1、無線傳播特性,衰落及其影響,信道的危害,信道是個表現(xiàn)很壞的“時變?yōu)V波器” 信道讓一切變得不確定：確定信號隨機(jī)信號 延遲：未知的符號邊界/采樣時間的同步、PN碼相位； 帶限：信號畸變、符號間干擾； 衰減/衰落：未知的信號強(qiáng)度；傳輸路徑損耗、由傳播方向上無線電波與障礙物的相互作用導(dǎo)致的損耗； 多普勒頻移：未知的載波頻率/相位； 加入了干擾、噪聲； 快速衰落導(dǎo)致的時變性、 ； 如何重現(xiàn)發(fā)送的信號？ 如果實現(xiàn)不了，那么就無法實現(xiàn)通信； 導(dǎo)致通信失敗的兩因素：S/N（S/I）降低，ISI； 無線通信的根本 核心技術(shù)圍繞信道設(shè)計,信號發(fā)生的變化,極度衰落，且快速起伏，導(dǎo)致未知的信號強(qiáng)度； 信號丟失； 信號

2、中疊加了干擾/噪聲，導(dǎo)致S/N很低； 未知且變化的傳輸延遲時間，導(dǎo)致多徑效應(yīng)； 未知的載波頻率、相位，且快速抖動； 未知的擴(kuò)頻碼相位和邊界； 未知的符號邊界，； TDMA時，未知的時隙邊界； 接收的數(shù)據(jù)符號間存在干擾（ISI）； 這些變化從宏觀上看，導(dǎo)致同樣條件下，在不同時間、不同位置、不同頻段，接收機(jī)所收到的信號均不相同。從微觀上看，使得信號取樣時間的確定和同步困難、解調(diào)、檢測和估計容易出錯。 其它系統(tǒng)的無線信道，如衛(wèi)星通信、無線電視、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，也存在類似的影響。,研究傳播特性的意義,規(guī)劃和建設(shè)一個移動通信網(wǎng)首先考慮的物理問題 頻段確定、頻率分配； 無線電波的覆蓋范圍，鏈路預(yù)算； 計算

3、通信概率及系統(tǒng)間的電磁干擾； 確定無線設(shè)備的參數(shù)； 站點規(guī)劃； 規(guī)劃和建設(shè)一個移動通信網(wǎng)考慮的服務(wù)問題 業(yè)務(wù)類型與傳輸?shù)馁|(zhì)量密切相關(guān)，QoS； 用戶數(shù)量與類型與動態(tài)控制密切相關(guān)； 針對信道傳輸損害的具體技術(shù)對策 實施無線通信功能的保障 物理可行 經(jīng)濟(jì)可行,主要內(nèi)容,無線電波的基本傳輸機(jī)制 實際的無線通信系統(tǒng)環(huán)境 實際環(huán)境下的無線傳播特性 抽象出來的信道模型 仿真與抗衰落測試,無線傳播的基本機(jī)制,反射 2維尺度上遠(yuǎn)大于電磁波的波長，表面起伏不大時（近似平整的表面），對電磁波看起來就近似一種鏡面。 干涉 多個無線電波相互作用時產(chǎn)生的疊加； 繞射（衍射） 物體的尺度遠(yuǎn)大于電磁波的波長，電磁波傳播遭遇

4、其邊緣時。 散射 遭遇不平整、粗糙的與波長相當(dāng)?shù)谋砻?，向所有的方向反?多個反射波干涉的結(jié)果使得波呈散射狀。存在一個散射系數(shù)。 透射 大氣分子的作用； 建筑物的透射損耗；,主要內(nèi)容,無線電波的基本傳輸機(jī)制 實際的無線通信系統(tǒng)環(huán)境 實際環(huán)境下的無線傳播特性 抽象出來的信道模型 仿真與抗衰落測試,實際的無線通信環(huán)境,無線傳播環(huán)境 地形結(jié)構(gòu)（開闊區(qū)、平滑地形、丘陵地形和山區(qū)）； 人為環(huán)境（鄉(xiāng)村地區(qū)、準(zhǔn)郊區(qū)、郊區(qū)和市區(qū)、沿路、水面etc.）； 動態(tài)特性（速度，天氣） 不同頻段的頻率具有不同的傳播特性 低頻段頻率傳播損耗小，繞射能力強(qiáng)，室內(nèi)覆蓋效果好，但是容量有限。 高頻段頻率資源豐富，容量大，但是傳播

