第三章 小尺度信道模型

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无线通信技术-第三章

无线通信技术-第三章

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3.4 三种基本传播机制
• 反射:当电磁波遇到比波长大得多的物体 时发生反射,如地球表面、墙面等;
• 绕射:当接收机和发射机之间的无线路径 被尖锐的边缘阻拦时发生绕射,由阻挡表 面产生的二次波散布于空间,甚至到达阻 挡体的背面,导致波围绕阻挡体产生弯曲;
• 散射:当波穿行的介质中存在小于波长的 物体并单位体积内阻挡体的个数非常巨大 时,将发生散射,如树叶、街道标志等;
2
远场电场辐射 部分的幅度
13
Pr d Pd Ae
2 PG G t t r
4 d
2
Gr 2 Ae 4
图3-4 在自由空间中,从一个 全向点源发出的能流密度情况
14
如果接收天线建模成接收机的一个匹配阻抗 负载,那么接收天线将会感应出一个均方根 电压进入接收机,它是天线中开路电压的一 半(没有负载时,均方根电压等于开路电 压)。接收功率为:
G
4 Ae
2
c 2 c f c
路径损耗:表示信号的衰减,定义为有效
发射功率与接收功率之间的比值,单dB 10log 10log t r 4 2 d 2 Pr
7
路径损耗也可以不包括天线增益,即假设天 线具有单位增益:
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2. 布儒斯特角
P
r sini
r cos2i
r sini r cos2i
电磁波投射到介质分界面而不发生反射时的
角度,只发生在水平极化时,其反射系数为 0。 当第一介质为自由空间,第二介质相对介电 常数为εr时,布儒斯特角满足:
sin B
1
r 1
r sini r cos 2 i r cos 2i r cos 2i

第3章oy移动信道传播特性-1-无线电波传播特性

第3章oy移动信道传播特性-1-无线电波传播特性
数字移动通信 2-10
3.1 无线电波传播特性
3.1.1 电波传播方式 3.1.2 直射波 3.1.3 大气中的电波传播 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 3.1.5 反射波 3.1.6 散射波
数字移动通信 2-11
3.1.2 直射波
采用模型 ➢自由空间传播模型
自由空间模型的定义
➢天线周围是均匀无损耗的无限大空间 ➢大气层是各向同性的均匀媒质 ➢电导率为0,相对介电常数和相对磁导率为1
PR(d)
PTGTGR2 (4)2d2
PR
d
PT
➢ PT = 发射功率 (W) ➢ GT = 发射天线增益 ➢ GR = 接收天线增益 ➢ = c/f 波长(m),c = 光速 (3×108 m/s) ➢ d = 发射机和接收机之间的距离(m)
数字移动通信 2-15
自由空间传播损耗
自由空间传播损耗可以定义为:(不考虑天线增益)
数字移动通信 2-8
3.1 无线电波传播特性
3.1.1 电波传播方式 2.1.2 直射波 2.1.3 大气中的电波传播 2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 2.1.5 反射波 2.1.6 散射波
数字移动通信 2-9
3.1.1 电波传播方式
VHF与UHF频段,典型传播方式 1、直射 2、反射 3、散射 4、绕射
移动通信信道 ▪ 典型的无线变参信道。
数字移动通信 2-6
概述
数字移动通信 2-7
概述
目前典型移动通信使用频段: 1、150 MHz (VHF) 2、450 MHz (UHF) 3、900 MHz (UHF) 4、1800MHz (UHF)
第三代移动通信——IMT-2000也将使用1.8-2.2GHz频 段(UHF)。

所谓小尺度

所谓小尺度

所谓小尺度,是描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内接收信号强度快速变化的。

移动无线信道的主要特征是多径(传播过程中会遇到很多建筑物,树木以及起伏的地形,会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射,散射及绕射等,这样,移动信道是充满了反射波的传播环境)。

