无线通信工程第03讲-信道.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无线通信工程,姚彦教授,清华大学微波与数字通信国家重点实验室,2001年11月17日,第三讲,无线通信的信道,引言,自由空间传播,地面视距传播,地面超视距传播,移动传播,引 言,引言（1）：无线通信信道的分类,理想无线信道？非理想无线信道？,理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。,固定无线信道？移动无线信道？,视距无线信道？非视距无线信道？,视距，如：地面视距、卫星。,非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。,有干扰无线信道？无干扰无线信道？,干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。,引言（2）：无线通信信道的指标,传播衰减,衰减的平均值,衰减的最大值,衰减的统计特性,传播延时,延时的平均值,延时的最大值,延时的统计特性,延时扩展,对信道色散效应的描述,多普勒扩展,对信道时变效应的描述,干扰,干扰的性质,干扰的强度,引言（3）：无线传播信道的模型,信道响应为,h(,t),，,可以表示色散和时变,假设：线性信道、加性干扰,h(,t),s(t),r(t),n(t),自由空间传播,自由空间传播（1）,什么叫自由空间？无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。,无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。,如图所示，发射功率为,P,T,，,发射天线为各向均匀辐射，则以发射源为中心，,d,为半径的球面上单位面积的功率为：,S P,T,/4,d,2,球面上的功率流,P,T,d,自由空间传播（2）,由于天线有方向性（设发射天线增益为,G,T,），,故在主波束方向通过单位面积的功率为：,S=G,T,P,T,/4,d,2,设接收天线的有效面积为,A，,则接收天线所截获的功率为：,P,r,=S A=A G,T,P,T,/4,d,2,对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布，则天线的有效面积为：,A=,G,r,2,/4,其中,G,r,为接收天线增益，,为自由空间波长,代入,P,r,公式。得到：,P,r,=,G,r,G,T,P,T,(,/4,d),2,令：,P,r,/P,T,=,G,r,G,T,/L,S,其中,L,S,定义为自由空间传播损耗。,则：,L,S,=(4,d,/,),2,=,(4,f d,/,c,),2,以分贝数表示：,L,S,=92.4+20,lg,f,(,GHz,),+20,lg,d,(km),dB,地面视距传播,简 介,地面微波通信属于视距传播。,视距传播的主要特点是收发天线都在视距范围内。,视距传播要考虑大气效应和地面效应。,视距和天线高度的关系,由于地球是一个曲面，天线高度,h,1,、h,2,和视距,d,之间存在以下关系：,d=3.57(),其中,h,1,、h,2,的单位是,m，d,的单位是,km。,说明,：此公式没有考虑大气及地面对传播的影响，所以只能用作大致的估计。,大气效应之一：吸收衰减,主要发生在高频段,水蒸汽的最大吸收峰在,23,GHz,(1.3cm)；,氧气的最大吸收峰在,60,GHz,(5mm)；,对于,12,GHz,(2.5cm),以下的频率，大气吸收衰减小于：,0.015,dB/km。,大气效应之二：雨雾衰减,在,10,GHz,以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几,dB。,在,10,GHz,以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几,dB/km。,下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。,大气效应之三：大气折射,引入等效地球半径的概念：,地面效应之一：,费涅尔半径和余隙,利用波动光学的惠更斯费涅尔原理，在遇到障碍物时将产生附加损耗。,障碍物到,T，R,连线的垂直距离为,h,c,，,称为余隙。一阶,费涅尔半径为,h,1,，,定义,h,c,/h,1,为相对余隙。就可以从右图求出附加损耗。,地面效应之二：,地面反射,这是产生电平衰落的主要原因之一。