WLAN02_無(wú)線信道與地堪

1、第二章無(wú)線信道與無(wú)線地堪中中 北北 大大 學(xué)學(xué) 電電 子子 與與 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) 科科 學(xué)學(xué) 技技 術(shù)術(shù) 學(xué)學(xué) 院院School of Electronics and Computer Science and Technology . NUC 通天下，通天下，連你我連你我信道 信道是信源和信宿之間信息傳輸?shù)耐?，它是通過(guò)傳輸媒體或傳輸介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 對(duì)于不同的傳輸媒體、不同的工作頻率和不同的傳輸環(huán)境，信道有不同的特征。 信道對(duì)信號(hào)的影響的主要表現(xiàn)： 衰減（Attenuation） 延遲失真（Delay Distortion）（乘性失真、干擾） 噪聲（Noise）（加性失真）信道的主要性能參數(shù)

2、 信道的特性將影響信道的主要性能參數(shù)： 信道帶寬 傳輸速率 信道容量 吞吐量 誤碼率無(wú)線信道的分類 理想無(wú)線信道？非理想無(wú)線信道？ 理想：無(wú)阻擋、無(wú)衰落、無(wú)時(shí)變、無(wú)干擾， 自由空間傳播 固定無(wú)線信道？移動(dòng)無(wú)線信道？ 視距無(wú)線信道？非視距無(wú)線信道？ 視距，如：地面視距、衛(wèi)星。 非視距，如：地面繞射、對(duì)流層散射、電離層折射。 有干擾無(wú)線信道？無(wú)干擾無(wú)線信道？ 干擾：系統(tǒng)內(nèi)部的干擾、系統(tǒng)外部的非敵意干擾、 敵意干擾無(wú)線信道的特性 無(wú)線信道是一種非常復(fù)雜的信道，其特性與特定的場(chǎng)所緊密相關(guān)，并且會(huì)根據(jù)地形地物、工作頻率、移動(dòng)速度、干擾源和各種不確定因素發(fā)生明顯的變化； 反射、散射或漫反射、繞射或衍射、折

3、射或透射； 無(wú)線信道的衰落特性： 多普勒效應(yīng)（遠(yuǎn)近效應(yīng)）：物體移動(dòng)引起 多徑衰落：沿不同路徑信號(hào)疊加產(chǎn)生 研究信道特性（衰落）的方法： 理論分析：理論模型或確定性模型 統(tǒng)計(jì)分析：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o(wú)線信道的傳播機(jī)制 直射：自由空間傳播； 反射：當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射，反射發(fā)生在地球表面、建筑物和墻壁表面； 繞射：當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路由被尖銳的邊緣阻擋時(shí)，發(fā)生繞射； 散射：當(dāng)電磁波的傳播路由上存在小于波長(zhǎng)的物體、并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時(shí)，發(fā)生散射。散射發(fā)生在粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體，如：樹(shù)葉、街道標(biāo)志和燈柱等； 透射：穿過(guò)障礙物，透射的損耗與障礙物的尺

4、寸、材料及電磁波頻率有關(guān)；無(wú)線信道的物理過(guò)程天線天線無(wú)線發(fā)無(wú)線收直射反射散射繞射地面散射體移動(dòng)障礙物干擾熱噪聲信道影響的物理描述 傳播機(jī)理: 直射 反射 繞射 散射 移動(dòng)形成多徑效應(yīng)及時(shí)延擴(kuò)展使信號(hào)波形產(chǎn)生失真，場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生衰落形成時(shí)變效應(yīng)及多普勒擴(kuò)展使信道參數(shù)產(chǎn)生變化信道影響的相關(guān)概念 時(shí)延擴(kuò)展：多徑傳播引起，由于存在不同的傳播路徑，每條路徑到達(dá)的時(shí)間也不相同，使得接收信號(hào)輪廓不清或被擴(kuò)展； 相干帶寬：由于相同的多徑時(shí)延差對(duì)不同頻率的信號(hào)產(chǎn)生的相位差，接收點(diǎn)的合成信號(hào)強(qiáng)度與頻率有關(guān)（選擇性衰落）； 多普勒擴(kuò)展：由于接收和發(fā)送點(diǎn)的相對(duì)移動(dòng)引起，導(dǎo)致接收信號(hào)頻率的變化； 相干時(shí)間：頻率擴(kuò)展對(duì)應(yīng)于一定

