第2章 无线信道与MIMO信道

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1、12.1 引言引言移动通信电波传播路径损耗和多径衰落移动通信电波传播路径损耗和多径衰落 第第2章章 无线信道与无线信道与MIMO信道信道2慢衰落慢衰落: :慢衰落指的是接收信号强度随机变化缓慢，具有慢衰落指的是接收信号强度随机变化缓慢，具有 十几分钟或几小时的长衰落周期。十几分钟或几小时的长衰落周期。快衰落快衰落: :接收信号强度随机变化较快，具有几秒钟或几分接收信号强度随机变化较快，具有几秒钟或几分 钟的短衰落周期。钟的短衰落周期。典型信号衰落特性典型信号衰落特性 快衰落快衰落慢衰落慢衰落3 信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来说接

2、收信号的功率可以表达为说接收信号的功率可以表达为 ( ) ( )nP ddS d R dd表示移动台与基站的距离表示移动台与基站的距离 （1）电波在自由空间内的传播损耗）电波在自由空间内的传播损耗 ,也被称作大尺度衰落。也被称作大尺度衰落。其中其中 取值一般为取值一般为24； ndn（2） ：阴影衰落：阴影衰落 ( )S d（3） ：多径衰落：多径衰落( )R d42.2 无线信道无线信道 2.2.1 大尺度衰落与阴影效应大尺度衰落与阴影效应最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为1rntPLKPdtP表示本地平均发射信号功率；表示本地平均发射信号功率； r

3、P表示接收功率；表示接收功率； d表示发射机与接收机之间的距离表示发射机与接收机之间的距离 ；K是独立于距离、功率和带宽的常数；是独立于距离、功率和带宽的常数； 可以得到平均的信号噪声比可以得到平均的信号噪声比(SNR)为为 0N是单边噪声功率谱密度，是单边噪声功率谱密度， B是信号带宽。是信号带宽。 BNdPKPPSNRktnr011. 大尺度衰落大尺度衰落5如果为保证可靠接收，要求如果为保证可靠接收，要求 0SNRSNR0SNR表示信噪比门限表示信噪比门限 00trKPBd N SNR100()rtKPdN BSNR 可见，如果不采用其他特殊的技术，则数据的符号速率以可见，如果不采用其他特

4、殊的技术，则数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系及电波的传播范围都会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。通信系统的影响并不需要单独加以考虑。62. 阴影衰落阴影衰落 路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响，可以合称为大尺度衰落，因为尺度上对传输信号的影响，可以合称为大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加而缓这种衰落对信号的

5、影响反映为信号随传播距离的增加而缓慢起伏变化，所以也称为慢衰落。慢起伏变化，所以也称为慢衰落。 电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称为阴影衰落。阴影衰落值的变化，从而引起信号衰减，称为阴影衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。正态分布。02)(logexp1)(2210 xxxxp72.2.2 多径衰落多径衰落三种最重要的多径

6、衰落效应：三种最重要的多径衰落效应： 信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化；信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化； 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制；不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制； 多径传播时延引起的扩展；多径传播时延引起的扩展；影响多径衰落的因素：影响多径衰落的因素：1.多径传播多径传播2.移动台的速度移动台的速度3.周围物体的速度周围物体的速度4.信号的发射带宽信号的发射带宽8多径传播信道的冲激响应模型多径传播信道的冲激响应模型 1231,LiiLiha 是所有传播路径的数目是所有传播路径的数目; L和和 是每路信号的强度和到达时

7、间。是每路信号的强度和到达时间。 iai对上式进行傅立叶变换得到信道多径环境下的频率响应（传输函数）对上式进行傅立叶变换得到信道多径环境下的频率响应（传输函数） 1iLjjiiHheda e设发射信号为设发射信号为 ，则接收到的信号是经多径传播后的总和，则接收到的信号是经多径传播后的总和 ts 1231,LiiLiy ta s t假设假设)(tst)(tyt时延扩展时延扩展9V0V0迟延迟延t0迟延迟延t0 )(ts)(ty)(H02340V2)()()(0000ttsVttsVty)(0000)()()(tjtjeSVeSVY)1 ()(00jtjeeVH2cos2200jtjeeV2cos

8、2)(0VH10 信道的多径数目为信道的多径数目为 7，信号经信号经7条不同路径到达条不同路径到达时的幅度和时间是随机时的幅度和时间是随机选择的。选择的。 2.2.3 无线信道的时变性以及多普勒频移无线信道的时变性以及多普勒频移若发射信号若发射信号 ，则接收到的信号为，则接收到的信号为 tjetsLitjiieaty1)()(tjeH)(tjLijieeai111多普勒效应引起的附加频率偏移称为多普勒频移，可以用下式表示多普勒效应引起的附加频率偏移称为多普勒频移，可以用下式表示 coscoscoscdf vvffc v表示移动台和观察者之间的相对运动速度表示移动台和观察者之间的相对运动速度df

9、表示最大多普勒频移表示最大多普勒频移 c表示载波频率，表示载波频率， 表示光速，表示光速，cf为运动路线与入射角之间的夹角为运动路线与入射角之间的夹角 多普勒扩展（多普勒扩展（Doppler spread）是一种由多普勒频移现象引）是一种由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散（起的衰落过程的频率扩散（frequency dispersion），又称时间选），又称时间选择性衰落（择性衰落（time selective fading）。）。当移动用户向着基站方向运动时，多普勒频移为正，即接收频率增加。当移动用户向着基站方向运动时，多普勒频移为正，即接收频率增加。 当移动用户远离基站方向运动时，多

10、普勒频移为负，即接收频率减小。当移动用户远离基站方向运动时，多普勒频移为负，即接收频率减小。 12tjes)(若发射信号若发射信号 ，则接收到的信号为，则接收到的信号为 1,L tiiih ta tt 考虑多普勒频移考虑多普勒频移1,iLjtiiih tae i是第是第i径的多谱勒频移。径的多谱勒频移。 如果接收机、发射机或环境是移动的，多径传播信道的冲激如果接收机、发射机或环境是移动的，多径传播信道的冲激响应模型响应模型 1,iiLjtiiH tae11( ),iiiiLLjtjtjj tj tiiiiy tH tea eea ee 多谱勒角频移多谱勒角频移i会使接收信号的频谱扩展会使接收信

11、号的频谱扩展. 13 时延扩展时延扩展频率选择性衰落频率选择性衰落最大时延扩展：第一个到达接收天线的信号分量与最后一个到最大时延扩展：第一个到达接收天线的信号分量与最后一个到 达的信号分量之间的时间差。达的信号分量之间的时间差。相干带宽：指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率相干带宽：指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率 分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多 径信道具有恒定的增益和线性的相位。径信道具有恒定的增益和线性的相位。 如果相关带宽小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收如果相关带宽小于发送信号