到达移动台天线的信号不是单一路径来的,而是许多路径来的众多反射波的合成。

这些多径使得接收信号的幅度急剧变化(由于电波通过各个路径的距离不同,各路径来的反射波到达时间不同,相位也就不同。

不同相位的多个信号在接收端迭加,有时同相迭加而加强,有时反向迭加而减弱。

使得接收信号的幅度急剧变化),也就是产生了多径衰落。

移动多径信道的三组色散参数——时间色散参数(时延扩展,相关带宽)、频率色散参数(多普勒扩展,相关时间)、角度色散参数(角度扩展,相关距离)。

移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落,可以从时间和空间两个方面来描述和测试。

(1)从空间角度来看(模拟移动系统主要考虑多径效应所引起的接收信号幅度的变化)沿移动台移动方向,接收信号幅度随着距离变动而衰减。

本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化,其局部均值为随距离增加而起伏的下降的曲线,反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。

(2)从时域角度来看(数字移动系统主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展)各个路径的长度不同,因而信号到达的时间就不同。

这样,如从基站发送一个脉冲信号,则接收信号中不仅包含该脉冲,而且还包含它的各个时延信号。

这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现象,称为时延扩展。

扩展的时间可以用第一个到达的信号至最后一个到达的信号之间的时间来测量。

当移动台以恒定速率ν在长度为d ,端点为X 和Y 的路径上运动时收到来自远源S 发出的信号。

dv多普勒频移示意图无线电波从源S 出发,在X 点与Y 点分别被移动台接收时所走的路径差为i i i t v d x θ∆θ∆cos cos ==。

第3章 信道模型和信道容量 习题课(2)

第3章 信道模型和信道容量 习题课(2)

3、解: (1)已知二元对称信道的传递矩阵,又已知输入的
3 1 概率分布 P (0) , P (1) , 就可以计算得出 Y 的概率 4 4
分布如下:
P ( y 0) P ( x ) P ( y 0 | x )
x
P( x 0) P( y 0 | x 0) P( x 1) P( y 0 | x 1)
0
1
0


1

1
1
(a)
2

( a ) 图,由信道线图可得转移概率矩阵如下:
1
1
该矩阵为行列排列阵,信道为准对称信道,可以把按列分 成两个子矩阵如下:
1
1
PS 10 log10 1 20 PN
得到
PS 1 100 PN
信道传送的最大信息速率
PS Ct W log(1 ) 3 103 log 2 100 19.93 103 bit/s PN
(1)
信道不变, Ct 仍应为 19.93 10 (比特/秒) ,而
21s?121lognkkkskmmcshppprr??????????????????????11222loglog1222211loglog12hh????????????????????????????????????设在平均功率受限高斯可加波形信道中信道带宽为3khz又设信号功率噪声功率噪声功率20db
•设在平均功率受限高斯可加波形信道 中,信道带宽为3kHz,又设(信号功 率+噪声功率)/噪声功率=20 dB。
(1)试计算该信道传送的最大信息率 (单位时间)19.93*103(bit/s)。 (2)若功率信噪比降为5dB,要达到 相同的最大信息传输率,信道带宽应 是多少(12KHz)。

OFDM原理与应用_第三章part01_2014

OFDM原理与应用_第三章part01_2014

Er ( f , t )
cos 2 f [(1 v / c )t r0 / c ]
r0 vt -
cos 2 f ((1 v / c )t ( r0 2d ) / c )
2d r0 vt
(1 v / c ) 的正弦波,经历的多普勒频移 D 1 : fv / c
表示信道:
H ( f , t ) :
( , , f )e j 2 fr / c
0
r0 vt
e j 2 fvt / c
多普勒频移更 多普勒频移更一般的表示式为 般的表示式为
fv cos fd c
其中 为车行方向与入射波方向的夹角。
第二章 无线信道与数字通信系统基础 part 1
s ( , , f )cos 2 f (t r / c)
r

电场相位随 2 fr / c 变化,对应于由光速辐射传播引起的 时延;

