时间频率相关信道综述 PCN&SS 邓单 2005-02-26

Outline 无线信道时频特性 信道的数学描述 衰落信道建模及实现 　Jakes, Clarke, other modified models 几种标准中的信道模型 COST259, 25.943, 802.11TGn

无线信道基本传播方式 反射：电磁波入射到一个尺寸比波长大得多的物体，电磁波会发生反射；主要来自地表面，建筑物和墙壁 绕射：电磁波被一个明显不规则边缘的表面阻塞，阻塞表面引起的二次波能够绕过障碍物传播 散射：电磁波遇到一些尺寸与波长可比拟的障碍物时，会发生散射。它由粗糙表面，小目标物或信道的不规则性产生。

无线信道对信号的影响 1.路径损失：由平方律扩展，水 气，树叶吸收，及地表吸收引起 与距离相关 2.慢衰落：来自障碍物的阻塞效应 　气，树叶吸收，及地表吸收引起 与距离相关 2.慢衰落：来自障碍物的阻塞效应 3.快衰落：由移动用户的多径散射 　引起

多径传输模型 三种多径效应 信号在一段很小的时间或距离间隔快速变化 不同路径信号的多普勒频移引起的随机频率调制 多径时延扩展

影响多径衰落的因素 多径传播 移动台速度 周围物体的速度 信号发射带宽

多径冲激响应模型

慢衰落与快衰落 慢衰落：接收信号在时域上的慢速扰动，衰落深度大电平变化范围30-40dB;表示信号的长期变化，又称长期衰落（long-term fading）,是由建筑物或自然界特征的阻塞效应引起，它实际上是电平的包络，表征快衰落信号的局部中值随时间的变化情况。

快衰落 快衰落或短期衰落对应于接收信号在空间的迅速扰动，它是由正在运动的移动用户附近的障碍物对信号的散射造成的。 根据大数定理，当多径数M很大时，x,y均服从正态分布。－＞Rayleigh衰落。 如果存在直射路线，该路径强度远远大于其他路径，则为Rician分布。

Rayleigh衰落 Rayleigh衰落有两个重要的统计量 电平穿越速率LCR (level crossing rate) 平均衰落持续时间AFD（average fade duration）:接收信号低于特定电平R的平均时间间隔 在系统设计中，采用体积分集方式，必须充分充分考虑信道的LCR和AFD

无线信道三种扩展

多普勒扩展－时间选择衰落 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。如果散射体在[0,2*pi)均匀分布，则垂直电场的基带功率谱可表示为多普勒谱(Clarke model)： 若有一个明显的直射路径，则可修正为

时延扩展－频率选择扩展 接收信号为M个散射路径之和： 平均时延和时延扩展公式：

角度扩展－空间选择衰落 角度扩展：多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽，它给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择衰落，用相干距离描述：相干距离越小，角度扩展越大；反之，相干距离越大，角度扩展越小。 典型扩展值：室内环境360度，城市环境20度，平坦农村1度

信道扩展典型值

信道的分类

无线信道的仿真 WSSUS：wide sense stationary uncorrelated scattering广义平稳非相关散射 时变信道可以用一组抽头延时线滤波器实现，并且延迟是可变的；当不相关的路径数足够大时，抽头系数变为高斯过程。

PDP and DPS

Modified correlated channel model 1.路径增益 G1为d=1Km时的路径增益中值 2.时延特性 T1为d=1Km时的路径时延中值 3.增益与时延的相关性

Model parameter configration

Jakes model

CIR系数生成 晶振数的个数 N >=2*fmax*Ns/fs 各晶振的多普勒频率及寝相位 fd = cos(2*pi*((1:N)/N))*fmax; theta = rand(1,N)*2*pi; 各路径求和： sum((exp(i*(2*pi*fd(:)*real_time + theta(:))))); 近似理解为：由N个等功率的不同多普勒 频率路径组成的多径信道

Clarke model coefficient generator 1.抽头线模型与 Jakes相同,系数 　生成方法不同 2.直接在频率域上 　产生多普勒频谱

Jakes model disadvantages 实际测量表明：5.3GHz的无线信道并没有Jakes频谱

COST 259 Channel model COST207 used in GSM channel model COST259 aimed at UMTS with adaptive antennas and directional channels

Proposed 3GPP channel model

25.943 channel model Typical Urban channel model (TUx) 20 paths 3 km/h, 50 km/h , 120 km/h Rural Area channel model (RAx) 10 paths Hilly Terrain channel model (HTx) 20paths

25.943 rural channel parameters

Indoor WLAN MIMO Channel 802.11TGn dB Figure 1. Model D delay profile with cluster extension (overlapping clusters).

Channel model parameters

“Bell” shape Doppler power spectrum indoor wireless channels -10 dB -10 dB is the maximum frequency component 5 times is the environmental speed Figure 4. “Bell” shape Doppler power spectrum.

the “Bell” shape fitting function. Figure 5. Measured Doppler power spectrum for a single delay tap together with the “Bell” shape fitting function.

Moving Vehicle model Proposed value: V0=1.2 km/h v1 =40 km/h A=9 B=0.5

Figure 6. Example “Bell” shape Doppler spectrum with a Doppler component due to a moving vehicle.

references 3GPP TR 25.943 St.Bug, Ch.Wengerter, WSSUS　channel models for broadband mobile communication systems, VTC, 2002 3GPP & 3GPP2 SCM AHG,Spatial Channel Model Text Description, SCM Text V5.0 Larry J. Greenstein, Vinko Erceg, A New Path-Gain/Delay-Spread Propagation Model for Digital Cellular Channels, IEEE Trans. On Vehicular Technology, May 1997 IEEE 802.11-03/940r4