无线 第6章 小尺度多径衰落
小尺度衰落产生的原因
小尺度衰落产生原因可伸缩的移动模型透视和无线Ad-Hoc网络中的路由协议性能（Mobility Model Perspectives for Scalability and Routing Protocol Performances in Wireless Ad-Hoc Network）关键字： Ad-hoc网络可伸缩性移动路由协议1、介绍网络的发展刺激了经济的规模。
那是因为根据互联网用户或主机的数目，网络用户的花费随着网络规模的增大而减小。
Ad hoc 无线网络的可伸缩性引起了许多改变，如移动ad hoc网络（MANET）包括许多能够自由任意并且涉及到动态的编队拓扑中的移动节点。
从而MANET构成了一个自主移动系统。
并且MANET的一些其他特征如动态拓扑、宽带约束、资源约束和受限的物理安全。
从而以上所需的特性可以实现其独特的可伸缩性。
另一个设计可伸缩的ad hoc 网络的主要问题在于那些流动的可移动节点。
事实上那些节点的迅速复位和移动也是其中的一个难点所在。
不同的流动模型如随机的航路点等问题已经被提出来。
再说流动性模型在路由器发送方案的选择上起着主要的影响，从而影响其性能表现。
同时在一些如在场部署和应急响应操作的应用中，ad hoc网络同样能扩充到成百上千的节点。
从而拥要有广泛的流动性同时还缺乏有力的指导，纯ad hoc网络连入大型的伸缩节点是其设计中所面临的一个紧急挑战。
移动自组网在是实际中是多跳的。
因此自组网络的可伸缩性底层的路由协议直接相关。
比如说一个移动自组网络可以通过减少路由协议的开销来实现更好的伸缩性。
所以在这篇论文里面我们调查一下移动自组网的可伸缩性。
自从MANET的路由协议在移动自组网的设计中起着关键作用，我们看到了那些在可伸缩条件下的协议表现的问题。
也是因为流动性模型对可伸缩性有着巨大影响，我们扩展了MANET在不同的流动模型中的路由协议的表现分析。
全文的组织如下：在第二部分，我们分析了各种不同的MANET路由协议和他们的对应的性能指标。
多径衰落信道的频率响应
多径衰落信道的频率响应1.引言1.1 概述引言部分的概述应该为对多径衰落信道的背景和概要的介绍。
可以按照以下方式编写：多径衰落信道是一种在无线通信系统中常见的现象。
由于信号在传播过程中会经历多条路径，每条路径的传播距离和传播时间可能不同，这就导致了多径效应的出现。
多径效应会引起信号的衰落和多普勒频移，对信道的传输性能产生深远影响。
本文旨在探讨多径衰落信道的频率响应，并分析其在无线通信系统中的重要性。
通过研究多径衰落信道的频率响应模型，可以更好地理解信号在传播过程中的特性，并且为信道估计、功率控制、多天线技术等方面的设计和优化提供指导。
在第二章中，我们将详细介绍多径衰落信道的定义和特点。
通过了解多径衰落信道中信号的传播机制和特性，我们可以更好地理解频率响应模型的形成原理。
最后，在结论部分我们将强调多径衰落信道的频率响应对无线通信系统的重要性，并对全文进行总结。
通过本文的研究，我们希望能够为无线通信技术的发展和应用提供一定的参考和启示。
以上是本文引言部分的概述，接下来将详细展开相关内容以满足读者对多径衰落信道频率响应的理解和应用需求。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式进行编写：文章结构部分的主要目的是为读者介绍整篇文章的组织结构，旨在让读者更好地理解文章内容的安排和逻辑顺序。
本文按照以下几个部分展开阐述：引言、正文和结论。
在引言部分，我们将对多径衰落信道的频率响应进行概述，包括其定义、特点和研究意义。
接下来，我们将在正文部分详细介绍多径衰落信道的频率响应模型。
正文部分将包括多径衰落信道的定义和特点的介绍，并深入探讨频率响应模型的构建方法和模型类型。
通过对频率响应模型的分析，我们将能够更好地理解信号在多径衰落信道中的传输特性和影响因素。
接下来，在结论部分，我们将强调多径衰落信道的频率响应的重要性，并总结本文的主要观点和研究结果。
我们将强调频率响应模型在无线通信系统设计和性能评估中的应用前景，并讨论对未来研究方向的展望。
多径衰落介绍
平均多普勒平移
∫ B= ∫
多普勒扩展
BD =
∞
∞ ∞ ∞
fS ( f )df S ( f )df
∞
∫
∞
( f B ) 2 S ( f )df
∫
∞
∞
S ( f )df
它是移动无线信道的时间变化率一种度量.
