2.3 传播类型与信道模型的定量分析 在线视频

下面我们接着来看

传播模型它的分析

刚才我们已经谈到过

在移动信道的传播特点上来看

有三个层次的损耗

有小尺度

有阴影

有大尺度

那么大尺度损耗

小尺度损耗和阴影损耗

那么这三个损耗

我们可以把它叠加起来

以这样的一个公式来表征

大家看这就是那三个损耗

叠加之后的结果

Pd这实际上就是混叠之后的完整的

从发射机到接收机的

开放空间传播的

信道衰落 信道损耗的公式

这三个层次的损耗

实际上分别对应着

这个公式当中的三个量

我们看第一个量

这第一个量d(t)指的

是发射机到接收机之间的距离

那么这个n

它就是和距离有关的一个衰落因子

一般来讲

一般来讲

我们在移动通信系统当中

这个路径损耗它的这个衰落因子

这个衰落系数大概是2到5.5

这个2

实际上的是在开放空间

进行电磁波传播的时候

在真空里面进行电磁波传播的时候

信号衰减的规律

我们一般称为是平方反比定律

也就说

发射机到接收机

假如电磁波的是在真空里面传播

那么接收到的信号

随着距离的平方来进行衰减

而我们实际的这个传播环境

它都有很多的障碍物

还有很多的阻挡

那么它不像真空的

传播环境好

所以它的这个路径损耗还更大

就比这个平方衰减还更剧烈

有时候可以达到3次方

3.5次方甚至高达5.5次方

那么S[d(t)]

