无线通信基础课件

第二章，无线信道的特点，主讲人：张伟，电子科学与工程学院军事通信工程系，共102页，多发伤。加法，乘法；在时间或者频率上；干扰、环境噪声；快速变化、缓慢变化等。时变信道的特性随时间而变化。如何在无线信道上实现高质量的通信是一项具有挑战性的任务。第3页，共102页，第4页，共102页，2.1多径传播环境，1，无线通信信号的传播模式，2，接收信号中的四种效应，3，衰落，4，多径延迟(时间色散)，5，多普勒频移(频率色散)，第5页，共102页，第2.1多径传播环境，1，无线通信信号的传播模式，反射：当电磁波遇到波长大得多的物体时会发生反射，反射发生在地球表面、建筑物和墙壁上。衍射：当接收器和发射器之间的无线路径被尖锐的边缘阻挡时，就会发生衍射。散射：当波通过的介质中有小于波长的物体，并且每单位体积的屏障数量非常大时，就会发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其他不规则物体上。直接：发射器信号不受阻碍地到达接收器。四种最基本的传播模式：第6页，共102页，无线电波的直接、反射和衍射，第2.1页，多径传播环境(光线跟踪方法)，第7页，共102页，第2.1页，多径传播环境，第2页，接收信号中的四种效应(1)，第8页，共102页，第2.1页，多径传播环境，第2页，第9页，共102页，第2.1页，多径传播环境，第2页，第4页，接收信号中的四种效应(3)，多普勒频移，第10页，第10页，什么是阴影效应？什么是半盲区？什么是多普勒效应？多普勒频移和用户移动速度之间有什么关系？第11页，共102页，2.1多径传播环境，2，接收信号中的四种效应(4)，多径效应：由于接收机地理环境的复杂性，接收信号是来自不同路径的多个信号的组合。当它们到达时，信号强度、信号相位、信号频率和信号方向都不同。接收信号是上述路径信号的矢量和。这种自干扰现象称为多径干扰或多径效应。第12页，共102页，2.1多径传播环境，第2页，接收信号中的四种效应(4)，第13页，共102页，第2.1多径传播环境，第3页，衰落，第14页，共102页，第2.1多径传播环境，第3页，衰落，信号功率，t-r距离，tx，rx，rx，大规模路径损耗，大规模路径损耗阴影损耗，大规模路径损耗阴影损耗小规模衰落，第15页，共102页，第2.1多径传播环境，第3页，衰落)衰落)小尺度衰落，两个矢量之和，有接收信号：其中：与移动无线通信相比，固定无线通信有小尺度衰落吗？第17页，共102页，第3页，衰落小尺度衰落实验，第18页，共102页，2.1多径传播环境，第19页，共102页，2.1多径传播环境，第20页，共102页，2.1多径传播环境，第3页，衰落小尺度衰落，衰落深度可达20-40 db。水平振幅分布通常遵循瑞利分布、赖斯分布和纳加米分布。变化的速度很快。它是选择性的。也就是说，衰落特性在不同的频率、不同的时间和不同的空间中是不同的。这是无线移动通信中最难克服的衰落。，第21页，共102页，2.1多径传播环境，3，衰落：概述，不同级别的三种类型的损耗，大范围路径损耗，阴影损耗，小范围衰落，电磁波在空间传播引起的损耗，以千米为单位，传播阻塞阴影效应引起的损耗为数百个波长，这反映了小范围接收级别平均值的波动趋势。它在几十个波长以下。第22页共102页，2.1多径传播环境，4，多径延迟(时间色散)，第23页共102页，2.1多径传播环境，4，多径延迟(时间色散)，多径延迟大于脉冲宽度，第24页共102页，2.1多径传播环境，4。多径时间延迟(时间色散)，基站(BS)，移动台(MS)，小于脉冲宽度的多径时间延迟，第25页，共102页，2.1多径传播环境，第4页，多径时间延迟(时间色散)，小于脉冲宽度的多径时间延迟，大于脉冲宽度的多径时间延迟，第26页，共102页，第2.1多径传播环境，第5页，多普勒频移(频率色散)，第27页，共102页，综述：什么是大规模路径损耗？什么是阴影损失？什么是小规模衰退？什么是多径延迟？在第28页，总共有102页。无线信道是一个完全开放的信道，其传播损耗主要由宏观和大范围的传播环境决定。2.4大规模路径损耗和阴影衰落，传播损耗不仅由传播距离决定，还与地形、地貌、传播的载波频率以及发射和接收天线的高度密切相关。从理论的角度来看，很难给出一个精确而完整的公式。工程中一般采用一些模型和经验公式，基本上能满足工程技术人员的估算要求。第29页，共102页，2.4.1自由空间传播模型(教科书2.4.1)，2.4.2平滑平面上的无线电波传播(教科书2.4.2)，2.4.3带阴影的对数距离路径损耗(教科书2.4.3，2.4.6)，2.4.4室外/室内传播模型(教科书2.4.4/2.4.5)，第30页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，什么是理想的无线信道？