第04讲-无线信道(2)

1、清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程无线通信工程无线通信工程姚彦教授姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室清华大学微波与数字通信国家重点实验室20042004年年10101212月月清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程第第0404讲：无线信道（讲：无线信道（2 2）清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程地面超视距传播地面超视距传播移动传播的大尺度模型移动传播的大尺度模型移动传播的小尺度模型移动传播的小尺度模型清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程地面超视距传

2、播地面超视距传播清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程对流层散射传播对流层散射传播 在地球表面在地球表面101012 km12 km处处为对流层，存在大量随为对流层，存在大量随机运动的不均匀介质，机运动的不均匀介质，能对电波产生折射、散能对电波产生折射、散射和反射。射和反射。 散射通信是利用部分散散射通信是利用部分散射体内介质的前向散射射体内介质的前向散射信号。这是典型的多径信号。这是典型的多径信道。信道。 通信距离可达几百上通信距离可达几百上千公里。千公里。 散射信道不存在电波的直射分散射信道不存在电波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。量，是典型的瑞利衰落信道

3、。 根据测试结果，接收电平小于根据测试结果，接收电平小于其均方根值其均方根值1010dB, 20dB, 30dBdB, 20dB, 30dB的的概率分别为概率分别为1010，1 1，0.1%0.1%。 快衰落服从瑞利分布。快衰落服从瑞利分布。 慢衰落服从对数正态分布。慢衰落服从对数正态分布。 克服散射信道衰落的主要方法克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技术。是采用分集接收技术。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程电离层反射传播电离层反射传播 在地球上空在地球上空60km60km以上是电离层，可以分为以上是电离层，可以分为D D层、层、E E层、层、F F

4、层。层。D D层能吸收电波，层能吸收电波，E E层能反射电波，然而在晚上都会消失。层能反射电波，然而在晚上都会消失。对电波起良好反射作用的是对电波起良好反射作用的是F F层，并且能够在昼夜都保持层，并且能够在昼夜都保持一定的通信功能。一定的通信功能。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程电离层反射传播（续）电离层反射传播（续） 存在严重的多径效应，最存在严重的多径效应，最大传播延时差可达毫秒量大传播延时差可达毫秒量级。级。 存在严重的时变性，电离存在严重的时变性，电离层的特性随时变化，并且层的特性随时变化，并且很难准确预测很难准确预测 存在最高可用频率，为了存在

5、最高可用频率，为了实现较好的传输质量，工实现较好的传输质量，工作频率应尽可能接近最高作频率应尽可能接近最高可用频率。这些频率都在可用频率。这些频率都在短波波段（短波波段（2 23030MHzMHz）。）。 存在多种附加损耗。如：存在多种附加损耗。如：吸收损耗（吸收损耗（6 62525dBdB），地面），地面反射损耗（反射损耗（20dB20dB），系统额），系统额外损耗（外损耗（15151818dBdB） 存在严重的干扰，这是短存在严重的干扰，这是短波通信的一大特点。包括：波通信的一大特点。包括：大气噪声、工业干扰、天电大气噪声、工业干扰、天电干扰、其它电台的干扰。干扰、其它电台的干扰。 技术措

6、施：自适应均衡、技术措施：自适应均衡、自动线路建立、分集。自动线路建立、分集。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程流星余迹传播流星余迹传播 据统计，每昼夜有数百据统计，每昼夜有数百亿的流星进入大气层，亿的流星进入大气层，和空气碰撞产生电离。和空气碰撞产生电离。在地面在地面8080120km120km处形成处形成电离气体带，这就是流电离气体带，这就是流星余迹。星余迹。 利用流星余迹的散射和利用流星余迹的散射和反射进行通信。反射进行通信。 工作频率工作频率30308080MHzMHz，传，传输距离输距离2002002000km2000km，传，传输速率低，用于突发

