Скляр Б. Цифровая связь (2003) (1151859), страница 224
Текст из файла (страница 224)
Описание Распространения радиоволн в мобильной связи На рис. 15.1 представлен обзор проявления эффектов замирания в каналах. Он начинается с двух типов эффектов замирания, характерных для мобильной связи: крупномасштабное и мелкомасщтабное замирание. Крупномасштабное замирание отражает среднее ослабление мощности сигнала или потери в тракте вследствие распространения на большое расстояние. На рис. 15.1 проявления крупномасштабного замирания показаны в блоках 1-3. На это явление влияют выступающие наземные элементы (например холмы, леса, рекламные шиты, группы строений и т.д.) между передатчиком и приемником. Часто говорят, что приемник "затеняется" этими выступами.
Статистика крупномасштабного замирания позволяет приблизительно рассчитать потери в тракте как функцию Расстояния. Это часто описывается через средние потери в тРакте (степенной закон п-го порядка) и логарифм нормального распределения от- К рива вычи выш реле рифм дейс ° Отражение (гейесг!оп) происходит тогда, когда распространяющаяся электромагнитная волна сталкивается с гладкой поверхностью, размер которой гораздо больше длины волны радиочастотного сигнала (Х). ° Яифракция (гййгасг!оп) встречается тогда, когда путь распространения между передатчиком и приемником преграждается плотным телом, размеры которого велики по сравнению с Х, что вызывает появление вторичных волн, образую- шихся позади преграждающего тела.
Дифракция — это явление, которое является причиной того, что распространение радиочастотной энергии от передатчика к приемнику происходит в обход пути прямой видимости между ними. Ее часто называют затеиеаием (з(заг(оъ(пя), поскольку дифрагированное поле может достичь приемника, даже если оно затенено непроницаемой преградой.
° Рассеяние (зсаггеппя) встречается тогда, когда радиоволна сталкивается с любой неровной поверхностью или с поверхностью, рззмеры которой порядка Х или меньше, что приводит к распространению (рассеянию) или отражению энергии во всех направлениях.
В городской местности обычные препятствия, вызывающие рассеивание сигнала, — это фонарные столбы, уличные знаки и листья. Название Рассеивающий злеменга (зсацегег) применимо к любым препятствиям на пути распространения, которые являются причиной отражения нлн рассеяния сигнала. клонения от среднего. Мелкомасштабное замирание — это значительные изменения амплитуды и фазы сигнала, которые на практике могут быть результатом небольших изменений (порядка половины длины волны) расстояния между передатчиком и приемником.
Как указано на рис. 15.1 (блоки 4 — б), мелкомасштабное замирание проявляется двумя способами — расширение сигнала во времени (или дисперсия сигнала) и нестационарное поведение канала. В мобильной радиосвязи параметры каналов изменяются во времени, поскольку движение передатчика и/или приемника приводит в результате к изменению пути распространения.
Скорость изменения таких условий распространения определяет скорость замирания (скорость изменения ухудшения характеристик вследствие замирания). Мелкомасштабное замирание называется релеевским, если имеется большое число многократно отражающихся путей и нет компонента сигнала вдоль луча обзора; огибающая такого полученного сигнала статистически описывается с помощью релеевской функции плотности вероятности. Если преобладает незамирающий компонент сигнала, такой как путь распространения вдоль луча обзора, огибающая мелкомасштабного замирания описывается функцией плотности вероятности Райса [1[.
Иными словами, статистики мелкомасштабного замирания всегда распределены по Релею, если путь распространения вдоль луча обзора блокирован, в противном случае имеем распределение Райса. Мобильный радиоприем на большом пространстве должен иметь возможность обрабатывать сигналы, подвергнувшиеся замиранию обоих типов (мелкомасштабное, наложенное на крупномасштабное). рупномасштабное замирание (ослабление или потери в тракте) можно рассматть как пространственное усреднение мелкомасштабных флуктуаций сигнала, Оно сляется, как правило, путем усреднения полученного сигнала по интервалу, преаюшему 10 — 30 длин волн, чтобы отделить мелкомасштабные (главным образом евские) флуктуации от крупномасштабных эффектов затенения (обычно с логаически нормальным распределением).
