2.2 三类主要快衰落在线视频

下面

我们分门别类地来给大家介绍

每个层次的损耗

它们的特点

首先我们先来介绍最快变的这种

移动通信的信道的衰落

也就是小尺度的衰落

小尺度的衰落我们主要根据

信号的三个物理量

它的时变特征

来概括它们的衰落

也就是

空间选择性衰落 频率选择性衰落

以及时间选择性衰落

我们先看第一个所谓空间选择性衰落

大家看照片

图上我们这儿给一个示意

空间选择性衰落

它指的是说

我们看图上

假定我们在实际上发送一个正弦波信号

大家看这是个正弦波信号

那么我们在空间上来看的话

它就应当看它的角度谱

我们在空间上看的正弦波

在角度谱上

它就应当是单谱信号

就是一个冲击再比如说

我们在φ0这个角度上有一个冲击

这有个冲击

那么

这样的一个冲击信号送到

开放的移动信道当中去

而在接收端

我们收到的它就不再是一个冲击了

而会产生信号

角度谱的展宽

大家看胶片上

接收端收到的在角度谱上

它就是一个展宽的信号

你们看这儿有个展宽

那展宽的角度

我们可以定义为是△φ

那如果我们在实地测量的话

在不同的位置

往这看

比如说我在S1 S2 S3

在不同的位置上

我测量的信号的强度

那有的地方强

有的地方弱

这就是所谓的选择性衰落

比如说我们这画个图

这是个基站

那么我们发的是一单路信号

可是因为角度的扩展

其实波数就扩展开了

那我移动台在不同的角度

或者说的不同的位置上测量

每一个移动台

我接收到的信号强度就有变化

这就是所谓的有选择

我们简称就叫空间选择性衰落

对于空间选择性衰落来讲

它往往会导致

我们接收信号的质量会下降

我们一般而言为对抗空间选择性衰落

就要采用

空间的分级

典型的情况下

我可以采用两个接收天线

来进行接收分级

从而能够获得

接收信号质量的改善

第二点我们来介绍

频率选择性衰落

所谓频率选择性衰落

大家看胶片

我们可以在时域上发送一个冲击信号

大家看这儿有个△t

那么我们依据信号系统的基本知识知道

时域上如果我们发的是一个冲击信号

频率上它就是一个宽频

无限宽的平台信号

我们把这样的信号送入宽带移动信道

输出的信号

我们看它的响应

假如说我们是在频域上来看

就会发现

这个信号本来原始的

应当是个所有频率上全都是平坦的

但是现在我们就看到有起

这个地方就是峰值

也有伏

我们看 峰峰之间

或者当然类似的也可以看谷和谷之间

那峰和峰之间或者谷和谷之间

我们可以看

我们就定义峰和峰之间的间距

或者谷和谷之间间距

我们就称这个间距叫做是

相干

带宽

我们称它叫相干带宽

那么相应地我们也看一下

时域的响应

我们看这个时域的响应

本来原来我们发送的应当是一个

单频的信号δt

但是接收到的时候

我们这个信号

响应的就展宽

而它会有

从原来的δt0开始

有一个扩展

那么最大的扩展

我们就称它为是最大多径时延

我们称为是τmax

那这个相干带宽

和最大多径时延是什么关系呢

在粗略分析的情况下

我们可以认为

相干带宽它应当约等于

最大多径时延

τmax的倒数

一般我们粗略估计的话

那么相干带宽约等于是最大多径时延的倒数

相干带宽刻画的

它是一个非常重要的

这种随机现象

也就是说

如果说

两个频率分量它们之间的频率差

已经超过相干带宽的话

那我们就认为

它们经过这样的移动信道之后

这两个频率分量之间

它的统计特性的是相互独立的

也就不相关的或者相互独立的

假如说

我这频率分量

大家看我们这频率分量

是在一个相干带宽里面的

那么它们的频率分量就有相关性

要不然同时增大

要不然同时减少

所谓频率选择性的就指的是说

我原来是完全平坦的信号

但是经过这种宽带移动信道之后

输出的信号

就有的频率分量上衰落大

有的频率分量上的衰落小

就出现了选择性

那这就是所谓的

频率选择性衰落

那我们再看第三类衰落

叫做是时间选择性衰落

这类衰落和我们刚才讲的

频率选择性衰落是一个视频队友的关系

我们在频域上发送一个Δf的型号

但实际上对你的就是等幅正弦波

经过这样的一个

高速移动的信道之后

那么输出的信号

大家看在时域的响应上

它就有的地方

我们看这个包弱

它就有起有伏

有的时刻它们信号能衰减

但有的时候信号会增强

换言之

就出现那种典型的时间选择性衰落

对应地我们再来看频率

频率上我们看到的

本来原来是一个δ脉冲

而现在就会出现频率分量的展宽

那么频率分量的展宽

有一个最大的频率扩展

我们称为是最大多普勒频移

简称叫

fmax

叫最大多普勒频移

那么相应地它在时间上来看你能看到