5、損耗大，繞射能力差，室內(nèi)覆蓋效果較差。 無線電波傳輸途徑 直射波或地面反射波（最一般的傳播方式）； 對流層反射波（傳播具有很大的隨機(jī)性，波長小于10米，頻率大于30M）； 山體繞射波（陰影區(qū)信號來源，頻率越高繞射能力越差）和電離層反射波（超視距通信途徑，波長小于1米，頻率大于300M）。 移動 收發(fā)機(jī)任何一方的移動，信道內(nèi)障礙物的移動， 實際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時無線傳播環(huán)境的定義(6類) 密集市區(qū) 普通市區(qū) 郊區(qū) 農(nóng)村 公路干道 風(fēng)景區(qū)/展區(qū)/旅游區(qū),主要內(nèi)容,無線電波的基本傳輸機(jī)制 實際的無線通信系統(tǒng)環(huán)境 實際環(huán)境下的無線傳播特性 抽象出來的信道模型 仿真與抗衰落測試,幾種衰落方式及關(guān)系,路徑損耗 自

6、由空間的傳播損耗（attenuation衰減）； 功率密度隨距離的擴(kuò)散導(dǎo)致； 大尺度衰落 Large-Scale，慢衰落（Long-term fading），對數(shù)陰影損耗； 障礙物尺度上的遮擋導(dǎo)致； 小尺度衰落 small scale fades，簡稱為快衰落（short-term fading） 波長尺度上的多徑干涉導(dǎo)致； 多徑衰落（multpath fading） 三種“趨勢”的疊加/分解？ 隨距離的變化逐級敏感 時間、頻率、空間關(guān)系,傳輸媒介均勻沒有吸收;傳播途徑上也沒有吸收和反射物體射頻 能量的衰減與Tx-Rx距離的平方倒數(shù)成正比： Ls：路徑損耗 在理想情況下（自由空間），依據(jù)這種模

7、型，接收信號的能量是可以準(zhǔn)確預(yù)測的； 但是，在多數(shù)傳播情形，該模型可能無效。 不過，衰減趨勢不可逆轉(zhuǎn)。,路徑損耗,大尺度衰落（陰影）慢衰落,成因：信道內(nèi)的障礙物導(dǎo)致（阻擋、反射）； 空間表現(xiàn)：隨距離的變化（空間位置的變化）較大，量級在“小區(qū)”級別； 時間表現(xiàn)：衰落的時間常數(shù)隨移動變化不大，可以維持秒分量級； 頻域表現(xiàn)：一般與頻率關(guān)系不大； 重要性：是站點規(guī)劃的依據(jù)之一，主要考慮的問題是無線系統(tǒng)的功率鏈路（與接收機(jī)靈敏度的關(guān)系），對通信系統(tǒng)的其它具體設(shè)計關(guān)系不大。,與距離成對數(shù)關(guān)系的陰影衰落（large scale）,n：路徑損耗指數(shù)，依賴于特定的傳播環(huán)境； d0：近地參考距離； K：一個依賴天

8、線特性和平均信道損耗的常數(shù)，可以用傳播距離d0 處的實測數(shù)據(jù)確定。,Measured indoor path loss,Typical large-scale path loss,對數(shù)正態(tài)陰影衰落,平均接收信號功率隨距離的對數(shù)衰減 其中，n:路徑損耗指數(shù)，依賴于特定的傳播環(huán)境；d0:近地參考距離；d: Tx-Rx距離；K是一個依賴天線特性和平均信道損耗的常數(shù)，可以用傳播距離d0 處的實測數(shù)據(jù)確定。X為0均值的高斯分布隨機(jī)變量，單位為dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 混合了3種效應(yīng) ：一是自由空間的路徑衰減，二是陰影衰落，三是陰影的隨機(jī)性造成的起伏。,對數(shù)正態(tài)陰影損耗vs.位置,三種衰落之和 路徑衰減； 對數(shù)陰

