《无线通信信道》PPT课件.ppt

1、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

2、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 d

3、2 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 = GT PT / 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 = S A = A GT PT / 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 = Gr GT PT ( / 4 d)2 令： Pr / PT = Gr GT / LS 其中LS定义为自由空间传播损耗。 则： LS = (4 d / )2 = (4 f

4、 d / c )2 以分贝数表示： LS = 92.4 + 20 lg f(GHz) +20 lg d(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(

5、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

6、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

7、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

8、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-

9、3GHz， 距离1100km，天线高度301000m。 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1014dB。,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

10、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815dB。 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

11、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

12、,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

13、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