随着距离 r 的增大,电场按照 r -1 的规律减小;自由空间 每平方米的电磁波功率按照 r -2 的规律减小 ( 无障碍物 时)
OFDM原理与应用
8
自由空间,固定发射天线与接收天线
直射波:频率 f 反射波:频率 反射波 频率
OFDM原理与应用
f (1 v / c ) 的正弦波 的正弦波,经历的多普勒频移 经历的多普勒频移 D 2 : fv / c
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由距离和阴影引起的功率衰减
多普勒扩展(Doppler spread)定义为由距离和阴影引 起的功率衰减

2 fv Ds : D2 D1 c
波长(m) 0.3333米 0.1579米 0.0517米

f

超宽带(UWB)室内小尺度信道模型研究

超宽带(UWB)室内小尺度信道模型研究
v 一 v —, v —
尔可夫模型和修正 的泊松模型相结合。这个模型有两个状
态 , 态 1的平 均 的到 达 率 为 A, 态 2的 平 均 路 径 到 达 率 状 状 为 K 。如 果 第 k 1 微 小 时 间段 △ 内处 于 状 态 1且 第 k A - 个 , 一 1 微 小 时 间 段 内 ,有 路径 到达 ,则 在 第 k个 微 小 时 间 段 个 △ 内转 到 状 态 2 ;在 以 后 的 若 干 个微 小 时 间段 △ 内 将 持 续 减

一 。 p—。 一 一 】k e fA ≥ 户A x J
() 5
=ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
比较 弱 的 多径 成份 的平 均 能 量 服 从 参 数 为 的 传 统 指 数衰 落 分 布 , 一 组 多径 成 份 第 一径 的平 均 能 量 W 拈 比居 这 显 著 地 位 的多 径 的 平均 能量 要 弱 ,紧 随 其 后 到 来 的 多径 成 分也 要 以其 为参 考 。 它 们 的 多径 幅 度 仍 然 服 从 对 数 正 态 分 布 , 准 方 差 为 0。 标 " 2

经反射造 成的符号翻转 , ,± 是等概率的。 =J
3 修 正 的 S— V模 型
S ln V ln u ae — ae z l 型 ( 称 S V模 型 ) 室 内 离散 信 a模 简 — 是 道 脉 冲 响应 最 普遍 的统 计 模 型 。 在U WB 系 统 中 , 由于 发 射 信 号 具 有 很 宽 的 带 宽 , 每 在 个 可 分 辨 的 时 间 间 隔 内 , 常 少 的 多径 到 达 且 重 叠 , 至 没 非 甚 有 多径 在 这 个 时 间 间隔 内到 达 , 因此 中心 极 限 定 理 不 再 适 用 , 度 不 再 服 从 传 统 的 R y ih衰 落 分 布 , 表 现 为 对 幅 alg e 而 数 正态 分 布 。 修 正 S V模 型 使 用 两 个 泊 松 过 程 ( 指 数 模 型 ) 描 — 双 来

北京交通大学无线通信第三章


实部Re(E)和虚部Im(E)都是随机变量的和 实部和虚部相互独立 2 实部和虚部服从均值为零正态分布 N (0, ) 幅度|E|服从瑞利分布 相位服从均匀分布
瑞利分布性质 r /2 均值

均方值 方差 中值
r 2 2 2
2 2
平均功率

r (r ) 2 2 2

N R ( rmin ) 2 vmax
cdf ( f r (r )) N R (r )
ADF (r )
概述 时不变两径模型 时变两径模型 不含主导分量的小尺度衰落 含主导分量的小尺度衰落 多普勒谱 衰落的时间依赖性 大尺度衰落
2 r cdf ( f r (rmin )) 1 exp min 20




求Kr=0.3dB/3dB/20dB时中断概率小于5%的衰落余量
2 r 2 2 (1 K r ) 10 log rms rmin 2 rmin 2
a 2 b2 a ) I n (ab) QM (a, b) exp( 2 n0 b
有主导分量的多径

莱斯因子K
实部Re(E)和虚部Im(E)都是随机变量的和 实部和虚部相互独立 实部服从均值为A正态分布,而虚部服从零均值的正态 分布 幅度|E|服从莱斯分布 相位服从非零均值的正态分布
K r A2 /(2 2 )
莱斯分布

