《无线通信信道》ppt课件

1、清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道第二讲第二讲无线通讯中的信道无线通讯中的信道姚彦教授姚彦教授清华大学微波与数字通讯国家重点实验室清华大学微波与数字通讯国家重点实验室2002年年3月月 广州广州清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道内内 容容 引言引言 自在空间传播自在空间传播 地面视距传播地面视距传播 挪动传播挪动传播清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道引引 言言清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道引言引言(1):无线通讯信道的分类无线通讯信

2、道的分类理想无线信道？非理想无线信道？理想：无阻挠、无衰落、无时变、无干扰，自在空间传播。固定无线信道？挪动无线信道？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。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道引言引言(2):无线通讯信道的目的无线通讯信道的目的 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画 多普

3、勒扩展 - 对信道时变效应的描画 干扰 - 干扰的性质 - 干扰的强度清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道引言引言 (3):无线传播信道的模型无线传播信道的模型 信道呼应为h(, t) ，可以表示色散和时变 假设：线性信道、加性干扰h(, t) s(t)r(t)n(t)清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道自在空间传播自在空间传播清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道自在空间传播自在空间传播 (1)什么叫自在空间？无任何衰减、无任何阻挠、无任何多径的传播空间。无线电波在自在空间传播时，

4、其单位面积中的能量会由于分散而减少。这种减少，称为自在空间的传播损耗。如下图，发射功率为PT，发射天线为各向均匀辐射，那么以发射源为中心，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PTd清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道自在空间传播自在空间传播 (2)由于天线有方向性设发射天线增益为GT，故在主波束方向经过单位面积的功率为：S = GT PT / 4 d2设接纳天线的有效面积为A，那么接纳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，那么天线的有效面积为

5、：A = Gr 2 / 4其中Gr为接纳天线增益， 为自在空间波长代入Pr公式。得到： Pr = Gr GT PT ( / 4 d)2令： Pr / PT = Gr GT / LS其中LS定义为自在空间传播损耗。那么： LS = (4 d / )2 = (4 f d / c )2以分贝数表示： LS = 92.4 + 20 lg f(GHz)+20 lg d(km) dB清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道地面视距传播地面视距传播清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道简简 介介 地面微波通讯属于视距传播。 视距传播的主要

6、特点是收发天线都在视距范围内。 视距传播要思索大气效应和地面效应。 视距和天线高度的关系视距和天线高度的关系由于地球是一个曲由于地球是一个曲面，天线高度面，天线高度h1、h2和和视距视距d之间存在以下关系：之间存在以下关系：d = 3.57( )其中其中h1、h2的单位的单位是是m，d的单位是的单位是km。 阐明：此公式没有思索阐明：此公式没有思索大气及地面对传播的影大气及地面对传播的影响，所以只能用作大致响，所以只能用作大致的估计。的估计。 21 hh 清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道大气效应大气效应 (1):吸收衰减吸收衰减 主要发生在高频段 水蒸

7、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。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道大气效应大气效应 (2):雨雾衰减雨雾衰减 在10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，普通只需几dB。 在10GHz以上频段，雨雾衰减大大添加，到达几dB/km。 下雨衰减是限制高频段微波传播间隔的主要要素。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道大气效应大气效应 (3):大气折射大气折射 引入等效地球半径的概念：3/421

8、一般取值为等效地球半径因子折射率随高度的变化率实际地球半径等效地球半径其中：KKdhdnRRdhdnRRKRRee清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道地面效应地面效应 (1):费涅尔半径和余隙费涅尔半径和余隙 利用动摇光学的惠更斯费涅尔原理，在遇到妨碍物时将产生附加损耗。 妨碍物到T，R连线的垂直间隔为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。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道地面效应地面效应 (2):地面反射地面反射这是产生电平衰落的主要缘由之一。设：反射系数为m，反

9、射相位为1800，自在空间衰减系数为，就可以求出接纳点的场强：为收发之间的距离。为收发天线高度，其中：dhhdhhmmEEtr212/1212,22cos21清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道挪动传播清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道说说 明明 挪动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。 首先，传播环境非常复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的一切过程，如：直射、绕射、反射、散射。 其次，由于用户台的挪动性，传播参数随时变化，引起接纳场强的快速动摇。 为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。清华大学微波与