5、的相干時(shí)間，變化慢的信道相干時(shí)間要大，多普勒頻率擴(kuò)展會(huì)小，慢衰落（WLAN）衰落信道的分類基于多徑時(shí)延擴(kuò)展基于多徑時(shí)延擴(kuò)展平衰落平衰落信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬相干帶寬相干帶寬1.時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展相干帶寬相干帶寬1.時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展符號(hào)周期符號(hào)周期基于多普勒擴(kuò)展基于多普勒擴(kuò)展 快衰落快衰落 信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬多普勒擴(kuò)展多普勒擴(kuò)展1.相干時(shí)間相干時(shí)間多普勒擴(kuò)展多普勒擴(kuò)展1.相干時(shí)間相干時(shí)間符號(hào)周期符號(hào)周期自由空間傳播 什么叫自由空間？無(wú)任何衰減、無(wú)任何阻擋、無(wú)任何多徑的傳播空間。 無(wú)線電波在自由空間傳播時(shí)，其單位面積中的能量會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而減少。這種減少，稱為自由空間的傳播損耗。PTd 如圖所示，發(fā)射功率為PT

6、，發(fā)射天線為各向均勻輻射，則以發(fā)射源為中心，d為半徑的球面上單位面積的功率為：S PT / 4 d2自由空間傳播衰減 由于天線有方向性（設(shè)發(fā)射天線增益為GT），故在主波束方向通過(guò)單位面積的功率為：S = GT PT / 4 d2 設(shè)接收天線的有效面積為A，則接收天線所截獲的功率為：Pr = S A = A GT PT / 4 d2 對(duì)于拋物面天線，假定天線口面場(chǎng)具有等相、等幅分布，則天線的有效面積為：A = Gr 2 / 4其中Gr為接收天線增益， 為自由空間波長(zhǎng)代入Pr公式，得到：2)4(dGGPPrTTr自由空間傳播衰減2)4(dGGPPrTTr 令： Pr / PT = Gr GT /

7、LS其中LS定義為自由空間傳播損耗。 則： LS = (4 d / )2 = (4 f d / c )2 以分貝數(shù)表示： LS = 92.4418 + 20 lg f(GHz)+20 lg d(km) dB地面視距傳播 地面微波通信屬于視距傳播； 視距傳播的主要特點(diǎn)是收發(fā)天線都在視距范圍內(nèi)； 視距傳播要考慮大氣效應(yīng)和地面效應(yīng)； 視距和天線高度的關(guān)系：由于地球是一個(gè)曲面，天線高度h1、h2和視距d之間存在以下關(guān)系：) (57.321hhd其中h1、h2的單位是m，d的單位是km。此公式?jīng)]有考慮大氣及地面對(duì)傳播的影響，所以只能用作大致的估計(jì)。大氣效應(yīng)之一：吸收衰減 主要發(fā)生在高頻段 水蒸汽的最大吸

8、收峰在23GHz(1.3cm)； 氧氣的最大吸收峰在60GHz(5mm)； 對(duì)于12GHz(2.5cm)以下的頻率，大氣吸收衰減小于： 0.015dB/km。大氣效應(yīng)之二：雨霧衰減 在10GHz以下頻段，雨霧衰減并不嚴(yán)重，一般只有幾dB。 在10GHz以上頻段，雨霧衰減大大增加，達(dá)到幾dB/km。 下雨衰減是限制高頻段微波傳播距離的主要因素。大氣效應(yīng)之三：大氣折射3/421一般取值為等效地球半徑因子折射率隨高度的變化率實(shí)際地球半徑等效地球半徑其中：KKdhdnRRdhdnRRKRRee地面效應(yīng)之一：費(fèi)涅爾半徑和余隙 利用波動(dòng)光學(xué)的惠更斯費(fèi)涅爾原理，在遇到障礙物時(shí)將產(chǎn)生附加損耗。 障礙物到T，R

9、連線的垂直距離為hc，稱為余隙。一階費(fèi)涅爾半徑為h1，定義hc/h1為相對(duì)余隙。就可以從右圖求出附加損耗。地面效應(yīng)之二：地面反射 這是產(chǎn)生電平衰落的主要原因之一。 模型如下圖。由于兩條路徑的載波相位不同，就會(huì)產(chǎn)生接收?qǐng)鰪?qiáng)的相互增強(qiáng)，或相互抵銷。 假定：dht,hr,d1d2d,1,1,=,就可以得到路徑損耗公式：dBdhh2sind44lg10Lrt22p地面超視距傳播 對(duì)流層散射傳播 電離層反射傳播 流星余跡傳播 衛(wèi)星傳播對(duì)流層散射傳播 在地球表面1012 km處為對(duì)流層，存在大量隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的不均勻介質(zhì)，能對(duì)電波產(chǎn)生折射、散射和反射。 散射通信是利用部分散射體內(nèi)介質(zhì)的前向散射信號(hào)。這是典型的多

