1、無線通信工程,姚彥教授 清華大學微波與數(shù)字通信國家重點實驗室 2001年11月17日,第三講,無線通信的信道 引言 自由空間傳播 地面視距傳播 地面超視距傳播 移動傳播,引 言,引言（1）：無線通信信道的分類,理想無線信道？非理想無線信道？ 理想：無阻擋、無衰落、無時變、無干擾，自由空間傳播。 固定無線信道？移動無線信道？ 視距無線信道？非視距無線信道？ 視距，如：地面視距、衛(wèi)星。 非視距，如：地面繞射、對流層散射、電離層折射。 有干擾無線信道？無干擾無線信道？ 干擾，如：系統(tǒng)內部的干擾、系統(tǒng)外部的非敵意干擾、敵意干擾。,引言（2）：無線通信信道的指標,傳播衰減 衰減的平均值 衰減的最大值 衰

2、減的統(tǒng)計特性 傳播延時 延時的平均值 延時的最大值 延時的統(tǒng)計特性,延時擴展 對信道色散效應的描述 多普勒擴展 對信道時變效應的描述 干擾 干擾的性質 干擾的強度,引言（3）：無線傳播信道的模型,信道響應為h(, t) ，可以表示色散和時變 假設：線性信道、加性干擾,h(, t),s(t),r(t),n(t),自由空間傳播,自由空間傳播（1）,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。 無線電波在自由空間傳播時，其單位面積中的能量會因為擴散而減少。這種減少，稱為自由空間的傳播損耗。 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

3、的功率為： S PT / 4 d2,球面上的功率流,PT,d,自由空間傳播（2）,由于天線有方向性（設發(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 / 4 d2 設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,代入Pr公式。得到： Pr = Gr GT PT ( / 4 d)2 令： Pr / PT = Gr GT / LS 其中LS定義為自由空間傳播損耗。 則： L

4、S = (4 d / )2 = (4 f d / c )2 以分貝數(shù)表示： LS = 92.4 + 20 lg f(GHz) +20 lg d(km) dB,地面視距傳播,簡 介,地面微波通信屬于視距傳播。 視距傳播的主要特點是收發(fā)天線都在視距范圍內。 視距傳播要考慮大氣效應和地面效應。,視距和天線高度的關系 由于地球是一個曲面，天線高度h1、h2和視距d之間存在以下關系： d = 3.57( ) 其中h1、h2的單位是m，d的單位是km。 說明：此公式沒有考慮大氣及地面對傳播的影響，所以只能用作大致的估計。,大氣效應之一：吸收衰減,主要發(fā)生在高頻段 水蒸汽的最大吸收峰在23GHz(1.3cm

5、)； 氧氣的最大吸收峰在60GHz(5mm)； 對于12GHz(2.5cm)以下的頻率，大氣吸收衰減小于： 0.015dB/km。,大氣效應之二：雨霧衰減,在10GHz以下頻段，雨霧衰減并不嚴重，一般只有幾dB。 在10GHz以上頻段，雨霧衰減大大增加，達到幾dB/km。 下雨衰減是限制高頻段微波傳播距離的主要因素。,大氣效應之三：大氣折射,引入等效地球半徑的概念：,地面效應之一：費涅爾半徑和余隙,利用波動光學的惠更斯費涅爾原理，在遇到障礙物時將產生附加損耗。 障礙物到T，R連線的垂直距離為hc，稱為余隙。一階費涅爾半徑為h1，定義hc/h1為相對余隙。就可以從右圖求出附加損耗。,地面效應之二

6、：地面反射,這是產生電平衰落的主要原因之一。 設：反射系數(shù)為m，反射相位為1800，自由空間衰減系數(shù)為，就可以求出接收點的場強：,平衰落,當衰落較嚴重時，接收點的場強接近瑞利分布 接收點場強小于某個值的概率,通用公式 例： B1 C3.5 A=1.4108 Q=1,頻率選擇性衰落,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函數(shù)，如下圖所示。,地面超視距傳播,對流層散射傳播,在地球表面1012 km處為對流層，存在大量隨機運動的不均勻介質，能對電波產生折射、散射和反射。 散射通信是利用部分散射體內介質的前向散射信號。這是典型的多徑信道。 通信距離可達幾百上千公里。,