这就是我们刚才提到的阴影衰落

K[d(t)]就是小尺度衰落

我们下面

给大家讲一讲这个大尺度损耗

它的这个基本的规律

这个大尺度损耗的规律

我们可以用这样一个公式来表征

也就说这个路径损耗PL

还应当等于

k1乘上lgd

再加上k2乘上lgfc再加上C

其中我们看这个d

d指的是发射机到接收机之间的距离

这个k1

就是我们刚才提到的这个n

也就是

它的这个衰落的系数

那在真空环境里面

电磁波传播的应当是r

那如果我们是在实际地面传播到

它可能最高可以衰减到5.5

同时我们也能看到

第二项

第二项也就说明

收发之间的路径损耗

它是对数域的 dB

它也和载波频率有关系

载波频率越高

那么衰减就越大

下面我们来把

这样的一个基本规律再进行

进一步的一些解释和分析

首先 我们先假设说

这个第二项是常数

也是我们给垫的载波频率

C是地理环境的因子

我们也假设是常量

那我们以

收发之间距离的对数

lgd作为横坐标 作为自变量

那么纵坐标就是它的函数值

就是路径损耗

那显然我们可以画出来一条直线

因为这是条直线方程对吧

明显我们看到这个k1

就是这个直线方程的斜率

那我们在实际

移动通信的网络规划和优化当中

往往要做一些

传播模型的校正

具体校正什么东西呢

就是我们在路测

根据路测的数据去调整和优化

这个传播模型的斜率

优化那个k1以及截距

通过优化斜率和截距

能够让我们的这个传播模型更准确

能够符合实际传播特征的要求

我们再讲一下第二轮的稍微长方形

这个fc

明显能看到

这个载波频率越高

那么它的路径损耗越大

这就告诉我们说

覆盖相同的地理区域

假如说你是一个高频段

那它所需要的基站数目要更多一些

考虑到这个问题

我们在这个FDD系统

大家还记得上一章讲过这个

频分双工体制

在FDD系统当中

这个基站到移动台之间

上行和下行链路

我们用两个频率对吧

下行用fc1

上行用fc2

那一般我们都要求

下行的载波频率fc1

要高于上行的载波频率fc2

为什么要这么设计呢

就是因为这样的路径损耗的规律

因为越是高频

信号的损耗越大

那对于基站来讲

我们可以使用大功率的功放

靠大功率去补偿高频的损耗

而对移动台来讲

它的发射功率都比较小

所以一般我们用低频

低频段发送

这样尽量减少了这个路径损耗的影响

所以一般我们在移动通信的标准当中

频分双工体制都是下行是高一点的频率

而上行是稍微低一些的频率

我们刚才

给大家介绍了这个

大尺度传播损耗模型的一般性规律

我们刚才

看到了这个大尺度损耗

它其实应当是

和发射机和接收机之间的距离的对数

我们在对数上看有个比例关系

而那个比例因子

实际上就是那个衰落系数

一般在自由空间当中的应当是2

甚至可以到3 3.5 5.5

那么具体到我们在实际当中

常用的一些

经验性的大尺度损耗的模型

我们给大家列举一下

第一个模型

就这个非常有名的叫奥村—哈塔模型

这个模型它主要是

当年是一个日本工程师叫奥村

后来有另外一个工程师叫哈塔

他们两人

把很多这个实测的数据

做这种线性回归

最后做拟合

得到的这个经典模型

我们在书上有详细的介绍

那么另外一个模型是Hata模型

Hata模型是在前者的基础上

做了进一步的频段的扩展

现在这两个模型叫奥村—哈达模型

及它的扩展模型

我们经常用于

移动通信网络的规划和优化

做一些网规网优的时候

常用的这两种基本模型

还有一些

就是这个WIM模型

这个是在欧洲

在3G标准之后

经常用到的一类经验测试的结果

还有一些典型的室内传播模型

我就不再详细列举

刚才我已经回顾了

给大家归纳了一下这个大尺度的衰落

还有这个小尺度的衰落

它的一些特点和统计特征

我们可以能把这个

结合上面的这个分析结果

那我们可以能把这个移动通信的

这种实际的信道模型的

就归纳为这样的一些类型

比如说第一类

就是宽带 高速的车载移动信道

就我们刚才提到的时频双选的衰落信道

它在时间上是快衰落

在频率上应当是频率选择性衰落

这是我们刚才提到的

是高速移动情况下

宽带通信所经历的典型衰落

第二类

就是这个宽带 慢速的移动信道

这种信道我们刚才也提到过

它就是说

它是宽带信号

会经历频率选择性衰落

但是因为它是慢速的

所以在时间上来看

什么慢变是一个慢衰落了

它主要对应是在3G之后

室内场景或者是步行场景当中

那这个宽带与移动通信的业务

所经历的衰落

第三类

就是这个所谓的宽带高速的

并且具有智能天线的信道

这类的就是我们不仅仅是在时频上

能看到信道的衰落特征

还要考虑空间上

因为我们有多天线

这是个MIMO或者多天线的信道

在空 时 频这三个维度上

它都有一些信道的衰落或者变化

第四类是一种窄带的高速移动的车载信道

第五类是窄带的步行信道

我们刚才也给大家归纳了

就给大家看的典型值

那影响信号

在空 时 频三个维度上的选择性衰落

那这个衰落的参量主要就是这样的

三组量

也就是

它的时间扩展

频率扩展

角度扩展

或者对应的相干带宽 相干时间

还有相干的距离或者相干的角度

那么这些参量我们在这种

典型环境当中都有相应的

一些典型取值可以供大家参考

下面我们举个例子来给大家做一些说明

同学们看

这是一个城区环境

那么根据我们这个表2.1

可以查阅

可以得到

它的频率扩展的区间是120Hz

也就是最大多普勒频移是120Hz

那最大多径时延是5μs

角度扩散是20°

那相应地我们就能算出来

它的相干的参量

那在相干时间上来看应当是8.3ms

频率上来看应当是

相干带宽是200kHz

那么它的空间上来看

相干的距离应当是3倍的波长

