無線通信的信道

無線通信的信道第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日引言（2）：無線通信信道的指標(biāo)nn

傳播延時(shí)－延時(shí)的平均值－延時(shí)的最大值－延時(shí)的統(tǒng)計(jì)特性傳播衰減－衰減的平均值n延時(shí)擴(kuò)展－對(duì)信道色散效應(yīng)的描述－衰減的最大值－衰減的統(tǒng)計(jì)特性n多普勒擴(kuò)展－對(duì)信道時(shí)變效應(yīng)的描述n

干擾－干擾的性質(zhì)－干擾的強(qiáng)度第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日引言（3）：無線傳播信道的模型n

信道響應(yīng)為h(

,

t)

，可以表示色散和時(shí)變n

假設(shè)：線性信道、加性干擾h(

,

t)s(t)r(t)n(t)第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日自由空間傳播第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日自由空間傳播（1）n

什么叫自由空間？無任何衰減、無任何阻擋、無任何多徑的傳播空間。n無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。n

如圖所示，發(fā)射功率為PT，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

/

4d2n

球面上的功率流PTd第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日自由空間傳播（2）n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單位面積的功率為：S

=

GT

PT

/

4d2n

設(shè)接收天線的有效面積為A，則接r收天線所截獲的功率為：P

=S

A=

A

GT

PT

/

4d2n對(duì)于拋物面天線，假定天線口面場具有等相、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n

代入Pr公式。得到：/

4

d)2Pr

=

Gr

GT

PT

(n

令：Pr

/

PT

=

Gr

GT

/

LSS其中L

定義為自由空間傳播損耗。n

則：)2LS

=

(4

d

/=

(4f

d

/

c

)2n

以分貝數(shù)表示：LS

=

92.4

+

20

lg

f(GHz)+20

lg

d(km)

dB第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日地面視距傳播第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日簡

介n地面微波通信屬于視距傳播。n視距傳播的主要特點(diǎn)是收發(fā)天線都在視距范圍內(nèi)。n視距傳播要考慮大氣效應(yīng)和地面效應(yīng)。n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：d

=

3.57(

)其中h1、h2的單位是m，d的單位是km。說明：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)。第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日大氣效應(yīng)之一：吸收衰減n

主要發(fā)生在高頻段水蒸汽的最大吸收峰在23GHz(1.3cm)；氧氣的最大吸收峰在

60GHz(5mm)；n對(duì)于12GHz(2.5cm)以下的頻率，大氣吸收衰減小于：

0.015dB/km。第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日大氣效應(yīng)之二：雨霧衰減n在10GHz以下頻段，雨霧衰減并不嚴(yán)重，一般只有幾dB。n

在10GHz以上頻段，雨霧衰減大大增加，達(dá)到幾

dB/km。n

下雨衰減是限制高頻段微波傳播距離的主要因素。第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日大氣效應(yīng)之三：大氣折射n

引入等效地球半徑的概念：第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日地面效應(yīng)之一：費(fèi)涅爾半徑和余隙n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。n障礙物到T，R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。第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日地面效應(yīng)之二：地面反射n

這是產(chǎn)生電平衰落的主要原因之一。n

設(shè)：反射系數(shù)為m，反射相位

為1800，自由空間衰減系數(shù)

為

，就可以求出接收點(diǎn)的場強(qiáng)：第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日平衰落n當(dāng)衰落較嚴(yán)重時(shí)，接收點(diǎn)的場強(qiáng)接近瑞利分布n接收點(diǎn)場強(qiáng)小于某個(gè)值的概率n

通用公式10－8n

例：

B＝1C＝3.5A=1.4Q=1第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日頻率選擇性衰落n

根據(jù)W.D.Rummler提出的偽三徑模型，得到頻率選擇性衰落的頻率響應(yīng)函數(shù)，如下圖所示。第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日地面超視距傳播第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日對(duì)流層散射傳播n

在地球表面10－12

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。n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)。這是典型的多徑信道。n通信距離可達(dá)幾百－上千公里。n散射信道不存在電波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。n根據(jù)測試結(jié)果，接收電平小于其均方根值10dB,20dB,30dB的概率分別為10％，1％，0.1%。n