移动多径信道参数 时间色散参数 频率色散参数(时间选择性)2/2 频率色散参数(时间选择性)2/2 角度色散参数
小尺度衰落信道基础 基本概念 衰落和多径的物理模型 衰落的数学模型 (1/2) 1/2)
多径信道的接收信号由许多被减弱,有时延,有 相移的传输信号组成,其基带冲击响应模型可表 示为:
a 其中,i (t , τ),τ i (t ) 分别为在t时刻第i个多径分量的实 际幅度和附加时延.πf c τi (t) + i (t, τ)表示第i个多径分 2 量在自由空间传播造成的相移,再加上在信道中 的附加相移.N是多径分量可能取值的总数; () δ 是单位冲击函数,它决定在时刻t与附加时延τ i 有 分量存在的多径段数.
多径衰落信道的统计模型举例[3] 多径衰落信道的统计模型举例[3] 1/4
Broadband Channel Characterization
h(t , τ) = H (t , f ) = 1
∑e P
p =0
P 1
j p
e
j 2 πf D p t
δ( τ τ p ) e
1
∑e P
p =0 H
P 1
j p
e
j 2 πf D p t j 2 πfτ p
2
p( H ) =
1 2πσ 2 H H σ2 H e
无线通信系统中的多径传播与信号衰落
无线通信系统中的多径传播与信号衰落无线通信是现代社会的重要组成部分，而多径传播与信号衰落则是影响无线通信质量的关键因素之一。
本文将探讨多径传播和信号衰落的原理、影响因素以及可能采取的改进方法。
一、多径传播多径传播是指无线信号从发射器到接收器之间存在多个信号路径。
在现实环境中，无线信号会被建筑物、树木、地形等物体反射、折射、散射，从而形成多个到达接收器的信号。
这些不同路径的信号到达时间、幅度和相位都可能不同，导致接收到的信号出现时延扩展和失真现象。
多径传播会对无线通信系统造成干扰和质量下降的影响。
主要表现在以下几个方面：1. 多径间的时延扩展：由于多个信号路径存在不同的传播距离，信号到达时间不一致，导致信号的时延扩展现象。
这会导致接收器在接收到多个路径上的信号后，出现码间干扰和码内干扰。
2. 多径间的相位差：每个信号路径上的信号到达接收器时的相位是不同的，这会导致相位差引起的信号干扰。
特别是当相位差达到信号波长的一半时，两个信号的叠加会相消，从而导致信号衰落和淡化。
3. 多径间的幅度差：信号在经过不同的路径后，由于路径长度、传播环境等因素的不同，导致信号的幅度发生变化。
当幅度差过大时，会引起信号强度的突变，使接收器无法正确识别信号。
二、信号衰落信号衰落是信号强度在传输过程中的突然减弱现象。
信号衰落可以分为快衰落和慢衰落两种类型。
1. 快衰落：快衰落是指信号强度在短时间内发生剧烈变化的现象。
多径传播中的多个信号相互叠加，可能会出现相干干涉现象，导致信号强度瞬间增强或减弱。
快衰落会导致通信中断和数据丢失。
2. 慢衰落：慢衰落是指信号强度在长时间内缓慢降低的现象。
慢衰落的主要原因是多径传播中的信号叠加导致信号强度减弱。
慢衰落会使得信号质量下降，导致通信速率降低和误码率增加。
三、影响因素多径传播和信号衰落的严重程度受多种因素的影响。
以下是一些常见的影响因素：1. 传输距离：无线信号传输距离的增加会加剧多径传播和信号衰落现象。
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。
矿井宽带无线信道小尺度衰落特性分析
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Ｓ ｃ 科 ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆ 技 Ｔ ｅ ｃ ｈ 视 ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ 界 Ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ
矿井宽带无线信道小尺度衰落特性分析
李 晓燕 （ 神 华 宁夏煤 业集 团有 限责任公 司 红柳 煤矿 ， 宁夏 灵武 ７ ５ ０ ４ １ １ ）
【 摘
一
要】 现有的矿山通信 系统分 为有 线与无线系统 ， 前者是 以线缆为媒介 的通信形 式， 因其抗干扰力强、 信号传 输稳定的特点 ， 长期以来
， Ｊ － Ａｌ ， △ｔ ＝ ｌ ｔ ｌ 一 ２ Ｉ ， △ ＝ ｌ ２ Ｉ
通过包络相关 函数 的值可 以来反映信道的相关度 ． 下述各个相关 度的确定均与此函数有关 ｆ １ ） 时延扩展 和相干带宽 时延扩展 和相 干带宽描述了矿井信道 的频 率选择特性 。时延扩 展是 电磁 波反射及散射传播路 径叠加引起 的现象 ． 而相干带宽 且 是 从均方根时延扩展 得 出的一个确定关 系值。 相干带宽是一定范 围 内的频 率的统计 测量值 ． 是 建立在信道 是平坦 （ 即在该信道上 ， 所有 谱分量均 以几乎相 同的增益及线性相位通过 ） 的基础上 。 或者说在某 频率范 围内其任 意两个 频率分量有很强 的幅度相关性 。频率 间隔 大于 的两个正弦信号受信道影响大且不相 同 如果定义相 干带宽 为频率相关 函数大于 ０ ． ５的某特 定带宽 ．则 矿井信道 的相干带宽 近 似为 ： １ ， ５ 。 （ ２ ） 多普勒扩展和相干时 间 矿井无线信道 的时变 特性 ． 也就是时 间选择 性 ． 主要 由两个参数 来描述 ． 即多普勒扩展 和信道相干时间 先介绍与多普 勒扩展 相关 联
