无线信道特性分析--多径模型

-设术专题／／ 无线信道特性分析 文／国家广电总局节目传输中心韩晓晗／／ 1前言 各类信号从发射端发送出去以后。 在到达接收端之前经历的所有路径，统 称为信道。其中，如果传输的是无线信 号，则电磁波所经历的路径。我们称之 为无线信道。 信号从发射天线到接收天线的传输 过程中，会经历各种复杂的传播路径， 包括直射路径、反射路径、衍射路径、 散射路径以及这些路径的随机组合。同 时，电波在各条路径的传播过程中，有 用信号会受到各种噪声的污染，包括加 性噪声(如高斯白噪声)、乘性噪声的 污染，因而会出现不同情形的损伤，严 重时，会使有用信号难以恢复。无线信 号在传播时，不仅存在自由空间固有的 传输损耗，还会受到由于建筑物、地形 等的阻挡而引起信号功率的衰减，这种 衰减还会由于移动台的运动和信道环境 的改变出现随机的变化。 下面将对无线信道中的大尺度衰 落、小尺度衰落等特性和多径信道建模 等进行分析和论述，希望能对从事无线 通信研究工作的人员提供帮助。 2大尺度衰落 通常情况下，当接收机和发射机 之间的相对位置在1-lOml构范围内变化 摘要：本文对无线信道中的大尺度衰落、小尺度衰落等特性和多径信 道建模进行了分析和介绍，有利于从事无线通信研究工作的人员进行 信道分析和仿真研究。， 关键词：无线信道衰落特，}生多径信道建模 时，接收信号功率的平均值基本保持不 变。但当它们的相对位置的改变远超过 上述范围时，接收信号的平均功率将会 有几个数量级的变化。大尺度衰落正是 用来描述接收机和发射机之间的距离有 大尺度变化时．接收信号平均功率值的 变化规律。 在自由空间传播条件下，接收机接 收的平均功率耳可由下式给出： 耳2￡【南】g,gr(2-1) 其中：P．是发射功率； 岛是发射天线增益； 丘是接收天线增益； A是电波波长； d是发射机与接收机之间的距离。 将式(2-1)代入以dB3]单位的路径 损耗公式。可得出： ．一P P工(扭)一loIog喏●=32．45+20109f+20Jogd—q一研 (2—2) 其中：伪电磁波频率； G，和q分别为发射和接收天线增益 (dB)。 由式(2-1)可以看出。自由空间 中，接收信号的功率与距离的平方成反 比，即： 只‘万 (2-3) 在实际的移动环境中，传输损耗要 比自由空间中的大许多，接收信号的功 率与距离的关系通常用下式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示： 只∞÷ (2-4) 其中：口≥2，称为路径损耗系数， 一般可取为3-4。 除了路径损耗，大尺度衰落还包括 阴影衰落。阴影衰落使得实际的损耗成 为一个随机变量，由式(2-1)求出的 是与发射机的距离为班的平均路径损 耗，一般认为实际的损耗服从对数正态 分布。 综合考虑路径损耗和阴影衰落，大 尺度衰落下路径损耗可以表示为： PL(aB)=常量+lOalogd+户0(2-5) 其中：儿表示由阴影衰落引起的 路径损耗(dB)，是一个正态分布的随 机变量，均值为o，方差为吒，在大 多数的经验公式中，标准差‰可以取 4．12dB。 3小尺度衰落 无线信道的小尺度衰落是无线通 信环境的重要衰落特征，包括因多径效 应而引起的衰落和信道时变性引起的衰 落。其中。由于反射、散射等影响，使 得实际到达接收机的信号是发射信号经 过多条传播路径后信号分量叠加而成， 被称之为多径效应；信道的时变性是指 信道的传递函数是随时间而变化的，即 76／／rlili蛔li／／RADIO&TELEVISIONINFORMATION／／2(x)o年7,El，，www．rti．cn 万方数据 II无线技术／／ 在不同的时刻发送相同的信号，在接收 端收到的信号是不相同的。 多径时变信道根据无线移动环境 的统计，信道可以划分为几种典型的信 道，其划分依据主要从两个角度出发： 11)多径时延扩展特性【信号包 络的随机衰落)； (2)时变特性(信号相位的随机 衰落)。 多径效应会引起信号的时域弥散 性，与多径时延扩展有关的一个重要概 念就是多径信道的相干带宽(Coherent Bandwidth)B．，它反映了不同频率分 量所经历衰落的相互关系(即其包络的 相关性)。信道的相干带宽与均方根时 延扩展o-威反比，如果将相关函数大于 O．5认为相关，一般有下面的关系： 巨4石(3-1) 这里：正：厨 其中： 相干带宽反映了无线移动信道对信 号包络的衰落具有频率选择性。根据多 径信道的相干带宽和信号带宽的关系。 可分为平坦衰落和频率选择性衰落。 3．1平坦衰落 若多径信道的相干带宽大于信号的 带宽，这时，由于多径信号的时域弥散 性而造成的衰落为平坦衰落(FlalFad— ing)。在这种条件下。发射信号的频 谱特性通过多径信道后，在接收端信号 的频谱仍然可以得到保持。 3-2频率选择性衰落 若多径信道的相干带宽小于信号的 带宽，这种条件下的多径衰落为频率选 择性衰落(FrequencySelectiveFad— ing)。这时，从时域上看，信道多径 时延脉冲响应大于符号周期，出现符号 问干扰(InterSymbolInterference，简 写为ISI)。 无线移动信道的时变性反映在衰落 信号相位的随机变化，它是一种随机调 频现象。