莱斯分布

衰落余量

相位分布
莱斯分布的性质

中断概率
r 值小于rmin的Pr 概率 衰落余量为20dB,中断概率0.01 衰落余量为6dB,中断概率0.221 衰落余量为3dB,中断概率0.393

小尺度衰落信道解读

156第六章小尺度衰落信道前面已经介绍无线信道的传播模型可分为大尺度(Large-Scale)传播模型和小尺度(Small-Scale)衰落两种[2],三、四、五章已经介绍了大尺度传播。

所谓小尺度是描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内接收信号强度快速变化的;而移动无线信道的主要特征是多径,由于这些多径使得接收信号的幅度急剧变化,产生了衰落,因此,本章将介绍小尺度衰落信道,这对我们移动通信研究中传输技术的选择和数字接收机的设计尤为重要。

本章将先介绍小尺度的衰落和多径的物理模型和数学模型,使读者从概念上清楚地认识移动无线信道的主要特点,并建立一个统一的数学模型,为以后讨论各种模型奠定基础;接着将介绍移动多径信道的三组色散参数——时间色散参数(时延扩展,相关带宽)、频率色散参数(多普勒扩展,相关时间)、角度色散参数(角度扩展,相关距离),为之后的信道分类奠定了基础;接下来介绍衰落信道的一阶包络统计特性、二阶统计特性,大量的实测数据表明,在没有直达路径的情况下(如市区),信道的包络服从瑞利分布,在有直达路径的情况下(如郊区),信号包络服从莱斯分布,因此,一阶包络统计特性主要介绍瑞利衰落分布和莱斯衰落分布,二阶统计特性主要介绍一组对偶参数——时间电平交叉率和平均衰落持续时间,简要介绍其他两组对偶参数——频域电平交叉率和平均衰落持续带宽,空间电平交叉率和平均衰落持续距离;在已经介绍了多径信道的三组色散参数之后,将介绍小尺度衰落信道相对应的不同分类。

6.1 衰落和多径6.1.1 衰落和多径的物理模型陆地移动信道的主要特征是多径传播。

传播过程中会遇到很多建筑物,树木以及起伏的地形,会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射,散射及绕射等,这样,移动信道是充满了反射波的传播环境。

到达移动台天线的信号不是单一路径来的,而是许多路径来的众多反射波的合成。

由于电波通过各个路径的距离不同,因而各路径来的反射波到达时间不同,相位也就不同。

移动通信第三课 移动信道模型和简单定量分析



若 Bs > Bc:“频率选择性衰落(FSF)”


信号传输速率受多径时延的限制。
多径信道---多普勒扩展与相关时间
多径信道---多普勒扩展与相关时间

多普勒扩展与相关时间的关系 如下图所示:
相关时间的意义

一般情况下,Ts<<Tc,多普勒扩展可不 考虑:“慢衰落”

采用慢速自适应技术

非相干散射(US)


统计模型为高斯随机变量
WSSUS 的应用

多径瑞利衰落:
瑞利分布没有包括多径时延(频率 选择性) 多径模型为两个或多个独立延时的 瑞利随机变量之和

s(t) R1 R2
τ Σ r(t)
最简单的信道模型
路径跟踪
路径跟踪 2
路径跟踪 3
路径跟踪 4
抽头延时线模型

衰落的原因
接收机运动→多普勒频移 信号传输带宽


与信道带宽相比

多径传播

从接收机“看”多径传播的每条路径 对环境十分敏感
多径传播
多径效应 多径信号相位相反→合成信号 的幅度快速变化 多径信号传播路径不同→时延 散布 接收机或环境运动→多普勒频 移(多普勒调频)

移动通信面临的问题
τkl为从第 l 束多径起始时间开始测量到的第 k 条路 径的到达时间,服从具有参数 λ 的指数分布:
P (τ kl | τ ( k −1) l ) = λ exp(−λ (τ kl − τ ( k −1) l ))
θl、θkl 服从(0,2π)均匀分布:
2 β kl = β 2 (0,0) exp(−Tl / Γ) exp(−τ kl / γ )

