无线信道特性分析

技术专题//无线信道特性分析文国家广电总局节目传输中心韩晓晗//摘要:本文对无线信道中的大尺度衰落、小尺度衰落等特性和多径信道建模进行了分析和介绍，有利于从事无线通信研究工作的人员进行信道分析和仿真研究。关键词:无线信道衰落特性多径信道建模1前言.时，接收信号功率的平均值基本保持不率 与距离的关系通常用下式表示;各类信号从发射端发送出去以后，变,但当它们的相对位置的改变远超过Px=(2-4)在到达接收端之前经历的所有路径，统上述范围时， 接收信号的平均功率将会其中: 42z,称为路径损耗系数，称为信道。其中，如果传输的是无线信有几个数量级的变化。 大尺度衰落正是一般可取为3-4。号，则电磁波所经历的路径，我们称之用来描述接 收机和发射机之间的距离有除了路径损耗，大尺度衰落还包括为无线信道。大尺度变化时，接收信号平均功率值的阴影衰落。 阴影衰落使得实际的损耗成信号从发射天线到接收天线的传输变化规律。为-一个随机变量，由式(2-1) 求出的过程中，会经历各种复杂的传播路径，在自由空间传播条件下，接收机接是 与发射机的距离为d处的平均路径损包括直射路径、反射路径、衍射路径、收的平均功率 可由下式给出:耗，一般认为实际的损耗服从对数正态散射路径以及这些路径的随机组合。同=o)88, (21)分布。时，电波在各条路径的传播过程中，有其中: P,是发射功率;综合考虑路径损耗和阴影衰落，大用信号会受到各种噪声的污染，包括加g,是发射天线增益;尺度衰落下路径损耗可以表示为:性噪声( 如高斯白噪声)、乘性噪声的g,是接收天线增益;PLU(dB)=常量+10alogd+Bm (2-5 )污染，因而会出现不同情形的损伤，严λ是电波波长;其中: m表示由阴影衰落引起的重时，会使有用信号难以恢复。无线信d是发射机与接收机之间的距离。路径损耗(dB),是一一个正态分布的随号在传播时，不仅存在自由空间固有的将式(2-1代入以dB为单位的路径机变量， 均值为0，方差为味，在大传输损耗，还会受到由于建筑物、地形损耗公式， 可得出:多数的经验公式中，标准差σpg可以取等的阻挡而引起信号功率的衰减，这种(-10-3102452+2/+20+20d-G,-a, 4-12dB。衰减还会由于移动台的运动和信道环境(2-2)的改变出现随机的变化。其中: f为电磁波频率;3小尺度衰落下面将对无线信道中的大尺度衰G和G,分别为发射和接收天线增益无线信道的小尺度衰落是无线通落、小尺度衰落等特性和多径信道建模(dB )。信环境的重要衰落特征，包括因多径效等进行分析和论述，希望能对从事无线由式(2-1)可以看出，由空间应而引起的衰落和信道时变性引起的衰通信研究工作的人员提供帮助。中，接收信号的功率与距离的平方成反落。 其中，由于反射、散射等影响，使比，即:得实际到达接收机的信号是发射信号经2大尺度衰落Px一.(2-3)中国煤化工号分量叠加而成，通常情况下，当接收机和发射机在实际的移动环境中，HC N M H G言道的时变性是指之间的相对位置在1-10m的范围内变化比自 由空间中的大许多，接收信号的功信道 的传递函数是随时间而变化的，即76"很D&TETeLEVISION INFORMATION /20090年7月/ww.i.n1无线技术//在不同的时刻发送相同的信号，在接收频现象。 在多径环境下，收发天线间相期和时 变信道的相关时间的关系，可以端收到的信号是不相同的。对运动以及传播环境中的移动物体的随将时变信道 分为快衰落信道和慢衰落信多径时变信道根据无线移动环境机移动， 造成了多普勒频谱扩展，即单道。的统计，信道可以划分为几种典型的信-频率信 号经过时变衰落信道之后会呈(1)快衰落道,其划分依据主要从两个角度出发:现为具有一定带宽的信号，这又可以称若时变信道的相干时间小于信号的(1)多径时延扩展特性(信号包 为信道的频率弥散性( Frequency Dis- 符号周期,这时的时变信道称为快衰落络的随机衰落);persion)。信号发生多普勒扩展后的频信道。 类似于频率选择性衰落,快衰落(2)时变特性(信号相位的随机谱范围为:信道也称为时间选择性衰落。衰落)。B.=UJ.-fsmfc+JamaJ_(2)慢衰落多径效应会引起信号的时域弥散其中: fum =上为最大多普勒频若时变信道的相干时间远远大于性，与多径时延扩展有关的一-个重要概移信号的符号周期，这种时变信道称为慢念就是多径信道的相干带宽( Coherentf为载波频率;衰落信道。在这种条件下，时变信道衰Bandwidth) B,它反映了不同频率分v和2分别为相对运动速度和电波落系 数在多个连续的符号周期内是静态量所经历衰落的相互关系(即其包络的波长。的，基本不会出现变化。相关性)。信道的相干带宽与均方根时类似地，可以定义信道的相千时间从前面的讨论可以看出，多径效应延扩展σ成反比，如果将相关函数大于( Coherent Time ) T来表征时变信道变和多 普勒效应是造成无线移动信道环境0.5认为相关，-般有下面的关系:化的快慢。