Существует трн основных механизма, возтвующих на распространение сигнала в системах мобильной связи [1[. аал Гяяяя 1Ч Кяняям о яямиоаииями Рис. 15.1 можно использовать как таблицу оглавлений следующих разделов. Два проявления мелкомасштабного замирания, временное расширение сипгала (дисперсия сигнала) и нестационарное поведение канала, будут исследованы в двух областях; временной и частотной, как указано в блоках 7, 10, 13 и 16 (рис. 15.1). При дисперсии сигнала типы ухудшений характеристик, возникающих вследствие замирания, разделены на частотно-селективные или частотно-неселективные (амплитудные), как показано в блоках 8, 9, 11 и 12.
При переменном во времени поведении типы ухудшений характеристик, возникающих вследствие замирания, разделены на быстрые и медленные, как показано в блоках 14, 15, 17 и 18. Пометки "Фурье-образы*' и "дуальны*' будут объяснены позже. Удобной (но не совсем точной) иллюстрацией является рис. 15.2, показывающий различные вклады, которые должны рассматриваться при оценке потерь в тракте при анализе бюджета линии связи для мобильной радиосвязи 12]: (1) средние потери в тракте в результате крупномасштабного замирания как функция расстояния, (2) резерв крупномасштабного замирания в расчете на (почти) наихудший вариант отклонения от средних потерь в тракте (обычно б — 10 дБ) и (3) резерв релеевского или мелкомасшгабного замирания в расчете на (почти) наихудший вариант (обычно 20 — 30 дБ).
На рис. 15.2 примечание "= 1 — 2%" указывает предложенную область (вероятность) под хвостом каждой функции распределения вероятности, используемую как задачу разработки. Таким образом, величина указанного резерва предназначена для обеспечения достаточной мощности полученного сигнала для приблизительно 98-99% возможных значений замирания (крупно- и мелкомасштабного). Мобильная станция Базовая станция Передатчик мощности Расстояние бного Приемник мощности Рис. 15.2.
Замирание в канале через в бюдлсете линии свя- зи. (Источникг Сгеелмоссг сг, агЫ Налго Е. "СЬагассегггапол ог МоЬг!е Лаауо СЬаллеи'". Моьй)е Касйо Сопппип1сас!опз, егггсегг Ьу Я. 5сее1е, Сларсег 2, Ретесв Реет, 1олггол, 1994.) В комплексном виде переданный сигнал можно представить следующим образом: з(с) = Ке~8(с)е т1" ~ . (15.2) Глава 15. Каналы с замиоаниями В данном случае 1(е( ) — действительная часть величины ( ), ау; — несущая частота.
Низкочастотный сигнал «(г) называется комплексной огибающей в(г) (см. раздел б.4) и может быть выражен как я(г) = фг)~е'"о = )г(г)в'"о, (15.3) где )1(г) = 1д(г)~ — модуль огибающей, а ф(г) — ее фаза. Для чистого фазово- или частотно-модулированного сигнала й(г) будет постоянным и в общем случае будет медленно изменяться по сравнению с г = 1(г,'.
В среде с замиранием у(г) изменится на комплексный безразмерный множитель а(г)в""о (его происхождение будет показано позже). Модифицированный низкочастотный сигнал можно записать в виде а(г)в т"б(г). Рассмотрим амплитуду а(г)й(г) втой огибающей, которую можно выразить через три положительных члена 13). о(г))г(г) = тр) х г,(г) х йр) (15.4) Здесь т(г) называют компонентом крупномасштабного замирания огибающей, а гв(г) — компонентом мвлкомаоитабного замирания.