,设：反射系数为,m，,反射相位为180,0,，,自由空间衰减系数为,，就可以求出接收点的场强：,平衰落,当衰落较严重时，接收点的场强接近瑞利分布,接收点场强小于某个值的概率,通用公式,例：,B1,C3.5,A=1.4,10,8,Q=1,频率选择性衰落,根据,W.D.,Rummler,提出的伪三径模型，得到频率选择性衰落的频率响应函数，如下图所示。,地面超视距传播,对流层散射传播,在地球表面1012,km,处为对流层，存在大量随机运动的不均匀介质，能对电波产生折射、散射和反射。,散射通信是利用部分散射体内介质的前向散射信号。这是典型的多径信道。,通信距离可达几百上千公里。,散射信道不存在电波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。,根据测试结果，接收电平小于其均方根值10,dB,20dB,30dB,的概率分别为10，1，0.1%,。,快衰落服从瑞利分布。,慢衰落服从对数正态分布。,克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技术。,电离层反射传播,在地球上空60,km,以上是电离层，可以分为,D,层、,E,层、,F,层。,D,层能吸收电波，,E,层能反射电波，然而在晚上都会消失。对电波起良好反射作用的是,F,层，并且能够在昼夜都保持一定的通信功能。,电离层反射传播（续）,存在严重的多径效应，最大传播延时差可达毫秒量级。,存在严重的时变性，电离层的特性随时变化，并且很难准确预测,存在最高可用频率，为了实现较好的传输质量，工作频率应尽可能接近最高可用频率。这些频率都在短波波段（230,MHz）。,存在多种附加损耗。如：,吸收损耗（625,dB），,地面反射损耗（20,dB），,系统额外损耗（1518,dB）,存在严重的干扰，这是短波通信的一大特点。包括：大气噪声、工业干扰、天电干扰、其它电台的干扰。,技术措施：自适应均衡、自动线路建立、分集。,流星余迹传播,据统计，每昼夜有数百亿的流星进入大气层，和空气碰撞产生电离。在地面80120,km,处形成电离气体带，这就是流星余迹。,利用流星余迹的散射和反射进行通信。,工作频率3080,MHz，,传输距离2002000,km，,传输速率低，用于突发通信。,卫星传播,静止卫星,信道稳定，可以按照自由空间传播损耗计算,长延时，要考虑对话音质量和通信协议的影响,移动卫星,要考虑地面的影响，包括多径和遮蔽,接收信号电平服从莱斯分布,要考虑多普勒频移,移动传播,说 明,移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。,首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。,其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强的快速波动。,为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。,四种传播机制,直射：自由空间传播,反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。,绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。,散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。,二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型,大尺度路径损耗传播模型,描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。,小尺度多径衰落传播模型,描述移动台在极小范围内移动时，短距离或短时间上接收场强的快速变化，用于确定移动通信系统应该采取的技术措施。,二种传播模型（续）,对数距离路径衰减规律,根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离的对数衰减，其路径损耗指数如下表所示：,多径扩散和相干带宽的关系,多径扩散和相干带宽,多普勒扩散和相干时间的关系,多普勒扩散和相干时间,基于多径时延扩散,平,衰落,信号带宽相干带宽,时延扩散相干带宽,时延扩散符号周期,基于多普勒扩散,快衰落,多普勒频移大,相干时间符号周期,信道变化慢于基带信号的变化,衰落信道的分类,大尺度模型：室外模型,Longley,-Rice,模型,适用频率范围：40,MHz-10GHz。