快衰落服從瑞利分布。n

慢衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。n

克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技術(shù)。第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日電離層反射傳播n

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。第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日電離層反射傳播（續(xù)）n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)。n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n存在最高可用頻率，為了實(shí)現(xiàn)較好的傳輸質(zhì)量，工作頻率應(yīng)盡可能接近最高可用頻率。這些頻率都在短波波段（2－30MHz）。n

存在多種附加損耗。如：吸收損耗（6－25dB），地面反射損耗（20dB），系統(tǒng)額外損耗（15－18dB）n存在嚴(yán)重的干擾，這是短波通信的一大特點(diǎn)。包括：大氣噪聲、工業(yè)干擾、天電干擾、其它電臺(tái)的干擾。n技術(shù)措施：自適應(yīng)均衡、自動(dòng)線路建立、分集。第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日流星余跡傳播，n

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80－120km處形成電離氣體帶，這就是流星余跡。n

利用流星余跡的散射和反射進(jìn)行通信。n工作頻率30－80MHz，傳輸距離200－2000km，傳輸速率低用于突發(fā)通信。第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日衛(wèi)星傳播n

靜止衛(wèi)星n信道穩(wěn)定，可以按照自由空間傳播損耗計(jì)算n長延時(shí)，要考慮對(duì)話音質(zhì)量和通信協(xié)議的影響n

移動(dòng)衛(wèi)星n

要考慮地面的影響，包括多徑和遮蔽n

接收信號(hào)電平服從萊斯分布n

要考慮多普勒頻移第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日移動(dòng)傳播第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日說

明n移動(dòng)無線傳播面臨的是隨時(shí)變化的、復(fù)雜的環(huán)境。n

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程，如：直射、繞射、反射、散射。n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)。n

為此，提出大尺度傳播模型和小尺度傳播模型。第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日四種傳播機(jī)制n

直射：自由空間傳播n反射：當(dāng)電磁波遇到比波長大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射。反射發(fā)生在地球表面、建筑物和墻壁表面。n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。n散射：當(dāng)電磁波的傳播路由上存在小于波長的物體、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：樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等。第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日二種傳播模型：大尺度模型和小尺度模型第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日大尺度路徑損耗傳播模型描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長距離上平均場強(qiáng)的變化，用于預(yù)測平均場強(qiáng)并估計(jì)無線覆蓋范圍。小尺度多徑衰落傳播模型描述移動(dòng)臺(tái)在極小范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，短距離或短時(shí)間上接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速變化，用于確定移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該采取的技術(shù)措施。二種傳播模型（續(xù)）第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日對(duì)數(shù)距離路徑衰減規(guī)律根據(jù)理論和測試結(jié)果，無論室內(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：第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日多徑擴(kuò)散和相干帶寬的關(guān)系多徑擴(kuò)散和相干帶寬第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日多普勒擴(kuò)散和相干時(shí)間的關(guān)系多普勒擴(kuò)散和相干時(shí)間第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日基于多徑時(shí)延擴(kuò)散平衰落信號(hào)帶寬<相干帶寬時(shí)延擴(kuò)散<符號(hào)周期頻率選擇性衰落信號(hào)帶寬>相干帶寬時(shí)延擴(kuò)散>符號(hào)周期基于多普勒擴(kuò)散快衰落多普勒頻移大相干時(shí)間<符號(hào)周期3.