无阻挡，无吸收，无变化，无干扰，自由空间传输。2.4.1自由空间传播模型，当无线电波在自由空间传播时，每单位面积的能量将由于扩散而减少。这种减少被称为自由空间中的传播损耗。第31页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，发射功率为Pt，发射天线向所有方向均匀辐射，则以发射源为中心、d为半径的球面上的单位面积功率为：s=pt/4d2，发射天线增益：Gt，接收天线的有效面积：a=Gr2/4，其中Gr是接收天线的增益，是信号波长。有：接收天线输出的功率Pr是上述三者的乘积。Friis公式(1):定义，2.4.1自由空间传播模型，第32页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，1。Friis公式(1):定义，2.4.1自由空间传播模型，第33页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，通常直接定义为自由空间路径损耗：1。Friis公式(1):定义，2.4.1自由空间传播模型，路径损耗dB表示：接收功率衰减与距离的关系为20dB/10倍范围，第34页共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，1。弗里斯公式(2):适用范围，2.4.1自由空间传播模型，弗里斯自由空间传播模型仅适用于天线的远场区域。，定义天线的远场区域(夫琅和费区域)是超过远场距离df的区域，即ddf，第35页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，1。弗里斯公式(2):适用范围，2.4.1自由空间传播模型，参考距离，第36页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.1自由空间传播模型，确定几个常用单位：第37页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.1自由空间传播模型，解决方案，第38页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.1自由空间传播模型，解决方案，第页大气效应(1):吸收衰减，水蒸气的最大吸收峰主要出现在23千兆赫(1.3厘米)的高频带； 氧气的最大吸收峰为60 GHz(5毫米)；对于低于12千兆赫(2.5厘米)的频率，大气吸收衰减小于0.015分贝/公里。第40页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.1自由空间传播模型，大气效应(2):雨雾衰减，雨雾衰减在10千兆赫以下频段不严重，一般只有几分贝。在10千兆赫以上的频段，雨雾衰减大大增加，达到几分贝/公里。雨衰减是限制微波在高频带传播距离的主要因素。第41页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.1自由空间传播模型，大气效应(3):大气折射，当一束电波穿过折射率随高度变化的大气时发生弯曲。这种效应通常相当于地球半径的变化。对于超短波波段，折射尤为突出，会影响视距的极限传播距离。第42页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.1自由空间传播模型，视线极限传播距离(LOS)，Re:地球等效半径，取标准大气压下的经验值，第43页，共102页，第2.4大规模路径损耗和阴影衰落，分配：2.17，第44页，共102页，第2.4大规模路径损耗和阴影衰落， 2.4.2波在光滑平面上传播和反射的条件：当波传播遇到两种不同介质(如地球表面或水面)的光滑反射平面时，如果界面的尺寸远大于波的波长，就会发生反射。反射性能：反射角=入射角，第45页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.2无线电波在平滑平面上传播，线性传播距离：反射路径传播距离：双线模型，第46页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.2无线电波在平滑平面上传播，第47页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.2无线电波在平滑平面上传播，即有上述公式表明，随着发射机和接收机之间距离的增加，路径损耗将在最小点和最大点之间交替变化；2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.2无线电波在光滑平面上传播，相应的路径损耗为：一般来说，路径损耗随距离的增加而增加；在自由空间传播模型中，如果频率加倍，路径增加10倍，路径损耗将增加多少分贝？