北邮无线移动通信第三章2

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相关带宽(续)
两径(两条射线)情况
为分析简便,不计信道的固定衰减,用“1”表示第一条射线, 信号为 Si (t ) ; 用”2”表示另 表示另一条射线 条射线,其信号为 其信号为 rSi (t )e j ( t ) ,这里 这里r 为一比例常数,Δ(t)为相对多径时延差
小尺度传播特性
小尺度衰落模型描述信号在 (波长) 尺度内的变化:
多径效应(相位抵消)为主,路径损耗(大尺度)可认为是常数; 着眼于“衰落”建模:在短距离或数个波长范围内信号快速变化。
影响小尺度衰落的因素
多径传播→多径效应 发射机/接收机的移动 发射机 接收机的移动→多普勒效应
总结 总结——时延扩展与相关带宽 时延扩展与相关带宽
多径传播
不同时延的多径信号叠加
时域: 时域
信号时间扩散 时延扩展 码间串扰
频域:
频率选择性衰落 相关带宽 信号畸变
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工程上,对于角度调制信号,相关带宽可按下式估算:
− 式中,Δ为时延扩展。
1 Bc 2
例如,Δ=3μs, Bc=1/(2πΔ)=53kHz。此时传输信号的带 宽应小于Bc=53kHz 53kH 。
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解:已知 v, , f ,未知
c 3.0 108 3 ( m) 9 f 2 10 20
200 103 / 3600 f d cos cos 60(hz ) 3 20 v
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• Cross Correlation of inphase/quad signal is Ar ,r (τ ) = PEθ [sin 2πf D τ ] = − Ar ,r (τ )
I Q n n I Q
• Autocorrelation of received signal is Ar (τ ) = ArI (τ ) cos(2πf cτ ) − ArI ,rQ (τ ) sin(2πf cτ )
• Random # of multipath components, each with
– – – – Random amplitude Random phase Random Doppler shift Random delay
• Random components change with time • Leads to time-varying channel impulse response
δ (τ − ξ )dξ = α (τ , t )e
− jφ (τ ,t )
Received Signal Characteristics
• Received signal consists of many multipath components • Amplitudes change slowly • Phases change rapidly
– Constructive and destructive addition of signal components – Amplitude fading of received signal (both wideband and narrowband signals)
Narrowband Model
• path delay for MP component currently observed
时变色散信道连续多径模型
c(τ , t ) = ∑ α n (t )e
n N (t ) − jφ n ( t )
δ (τ − τ n (t ))
⇓ c(τ , t ) = ∫ α (ξ , t )e
− jφ ( ξ , t )
−∞
时变色散信道离散多径模型 • Response of channel at t to impulse at t-τ :
c(τ , t ) = ∑ α n (t )e
n N (t ) − jφ n ( t )
δ (τ − τ n (t ))
n
φn (t ) = 2πf cτ n (t ) − 2π [ f c − f c′ + f D (t )]t − (φc − φc′ )
研究生《现代无线通信技术》课程
第三章 无线信道小尺度模型
余 华
华南理工大学电子与信息学院 2011年3月21日星期一
主要内容 无线信道模型 无线信道分类 无线信道统计模型 离散时间信道模型 Matlab信道仿真
小尺度模型
• 小尺度传播的主要效 应:
信号强度的快速变化 时变引起的多普勒频移 多径引起的延时扩展
′ j {2π (( f c − f c′ )t − f cτ )+(φc −φc )}