就类似于我刚才讲的相干带宽一样

这也应当定一个量叫相干时间

叫相干时间

它的含义指的是说

我们踩错的示意样值

这个样值之间的时间差

也就是它们的间隔

如果要是大于相干时间的话

那这两个样值

它们的衰落的就是相互独立的

小于相干时间的话

那这两个样值

它的衰落就是有相关性

那么一般地

我们也可以做一个粗略的估算

相干的时间TC应当约等于

最大多普勒频移

fmax的倒数

fmax 最大多普勒频移和相干时间

是个倒数关系

这种时间选择性衰落

它也会导致我接收到的信号

它在幅度相位上是时变的

那对于接收信噪比有严重的影响

就导致我们这信号质量会下降

我们可以把上述的这些

损耗这个快衰落

我们把它用这样的一个示意图来表征

前面我们讲的空间 时间

还有频率选择性衰落

那在真实的地理环境当中

是同时存在的 是混叠到一起去的

大家看示意图当中

右侧就是基站

左面有一个车载移动台

那么在基站到移动台传播的路径上面

会出现空间选择性衰落

我们看这高大的建筑

那么高大建筑物就会

对于路径进行散射

会出现空间选择性衰落

在中间还会有各种

传播路径上

还会有各种障碍物的遮挡 衍射

会产生多径效应

也就是频率选择性衰落

它是在车上 是车载的

还会运动 有多普勒效应

因此还会产生时间选择性衰落

一般意义上来讲

这三种快衰落

它们对于我们的移动通信的信号

到底是什么样的干扰或者是影响呢

那么移动信号

在这三种快衰落的信道当中

会经历什么样的变化或者是影响呢

我们可以

按照信号与系统之间的关联关系

做一些简单的归纳和整理

如何去刻画一个信号

刻画信号我们主要有两个参数

一个是它的符号周期

符号周期我们就用Ts来表示

这是它的符号周期

另外一个我们是

信号的带宽

有时候信号带宽

我们就用W来刻画

那对于信道来讲

我们主要先给大家看的是时频

时频特征

信道的时频特征

我们刚才已经提到过

在对于频率选择性而言

我们主要是用

信道的相干带宽Bc来刻画

那么对于时间选择性来讲

我们主要用信道的相干时间Tc进行刻画

那我们就看这两组参数之间

它们之间的相互关系

我们先看带宽的关系

假如说

信号的带宽W

要远大于信道的相干带宽Bc

那么这个时候

信号实际上是一个宽带的型号信号

那我发送了信号

它的频率分量会落到

很多很多的相干带宽里面去

那这种情况下

我们一般就称为是典型的频率选择性衰落

那我们再看

假如说

信号的带宽是远小于相干带宽的

在这种情况下

那么信号的频率分量

它都是落到同一径当中

或者同一个相干带宽里面的

那么所有的信号频率分量

它所经历的衰落

它是同时有相关性的

同时衰落或者同时增大

所以这种情况下

那我们就称为是平坦衰落

英文上一般我们叫频率选择性衰落

我们叫frequency

Selective

那么平坦衰落

我们叫做是

Flat Fading

结合一下我们现在的移动通信的标准

我们知道

我们举个例子

比如说能像第一代移动通信

第一代移动通信

它的信号带宽

比如TACS

它的信号带宽是25KHz

但是相干带宽

一般我们比如说取值是200KHz

显然我们可以看到

信号的带宽要小于相干带宽

所以像TACS制式

它就应当是平坦衰落

我们再举个例子

比如说

像3G

3G比如说像WCDMA

那么WCDMA

它的信号带宽是5MHz

但是我们典型城区所对应的

信道相干带宽还是200KHz

那显然

信号的带宽5MHz远大于相干带宽

所以对于3G系统来讲

它经历的就是频率选择性衰落

但一般而言的像3G之后的系统

信号的带宽越来越宽

到了4G LTE

最宽的带宽已经达到20M

到了5G我们会达到

100M以上的带宽

所以典型的衰落的都是频率选择性衰落

我们再看

另外一组参量也就是

符号的周期

还有信道的相干时间

那么这两种参量我们也能够进行比较

假设说

我符号的周期

是远大于信道的相干时间的

在这种情况下

那在一个符号周期当中

信号的波形它就会有起有伏

反复变化很多次

那这个时候

我们就称为是快衰落

叫快衰落

英文的我们叫Fast Fading

那么类似的如果反过来

如果符号周期

远小于相干时间

那一般我们就称为是慢衰落

我们称为是慢衰落

叫Slow Fading

通常

在静止状态或者是慢速移动的情况下

典型的情况下

我们的信号的符号周期

或者样值间隔是远远小于相干时间的

所以我们经历的都是一些慢衰落

信号通过信道之后

这两类衰落进行组合

组合之后

大家可以跟着我组合一遍

显然会有

频率

频选快衰落

以及频率选择性慢衰落

还有

平坦快衰落