10、徑信道。 通信距離可達(dá)幾百上千公里。電離層反射傳播 在地球上空60km以上是電離層，可以分為D層、E層、F層。D層能吸收電波，E層能反射電波，然而在晚上都會(huì)消失。對(duì)電波起良好反射作用的是F層，并且能夠在晝夜都保持一定的通信功能。 存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，最大傳播延時(shí)差可達(dá)毫秒量級(jí)。 存在嚴(yán)重的時(shí)變性，電離層的特性隨時(shí)變化，并且很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流星余跡傳播 據(jù)統(tǒng)計(jì)，每晝夜有數(shù)百億的流星進(jìn)入大氣層，和空氣碰撞產(chǎn)生電離。在地面80120km處形成電離氣體帶，這就是流星余跡。 利用流星余跡的散射和反射進(jìn)行通信。 工作頻率3080MHz，傳輸距離2002000km，傳輸速率低，用于突發(fā)通信。衛(wèi)星傳播靜止衛(wèi)星 信

11、道穩(wěn)定，可以按照自由空間傳播損耗計(jì)算 長(zhǎng)延時(shí)，要考慮對(duì)話音質(zhì)量和通信協(xié)議的影響移動(dòng)衛(wèi)星要考慮地面的影響，包括多徑和遮蔽接收信號(hào)電平服從萊斯分布要考慮多普勒頻移路徑損耗指數(shù)的典型值根據(jù)理論和測(cè)試結(jié)果，無(wú)論室內(nèi)還是室外信道，平均接收信號(hào)功率隨距離的對(duì)數(shù)衰減，其路徑損耗指數(shù)如下表所示：移動(dòng)傳播的尺度模型 移動(dòng)無(wú)線傳播面臨的是隨時(shí)變化的、復(fù)雜的環(huán)境。 首先，傳播環(huán)境十分復(fù)雜，傳播機(jī)理多種多樣。幾乎包括了電波傳播的所有過(guò)程，如：直射、繞射、反射、散射。 其次，由于用戶臺(tái)的移動(dòng)性，傳播參數(shù)隨時(shí)變化，引起接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)。 為此，提出大尺度傳播模型和小尺度傳播模型。室外模型：Egli（艾格里）模型 195

12、7年由Joan Egli提出。 根據(jù)：在宏蜂窩的室外傳播條件下，路徑損耗和距離的四次方成正比，是一個(gè)簡(jiǎn)化的不規(guī)則地形上的傳播模型。 在平滑地面的理論公式中加入地形校正因子CT：dBCdlg40hhlg20flg2088LTkmmrmtMHzp室外模型：Okumura（奧村）模型19621965年Okumura在日本東京地區(qū)進(jìn)行測(cè)試所得的結(jié)果，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。適用頻率范圍150MHz-3GHz，距離1100km，天線高度301000m。預(yù)測(cè)城區(qū)信號(hào)時(shí)使用最廣泛的模型，在日本已經(jīng)成為系統(tǒng)規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)發(fā)了一套在特定條件下自由空間中值損耗的曲線。缺點(diǎn)：對(duì)城區(qū)和郊區(qū)的快速變化反應(yīng)較慢，和實(shí)際情況偏差約1

13、014dB。室外模型：Okumura-Hata模型Okumura-Hata模型1980年Hata將Okumura的曲線解析化，得到Hata公式：其中 開(kāi)闊地區(qū)DdlgBA市郊CdlgBA市區(qū)dlgBALpflg33.18flg78. 494.40D28/flg24 . 5Chlg55. 69 .44Bhahlg82.13flg16.2655.69A22trt室內(nèi)模型概述室內(nèi)傳播特點(diǎn)：更加嚴(yán)重的阻擋，更加嚴(yán)重的多徑，更加嚴(yán)重的變化。受到影響的因素很多，如：門窗是開(kāi)還是關(guān)？天線放置的位置？人員的分布情況？室內(nèi)傳播的信號(hào)預(yù)測(cè)要比室外傳播復(fù)雜得多。模型分類 室外向室內(nèi)穿透損耗 同樓層的分隔損耗 樓層間