9、影； 正態(tài)起伏； 描述 K,n,d0, ,對數(shù)正態(tài)陰影損耗vs.時間,Log-normal standard deviation:10dB Log-Normal rate: 10Hz, Path Loss: 25dB, Center Freq: 900MHz, Span 0Hz, RBW: 100KHz Sweep time:2 sec,實際的等功率接收范圍,這是時間常數(shù)較大時的考慮結(jié)果（不計快速變化） 注意：可能導(dǎo)致的問題是什么？,對數(shù)正態(tài)陰影造成的通信中斷率,大尺度衰落的不良影響,小尺度衰落快衰落,性質(zhì) 快速衰落，在短距離范圍、短時間內(nèi)的主要考慮對象，可以忽略慢衰落的影響。 成因 多徑傳播

10、信道中反射物的存在構(gòu)成了一個不斷消耗與分配能量的環(huán)境，導(dǎo)致信號的幅度、相位，隨時間的隨機(jī)變化； 移動臺的移動基站與移動臺間的相對運(yùn)動會引起隨機(jī)頻率調(diào)制； 環(huán)境物體的移動如以大于移動臺的速度運(yùn)動，將對小尺度衰落起決定性作用； 信號的傳輸帶寬如果信號的傳輸帶寬大于多經(jīng)信道的帶寬，傳輸信號會失真；若窄于信道帶寬，則會導(dǎo)致信號幅度改變，但不會有時間失真。 與設(shè)計的關(guān)系 收發(fā)機(jī)設(shè)計最為密切的問題，收發(fā)機(jī)中最主要的技術(shù)均與抑制此種效應(yīng)有關(guān)。,典型的無線通信系統(tǒng)參數(shù),無線通信系統(tǒng)的常用頻率范圍：百M(fèi)Hz - GHz量級； 波長很短：1GHz的頻率 0.3m的波長； 存在移動：對車輛移動速度，多普勒頻移在10

11、0Hz左右量級； 將是，1）主要原因；2）無線通信系統(tǒng)設(shè)計時的主要考慮問題。 目的：從無線通信系統(tǒng)的角度，考慮這些物理參數(shù)（波長、速度、帶寬、延遲時間等）如何影響無線信道的表現(xiàn)。,快衰落（瑞利衰落信號）,中心頻率900MHz 多普勒頻率100Hz 時間跨度75ms,Doppler Shift Geomerty,Illustration of Doppler effect,多徑時延產(chǎn)生場景,多徑時延根據(jù)時延的大小的影響可以分為兩種結(jié)果 信號衰落（S/N） 符號間干擾（ISI）,多徑時延矢量表示的多徑疊加結(jié)果,Phasor diagram of a set of scattered waves (

12、in blue), resultinga Rayleigh-fading envelope (in black),Phasor diagram of a set of scattered waves after antenna displacement (in blue)and before motion (in light blue), resulting a Rayleigh-fading envelope (in black),多徑時延時延擴(kuò)展,是一個統(tǒng)計參數(shù),多徑時延分離的多徑信號,無線信道的特征描述,多徑信道的沖擊響應(yīng)函數(shù) 無線信道的測量 多徑信道特征描述 時間擴(kuò)散：相干帶寬 頻率擴(kuò)

13、散：相干時間 空間擴(kuò)散：空間相關(guān)函數(shù) 衰落的統(tǒng)計特性 衰落與傳輸信號的關(guān)系,多徑信道沖擊響應(yīng),移動無線信道可以建模為一個具有時變沖擊響應(yīng)特性的線性濾波器； 時變是由于接收機(jī)的空間運(yùn)動引起； 信道的濾波特性以任一時刻到達(dá)的多徑波為基礎(chǔ)，其幅度和時延之和影響濾波； 考慮 d=vt, 在特定的短時間和短距離內(nèi)，,Time-varying impulse response,但是，通常以時不變響應(yīng)構(gòu)建模型：,移動多徑信道的描述時間擴(kuò)展/相干帶寬,瞬時功率延遲分布(平均)功率延遲分布 時間域 平均附加時延功率延遲分布的一階矩 rms 時延擴(kuò)展功率延遲分布的二階矩 最大附加時延從初值衰落到不低于最大能量xd