,不同种类地形的点对点系统。,利用路径几何学及对流层绕射性，预测大尺度中值传播损耗。,有计算机程序，根据输入的路径参数，进行点对点预测或区域预测。,缺点：不能提供对环境因素的修正，没有考虑多径效应。,Durkin,模型,描述不规则地形场强预测的计算机仿真器。,已被联合无线电委员会用于进行有效移动无线覆盖区的研究。,主要用于大尺度路径损耗的预测。,缺点：不能精确预测由于树叶、建筑物、其它人造结构引起的传播效应，不能计算除地面反射以外的多径传播。,大尺度模型：室外模型（续）,Okumura,模型,适用频率范围150,MHz-3GHz，,距离1100,km，,天线高度301000,m。,预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经成为系统规划的标准。,开发了一套在特定条件下自由空间中值损耗的曲线。,缺点：对城区和郊区的快速变化反应较慢，和实际情况偏差约1014,dB。,大尺度模型：室外模型（续）,Hata,模型,适用频率范围150,MHz-1.5GHz,根据,Okumura,曲线图所作的经验公式，以市区传播损耗为标准，并对其它地区进行修正。,市区路径损耗的标准公式。在1,km,以上的情况下，预测结果和,Okumura,模型非常接近。,缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半径为1,km,的个人通信系统。,其它模型,Hata,模型的,PCS,扩展,WalfishBertoni,模型,宽带,PCS,微蜂窝模型,大尺度模型：室内模型,一般说明,室内传播特点：覆盖距离更小，环境变化更大,受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放置的位置？人员的分布情况？,室内信道可以分为视距（,LOS）,和阻挡（,OBS）,两种。,分隔损耗,同楼层的分隔损耗,给出不同频段、不同材料不同分隔方式的损耗值。如：混凝土墙在1300,MHz,的损耗为815,dB。,楼层间的分隔损耗,和建筑物的材料、类型、层数、窗户及频段有关。一层的衰减要大，而五、六层以上的衰减很小。,大尺度模型：室内模型（续）,对数距离路径损耗模型,室内路径损耗公式,大尺度模型：室内模型（续）,Ericsson,多重断点模型,通过测试多层办公室建筑，获得,Ericsson,无线系统模型,此模型提供特定地形路径损耗范围的确定限度,右图给出此模型的室内路径损耗图,小尺度模型（1）,小尺度传播的主要效应：,信号强度的快速变化,时变引起的多普勒频移,多径引起的延时扩展,多径信道的冲激响应模型：,移动信道可以看成线性时变信道，输入,x(t),和输出,y(t),存在以下关系,小尺度模型（2）,移动多径信道的参数：延时扩展及相干带宽，描述色散,延时扩展的典型值如下表所示,相干带宽估算：,小尺度传播模型（3）,移动多径信道的参数：多普勒扩展及相干时间，描述时变,多普勒频移计算：,相干时间计算：,对于高速行驶的车辆，只要传输速率大于几百,bits/s，,多普勒效应就可以忽略，信道就成为慢衰落信道。,小尺度传播模型（4）,平坦衰落的,Clarke,模型,这是一种基于散射的统计模型。接收信号的包络服从瑞利分布：,射频信号受到多普勒衰落影响的功率谱密度如右图所示。,小尺度传播模型（5）,电平交叉率（,LCR）：,瑞利衰落包络归一化为本地,rms,电平后，沿正向穿过某一指定电平的速率。表示为：,平均衰落时段：,接收信号低于某指定电平,R,的平均时间段的值。表示为：,小尺度传播模型（6）,双线瑞利衰落模型,Clarke,模型及瑞利衰落统计模型只适用于平衰落，而不考虑多径时延。为此，采用一种常用的独立双线瑞利衰落信道模型。其冲激响应为：,小尺度传播模型（7）,Saleh,和,Valenzuela,室内统计模型,根据测试结果，提出一个简单的室内信道多径模型。该模型假设多径分量以簇的形式到达。接收信号的幅度是独立的瑞利随机变量，相位在（0，2,）之间独立分布。,各个簇和簇内的多径分量构成不同速率的泊松过程，到达次数成指数分布。,SIRCIM,和,SMRCIM,室内和室外统计模型,基于离散冲激响应信道模型提出了一个来源于实际的统计模型，并编写了计算机程序,SIRCIM。,后来又有人编写了一个类似的程序,SMRCIM，,用以产生市区蜂窝及微蜂窝信道的冲激响应。,目前全世界有100多家机构使用这种程序。,