发射天线的高度是9米，接收天线的高度是4米，视距极限传播距离是多少公里？发射天线高度为30m，接收天线高度为2m。在正常情况下，应用双线模型的最小距离是多少？第50页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.2无线电波在光滑平面上的传播，当时有：即，在d处的接收功率是：双线模型的几个重要结论，1。路径损耗显示功率衰减为4，这表明其接收功率衰减远快于自由空间(功率衰减为2)。结果表明，发射天线和接收天线的高度对路径损耗有明显的影响。路径损耗与频率无关。第51页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.2无线电波在光滑平面上传播，第一菲涅尔区距离：双线模型的几个重要结论，2、工程中一般认为路径损耗小于第一菲涅尔区距离di，第52页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.2无线电波在光滑平面上的传播，双线模型的几个重要结论，3、地面反射模型是一个简单而非常有用的射线追踪模型。该模型在预测几公里范围内的大规模信号强度方面非常精确(使用更高的天线塔)。小区视距内的微小区环境预测也非常准确。预测由直达波和强地面反射波主导的无线信道是非常有效的。第53页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，与自由空间损耗相比，如何？3公里处的双线模型与自由空间传播模型相比如何？第54页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，操作：B1，(a)在路径损耗分析中，分析双线模型的优缺点。(二)在下列情况下，可否采用双线模式，并解释原因。1) ht=35m，HR=3m，d=250m2) ht=30m，HR=1.5m，d=450m，B2，比较精确公式(2.4.12)和双线地面反射模型中近似公式之间的路径损耗差异。假设发射机高度为40米，接收机高度为3米，频率为1800兆赫，根据这两个公式分别计算1公里、3公里和5公里距离处的路径损耗，并计算第一菲涅耳区距离。第55页第102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.3对数距离路径损耗和阴影，实际应用环境非常复杂。大多数实用模型是通过理论分析和实际测量相结合而获得的。根据应用环境，理论分析找出主要影响因素，建立模型，通过仿真或计算得到传播模型。实际测量根据大量实验测量数据绘制传播损耗曲线或准合成分析表达式，然后抽象传播模型。第56页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.3对数距离路径损耗和阴影。对于实际的路径损耗估计，我们可以用统计的方法来研究传播特性。此时，传播特征基于一般环境类型(例如城市、郊区和农村地区)的经验近似。实际路径损耗估计分为两部分：代表平均变化：对数距离路径损耗代表局部变化：对数正态阴影，第57页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.3带阴影的对数距离路径损耗，1。对数距离路径损耗(1)。基于理论和测试的传播模型指出，无论室外还是室内信道，平均接收信号功率随距离的变化呈对数衰减。功率衰减与距离的关系为10kdB/10倍范围，第58页共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.3对数距离路径损耗和阴影，代表不同环境下的路径损耗指数，1。对数距离路径损耗(2)，第59页共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.3对数距离路径损耗和阴影，在自由空间选择参考距离非常重要。1。对数距离路径损耗(3)。在室外宏单元中，d0通常为1千米。参考距离总是在天线的远场中。参考路径损耗取决于载波频率、天线高度和增益以及其他因素。在室内微微蜂窝中，d0的典型值为1m。在室外微小区中，d0的典型值为100米。第60页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.3带阴影的对数距离路径损耗，2 .对数正态阴影(1)，对数正态分布是一种广泛使用的描述阴影效应的模型。第61页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.3对数距离路径损耗和阴影，2，对数正态阴影(2)，第62页，共102页，2.4大规模路径损耗和阴影衰落，2.4.3对数距离路径损耗和阴影，对数正态阴影描述了