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1、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 1 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 2 引言 3 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 4 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
2、 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 5 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 6 自由空间传播 7 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PT 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 PT 4 d2 球面上的功率流
3、 PT d 8 自由空间传播 2 由于天线有方向性 设发射天线增益为GT 故在主波束方向通过单位面积的功率为 S GTPT 4 d2设接收天线的有效面积为A 则接收天线所截获的功率为 Pr SA AGTPT 4 d2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 Gr 2 4 其中Gr为接收天线增益 为自由空间波长 代入Pr公式 得到 Pr GrGTPT 4 d 2令 Pr PT GrGT LS其中LS定义为自由空间传播损耗 则 LS 4 d 2 4 fd c 2以分贝数表示 LS 92 4 20lgf GHz 20lgd km dB 9 地面视距传播 10 简介 地
4、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h1 h2和视距d之间存在以下关系 d 3 57 其中h1 h2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 11 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23GHz 1 3cm 氧气的最大吸收峰在60GHz 5mm 对于12GHz 2 5cm 以下的频率 大气吸收衰减小于 0 015dB km 12 大气效应之二 雨雾衰减 在10GHz以下频段 雨雾衰减并不严重 一般只有几d
5、B 在10GHz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 13 大气效应之三 大气折射 引入等效地球半径的概念 14 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hc 称为余隙 一阶费涅尔半径为h1 定义hc h1为相对余隙 就可以从右图求出附加损耗 15 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1800 自由空间衰减系数为 就可以求出接收点的场强 16 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
6、的概率 通用公式例 B 1C 3 5A 1 4 10 8Q 1 17 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 18 地面超视距传播 19 对流层散射传播 在地球表面10 12km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10dB 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
7、克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技术 20 电离层反射传播 在地球上空60km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 21 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 2 30MHz 存在多种附加损耗 如 吸收损耗 6 25dB 地面反射损耗 20dB 系统额外损耗 15 18dB 存在严重的干
8、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 22 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80 120km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30 80MHz 传输距离200 2000km 传输速率低 用于突发通信 23 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 24 2020 4 4 25 移动传播
9、26 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 27 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
10、 如 树叶 街道标志和灯柱等 28 二种传播模型 大尺度模型和小尺度模型 29 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 30 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 31 多径扩散和相干带宽的关系 多径扩散和相干带宽 32 多普勒扩散和相干时间的关系 多普勒扩散和相干时间 33 基于多径时延扩散 平衰落信
11、号带宽 相干带宽时延扩散 符号周期 频率选择性衰落信号带宽 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 符号周期信道变化快于基带信号的变化 慢衰落多普勒频移小相干时间 符号周期信道变化慢于基带信号的变化 衰落信道的分类 34 大尺度模型 室外模型 Longley Rice模型适用频率范围 40MHz 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
12、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 35 大尺度模型 室外模型 续 Okumura模型适用频率范围150MHz 3GHz 距离1 100km 天线高度30 1000m 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10 14dB 36 大尺度模型 室外模型 续 Hata模型适用频率范围150MHz 1 5GHz根据Okumura曲线图所作的经验公式
13、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1km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1km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 37 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1300MHz的损耗为8 15dB
14、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 38 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 39 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 40 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 41 小尺度模型 2 移动多径信道的参数 延
15、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 42 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 43 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 44 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
16、的值 表示为 45 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 46 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 47 2020 4 4 48