相干时间与多普勒扩展成反恶劣的两个相对独立的传播机制， 信道B.so (3-1)比，一般可以表示为:的单位脉冲响应可以看作是在二维空间这里: o,于,*方(3-2)内以时间和时延为自变量的二维函数,其中: p.乓喉;3.3快衰落和慢衰落如图1所示。根据时变信道条件下信号的符号周根据多径效应和多普勒效应对无.呼相干带宽反映了无线移动信道对信hf(1,t)号包络的衰落具有频率选择性。根据多径信道的相干带宽和信号带宽的关系，15↑可分为平坦衰落和频率选择性衰落。3.1平坦衰落tlL→w若多径信道的相干带宽大于信号的带宽，这时，由于多径信号的时域弥散性而造成的衰落为平坦衰落(Flat Fad-ing)。在这种条件下，发射信号的频谱特性通过多径信道后，在接收端信号纵2 w.1的频谱仍然可以得到保持。3.2频率选择性衰落图1信道的多径效应和时变性示意图若多径信道的相干带宽小于信号的團2衰落信道类型和信号、信道参数的关系带宽，这种条件下的多径衰落为频率选σ(1/B)▲择性衰落( Frequency Selective Fad-ing)。这时，从时域上看，信道多径频率选择性衰落时延脉冲响应大于符号周期，出现符号慢衰落快衰落间干扰( Inter Symbol Interterence,简T,(1/B,)平坦中国煤化工写为ISI)。慢衰MYHCNMHG无线移动信道的时变性反映在衰落信号相位的随机变化，它是一-种随机调T,(I/B,)+T(01/sm)www.r.cn /200年7月/RADI0 & TELEVISION INFORMATION //77|技术专题//线移动信道的影响，或者说，根据相干在非视距传输条件下，r=.(0)服性是不可回避的问题， 要在这样的传播时间和相干带宽与发送的符号周期和信从瑞利分布， 即:条件下保持可以接受的传输质量，就必号带宽的关系，我们把信道划分为:平(叭=[-]r20 (44)须采用各种技术措施来抵消衰落的不利坦衰落信道;频率选择性衰落信道;慢其中: σ为接收信号包络的均方根影响， 这就是各种抗衰落技术，包括分衰落信道;快衰落信道等四种不同信值集、扩频/跳频、均衡、交织和纠错编码道。不同参数下的信道衰落类型如图2当存在视距传输时，r服从莱斯分等技术出现的原因。另外,信号传输方所示，其中，B发送信号带宽, T为符布， 即:式，如调制方式，对信道中的衰落也要号周期。(咖-=-(=1(1)20 (4-5)有一定的适应能力。许多抗衰落实用技其中: A为主径的峰值幅度;术已成功应用于无线系统，尤其在数字4多径信道建模1,(x)为第一类零阶修正贝塞尔函无线通信中， 针对数字传输的特点又发基于多径信道模型，并考虑到信道数展出许多新技术。各种抗衰落技术和数响应的时变性，无线移动信道的冲激响莱斯分布通常可以用衰落系数K来.宇传输技术的研究对于发展数字无线通应可以表示为;描述，其定义为主径分量和其他非视距信系统是十分重要的。■h(;)=二B()8(r-r,) (4.1)多径分量的功率之比,即:上式中: β、() =a ()(1p);K=5(4-6)参考文献:B:、不中分别为第k条路径的复当K=0，莱斯分布即为瑞利分[1]T. s. Rappaport Wireles Com-数衰减因子、时延和相位;布;而当K∞时,信道退化高斯白噪声munications: Principles and Praciccf为多普勒频率。(AWGN)信道。Prentice Hall 1996.信道由L条路径合成，每条路径都多径的Rayleigh信道建模如图3所[2| G.. L. Stuber Principles of Mobile有随机的入射角、随机的时延和相移。示， 其中: a. 为每条路径的平均衰减Conmunications 2nd edition Klu-另外，多普勒频率f可以表示为:值，τ。为每条路径的平均时延(见图wer Academic Publishers 200fi=J.Ccos() (4-2)3)。[3] Proakis J G. Digital Communica-信道的传输函数就是对(4-1)式tions Third Edition McGraw-Hill作傅立叶变换，变换后得:5小结1995.H(f,I)= 二B()e-12的(4-3)通过以上的分析可见，由于无线信由于建筑物和地面等非镜面反射及号传播环境本身十分复杂， 这使得无线散射，每一条路径复数增益A实际上信道特性也十分复杂。 复杂、恶劣的传代表了无数具有相同时延的路径综合，播条件是无线信道的特征，这是由在运所以B.0可以近似为一-个复高斯随机变动中进行无线通信这一 -方式本身所决定量。的。对于无线通信来说，恶劣的信道特测试信号st)]-四→肉Rayleigh衰落仿真]->十→8Rleish中国煤化工OHCNMHG(t)團3多径Royleigh信遒实现模型③78誓黔缉DIO & TeLEVISION INFORMATION "1 20年7月/ww.