+ z(t )
信道延迟 收发端振荡器 频率随时间变 化的相对漂移 及多普勒频移
收发端振荡器初 始相位的差异
发送端振荡器频率(及其 漂移)与时延的共同效应
多谱勒频移
u (t )
(
e
j ( 2πf c t +φc )
• Assume delay spread maxm,n|τn(t)-τm(t)|<<1/B • Then u(t-τn(t)) ≈ u(t-τ) • Received signal given by
⎧ ⎡ N (t ) − jφ n ( t ) ⎤ ⎫ j 2πf c t r (t ) = ℜ⎨u (t )e ⎥⎬ ⎢ ∑ α n (t )e ⎣ n =0 ⎦⎭ ⎩
信号通过AWGN延迟信道的等价低通模型
u (t )
e
j ( 2πf c t +φc )
s (t )
r (t )
e
′ − j ( 2πf c′t +φc )
v(t )
s ( t ) = Re u ( t ) e = Re u ( t ) e
( (
j ( 2 πf c t +φ c )
) )
r (t ) = s (t − τ ) + n (t )
信号通过时变色散信道的等价低通模型
u (t )
h(τ ; t )
e
j ( 2πf c t +φc )
s (t )
r (t )
e
′ − j ( 2πf c′t +φc )
v(t )
c(τ ; t )
u (t )
∞ −∞ ∞
v(t )
r (t ) = (h * s )(t ) + n(t ) = ∫ h(τ , t ) s (t − τ )dτ + n(t ) v(t ) = (c * u )(t ) + z (t ) = ∫ c(τ , t )u (t − τ f c′t + φ c )
)
+ z (t ) + z (t )
多普勒效应示意图
′ j [ 2 π f c ( t − τ ) + φ c + 2 π f d ( t ) t − 2 π f c′t − φ c ] ′ j [ 2 π (( f c − f c′ ) + f d ( t ))( t − τ ) + ( φ c − φ c )] ′ j [ 2 π (( f c − f c′ + f d ( t )) t − f c τ ) + ( φ c − φ c )]
Auto and Cross Correlation
• Assume φn~U[0,2π] • Recall that θn is the multipath arrival angle • Autocorrelation of inphase/quad signal is
ArI (τ ) = ArQ (τ ) = PEθ n [cos 2πf Dnτ ], f Dn = v cos θ n / λ
• No signal distortion (spreading in time) • Multipath affects complex scale factor in brackets. • Characterize scale factor by setting u(t)=ejφ0
In-Phase and Quadrature under CLT Approximation
• For N(t) large, rI(t) and rQ(t) jointly Gaussian by CLT (sum of large # of random vars). • Received signal characterized by its mean, autocorrelation, and cross correlation. • If ϕn(t) uniform, the in-phase/quad components are mean zero, indep., and stationary.
• 多径信道的冲激响应 模型:
移动信道可以看成线性时 变信道,输入x(t)和输出y(t) 存在以下关系
y (t ) = x(t ) ⊗ h(t , τ )
无线传播信道的模型
s(t)
h(τ, t)
Σ
n(t)
r(t)
• 信道响应为h(τ, t) ,可以表示色散和时变 • 假设:线性信道、加性干扰
Statistical Multipath Model
⎧ r r2 ⎪ exp(− ), p ( r ) = ⎨σ 2 2σ 2 ⎪ 0, ⎩ 0≤r ≤∞ r≤0
• 射频信号受到多普勒衰 落影响的功率谱密度如 右图所示。
Signal Envelope Distribution
• CLT approx. leads to Rayleigh distribution (power is exponential) • When LOS component present, Ricean distribution is used • Measurements support Nakagami distribution in some environments
j ( 2πfct +φc )
s (t )
r (t )
e
′ − j ( 2πf c′t +φc )
v(t )
s ( t ) = Re u ( t ) e v (t ) = u (t − τ )e = u (t − τ )e = u (t − τ )e
)
r ( t ) = s ′ ( t − τ ) + n ( t ) = Re v ( t ) e
Uniform AOAs
• Under uniform scattering, in phase and quad comps have no cross correlation and autocorrelation is
ArI (τ ) = ArQ (τ ) = PJ 0 (2πf Dτ )
Decorrelates over roughly half a wavelength • The PSD of received signal is
– Similar to Ricean, but models “worse than Rayleigh” – Lends itself better to closed-form BER expressions
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