《无线通信信道》PPT课件.ppt

第二讲 无线通信中的信道 姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2002年3月广州 内容 引言自由空间传播地面视距传播移动传播 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 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 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 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 大气效应 1 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 大气效应 2 雨雾衰减 在10GHz以下频段 雨雾衰减并不严重 一般只有几dB 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 大气效应 3 大气折射 引入等效地球半径的概念 地面效应 1 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 地面效应 2 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 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 两种传播模型 大尺度模型和小尺度模型 两种传播模型 续 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 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 大尺度模型 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 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 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 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 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 内容 小尺度多径传播概述影响小尺度衰落的因素一个多径信道的冲激响应模型移动多径信道的参数衰落类型 小尺度多径传播概述 小尺度衰落 简称衰落 无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落 变化的程度取决于多径波的强度 相对传播时间和传播信号的带宽 衰落的效应表现为 1 经短距离或短时传播后信号强度的急速变化 2 在不同多径信号上 存在时变的多普勒频移引起的随机频率调制 3 多径传播时延引起的扩展 影响衰落的因素 多径传播移动台的运动速度环境物体的运动速度信号的传输带宽 多普勒频移 fd 多普勒频移 Hz v 移动台移动速度 m s 载波波长 m fc 载波频率 Hz c 光速 m s 运动方向与入射波夹角多普勒频移与移动台的运动速度 运动方向与入射波之间的夹角有关 多径信道冲激响应模型 1 x t 表示所传输的带通信号波形y t 表示接收波形h t 表示时变多径无线信道的冲激相应 多径信道冲激响应模型 2 c t r t 是x t 和y t 的等效基带表示 关系为 多径信道冲激响应模型 3 多径信道的接收信号由多个被减弱 有时延 有相移的传输信号组成 其基带冲激响应模型可表示为 如假设信道具有时不变特性 或者至少在一小段时间间隔或距离具有不变性 则信道冲激响应模型可简化为 移动多径信道的参数 时间色散参数相干带宽多普勒扩展相干时间 时间色散参数 平均时延扩展rms时延扩展附加时延扩展 XdB 时间色散参数 平均时延扩展 平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩 定义为 时间色散参数 rms时延扩展 rms时延扩展是功率延迟分布的二阶矩 定义为 其中 时间色散参数 最大附加时延 XdB 最大附加时延 XdB 定义为多径能量从初值衰落到低于最大能量XdB处的时延 最大附加时延定义为 x 0 其中 0为第一个到达信号 x为最大时延值 其间到达多径分量不低于最大分量减去XdB 最强多径信号不一定在 0处到达 相干带宽 相干带宽定义为频率相关函数大于0 9的特定带宽 则相干带宽近似为 相干带宽定义为频率相关函数大于0 5的特定带宽 则相干带宽近似为 多普勒扩展 多普勒扩展被定义为一个频率范围 在此范围内接收的多普勒普有非0值 当发送频率为fc的纯正弦信号时 接收信号谱即多普勒谱在fc fd至fc fd范围内存在分量 其中fd为多普勒频移 相干时间tc 相干时间是多普勒扩展在时域的表示 用于在时域描述信道频率色散的时变特性 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值 如果基带