在多径环境下，收发天线问相 对运动以及传播环境中的移动物体的随 机移动，造成了多普勒频谱扩展，即单 一频率信号经过时变衰落信道之后会呈 现为具有一定带宽的信号。这又可以称 为信道的频率弥散性(FrequencyDis- persion)。信号发生多普勒扩展后的频 谱范围为： Ba=眈一厶一，无+厶一】 其中： 厂． ：兰为最大多普勒频 移； 4 f为载波频率； 口和五分别为相对运动速度和电波 波长。 类似地。可以定义信道的相干时间 (CoherentTime)Z来表征时变信道变 化的快慢。相干时间与多普勒扩展成反 比，一般可以表示为： c*产(3．2) 3．3快衰落和慢衰落 根据时变信道条件下信号的符号周 期和时变信道的相关时间的关系，可以 将时变信道分为快衰落信道和慢衰落信 道。 (1)快衰落 若时变信道的相干时r"-Jd、于信号的 符号周期，这时的时变信道称为快衰落 信道。类似于频率选择性衰落，快衰落 信道也称为时间选择性衰落。 (2)慢衰落 若时变信道的相干时间远远大于 信号的符号周期，这种时变信道称为慢 衰落信道。在这种条件下，时变信道衰 落系数在多个连续的符号周期内是静态 的，基本不会出现变化。 从前面的讨论可以看出，多径效应 和多普勒效应是造成无线移动信道环境 恶劣的两个相对独立的传播机制，信道 的单位脉冲响应可以看作是在二维空间 内以时间和时延为自变量的二维函数， 如图1所示。 根据多径效应和多普勒效应对无 图1信道的多径效应和时变性示意图 图2衰落信道类型和信号、信道参数的关系 正(1／E) r,O／厶一) www．rti．cn，，2009年7月I／RADIO&TELEVISIONINFORMATION／／广|嘲嘴船刀7 髻节 一r —f 万方数据 _玻术专题／／ 线移动信道的影响，或者说，根据相干 时间和相干带宽与发送的符号周期和信 号带宽的关系，我们把信道划分为：平 坦衰落信道；频率选择性衰落信道；慢 衰落信道；快衰落信道等四种不同信 道。不同参数下的信道衰落类型如图2 所示，其中， B．发送信号带宽，Z为符 号周期。 4多径信道建模 基于多径信道模型，并考虑到信道 响应的时变性，无线移动信道的冲激响 应可以表示为： ．jI(f；，)=∑尻(，)万(f—fI)(4-1) 上式中：尻(f)=口IO)P们矾‘+^’； 屏、^、九分别为第k条路径的复 数衰减因子、时延和相位； ￡为多普勒频率。 信道由L条路径合成，每条路径都 有随机的入射角、随机的时延和相移。 另外，多普勒频率丘可以表示为： ^=以二cos(Ok)(4．2) 信道的传输函数就是对(4—1)式 作傅立叶变换．变换后得： H(f，，)=∑以(f)P叩矿‘(4．3) 由于建筑物和地面等非镜面反射及 散射，每一条路径复数增益反实际上 代表了无数具有相同时延的路径综合。 所以反(j})可以近似为一个复高斯随机变 量。 在非视距传输条件下，，=慨(叫服 从瑞利分布，即： p(r)=考exp|_景卜o(4-4) 其中：仃为接收信号包络的均方根 值。 当存在视距传输时，rJ]t从莱斯分 布，即： p(，)=考exp[等]J，^fk蚓e')巾。(4-5) 其中：A为主径的峰值幅度； J。∽为第一类零阶修正贝塞尔函 数。 莱斯分布通常可以用衰落系数K来 描述，其定义为主径分量和其他非视距 多径分量的功率之比，即： 足=寺 (4-6) 当K=0。莱斯分布即为瑞利分 布；而当妊一时。信道退化高斯白噪声 (AWGN)信道。 多径I拘Rayleigh信道建模如图3所 示，其中：a．为每条路径的平均衰减 值，T．为每条路径的平均时延(见图 3)。 5小结 通过以上的分析可见，由于无线信 号传播环境本身+分复杂。这使得无线 信道特性也十分复杂。复杂、恶劣的传 播条件是无线信道的特征，这是由在运 动中进行无线通信这一方式本身所决定 的。对于无线通信来说，恶劣的信道特 性是不可回避的问题，要在这样的传播 条件下保持可以接受的传输质量，就必 须采用各种 技术措施 安全生产方案及措施施工现场安全技术措施安全技术措施及方案皮带机检修技术措施皮带维修安全技术措施 来抵消衰落的不利 影响。这就是各种抗衰落技术，包括分 集、扩频／跳频、均衡、交织和纠错编码 等技术出现的原因。另外，信号传输方 式。如调制方式，对信道中的衰落也要 有一定的适应能力。许多抗衰落实用技 术已成功应用于无线系统，尤其在数字 无线通信中，针对数字传输的特点又发 展出许多新技术。各种抗衰落技术和数 字传输技术的研究对于发展数字无线通 信系统是十分重要的。- 参考文献： 【1】T．S．g．appaportWirelessCorn— munications：PrinciplesandPractice PrenticeHall1996． f21G．．L．StuberPrinciplesofMobile Conmmnications2ndeditionKlu- werAcademicPublishers2000． 【3】3 ProakisJG．DigitalCommunica— tionsThirdEditionMcGraw—Hill 1995． 78／／籼／／RADIO&TELEVISIONINFORMATION／／2009．生#-7,sJ，，wwⅥrti．cn万方数据