移动通信原理与关键技术学习(4)
1.小尺度衰落 Small-Scale Fading
由于收到的信号是由通过不同的多径到达的信号的总和,接收信号的增强有一定的减小。
小尺度衰落的特点:
- 信号强度在很小的传播距离或时间间隔内的快速变化;
- 不同多径信号多普勒频移引起的随机调频;
- 多径传播延迟引起的时间色散 (回波)。
关键因素:
- 终端移动速度:影响每个多径分量上的多普勒频移;
- 周围物体移动速度:在多径分量上引起时变多普勒频移;只有当周围物体比移动台移动得更快时,效果才占主导地位;
- 多径时延多径传播:通道中存在反射物体和散射体的结果;多径分量的随机幅度和相位导致小规模衰落和/或信号失真;通过较长的反射路径传播所引入的信号延迟导致信号模糊,称为符号间干扰;
- 信号带宽:如果发射信号的带宽大于信道的相干带宽,则接收信号会因引入符号间干扰而失真。
多普勒频移 Doppler Shift
由于时间较短,上述两个θ可看为不变;
相位变化:
多普勒频移:
例题:考虑发射机辐射的正弦载波频率为1850MHZ。对于每小时60英里的移动车辆如果移动设备(a) 直接向着发射机移动, (b)直接反着向发射机移动, (c)在垂直于发射信号到达方向的方向移动,则计算接收载波频率。
答:
多径衰落信道Multipath Fading Channels
信道可视为线性时变滤波器,接收信号是发射信号与信道冲激响应之间的卷积;
信道冲激响应:用于表征信道;可通过向通道发送脉冲并记录接收器输出的通道来测量(尽管不方便);对于移动通信信道来说是随时间变化的。
信道对移动通信系统会呈现频率选择性、频率非选择性、快衰落、慢衰落等重要特性,移动通信系统应针对不同的特性进行相应的设计。利于信道的正面作用,消除信道的负面影响,提高传输可靠性,提升资源利用率,降低系统能耗。
广义平稳(wide-sense stationary):
- 随机变量的均值不随时间变化:
;
- 随机信号相关函数不随时间变化,仅与时间差相关:
非相干散射 (uncorrelated scattering):
在统计意义上,不同多径统计量不相关,如幅度和相位:
多径衰落信道的特性:延迟功率谱可以是离散的,也可以是连续的;
信道的相干带宽:多径扩展的倒数是信道的相干带宽的度量,信道冲激响应保持不变的频率宽度;
相干带宽: 该频率范围内,两个频率分量的信道冲激响应有强相关性,,其中
为多径时延;
相干时间,单个频点的冲激响应保持不变的时间;
相干时间:信道冲激响应维持不变 (输入信号不变,输出信号不变) 的时间间隔,并统计其平均值,,其中
为多普勒频移。
散射函数是描述多径衰落信道最常用的函数;
问:频率选择性衰落是快衰落信道,这种说法对吗? 为什么?
答:错误,频率选择性衰落与多径时延扩展相关,此时信号带宽大于信道相干带宽;快衰落与多普勒扩展相关,此时符号周期大于信道相干时间。
问:一个物理信道可能是频率选择信道,也可能是频率非选择信道,这个说法对吗?为什么?
答: 正确
信道是否为频率选择信道,取决于传输信号带宽Bs和信道相干带宽Bc。物理传输信道确定,则信道相干带宽保持不变,但信号带宽会发生改变。
当该信道传输宽带信号时,Bs >Bc,Ts <Tc,则信道为频率选择信道,如下图;

当该信道传输窄带信号时, Bs <Bc,Ts> Tc,则信道为频率非选择信道,如下图:

常用的小尺度衰落模型有Rayleigh Fading和Rician Fading;
小尺度衰落是无线信道非常重要的特性,是无线传输质量的决定因素之一;
小尺度衰落主要包括多径时延扩展(时域扩展)和多普勒频移(频域扩展);
根据频域和时域不同的特性,无线信道可以分为:平坦衰落信道和频率选择性信道;慢衰落信道和快衰落信道。
WSSUS信道是Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering:广义平稳非相关散射信道
如果一个 WSSUS 信道进一步受瑞利衰落,则该信道为高斯 WSSUS 信道,即 GWSSUS 信道。
Rayleigh fading 的产生:在无线通信信道中,由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径,各条路径延时时间是不同的,而各个方向分量波的叠加,又产生了驻波场强,从而形成信号快衰落称为瑞利衰落;
Rician fading 的产生:如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外, 还有从发射机直接到达接收机 (如从卫星直接到达地面接收机)的信号,那么总信号的强度服从分布莱斯, 故称为莱斯衰落。
2.无线信道小尺度衰落主要包含哪两种?
答:主要分为多径时延扩展和多普勒频移两种原因造成,有瑞利和莱斯两种衰落模型。频率选择性衰落会导致符号间干扰,平坦衰落不会。快衰落会使单个符号持续时间内信号发生变化,而慢衰落不会。
3.平坦衰落信道就是慢衰落信道。这个说法对吗?为什么?
答:不对,前者是多径的相干带宽大于信号带宽,信号各频段有同样的衰落;后者是多普勒相干时间大于符号周期,信号发生变化。
4.Rayleigh 衰落信道就是多径信道。这个说法对吗?为什么?
答:不对,Ravleigh 衰落信道模型是不可分辨多径信道,而一般的多径信道是可分辨的。Rayleigh 衰落信道模型是一种无直射传播路径的平坦衰落信号型,利用中心极限定理,将信道影响分解为不相关的两个高斯随机变量。
5.无线信道小尺度衰落时延互功率谱函数的物理意义是什么?
答:时延互功率谱函数中为信道h(,t)关于时延傅里叶变换函数h(τ,t)的自相关,也是时延互功率密度函数
关于时延的傅里叶变换;
仅与时间差和频率差相关,可用于分析信道特性,如评估信道频率相干性和时间相干性;
分析相干带宽,图中▲f=1/Tm为相干带宽,Tm 为多径时延。▲f范围内的频率信道冲激响应,h(τ,t)具有强相关性。
6.请给出GWSSUS信道的定义
答:信道冲激响应函数h(τ,t)在时域为广义平稳,时延上为非相干散射。当信号发送时间t和传播时延τ确定,h(τ,t)统计特性服从Rayleigh Fading
7.请给出Rayleigh Fading瑞利衰落的定义
答:接收机接收360°各向无差别的多个随机信号,其中无直射径信号,“该场景的小尺度衰落服从Rayleigh Fading,信道冲激响应h服从为零均值的复高斯分布;信道h =x +jy在cos(I路)方向的衰减x服从高斯分布,h在sin(Q路)方向的衰减y服从高斯分布
8.请给出Rician Fading莱斯衰落的定义
答:接收机接收具有方向性的多个信号,其中有直射径信号,该场景的小尺度衰落信道为Rician Fading;信道冲激响应h服从非零均值的复高斯分布;信道h = x + jy在cos(l路)方向的衰减x服从高斯分布,h在sin(Q路)方向的衰减y服从高斯分布
9.请给出调制的定义,解释为何无线通信系统需要调制
答:用信号源的信息改变高频信号参数,使信号源变为适用于信道传输的形式,该过程称为调制
调制能使信号适用于信道传输 (可靠性),传输多路基带信号 (有效性)。
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