3倍的λ

3倍的波长

这些典型值

用于我们来进行

移动通信的体制或者标准设计的

主要的一些系统参数

供我们进行系统设计的时候的参考

那么另外一方面

我们再给大家介绍一些

移动通信这个信道

它在统计特征

或者是随机行为上的一些模型

概率模型

它的信道的样值

它的概率分布的一些特征

第一个就是

我们经常遇到的叫Rayleugh分布

或者Rayleugh信道

这个Rayleugh信道指的是说

假如发射机和接收机

之间我们都是经过了多径散射的

多径散射过来的

没有直射径

这种常见的一般

我们称为是NLOS

就所谓的无直射径场景

在这样的场景当中

它的信道响应的包络

或者幅度值的分布

那么这个分布

我们称它这个分布

Rayleugh分布

这就是Rayleugh分布的表达

那么与之相对应的

假设说我们这个发射机到接收机

除了有散射径之外

还有直射径大家看

比如说这条径 这是一条直射径

直接从基站到移动台之间

能够进行传播

不用经过散射或者衍射

那么这种场景

我们就称为是有直射径的场景

叫LOS场景

那么在LOS场景下面

因为它有直射径分量

那这个信道的包络

或者信道的衰落的样值

它的幅度的分布

它就不再是Rayleugh分布

我们称为是Rice分布

叫Rice

Rice分布

这就是Rice分布的一个典型的公式

那Rice分布 Rayleugh分布

以及我们在通讯原理曾经讲过

就是一般的电子通信设备

它都会有电子热运动产生的噪声

我们建模为白噪声AWGN信道

那么这三个分部之间是什么关系呢

它实际上是一个渐进关系

也就是说

Rayleugh分布

它是最差的

AWGN 也就是对应的是高斯分布

是最好的

那这两者之间的过渡就是ice分布

假如说

我这个Rice分布

直射径分量

如果是趋于0

就没有直射径分量了

那么Rice信

道就趋近于一个Rayleugh信道

假如说

我这个直射径分量非常强

Rice信道就趋近于高斯信道

也就是AWGN信道

也叫白噪声信道

这就是我们经常用到的一些分布

还有一类

这个分布我们在理论分析的时候也经常用

这叫Nakagami-m分布

这个分布它也是一个带参数的分布

那在Nakagami-m分布

它这个参数取值

这个参数取值m取不同值

也可以涵盖Rayleugh Rice

还有高斯

它都可以涵盖

所以做理论分析的时候

我们是经常用到的一种通用的概念模型

我们刚才在介绍这个路径损耗的时候

还有一类损耗叫做是阴影衰落

或者是中等尺度的损耗

那么我们刚才提到过的这个阴影衰落

它指的是说

或者慢衰落

它指的是说

我这个接收到的信号的

场强中值会随着时间的

变化而缓慢变化

那么这个场强的中值服从什么分布呢

那么这种分布一般的我们称它为是

对数正态分布

请大家注意这个地方所谓的

场强中值

就在分布当中的F

F就指的是这个场强值

而这个场强值

它的对数

我们取它的对数

这个对数就服从正态分布

所以我们管这个分布就叫做

对数正态分布

那对于阴影衰落来讲

那么对数正态分布

是它的典型的行为特征

那么对于小尺度衰落来讲

我们刚才提到过

它这个有多普勒效应

多普勒效应导致的信号的频谱

信号的相关谱也就是

自相关函数所对应的这个功率谱

是什么样的形式呢

就是这种形式

这个模型

一般我们称为是Clarke模型

这种谱的特性大家不用管分子上

因为这可以认为是常量

我们关键看这个分母上

分母上

我们可以把它这种公式

简写为分子是个常量

分母上我们写成是fm

1减掉f 减掉fc

除以fm的形式

如果我们画一个图

看一下它所对应的功率谱密度

那么这个功率谱密度的形式

实际上是一个渐进线的关系

大家可以看

横坐标是频率

纵坐标我们看

是这样的形式

是一个二次 就是

实际上

是一个U形谱的形式

U形谱的形式

那么这两条渐近线是不可达的

那这两条渐近线取值

就是最大多普勒频移

就fmax 和-fmax

换言之 我们称

这个Clarke模型所对应的

这样的信道的谱

叫U型谱或者是叫典型谱

那对于实际的移动通信的信道而言

只要你有多普勒效应

那么它的

功率谱密度就是这个样子

那么我们把它做逆傅里叶变换

就能够得到它的自相关函数

而它所对应的自相关函数

而R(τ)应当是

0阶贝塞尔函数

是第一类修正的0阶贝塞尔函数的形式

那么这一对自相关函数工程密度

它们服从傅里叶变换关系对

所以这就是

我们在数字特征上面的一些典型取值

我们把移动通信当中的噪声与干扰

做一下这个归纳和总结

在移动通信系统当中

严重影响通信质量的

主要噪声和干扰

我们可以划分为这样三类

第一类就是加性白噪声

这个是朴实存在的

只要我们是电子通信的设备

它都会存在的白噪声

第二类

是多径干扰

我们刚才提到过这个多径效应

就会引入的多径干扰

也就是刚才提到过的MPI

那么本质上讲它就是码间干扰

码间干扰

大家还记得通讯原理

我们讲过的基本知识

为了消除码间干扰

其实

我们需要采用一些均衡的技术

在移动通信当中

我们可以采用一些CDMA

还有接收机的技术

或者我们在4G移动通信当中的

要采用的平均**

OFDM平均**来消除

或者对抗码间干扰

第三类就是多址干扰

多址干扰

刚才也提到

也就是远近效应导致的

MAI多址多用户干扰

对于多址干扰而言

在移动通信系统当中

我们也需要采用一些高级的

或者说一些专门化的

信号处理技术来进行对抗

比如说

我们在CDMA系统当中采用的功率控制

或者更进一步采用的多用户检测来对抗

在4G系统当中

我们采用多用户MIMO

采用多天线和MIMO进行组合

来对抗多址干扰