信道變化快于基帶信號(hào)的變化慢衰落多普勒頻移小相干時(shí)間>符號(hào)周期信道變化慢于基帶信號(hào)的變化衰落信道的分類第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日大尺度模型：室外模型n

Longley-Rice模型n

適用頻率范圍：40MHz-10GHz。不同種類地形的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)。n利用路徑幾何學(xué)及對(duì)流層繞射性，預(yù)測大尺度中值傳播損耗。n有計(jì)算機(jī)程序，根據(jù)輸入的路徑參數(shù)，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)預(yù)測或區(qū)域預(yù)測。n缺點(diǎn)：不能提供對(duì)環(huán)境因素的修正，沒有考慮多徑效應(yīng)。n

Durkin模型l描述不規(guī)則地形場強(qiáng)預(yù)測的計(jì)算機(jī)仿真器。l已被聯(lián)合無線電委員會(huì)用于進(jìn)行有效移動(dòng)無線覆蓋區(qū)的研究。l主要用于大尺度路徑損耗的預(yù)測。l

缺點(diǎn)：不能精確預(yù)測由于樹葉、建筑物、其它人造結(jié)構(gòu)引起的傳播效應(yīng)，不能計(jì)算除地面反射以外的多徑傳播。第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日大尺度模型：室外模型（續(xù)）n

Okumura模型n

適用頻率范圍150MHz-3GHz，距離1－100km，天線高度30－1000m。n

預(yù)測城區(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)。n

開發(fā)了一套在特定條件下自由空間中值損耗的曲線。n

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10－14dB。第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日大尺度模型：室外模型（續(xù)）n

Hata模型n

適用頻率范圍150MHz-1.5GHzn

根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗(yàn)公式，以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其它地區(qū)進(jìn)行修正。n

市區(qū)路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式。在

1km以上的情況下，預(yù)測結(jié)果和

Okumura模型非常接近。n

缺點(diǎn)：適用于大區(qū)制移動(dòng)系統(tǒng)，不適用于小區(qū)半徑為1km的個(gè)人通信系統(tǒng)。n

其它模型l

Hata模型的PCS擴(kuò)展

l

WalfishBertoni模型

l

寬帶PCS微蜂窩模型第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日大尺度模型：室內(nèi)模型n

一般說明n室內(nèi)傳播特點(diǎn)：覆蓋距離更小，環(huán)境變化更大n受到影響的因素很多，如：門窗是開還是關(guān)？天線放置的位置？人員的分布情況？n

室內(nèi)信道可以分為視距（LOS）和阻擋（OBS）兩種。n

分隔損耗l

同樓層的分隔損耗給出不同頻段、不同材料不同分隔方式的損耗值。如：混凝土墻在1300MHz的損耗

為8－15dB。l

樓層間的分隔損耗和建筑物的材料、類型、層數(shù)、窗戶及頻段有關(guān)。一層的衰減要大，而五、六層以上的衰減很小。第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日大尺度模型：室內(nèi)模型（續(xù)）n

對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型室內(nèi)路徑損耗公式第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日大尺度模型：室內(nèi)模型（續(xù)）n

Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型n

通過測試多層辦公室建筑，獲得

Ericsson無線系統(tǒng)模型n

此模型提供特定地形路徑損耗范圍的確定限度n

右圖給出此模型的室內(nèi)路徑損耗圖第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日小尺度模型（1）n小尺度傳播的主要效應(yīng)：n

信號(hào)強(qiáng)度的快速變化

n

時(shí)變引起的多普勒頻移

n

多徑引起的延時(shí)擴(kuò)展n多徑信道的沖激響應(yīng)模型：l

移動(dòng)信道可以看成線性時(shí)變信道，輸入x(t)和輸出y(t)存在以下關(guān)系第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日小尺度模型（2）n

移動(dòng)多徑信道的參數(shù)：延時(shí)擴(kuò)展及相干帶寬，描述色散n

延時(shí)擴(kuò)展的典型值如下表所示n

相干帶寬估算：第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日小尺度傳播模型（3）n

移動(dòng)多徑信道的參數(shù)：多普勒擴(kuò)展及相干時(shí)間，描述時(shí)變n

多普勒頻移計(jì)算：n

相干時(shí)間計(jì)算：n

對(duì)于高速行駛的車輛，只要傳輸速率大于幾百bits/s，多普勒效應(yīng)就可以忽略，信道就成為慢衰落信道。第四十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日小尺度傳播模型（4）n

平坦衰落的Clarke模型這是一種基于散射的統(tǒng)計(jì)模型。接收信號(hào)的包絡(luò)服從瑞