidth) B,它反映了不同頻率分v和2分別為相對運動(dòng)速度和電波落系 數在多個(gè)連續的符號周期內是靜態(tài)量所經(jīng)歷衰落的相互關(guān)系(即其包絡(luò )的波長(cháng)。的，基本不會(huì )出現變化。相關(guān)性)。信道的相干帶寬與均方根時(shí)類(lèi)似地，可以定義信道的相千時(shí)間從前面的討論可以看出，多徑效應延擴展σ成反比，如果將相關(guān)函數大于( Coherent Time ) T來(lái)表征時(shí)變信道變和多 普勒效應是造成無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道環(huán)境0.5認為相關(guān)，-般有下面的關(guān)系:化的快慢。相干時(shí)間與多普勒擴展成反惡劣的兩個(gè)相對獨立的傳播機制， 信道B.so (3-1)比，一般可以表示為:的單位脈沖響應可以看作是在二維空間這里: o,于,*方(3-2)內以時(shí)間和時(shí)延為自變量的二維函數,其中: p.乓喉;3.3快衰落和慢衰落如圖1所示。根據時(shí)變信道條件下信號的符號周根據多徑效應和多普勒效應對無(wú).呼相干帶寬反映了無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道對信hf(1,t)號包絡(luò )的衰落具有頻率選擇性。根據多徑信道的相干帶寬和信號帶寬的關(guān)系，15↑可分為平坦衰落和頻率選擇性衰落。3.1平坦衰落tlL→w若多徑信道的相干帶寬大于信號的帶寬，這時(shí)，由于多徑信號的時(shí)域彌散性而造成的衰落為平坦衰落(Flat Fad-ing)。在這種條件下，發(fā)射信號的頻譜特性通過(guò)多徑信道后，在接收端信號縱2 w.1的頻譜仍然可以得到保持。3.2頻率選擇性衰落圖1信道的多徑效應和時(shí)變性示意圖若多徑信道的相干帶寬小于信號的團2衰落信道類(lèi)型和信號、信道參數的關(guān)系帶寬，這種條件下的多徑衰落為頻率選σ(1/B)▲擇性衰落( Frequency Selective Fad-ing)。這時(shí)，從時(shí)域上看，信道多徑頻率選擇性衰落時(shí)延脈沖響應大于符號周期，出現符號慢衰落快衰落間干擾( Inter Symbol Interterence,簡(jiǎn)T,(1/B,)平坦中國煤化工寫(xiě)為ISI)。慢衰MYHCNMHG無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道的時(shí)變性反映在衰落信號相位的隨機變化，它是一-種隨機調T,(I/B,)+T(01/sm)www.r.cn /200年7月/RADI0 & TELEVISION INFORMATION //77|技術(shù)專(zhuān)題//線(xiàn)移動(dòng)信道的影響，或者說(shuō)，根據相干在非視距傳輸條件下，r=.(0)服性是不可回避的問(wèn)題， 要在這樣的傳播時(shí)間和相干帶寬與發(fā)送的符號周期和信從瑞利分布， 即:條件下保持可以接受的傳輸質(zhì)量，就必號帶寬的關(guān)系，我們把信道劃分為:平(叭=[-]r20 (44)須采用各種技術(shù)措施來(lái)抵消衰落的不利坦衰落信道;頻率選擇性衰落信道;慢其中: σ為接收信號包絡(luò )的均方根影響， 這就是各種抗衰落技術(shù)，包括分衰落信道;快衰落信道等四種不同信值集、擴頻/跳頻、均衡、交織和糾錯編碼道。不同參數下的信道衰落類(lèi)型如圖2當存在視距傳輸時(shí)，r服從萊斯分等技術(shù)出現的原因。另外,信號傳輸方所示，其中，B發(fā)送信號帶寬, T為符布， 即:式，如調制方式，對信道中的衰落也要號周期。(咖-=-(=1(1)20 (4-5)有一定的適應能力。許多抗衰落實(shí)用技其中: A為主徑的峰值幅度;術(shù)已成功應用于無(wú)線(xiàn)系統，尤其在數字4多徑信道建模1,(x)為第一類(lèi)零階修正貝塞爾函無(wú)線(xiàn)通信中， 針對數字傳輸的特點(diǎn)又發(fā)基于多徑信道模型，并考慮到信道數展出許多新技術(shù)。各種抗衰落技術(shù)和數響應的時(shí)變性，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道的沖激響萊斯分布通?？梢杂盟ヂ湎禂礙來(lái).宇傳輸技術(shù)的研究對于發(fā)展數字無(wú)線(xiàn)通應可以表示為;描述，其定義為主徑分量和其他非視距信系統是十分重要的?！鰄(;)=二B()8(r-r,) (4.1)多徑分量的功率之比,即:上式中: β、() =a ()(1p);K=5(4-6)參考文獻:B:、不中分別為第k條路徑的復當K=0，萊斯分布即為瑞利分[1]T. s. Rappaport Wireles Com-數衰減因子、時(shí)延和相位;布;而當K∞時(shí),信道退化高斯白噪聲munications: Principles and Praciccf為多普勒頻率。(AWGN)信道。Prentice Hall 1996.信道由L條路徑合成，每條路徑都多徑的Rayleigh信道建模如圖3所[2| G.. L. Stuber Principles of Mobile有隨機的入射角、隨機的時(shí)延和相移。示， 其中: a. 為每條路徑的平均衰減Conmunications 2nd edition Klu-另外，多普勒頻率f可以表示為:值，τ。為每條路徑的平均時(shí)延(見(jiàn)圖wer Academic Publishers 200fi=J.Ccos() (4-2)3)。[3] Proakis J G. Digital Communica-信道的傳輸函數就是對(4-1)式tions Third Edition McGraw-Hill作傅立葉變換，變換后得:5小結1995.H(f,I)= 二B()e-12的(4-3)通過(guò)以上的分析可見(jiàn)，由于無(wú)線(xiàn)信由于建筑物和地面等非鏡面反射及號傳播環(huán)境本身十分復雜， 這使得無(wú)線(xiàn)散射，每一條路徑復數增益A實(shí)際上信道特性也十分復雜。 復雜、惡劣的傳代表了無(wú)數具有相同時(shí)延的路徑綜合，播條件是無(wú)線(xiàn)信道的特征，這是由在運所以B.0可以近似為一-個(gè)復高斯隨機變動(dòng)中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信這一 -方式本身所決定量。的。對于無(wú)線(xiàn)通信來(lái)說(shuō)，惡劣的信道特測試信號st)]-四→肉Rayleigh衰落仿真]->十→8Rleish中國煤化工OHCNMHG(t)團3多徑Royleigh信遒實(shí)現模型③78誓黔緝DIO & TeLEVISION INFORMATION "1 20年7月/ww.