Иногда т(г) именуют локальным средним„или логарифмичгски нормальным замиранием, поскольку его измеряемые значения можно статистически описать с помощью логарифма нормальной функции распределения вероятностей; или, что равносильно, при измерении в децибелах т(г) имеет гауссоау функцию распределения вероятностей.
Кроме того, г,(г) иногда называют замиранием вгведствив многолучввого распространения, или рвлвввским замиранием. На рис. 15.3 показана связь между а(г) и т(г) для мобильной радиосвязи. В этом рисунке учтено, что была передана иемодулированиав несущая волна, а зто в контексте уравнения (15.4) означает, что в любое время й(г) = 1. Типичный график зависимости мощности полученного сигнала от смещения антенны (обычно в единицах длины волны) показан на рис. 15.3, а.
Мощность полученного сипюла является, конечно, функцией множителя о(г). Можно без труда определить мелкомасштабные замирания, наложенные на крупномасштабные. Обычное изменение положения антенны, соответствующее переходу межлу соседними нулями изменения интенсивности сипзала вследствие мелкомасштабного замирания, равно приблизительно половине длины волны.
На рис. 15.3, б крупномасштабное замирание или локальное среднее т(г) было удалено, чтобы показать мелкомасштабное замирание гь0), относящееся к некоторой постоянной средней мощности. Напомним, что т(г) можно, как правило, оценить с помощью усреднения принятой огибающей по 1Π— 30 длинам волн. Логарифмически нормально распределенное замирание является относительно медленно изменяющейся функцией местоположения. Следует отмеппь, что в приложениях, включающих движение, таких как использование радио в движущейся машине, зависимость от местоположения равносильна зависимости от времени.
Ниже приведены некоторые подробности, касающиеся статистики и механизмов крупномасштабного и мелкомасцпвбного замираний. 15.2.1. Крупномасштабное замирание Для систем мобильной радиосвязи Окумура (01шпщга) 141 выполнил некоторые первоначальные измерения потерь в тракге для большого числа высот антенн и расстояний покрытия, Хата (Нага) [5] придал данным Окумуры вид параметрических формул. Вообще, модели распространения как дяя комнатных, так и для наружных каналов показывают, что средние потери в тракте ь, (д), как функция расстояния между передатчи- 967 15.2. Описание распространения радиоволн в мобильной связи ком и приемником кт', пропорциональны л-й степени к), выраженного в единицах эта- лонного расстояния кто.
Математически это можно выразить следующим образом: 1. (к()«вЂ” '(о (15.5) е, (л)) часто определяется в децибелах. Ер(к~т (лм) = бт(ае) (л~)+10л) ,Мо/ (15.6) Эталонное расстояние 4, соответствует точке, размещенной в дальнем поле передающей антенны. Обычно значение Из берется равным 1 км для крупных ячеек, 100 м— для микроячеек и 1 м — для комнатных каналов. Кроме того, оценивается (с помощью уравнения (15.1)) или измеряется (.,Ото). 1.р(к() — это средние (по всему множеству различных местоположений) потери в тракте для данного значения л(. Смещениеантенны а)суперпозицилмелкомасштабнык и крупномасштабныкзамираний Смещение антенны б) Мелкомасштабное замирание относительно средней мощности Рис.
15Х Кр)тноиосшткйннм и иенноиасштабнак заиилании Если нарисовать график зависимости т. (Н) от кт' в логарифмическом масштабе обеих осей (для расстояний, больших то), то получится прямая линия с наклоном, равным 10л. Пока- Й Е о Р 3 й ыз ' .* = '",з Глинн 15 Кянплы сзаммоанынми затель степени потерь в тракте и зависит от частоты, высоты антенны и среды распространения. В свободном пространстве, где распространение сигнала происходит согласно закону обратных квадратов (как описывается в разделе 5.3.1), и равно 2, что видно из уравнения (15.1). Если имеется эффект волновода (например, при распространении по улицам города), п может быть меньше 2. При наличии препятствий и больше. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