14、的分隔損耗 同一室內(nèi)無(wú)障礙物損耗 同一室內(nèi)有障礙物損耗 其他特定環(huán)境的損耗，如：隧道等。無(wú)線局域網(wǎng)傳輸方式無(wú)線局域網(wǎng)傳輸方式：紅外線系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)紅外線系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn) 不受無(wú)線電干擾 鄰近區(qū)域無(wú)干擾可采用 不受國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)的限制 視距傳輸檢測(cè)和竊聽(tīng)困難保密性好 缺點(diǎn) 對(duì)非透明物體的透過(guò)性極差傳輸距離受限 易受日光熒光燈等噪聲干擾 半雙工通信WLAN技術(shù)傳輸頻段分布全球射頻的管理無(wú)線地堪 地堪背景 地堪必備工具 室內(nèi)地堪 室外地堪 無(wú)線實(shí)施無(wú)線地堪背景地堪必備工具Network Stumbler 帶迅馳移動(dòng)技術(shù)的筆記本 測(cè)試軟件 拍照手機(jī)或照相機(jī) 還有就是人筆記本 功能要求：迅馳功能、不要太

15、重 天線要求：靈敏度高的無(wú)線網(wǎng)卡、著名筆記本內(nèi)置天線 作用：檢測(cè)不知名AP；測(cè)試AP信號(hào)范圍 忌用：TP-link、支持802.11的PDA測(cè)試軟件 搜尋雜牌小AP或作覆蓋效果測(cè)試 Network Stumbler數(shù)碼相機(jī)/拍照手機(jī) 要求：不低于200萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)或者拍照手機(jī)。 作用：清楚地記錄建筑物的物理結(jié)構(gòu) 。 拍攝格式：建筑物的結(jié)構(gòu)圖片或者視頻，視頻最佳。室內(nèi)地堪獲取信息的手段 客戶告知 基建圖紙 親身勘測(cè)環(huán)境的影響親身勘測(cè)需要記錄信息 記錄樓內(nèi)的結(jié)構(gòu)1、房間數(shù)量2、屋門材料3、是否有窗4、AP至配線間距離5、房間職能6、用戶并發(fā)數(shù)親身勘測(cè)需要記錄信息（續(xù)）校園辦公樓內(nèi)部署的示意圖走

16、廊走廊樓梯會(huì)議室樓層配線間房間房間室外地堪 工具 注意事項(xiàng) 室外地堪要領(lǐng) 最后確認(rèn)工具Network Stumbler工具(續(xù))注意事項(xiàng) 行走江湖 安全第一 季節(jié)選擇 當(dāng)?shù)貧夂?設(shè)備特性室外地堪要領(lǐng) 了解需要部署的環(huán)境的建筑物之間關(guān)系。 覆蓋哪個(gè)區(qū)域，或者需要在哪兩者或多者之間作網(wǎng)橋 部署前測(cè)試 保證了可以完成用戶的覆蓋或網(wǎng)橋的需要 了解用戶的現(xiàn)場(chǎng)是否具備安裝室外設(shè)備的條件 AP可能會(huì)放在哪里？ 直接貼裝、抱桿安裝 、基站鋼架安裝直接貼裝在建筑物的外表面 安裝位置根據(jù)覆蓋區(qū)域而定。 優(yōu)點(diǎn)：不用做防雷 缺點(diǎn)：調(diào)整不靈活抱桿安裝 優(yōu)點(diǎn)：安裝靈活 覆蓋靈活 缺點(diǎn)：實(shí)施麻煩 注意：防雷防雷怎么考慮？

17、避雷器AP與天線之間防止雷擊的高電流 環(huán)形防雷網(wǎng)防止感應(yīng)雷 避雷針?lè)乐怪睋衾追览?續(xù))q這一圈鐵絲就是環(huán)形防雷網(wǎng)啦，熟這一圈鐵絲就是環(huán)形防雷網(wǎng)啦，熟悉吧。悉吧。最后確認(rèn) 部署環(huán)境好您的環(huán)境太合適部署無(wú)線了，您以前怎么這么有遠(yuǎn)見(jiàn)？能夠早早地為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署預(yù)留很好的條件呀 。 部署環(huán)境差您的環(huán)境并不是不能部署無(wú)線，只是部署起來(lái)效果不會(huì)太好，由于環(huán)境的限制，可能會(huì)使得部署成本提高很多，您不妨考慮先上有線網(wǎng)，在幾個(gè)重要區(qū)域用無(wú)線做補(bǔ)充，您看行嗎？ 用戶的有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)線很到位，用戶的有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)線很到位，APAP好部署，校好部署，校內(nèi)信道很干凈，沒(méi)有其他小內(nèi)信道很干凈，沒(méi)有其他小APAP干擾之類的情況干