无线通信原理与应用-5.4 小尺度衰落类型及瑞利和莱斯分布
r
2
2
exp(
r2
2 2
)
p(r)
2 0
p(r, 2 2
)
p(
)
0
p(r,
)dr
1
2
可见： r服从瑞利分布； θ服从均匀分布
(0 r )
(0 2 )
电气工程学院 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA
3.
r
2ln 2
1.177
1.177时,
rp(r)dr
1
0
2
即：r 1.177 和r 1.177的概率各占50％
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无线通信原理与应用
瑞利分布的特性（2）
4.包络的均值：
r E[r] rp(r)dr
无线通信原理与应用
瑞利分布的特性（1）
1. 包络不超过R的概率：
R
R2
P(R) 0 p(r)dr 1 exp( 2 2 )
p(r) 1 e1/ 2
2. r=σ时，p(r)取最大值： ：
o
1 1.177
r/
P( ) R p(r)dr 1 exp( 1)
0
2
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无线通信原理与应用
瑞利衰落分布（3）
通常， x＝ y＝
p(x,
y)
p(x) p(y)
1
2
2
exp(
x2
2
无线通信基础 (6)
Source encode
Source
Encrypt 1
Channel encode
modulate
Synchronization
Multiple access
XMT Channel来自Source decode
Decrypt
Channel decode
demodulate Equalization
小尺度衰落
波动发生在大约一个波长范围内---多径+移动
5
大尺度衰落现象
一般是由于建筑物遮挡造成，也称之为阴影衰落 波动发生在大约几百个波长范围内
6
大尺度衰落
衰落余量 中断概率
对数正态分布
7
大尺度衰落现象
阴影衰落
大尺度衰落
地形结构 开阔 平坦 丘陵 山区
人为环境 乡村 郊区 市区
8
例：在特定的距离上，有确定性的127dB传播损耗与大尺度 衰落该衰落为 σF=7dB的对数正态分布，若系统设计的处理 的最大传输损耗为135dB，那么在此特定距离上由大尺度衰 落引起的中断概率为多大?
L0 L
Lmax
9
Multiple access
Diversity
RCV
1
2
窄带无线信道
3
1.概述与大尺度衰落 2.两径模型 3.不含主导分量的小尺度衰落 4.含主导分量的小尺度衰落 5.多普勒谱与衰落的时间依赖性
4
路径损耗
自由空间损耗 阴影衰落 多径衰落
大尺度衰落
波动发生在大约几百个波长范围内----地形地物
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相干时间TC是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色
散的时变特性。
第6.3节、小尺度衰落的类型
小尺度衰落 （基于多径时延扩展）
平坦衰落 ① 信号带宽＜信道带宽 ② 延迟扩展＜符号周期
频率选择性衰落 ① 信号带宽＞信道带宽 ② 延迟扩展＞符号周期
小尺度衰落 （基于多普勒扩展）
快衰落 ① 高多普勒频移 ② 相干时间＜符号周期 ③ 信道变化快于基带信号变化
生接收信号失真。
第6.3节、小尺度衰落的类型
多普勒扩展引起的衰落 根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰 落信道。 快衰落信道：在快衰落信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快， 即信道的相干时间比发送信号的信号周期短。由于多普勒扩展引起频率 色散，从而导致信号失真。从频域可看出，信号失真随发送信号带宽的 多普勒扩展的增加而加剧。 慢衰落信道：在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率比发送的基带信号 变化率低得多，可假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态 信道。在频域中，这意味着信道的多普勒扩展比基带信号带宽小的多。
X点和Y点接频率的变化值（即多普勒频移） 为：
1 v fd cos 2 t
由上式可看出，多普勒频移与移动台运动速度、移动台运动方向和无线电 波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频