7、散射信道不存在電波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。 根據(jù)測試結果，接收電平小于其均方根值10dB, 20dB, 30dB的概率分別為10，1，0.1%。 快衰落服從瑞利分布。 慢衰落服從對數(shù)正態(tài)分布。 克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技術。,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，然而在晚上都會消失。對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。,電離層反射傳播（續(xù)）,存在嚴重的多徑效應，最大傳播延時差可達毫秒量級。 存在嚴重的時變性，電離層的特性隨時變化，并且很難準確預測 存在最高可用頻率，為了實

8、現(xiàn)較好的傳輸質量，工作頻率應盡可能接近最高可用頻率。這些頻率都在短波波段（230MHz）。,存在多種附加損耗。如：吸收損耗（625dB），地面反射損耗（20dB），系統(tǒng)額外損耗（1518dB） 存在嚴重的干擾，這是短波通信的一大特點。包括：大氣噪聲、工業(yè)干擾、天電干擾、其它電臺的干擾。 技術措施：自適應均衡、自動線路建立、分集。,流星余跡傳播,據(jù)統(tǒng)計，每晝夜有數(shù)百億的流星進入大氣層，和空氣碰撞產生電離。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

9、道穩(wěn)定，可以按照自由空間傳播損耗計算 長延時，要考慮對話音質量和通信協(xié)議的影響,移動衛(wèi)星 要考慮地面的影響，包括多徑和遮蔽 接收信號電平服從萊斯分布 要考慮多普勒頻移,移動傳播,說 明,移動無線傳播面臨的是隨時變化的、復雜的環(huán)境。 首先，傳播環(huán)境十分復雜，傳播機理多種多樣。幾乎包括了電波傳播的所有過程，如：直射、繞射、反射、散射。 其次，由于用戶臺的移動性，傳播參數(shù)隨時變化，引起接收場強的快速波動。 為此，提出大尺度傳播模型和小尺度傳播模型。,四種傳播機制,直射：自由空間傳播 反射：當電磁波遇到比波長大得多的物體時，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：當發(fā)射機和接收機之間的

10、傳播路由被尖銳的邊緣阻擋時，發(fā)生繞射。 散射：當電磁波的傳播路由上存在小于波長的物體、并且單位體積內這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時，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、街道標志和燈柱等。,二種傳播模型：大尺度模型和小尺度模型,大尺度路徑損耗傳播模型 描述發(fā)射機和接收機之間長距離上平均場強的變化，用于預測平均場強并估計無線覆蓋范圍。 小尺度多徑衰落傳播模型 描述移動臺在極小范圍內移動時，短距離或短時間上接收場強的快速變化，用于確定移動通信系統(tǒng)應該采取的技術措施。,二種傳播模型（續(xù)）,對數(shù)距離路徑衰減規(guī)律,根據(jù)理論和測試結果，無論室內還是室外信道，平均接收信號功率隨距離的

11、對數(shù)衰減，其路徑損耗指數(shù)如下表所示：,多徑擴散和相干帶寬的關系,多徑擴散和相干帶寬,多普勒擴散和相干時間的關系,多普勒擴散和相干時間,基于多徑時延擴散,平衰落 信號帶寬相干帶寬 時延擴散符號周期,頻率選擇性衰落 信號帶寬相干帶寬 時延擴散符號周期,基于多普勒擴散,快衰落 多普勒頻移大 相干時間符號周期 信道變化快于基帶信號的變化,慢衰落 多普勒頻移小 相干時間符號周期 信道變化慢于基帶信號的變化,衰落信道的分類,大尺度模型：室外模型,Longley-Rice模型 適用頻率范圍：40MHz-10GHz。 不同種類地形的點對點系統(tǒng)。 利用路徑幾何學及對流層繞射性，預測大尺度中值傳播損耗。 有計算機