以及平坦慢衰落

一共应该有四种组合

在这四种组合当中

我们看

对于3G之后的宽带移动通信系统来讲

典型的信道特征应当是这种

就是频率选择性的慢衰落

它刻画了移动信号在信道当中传播

时频的衰落的特征

在频域上来讲

它是宽带信号

所以经历的应当是一个频率选择性衰落

在时域上来讲的

因为它一般都是慢速移动

多普勒效应不那么明显

那么它经历的应当是个慢衰落

所以典型的情况

对3G之后的系统而言

那应当是一个是3G到5G

那应当是频率选择性慢衰落信道

慢衰落的特征

那我们再看一下

像频率选择性快衰落

这种衰落一般我们也称它们为

双选衰落信道

时频双选择衰落信道

那么这种衰落信道它是最恶劣的

因为它在时间上是选择性衰落

在频率上也是选择性衰落

什么时候会出现这种情况呢

它是高速运动

高速运动

比如说

我们坐的高铁上

或者说我们在高速公路上开快车

飙车飙到120公里

在这样的情况下

比如说我们还用的是3G之后的体制

那信号带宽又宽

运动速度又高

它接收到的信号就必然会经历

多径 还有多普勒的典型效应

那它所对应的衰落就是

频率选择性的快衰落信道

我们再看这个平坦快衰落

这种特点在移动通信当中

不太多见

很多时候实际上是在卫星通信

因为卫星大家知道

卫星绕着地球转的话

卫星的运动速度至少要达到

第一宇宙速度

它的运动速度很快

会有非常显著的多普勒效应

但是卫星和地面之间通信

它一般都是直射传播

它没有什么多径

所以它经历的应当是

一种典型的平坦快衰落信道

那么平坦慢衰落信道

这个我们在移动通信当中不太多

一般是些固定接入里面会出现

下面的我们再给大家介绍一下

多普勒效应当中的最大多普勒频移

我们给大家一个定量的分析

有重要的一个多普勒频移的公式

我们知道

这是基站

这是移动台

假设我们考虑这个移动台

和基站之间的是共线的

也就是说

移动台所运动的速度和方向

正好是为基站到移动台之间的连线上

它是一个共向运动

这个时候

那它的多普勒效应是最大的

那么一般来讲

我们可以这样来推导

最大多普勒频移的公式

那它的移动台的运动速度

和光速的比值

C是光速

V是移动台的运动速度

就应当等于

最大多普勒频移

fDmax

和载波频率FC

它们之间的比值

那么我们可以简单地推断出来也就说

最大多普勒频移fmax

实际上应当等于

运动速度 车速

除以光速

然后再乘以

载波频率

通过这个推导

我们能够看到

多普勒效应

它显然应当是正比于车速的

因为看分子上就是车速

也就是说运动速度越快

那么多普勒效应越明显

同时我们也能看到

最大多普勒额频移

它实际上还正比于载波频率

因为光速是不变的

我们就看只是看这两项

也换句话讲 载波频率越高

那么多普勒效应也会越明显

这三种快衰落

对于无线信号或者移动信号的影响

我们做归纳和整理

下面我们把

典型环境当中

三种选择性或者小尺度衰落

它所对应的这些参量

我们把它做一下归纳

请大家看照片上表

我们这列的环境一共有五类

有室内 农村 都市 丘陵 小区

一般而言

我们最关心的应当是都市

因为这是一种典型的

或者说这叫城区环境

这是一种典型的移动通信的

工作场景或者应用场景

那么在这样的场景下面

它最重要的就是有这样的三个参量

就刚才我们已经提到

第一个就是角度扩展

我们一般称它们是相干角度

这样就带着它犯

或者我们称为角度判断参量

在这种城区环境或者都市环境当中

角度扩展量大概是在20°

那么第二个 我们再看

它的时延扩展就是刚刚提到的

最大多径时延

τmax

它们大概是5μs

刚才我们曾经提到过

相干带宽和最大多径时延

它们是互为倒数的关系

也近似来看

因此我们就可以计算出来

在这种城区环境下面

5μs

我们求个倒数

我们要求个倒数

那么对应的相干带宽

就应当是200KHz

这是一个典型值

希望大家能够熟记

我们再看多普勒频移

多普勒频移

这是一个典型值

是120Hz

那我们也可以求它的倒数

相干时间

就应当是多普勒频移的倒数

120Hz的倒数

那么大约

就应当是在

10

毫秒左右

大约是在10ms左右

所以这也是

我们在城区环境当中相干时间的一个典型值

那我们为什么要这个讲概念呢

因为在3G之后的标准当中

如果大家将来去翻阅相应的移动通信的标准

那一般而言我们那个帧格式的设计

其实都是有参照典型环境

来进行优化之后选定的

比如说像3G 4G它一帧的持续时间

典型值都是10ms

为什么我们要取10ms

显然就是应当小于相干时间的

以上就是我们对小尺度衰落

它的一些具体分析