10、数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道四种传播机制四种传播机制 直射：自在空间传播 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球外表、建筑物和墙壁外表。 绕射：当发射机和接纳机之间的传播路由被锋利的边缘阻挠时，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妨碍物体的数目非常宏大时，发生散射。散射发生在粗糙外表、小物体或其它不规那么物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道两种传播模型：大尺度模型和小尺度模型两种传播模型：大尺度模型和小尺度模型清华大学微波与数

11、字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道两种传播模型两种传播模型(续续) 大尺度途径损耗传播模型描画发射机和接纳机之间长间隔上平均场强的变化，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画挪动台在极小范围内挪动时，短间隔或短时间上接纳场强的快速变化，用于确定挪动通讯系统应该采取的技术措施。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道对数间隔途径衰减规律对数间隔途径衰减规律根据实际和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接纳信号功率随间隔的对数衰减，其途径损耗指数如下表所示：清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信

12、技术无线通信信道大尺度模型清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道大尺度模型：室外模型大尺度模型：室外模型Longley-Rice模型模型适用频率范围：适用频率范围：40MHz-10GHz。 不同种类地形的点对点系统。不同种类地形的点对点系统。利用途径几何学及对流层绕射性，利用途径几何学及对流层绕射性，预测大尺度中值传播损耗。预测大尺度中值传播损耗。有计算机程序，根据输入的途径有计算机程序，根据输入的途径参数，进展点对点预测或区参数，进展点对点预测或区域预测。域预测。缺陷：不能提供对环境要素的修缺陷：不能提供对环境要素的修正，没有思索多径效应正，没有思索多径效

13、应Durkin模型模型描画不规那么地形场强预测的计描画不规那么地形场强预测的计算机仿真器。算机仿真器。已被结合无线电委员会用于进展已被结合无线电委员会用于进展有效挪动无线覆盖区的研讨。有效挪动无线覆盖区的研讨。主要用于大尺度途径损耗的预测。主要用于大尺度途径损耗的预测。缺陷：不能准确预测由于树叶、缺陷：不能准确预测由于树叶、建筑物、其它人造构造引起建筑物、其它人造构造引起的传播效应，不能计算除地的传播效应，不能计算除地面反射以外的多径传播。面反射以外的多径传播。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道大尺度模型：室外模型大尺度模型：室外模型(续续)Okumur

14、a模型模型适用频率范围适用频率范围150MHz-3GHz， 间隔间隔1100km，天线高度，天线高度301000m。预测城区信号时运用最广预测城区信号时运用最广泛的模型，在日本曾经成泛的模型，在日本曾经成为系统规划的规范。为系统规划的规范。开发了一套在特定条件下开发了一套在特定条件下自在空间中值损耗的曲线。自在空间中值损耗的曲线。缺陷：对城区和郊区的快缺陷：对城区和郊区的快速变化反响较慢，和实践速变化反响较慢，和实践情况偏向约情况偏向约1014dB。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道大尺度模型：室外模型大尺度模型：室外模型(续续)Hata模型模型适用频率

15、范围适用频率范围150MHz -1.5GHz根据根据Okumura曲线图所作的曲线图所作的阅历公式，以市区传播损耗阅历公式，以市区传播损耗为规范，并对其它地域进展为规范，并对其它地域进展修正。修正。市区途径损耗的规范公式。市区途径损耗的规范公式。在在1km以上的情况下，预测以上的情况下，预测结果和结果和Okumura模型非常接模型非常接近。近。缺陷：适用于大区制挪动系缺陷：适用于大区制挪动系统，不适用于小区半径为统，不适用于小区半径为1km的个人通讯系统。的个人通讯系统。其它模型其它模型Hata模型的模型的PCS扩展扩展WalfishBertoni模型模型宽带宽带PCS微蜂窝模型微蜂窝模型清华