18、擾之類的情況無(wú)線實(shí)施 室內(nèi)實(shí)施 AP的放置 死角的避免 信道的優(yōu)化 室外實(shí)施 AP的放置 防水 測(cè)試干擾室內(nèi)實(shí)施AP的放置 重要房間 單獨(dú)擺放 其他房間 走廊擺放 圖書(shū)館閱覽室、大廳 根據(jù)具體位置擺放室內(nèi)實(shí)施死角的避免 某些建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)奇特而復(fù)雜，有可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的死角。 如果這個(gè)死角是用戶特殊要求必須要覆蓋的，那還要單獨(dú)調(diào)整AP的位置，或者在這個(gè)位置再增加AP的部署。 室內(nèi)實(shí)施信道的優(yōu)化 檢測(cè)是否有干擾的信道 例：一層樓部署了三臺(tái)AP，各占第1/6/11信道，你在Network Stumbler軟件里，應(yīng)該在每個(gè)信道只看到一臺(tái)AP才對(duì)，這時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)信道多了其他設(shè)備被搜到，那就是有

19、其他無(wú)線設(shè)備也進(jìn)來(lái)了。 解決辦法： 不要和測(cè)試點(diǎn)附近的這臺(tái)AP工作的信道重疊； 無(wú)法錯(cuò)開(kāi)，只要透過(guò)來(lái)的信號(hào)很微弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于你所在位置的這臺(tái)AP的信號(hào) ，由于信號(hào)壓制，網(wǎng)卡只認(rèn)信號(hào)強(qiáng)的AP。室外實(shí)施AP的放置 表面貼裝不管是表面貼裝還是抱桿安裝，出于防水考慮，AP一定是天線接口朝下安裝 。室外實(shí)施AP的放置 抱桿安裝一般抱桿都作成3-4米高的，最上面的1米用來(lái)做避雷針使用，不要安裝設(shè)備到那個(gè)區(qū)域。其余區(qū)域可以安裝設(shè)備。 室外實(shí)施AP的放置固定抱桿的施工現(xiàn)場(chǎng)固定抱桿的施工現(xiàn)場(chǎng)利用樓頂水泥臺(tái)固定抱桿利用樓頂水泥臺(tái)固定抱桿利用樓頂外沿固定抱桿利用樓頂外沿固定抱桿樓頂找突起物固定抱桿樓頂找突起物固定抱桿

20、室外實(shí)施防水室外實(shí)施測(cè)試干擾 施工完畢之后，要像室內(nèi)無(wú)線實(shí)施一樣，再次確認(rèn)所部署的AP的覆蓋或者網(wǎng)橋的效果。 詳細(xì)的了解需求 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同于有線網(wǎng)絡(luò)，前期的準(zhǔn)備工作非常重要！ 僅有一張目標(biāo)部署區(qū)域的平面圖，是完全不夠的，還不如到現(xiàn)場(chǎng)看一下，做完整的地勘。 在初期沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的時(shí)候，做測(cè)試是必要的。雙路、雙頻、三模雙路：雙頻：三模：+=AP1AP2雙路AP支持2.4G和5.8G支持2.4G和5.8G詳細(xì)的規(guī)劃 根據(jù)用戶需要覆蓋的區(qū)域，做出產(chǎn)品的選擇、部署的初步位置。使用什么協(xié)議、選用什么樣的天線等細(xì)節(jié)規(guī)劃。 這個(gè)規(guī)劃，相當(dāng)重要，它是以測(cè)試結(jié)果為根據(jù)的，按照此規(guī)劃包含的設(shè)備必須能夠完成項(xiàng)目的實(shí)施。覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋覆蓋108M網(wǎng)橋網(wǎng)橋108M網(wǎng)橋網(wǎng)橋108M網(wǎng)橋網(wǎng)橋108M網(wǎng)橋網(wǎng)橋108M網(wǎng)橋網(wǎng)橋測(cè)試信道對(duì)信號(hào)的影響主要表現(xiàn)為_(kāi)、 _和 _。無(wú)線信道的傳播機(jī)制分為_(kāi)、 _、 _、 _和 _。無(wú)線信道的衰落特性主要包含兩點(diǎn)：由物體移動(dòng)引起的被稱為_(kāi)；沿不同路徑信號(hào)疊加產(chǎn)生的被稱為_(kāi)；推導(dǎo)并證明自由空間傳播損耗公式：2)4(dGGPPrTTrLs = 92.