14、B處的時延； 頻率域 相干帶寬一定頻率范圍，頻率分量的相關(guān)性； 關(guān)系（分別定義為頻率相關(guān)函數(shù)的0.9和0.5時） 并未提供信道時變特性的描述,Indoor Power Delay Profile,Typical Measured Value of RMS delay spreads,移動多徑信道的描述多普勒擴(kuò)展/相干時間,時變特性是由于“三方”相對運(yùn)動導(dǎo)致的fd引起的; 頻率域 多普勒擴(kuò)展是譜展寬的測量值，時間變化率的一種量度； 時間域 相干時間信道沖擊響應(yīng)維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值； 關(guān)系 多普勒擴(kuò)展、相干時間是信道時變特性的參數(shù),多普勒頻移,Two independent fading

15、 issues,平坦衰落Flat-fading (non-freq. Selective),頻率選擇性衰落（Frequency selective fading）,衰落的統(tǒng)計特性Rayleigh fading,信道測量（Channel Sounder: Pulse type）,信道測量（Channel Sounder: PN Type ）,Measured power delay profiles,主要內(nèi)容,無線電波的基本傳輸機(jī)制 實際的無線通信系統(tǒng)環(huán)境 實際環(huán)境下的無線傳播特性 抽象出來的信道模型 仿真與抗衰落測試,信道模型的建立,目的 仿真、抗衰落測試、試驗； 建模 準(zhǔn)確的模型建立是困難的

16、 幾種建模方法 模型并不相同 檢測模型（概率模型） 二進(jìn)制對稱信道 非對稱信道 條件概率密度信道：p(r/sm)，信號集合sm：1mM 物理模型 針對鏈路預(yù)算、小區(qū)規(guī)劃的模型 針對抗衰落性能分析的模型 針對多徑衰落的模型,Simulating multipath with Doppler-induced Rayleigh fading (Time Domain Implementation),無線信道的仿真與模擬,總結(jié)信道的基本特性,信道的特性： 時間擴(kuò)散導(dǎo)致頻率不相關(guān)頻率選擇性衰落； 頻率擴(kuò)散導(dǎo)致時間不相關(guān)時間選擇性衰落； 空間擴(kuò)散導(dǎo)致空間不相關(guān)空間選擇性衰落； 信道冗余與不足 通信系統(tǒng)的設(shè)

17、計是依據(jù)特定的目標(biāo)選擇各種最佳的環(huán)節(jié)和參數(shù)，圍繞著對衰落的補(bǔ)償和干擾的抑制。但是，衰落和干擾是隨機(jī)的，每一個環(huán)節(jié)的參數(shù)若是確定的或者不能實時跟蹤衰落和干擾的變化，就不可避免同時會產(chǎn)生冗余。 信道冗余的直觀解釋就是超出正確判決需要的那部分資源消耗。 解決方法 均衡 功率控制 分集,以下鏈接片,三種基本傳播機(jī)制反射,一般電磁波為極化波 反射系數(shù)與表面的介電常數(shù)有關(guān),地面反射（2-ray）模型,該模型在遠(yuǎn)距時預(yù)測接收信號的大尺度衰落準(zhǔn)確的（dhr,ht, 天線塔高超過50m）；預(yù)測城區(qū)視距內(nèi)微蜂窩也是準(zhǔn)確的； 對比自由空間模型，衰落速度快2個數(shù)量級； 遠(yuǎn)距時，接收功率與波長無關(guān)；,2-ray模型的仿真結(jié)果,觀察曲線： 1）正作用 2）周期干涉 3）反相，成距離4次方衰落；,三種基本傳播機(jī)制衍射/繞射,h波長；接收