16、大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道大尺度模型：室内模型大尺度模型：室内模型普通阐明普通阐明室内传播特点：覆盖间室内传播特点：覆盖间隔更小，环境变化更大隔更小，环境变化更大遭到影响的要素很多，遭到影响的要素很多，如：门窗是开还是关？如：门窗是开还是关？天线放置的位置？人员天线放置的位置？人员的分布情况？的分布情况？室内信道可以分为视距室内信道可以分为视距LOS和阻挠和阻挠OBS两种。两种。分隔损耗分隔损耗同楼层的分隔损耗同楼层的分隔损耗 给出不同频段、不同资料给出不同频段、不同资料不同分隔方式的损耗值。如：不同分隔方式的损耗值。如：混凝土墙在混凝土墙在1300

17、MHz的损耗的损耗为为815dB。楼层间的分隔损耗楼层间的分隔损耗 和建筑物的资料、类型、和建筑物的资料、类型、层数、窗户及频段有关。一层数、窗户及频段有关。一层的衰减要大，而五、六层层的衰减要大，而五、六层以上的衰减很小。以上的衰减很小。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道大尺度模型：室内模型大尺度模型：室内模型(续续)对数间隔途径损耗模型对数间隔途径损耗模型 室内途径损耗公式室内途径损耗公式的正态随机变量表示标准偏差为为路径损耗指数，其中：XnXddndPLdBPL)log(10)()(00清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术

18、无线通信信道大尺度模型：室内模型大尺度模型：室内模型(续续)Ericsson多重断点模多重断点模型型经过测试多层办公经过测试多层办公室建筑，获得室建筑，获得Ericsson无线系统模无线系统模型型此模型提供特定地此模型提供特定地形途径损耗范围确形途径损耗范围确实定限制实定限制右图给出此模型的右图给出此模型的室内途径损耗图室内途径损耗图清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道小尺度模型小尺度模型清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道内内 容容 小尺度多径传播概述 影响小尺度衰落的要素 一个多径信道的冲激呼应模型 挪动多径信道的

19、参数 衰落类型清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道小尺度多径传播概述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间隔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)经短间隔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。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道影响衰落的要素影响衰落的要素 多径传播 挪动台的运动速度 环境物体的运动速度 信号的传输带宽清华大学微波

20、与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道多普勒频移多普勒频移 fd：多普勒频移(Hz) v：挪动台挪动速度(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 多普勒频移与挪动台的运动速度，运动方向与入射波之间的夹角有关。coscoscvfvfcd清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道多径信道冲激呼应模型多径信道冲激呼应模型(1)x(t)表示所传输的带通讯号波形y(t)表示接纳波形h(t,)表示时变多径无线信道的冲激相应。x(t)y(t)tjwbcethth),(Re),(),()()(thtxt

21、yx(t)y(t)tjwbcethth),(Re),(清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道多径信道冲激呼应模型多径信道冲激呼应模型(2)c(t)、r(t)是x(t)和y(t)的等效基带表示，关系为：c(t)r(t),(21thb),()()(21thtctrb)2exp()(Re)(tfjtctxc)2exp()(Re)(tfjtrtyc清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道多径信道冲激呼应模型(3)多径信道的接纳信号由多个被减弱、有时延、有相移的传输信号组成，其基带冲激呼应模型可表示为：10)(),()(2(exp),

22、(),(Niiiicibtttfjtath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间隔具有不变性，那么信道冲激呼应模型可简化为:10)()exp()(Niiiibjah清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道挪动多径信道的参数挪动多径信道的参数 时间色散参数 相关带宽 多普勒扩展 相关时间清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道时间色散参数时间色散参数 平均时延扩展 rms时延扩展 附加时延扩展(XdB)清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道时间色散参数时间色散参数:平均时延扩展

23、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kkkkkkkkkkPPaa)()(22清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道时间色散参数时间色散参数:rms时延扩展时延扩展rms时延扩展是功率延迟分布的二阶矩，定义为：22)(其中，kkkkkkkkkkPPaa)()(22222清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道时间色散参数时间色散参数:最大附加时延最大附加时延(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)。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA 移动通信技术无线通信信道相关带宽相关带宽相关带宽定义