12、程序，根據(jù)輸入的路徑參數(shù)，進行點對點預測或區(qū)域預測。 缺點：不能提供對環(huán)境因素的修正，沒有考慮多徑效應。,Durkin模型 描述不規(guī)則地形場強預測的計算機仿真器。 已被聯(lián)合無線電委員會用于進行有效移動無線覆蓋區(qū)的研究。 主要用于大尺度路徑損耗的預測。 缺點：不能精確預測由于樹葉、建筑物、其它人造結構引起的傳播效應，不能計算除地面反射以外的多徑傳播。,大尺度模型：室外模型（續(xù)）,Okumura模型 適用頻率范圍150MHz-3GHz， 距離1100km，天線高度301000m。 預測城區(qū)信號時使用最廣泛的模型，在日本已經成為系統(tǒng)規(guī)劃的標準。 開發(fā)了一套在特定條件下自由空間中值損耗的曲線。 缺點：

13、對城區(qū)和郊區(qū)的快速變化反應較慢，和實際情況偏差約1014dB。,大尺度模型：室外模型（續(xù)）,Hata模型 適用頻率范圍150MHz -1.5GHz 根據(jù)Okumura曲線圖所作的經驗公式，以市區(qū)傳播損耗為標準，并對其它地區(qū)進行修正。 市區(qū)路徑損耗的標準公式。在1km以上的情況下，預測結果和Okumura模型非常接近。 缺點：適用于大區(qū)制移動系統(tǒng)，不適用于小區(qū)半徑為1km的個人通信系統(tǒng)。,其它模型 Hata模型的PCS擴展 WalfishBertoni模型 寬帶PCS微蜂窩模型,大尺度模型：室內模型,一般說明 室內傳播特點：覆蓋距離更小，環(huán)境變化更大 受到影響的因素很多，如：門窗是開還是關？天線

14、放置的位置？人員的分布情況？ 室內信道可以分為視距（LOS）和阻擋（OBS）兩種。,分隔損耗 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815dB。 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。一層的衰減要大，而五、六層以上的衰減很小。,大尺度模型：室內模型（續(xù)）,對數(shù)距離路徑損耗模型 室內路徑損耗公式,大尺度模型：室內模型（續(xù)）,Ericsson多重斷點模型 通過測試多層辦公室建筑，獲得Ericsson無線系統(tǒng)模型 此模型提供特定地形路徑損耗范圍的確定限度 右圖給出此模型的室內路徑損耗圖,小尺度模型（1）,小尺度傳播的

15、主要效應： 信號強度的快速變化 時變引起的多普勒頻移 多徑引起的延時擴展,多徑信道的沖激響應模型： 移動信道可以看成線性時變信道，輸入x(t)和輸出y(t)存在以下關系,小尺度模型（2）,移動多徑信道的參數(shù)：延時擴展及相干帶寬，描述色散 延時擴展的典型值如下表所示 相干帶寬估算：,小尺度傳播模型（3）,移動多徑信道的參數(shù)：多普勒擴展及相干時間，描述時變 多普勒頻移計算： 相干時間計算： 對于高速行駛的車輛，只要傳輸速率大于幾百bits/s，多普勒效應就可以忽略，信道就成為慢衰落信道。,小尺度傳播模型（4）,平坦衰落的Clarke模型 這是一種基于散射的統(tǒng)計模型。接收信號的包絡服從瑞利分布： 射頻信號受到多普勒衰落影響的功率譜密度如右圖所示。,小尺度傳播模型（5）,電平交叉率（LCR）： 瑞利衰落包絡歸一化為本地rms電平后，沿正向穿過某一指定電平的速率。表示為：,平均衰落時段： 接收信號低于某指定電平R的平均時間段的值。表示為：,小尺度傳播模型（6）,雙線瑞利衰落模型 Clarke模型及瑞利衰落統(tǒng)計模型只適用于平衰落，而不考慮多徑時延。為此，采用一種常用的獨立雙線瑞利衰落信道模型。其沖激響應為：,小尺度傳播模型（7）,Saleh和Valenzue