【LTE基礎(chǔ)知識】移動通信中的損耗情況分析

  無線信道傳播上的特點，對接收點的信號會產(chǎn)生三類不同的衰落損耗，分別為路徑傳播損耗、慢衰落損耗和快衰落損耗。如圖所示：

1.  路徑傳播損耗

         路徑傳播損耗又稱衰耗，是指電波在空間傳播所產(chǎn)生的損耗，反映了傳播在宏觀大范圍（即公里量級）的空間距離上接收信號電平平均值的變化趨勢。

         一個全向天線發(fā)送的無線電波在傳輸時是以球面波的形式向四周擴散。由于傳輸方向上的不集中，絕大多數(shù)能量都沒有到達接收端。這和固定通信的情況有很大不同。所以當(dāng)假設(shè)在自由空間中傳播時，路徑損耗表示為：

         其中：L代表路徑損耗，d代表收發(fā)端的距離，f代表無線電波頻率，c代表光速，即3×108m/s。

         其中：L代表路徑損耗，d代表收發(fā)端的距離，f代表無線電波頻率，c代表光速，即3×108m/s。

2.  慢衰落損耗

         慢衰落損耗是由于在電波傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)而形成的損耗。它反映了中等范圍內(nèi)數(shù)百波長量級接收電平的均值變化，其變化率較慢，故又稱為慢衰落。由于慢衰落表示接收信號的長期變化，所以又稱長期衰落（long-term-fading）。

         一般認(rèn)為慢衰落符合對數(shù)正態(tài)分布。

         式中p(m)代表接收電平場強中值的分布函數(shù)；m代表場強中值，單位是dBm；σL為基于位置函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差；M代表m的均值。

3.  快衰落損耗

         快衰落損耗是由于多徑傳播而產(chǎn)生的。由于移動體周圍有許多散射、反射和折射體引起信號的多徑傳輸，使到達的信號之間相互疊加，其合成信號幅度和相位隨移動臺的運動表現(xiàn)為快速的起伏變化，它反映微觀小范圍內(nèi)數(shù)十波長量級接收電平的均值變化，其變化率比慢衰落快，故稱它為快衰落，由于快衰落表示接收信號的短期變化，所以又稱短期衰落(short-term -fading）。

         快衰落分為三類：空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落。所謂選擇性是指在不同的空間，不同的頻率和不同的時間其衰落特性是不一樣的。

（1）   空間選擇性衰落

         不同的地點，不同的傳輸路徑衰落特性不一樣。多徑信號到達天線陣列的到達角度的展寬稱為角度擴展。角度擴展給出信號主要能量的角度范圍，產(chǎn)生空間選擇性衰落，即信號幅值與天線的位置有關(guān)。

         空間選擇性衰落用相干距離ΔR來描述：

          ，其中λ為波長；Φ為天線擴散角。

         相干距離為兩根天線上的信道響應(yīng)保持強相關(guān)時的最大空間距離。相干距離越短，角度擴展越大；反之，相干距離越長，角度擴展越小。

         如果角度擴展小于天線波束的寬度（或者說，信道的相干距離大于天線單元間的距離），這種情況下的信道稱為空間平坦衰落信道。相反的情況稱為空間選擇性衰落信道。

（2）   頻率選擇性衰落

         如果在時變多徑信道上發(fā)射端發(fā)射的是一個時間寬度極窄的脈沖信號（理想情況下為一個沖激），經(jīng)過多徑信道后，由于各信道時延的不同，接收端接收到的信號表現(xiàn)為一串脈沖，即接收信號的波形比原脈沖展寬了。這種由于信道時延引起的信號波形的展寬稱為時延擴展。時延擴展產(chǎn)生頻率選擇性衰落。

         頻率選擇性衰落用相干帶寬Δf描述：

          ，其中Tm為最大時延擴展。

         相干帶寬是基于信道的延遲擴展。它代表頻率范圍內(nèi)兩個接收信號的幅度、相位都有高度的相關(guān)性，即兩個信號的頻譜分量以類似方式受到信道的影響，如出現(xiàn)衰落或不出現(xiàn)衰落。相干帶寬為信道在兩個頻移處的頻率響應(yīng)保持強相關(guān)時的最大頻率差。相干帶寬越小，時延擴展越大；反之，相干帶寬越大，時延擴展越小。

         傳輸帶寬小于相干帶寬時，信號的相關(guān)性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干帶寬時，信號的相關(guān)性變差，信道呈頻率選擇性衰落。

（3）   時間選擇性衰落

         用戶的快速移動在頻域上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而引起頻率擴散。頻率擴散引起時間選擇性衰落。

         頻率擴散，也叫多普勒擴展，定義為當(dāng)單一頻率正弦波（沒有被調(diào)制的載波）傳輸時的頻譜寬度。

         多普勒擴展還被認(rèn)為是多普勒頻移。由于移動用戶與基站的相對運動，每個多徑波都會有一個明顯的頻率移動。由運動引起的接收信號頻率的移動稱為多普勒頻移，它與移動用戶的運動速度成正比。

         多普勒頻移公式為：

          ，其中v為移動臺的運動速度；λ為無線電波波長；θ為電波和移動臺運動的夾角。

         時間選擇性衰落用相干時間ΔT來描述：

          ，其中B為最大多普勒擴展。

         相干時間為兩個瞬時時間的信道沖激響應(yīng)保持強相關(guān)時的最大時間間隔，即信道特性沒有顯著變化的那段時間。相干時間越小，多普勒頻移越大；反之，相干時間越大，多普勒頻移越小。

         相干時間和多普勒擴展是描述信道時間特性方面的重要參數(shù)。

         取樣時間間隔小于相干時間時，信號的相關(guān)性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干時間時，信號的相關(guān)性變差，信道呈時間選擇性衰落。