大尺度衰落信道和小尺度衰落信号的区别

大尺度衰落信道和小尺度衰落信道是无线通信中影响信号传输质量的两种主要信道特性。它们的区别主要体现在空间范围时间尺度产生原因上。

1. 大尺度衰落信道(Large-scale Fading)

大尺度衰落是指信号随着传播距离和路径损耗而逐渐衰减的现象,主要受到环境中的障碍物(如建筑物、山丘等)和地形的影响。大尺度衰落反映了信号在较长距离或较大区域范围内的强度变化。

特点:
  • 主要影响因素:传播距离、路径损耗、环境阻挡(如建筑、山体)、阴影效应。
  • 时间尺度:变化缓慢,通常随用户的移动而改变。一般适用于用户在较大区域(如城市中的一部分)移动时的信号衰落。
  • 频率选择性:通常是频率非选择性衰落,即信号强度的衰落在所有频率范围内较为一致。
  • 数学模型:常用的模型包括自由空间模型阴影衰落模型(如对数正态分布)。
  • 典型现象:信号强度的渐进式衰减,如在远离基站时信号逐渐减弱。
示例:

用户移动离基站越来越远,或者进入建筑物后,信号整体变弱,这是大尺度衰落的典型表现。

2. 小尺度衰落信道(Small-scale Fading)

小尺度衰落是指信号在较短距离短时间内的快速波动现象。它主要由于多径传播引起,即信号从多个路径到达接收端(反射、散射、绕射等),这些路径上的信号到达时会产生相位差干扰,导致信号的增强或减弱。

特点:
  • 主要影响因素:多径传播、反射、绕射、散射。
  • 时间尺度:变化快,通常适用于用户在小范围内移动时的信号波动(例如移动不到几米的距离)。
  • 频率选择性:可以是频率选择性衰落,即不同频率的信号在多径传播中可能受到不同的影响,导致频率分量的增强或衰落。
  • 数学模型:常用的模型包括瑞利衰落模型(当没有直接路径时)和莱斯衰落模型(当存在直射路径时)。
  • 典型现象:信号快速波动,可能在短时间或小范围内经历增强或衰减。例如,用户在同一房间内移动几步,信号强度可能会快速变化。
示例:

用户站在一个特定位置时,因墙壁、天花板等多种反射路径产生的信号干扰,导致接收信号在几米之内迅速波动。

总结两者的区别:

特性大尺度衰落信道小尺度衰落信道
影响因素路径损耗、阴影效应、障碍物影响多径传播、反射、散射、绕射
空间/时间变化随用户在较大范围内的移动而变化,较慢在小范围内快速波动,随位置或时间变化较快
频率选择性通常为频率非选择性衰落可以是频率选择性衰落
主要模型对数正态分布、自由空间模型瑞利衰落、莱斯衰落模型
典型现象信号强度随距离渐进式衰减信号在小范围内快速增强或衰减

举例说明:

  • 大尺度衰落:你在城市里走动时,信号强度随着你远离基站或进入建筑物而变弱。
  • 小尺度衰落:你在房间内移动时,由于多径传播的影响,某些点的信号可能很强,而相邻点信号可能很弱。

两者结合决定了实际无线通信信道中的信号强度和传输质量,因此无线通信设计中需要同时考虑这两种衰落效应。

前面已经介绍无线信道的传播模型可分为大尺度(Large-Scale)传播模型小尺度(Small-Scale)衰落两种[2],三、四、五章已经介绍了大尺度传播。所谓小尺度是描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内接收信号强度快速变化的;而移动无线信道的主要特征是多径,由于这些多径使得接收信号的幅度急剧变化,产生了衰落,因此,本章将介绍小尺度衰落信道,这对我们移动通信研究中传输技术的选择数字接收机的设计尤为重要。 本章将先介绍小尺度衰落多径的物理模型数学模型,使读者从概念上清楚地认识移动无线信道的主要特点,并建立一个统一的数学模型,为以后讨论各种模型奠定基础;接着将介绍移动多径信道的三组色散参数——时间色散参数(时延扩展,相关带宽)、频率色散参数(多普勒扩展,相关时间)、角度色散参数(角度扩展,相关距离),为之后的信道分类奠定了基础;接下来介绍衰落信道的一阶包络统计特性、二阶统计特性,大量的实测数据表明,在没有直达路径的情况下(如市区),信道的包络服从瑞利分布,在有直达路径的情况下(如郊区),信号包络服从莱斯分布,因此,一阶包络统计特性主要介绍瑞利衰落分布莱斯衰落分布,二阶统计特性主要介绍一组对偶参数——时间电平交叉率平均衰落持续时间,简要介绍其他两组对偶参数——频域电平交叉率平均衰落持续带宽,空间电平交叉率平均衰落持续距离;在已经介绍了多径信道的三组色散参数之后,将介绍小尺度衰落信道相对应的不同分类。
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