移为正（即接收频率提高）；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频
与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。
第6.1节、小尺度多径传播
无线信道的多径传播特性导致了小尺度多径衰落。多径衰落的特点如下： 无线信号经过短时间或短距离传播后，信号强度发生急速变化。 在不同的多径信号上，存在着时交的多普勒频移引起的随机频率调制。 多径传播时延引起的扩展（表现为回音）。。
显然，移动台的速度（或信道路径中物体的速度）及基带信号发送速率，
决定了信号是经历快衰落还落），是指无线信号在经过短时间或短 距离传播后其幅度出现快速衰落，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不 计。多径衰落是由于同一无线信号沿两个或多个不同的路径传播，以微小 的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的信号衰落。这些无线信号也 称为多径波，接收机的天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号， 其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间以及传播信号的带宽。 多径衰落是移动通信中遇到的一个特殊问题，分析起来相当复杂，我 们这里只需要了解他对通信会造成很大的影响，在后面的章节中会介绍针 对多径衰落的一些抗衰落技术。
移为负（即接收频率下降）。信号经不同方向传播，其多径分量会造成接 收机信号的多普勒扩散，因而会增加信号带宽。
第6.2节、多径信道的参数
多径时延扩展和相干带宽 时延扩展是由反射及散射传播路径引起的，而相干带宽BC是从RMS时 延扩展得出的一个确定关系值。相干带宽是一定范围内的频率的统计测量值 ，建立在信道是平坦（即在该信道上，所有谱分量均以几乎相同的衰减及线 性相位通过）的基础上。 换句话说，相干带宽就是指一个特定的频率范围，在该范围内，两个 频率分量有很强的幅度相关性。频率间隔大于BC的两个正弦信号受信道影 响大不相同。
无线通信技术基础
第6章、小尺度多径衰落
主要内容
一．小尺度多径传播
二．多径信道的参数 三．小尺度衰落的类型
课程重点
一．造成多径衰落的原因。
二．多径衰落的特点。
第6.1节、小尺度多径传播
在无线信道中，造成小尺度多径衰落的主要原因： 多径传播：发射机发射的电磁波到达接收机时形成了在时间、空间上 相互不同的多个无线电波。不同多径成分具有的随机的幅度和相位特 性引起合成信号强度的剧烈波动，导致了小尺度衰落。 移动台的运动速度：基站与移动台之间的相对运动会引起随机频率调 制，这是由于多径分量存在的多普勒频移现象。多普勒频移的大小取 决于基站与移动台之间的相对速度和无线信号的频率（波长）。 环境物体的运动速度：如果无线信道中的环境物体处于运动状态，也 会引起时交的多普勒频移。 信号的传输带宽：小尺度信号的强度和短距传输后信号失真的可能性
慢衰落 ① 低多普勒频移 ② 相干时间＞符号周期 ③ 信道变化慢于基带信号变化
第6.3节、小尺度衰落的类型
多径时延扩展引起的衰落 平坦衰落：如果移动无线信道的带宽大于发送信号的带宽，并且在带宽 范围内有恒定的衰减和线性相位关系，则接收信号就会经历平坦衰落过 程。这是最常见的一种衰落，发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持
不变。但是，由于多径导致了信道增益的起伏，接收信号的强度会随着
时间发生变化。 频率选择性衰落：如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发
送信号带宽，则该信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。信道
冲激响应具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时， 接收信号中包含经历了衰减和时延的发送信号波形的多径波，因而，产
第6.2节、多径信道的参数
多普勒扩展和相干时间
时延扩展和相干带宽是用于描述信道时间色散特性的两个参数，但并
未提供描述信道时变特性的信息。时变特性可能由移动台与基站间的相对运 动引起，也可能由信道路径中物体的运动引起。
多普勒扩展BD是频谱展宽的测量值，这个频谱展宽是移动无线信道的
时间变化率的一种量度。多普勒扩展被定义为一个频率范围，在此范围内接 收的多普勒谱有非零值。
第6.1节、小尺度多径传播
多普勒效应是奥地利物理学家及数学家克里斯琴· 约翰· 多普勒（Christian Johann Doppler）在1842年首先提出的。主要内容为：物体辐射的波长 因为波源和观测者的相对运动而产生变化，相对速度越高，所产生的效应 越大。
S
L △
θ
X M d v Y
θ
第6.1节、小尺度多径传播