无线传播环境
现代无线电传播环境由多种成分组成,包括多条路径(多径传播)。系统设计和测试通常使用 4-24 条路径来模拟无线电信道,所需路径数量取决于信道带宽。每条路径由多个子路径组成,代表来自附近反射的个体平面波。多径传播导致每条路径具有独特的时延扩展(DS)和角度扩展(AS)。由于带宽限制,路径 DS 通常被认为为零,这意味着所有子路径同时到达接收器。
带宽对多径传播的影响
- 窄带信道:接收器无法分辨不同路径,所有多径分量叠加为单一复合信号,表现为瑞利衰落。
- 宽带信道:接收器可分辨不同路径,每条路径具有独特的功率-方位谱(PAS),路径数量随带宽增加而增加。
角度扩展
- 每条路径具有角度扩展(AS),表示信号到达角度的范围。
- 基站和移动站的 AS 不同,因为散射特性不同。移动站由于靠近地面和更多杂波,AS 更大。
- 复合角度扩展不同,基站和移动站的路径平均角度代表信号的角度到达(AoA)或离开(AoD)。
衰落模型
- 平坦衰落:窄带信道中,所有频率分量衰落相同,表现为平坦衰落,如 Jakes 衰落模型。
- 频率选择性衰落:宽带信道中,不同频率分量的衰落不同,表现为频率选择性衰落,如 CDMA、WCDMA、LTE、WiMAX 等。
频率选择性衰落的原因
- 多条路径的相对相位差随频率变化,导致路径干涉。
- 路径长度差与带宽的比值决定衰落数量。
- 示例:30kHz 窄带信号路径长度差需 10km 才出现显著衰落,而 20MHz 宽带信号路径长度差 15m-60m 可出现 1-4 次衰落。
多径延迟和时延扩展
- 频率选择性信道由多径传播引起,每条路径具有独特的延迟和相对功率。
- 功率延迟分布(如 ITU 车载 A 信道模型)描述路径延迟和功率关系。
多天线技术
- 多天线技术(如分集、波束成形、MIMO)可显著提高性能。
- 多天线配置表示为 MxN,M 为发射天线数,N 为接收天线数。
- 信道矩阵 H 表示天线元素间的复杂路径增益。
- 天线间相关性由局部散射、信号 AS、AoA 和移动方向(DoT)决定。
- 功率方位谱(PAS)通常建模为拉普拉斯分布,信号随角度增加呈指数下降。
- 基站和移动站天线相关性不同,移动站相关性较低(如半波长间距)。
宽带信道
- 宽带信道(≥ 20MHz)需要更多路径或路径内时延扩展以增强频率选择性建模。
- 空间-频率相关函数描述不同频率间的相关性,实际信道相关性较低,需通过增加路径或分裂路径改善。
阴影衰落
- 阴影衰落(SF)表示不同位置的接收功率变化,呈对数正态分布,与路径损耗无关。
- SF 与距离相关,城市区域去相关距离为几十米,郊区为几百米。
- SF 也与不同基站路径的角度相关,存在站点间相关性(通常建模为 50% 相关)。
信道建模和 MIMO 容量
- 信道模型需正确模拟实际条件,特别是天线间的相关性。
- 相关性降低 MIMO 系统能力,限制容量。
- MIMO 容量公式:$C = log_2 det(I + H^H \Phi)$,其中 H 为信道矩阵,Φ 为平均信噪比。
- 相关性降低矩阵特征值,减少容量。
- 平均容量:$C = E[log_2 det(I + H^H \Phi)]$,相关性越高,容量越低。
- 空间信道模型(SCM)需考虑相关性,影响 MIMO 系统能力。
- 系统仿真分析容量,考虑天线方向、AoA、AS 和 DoT 等因素。