7、通输速率低，用于突发通信。信。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程卫星传播卫星传播静止卫星静止卫星 信道稳定，可以按照信道稳定，可以按照自由空间传播损耗计自由空间传播损耗计算算 长延时，要考虑对话长延时，要考虑对话音质量和通信协议的音质量和通信协议的影响影响移动卫星移动卫星要考虑地面的影响，要考虑地面的影响，包括多径和遮蔽包括多径和遮蔽接收信号电平服从莱接收信号电平服从莱斯分布斯分布要考虑多普勒频移要考虑多普勒频移清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程移动传播的大尺度模型移动传播的大尺度模型清华大学微波与数字通信国家重点实验室第

8、04讲无线信道(2)无线通信工程说说 明明 移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。境。 首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。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、几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。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。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。为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04

9、讲无线信道(2)无线通信工程忽略色散及时变的传播模型忽略色散及时变的传播模型 这时，可以不从相关函数的角度去描述信道的统计特性，这时，可以不从相关函数的角度去描述信道的统计特性，而是从概率密度函数的角度去描述任意时刻（或距离）而是从概率密度函数的角度去描述任意时刻（或距离）的信道特性。的信道特性。 假定多径时延扩展比信号的符号周期小得多，而且平均假定多径时延扩展比信号的符号周期小得多，而且平均时延是时不变的，信道的冲激响应可以写成：时延是时不变的，信道的冲激响应可以写成： 发送信号为发送信号为x(t)，接收信号为，接收信号为r(t)，就有：，就有： 接收信号除了有一个时延外，还有一个时变的增益

10、接收信号除了有一个时延外，还有一个时变的增益g(t)。 00tgt ,ht ,h 0txtgdtxt ,htr清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程忽略色散及时变的传播模型（续）忽略色散及时变的传播模型（续）清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程信道的时变增益信道的时变增益g(t)g(t)可以分解为小尺度（或短期）衰落成可以分解为小尺度（或短期）衰落成分和大尺度（或长期）衰落成分。路径损耗传播模型：分和大尺度（或长期）衰落成分。路径损耗传播模型： 大尺度多径衰落传播模型：信道增益的大尺度多径衰落传播模型：信道增益的“宏观值宏观值”

11、，与，与发射机和接收机之间的距离有关，也和传播环境有关，发射机和接收机之间的距离有关，也和传播环境有关，是路径损耗在一定距离或一定时间内的平均，用于预测是路径损耗在一定距离或一定时间内的平均，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。平均场强并估计无线覆盖范围。 小尺度多径衰落传播模型：信道增益的小尺度多径衰落传播模型：信道增益的“微观值微观值”，是，是由多径传播造成的，与发射机和接收机之间的距离无关，由多径传播造成的，与发射机和接收机之间的距离无关，描述移动台在极小范围内移动时，短距离或短时间上接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收场强

12、的快速变化，用于确定移动通信系统应该采取的技术措施。技术措施。忽略色散及时变的传播模型（续）忽略色散及时变的传播模型（续）清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程大尺度路径损耗值和传播距离有关，和工作频率有关，也大尺度路径损耗值和传播距离有关，和工作频率有关，也和传播环境有关。分三种情况讨论：和传播环境有关。分三种情况讨论： 自由空间传播模型：前一讲已经介绍，路径损耗和距离自由空间传播模型：前一讲已经介绍，路径损耗和距离二次方成正比，和频率二次方成正比。二次方成正比，和频率二次方成正比。 地面视距传播模型：前一讲也已经介绍。由于两条路径地面视距传播模型：前一讲也已

13、经介绍。由于两条路径的干涉效果，在某些情况下，路径损耗会比自由空间好的干涉效果，在某些情况下，路径损耗会比自由空间好6dB6dB，而在某些情况下，路径损耗会出现无穷大值。，而在某些情况下，路径损耗会出现无穷大值。 复杂多径传播模型：移动通信面临的是复杂的多径传播复杂多径传播模型：移动通信面临的是复杂的多径传播环境，其总的路径损耗可以表示为对数距离路径损耗与环境，其总的路径损耗可以表示为对数距离路径损耗与对数正态阴影损耗的组合。对数正态阴影损耗的组合。大尺度路径损耗的计算大尺度路径损耗的计算清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程计算公式：计算公式：其中：其中： d

14、 d0 0是近区参考距离，典型值为是近区参考距离，典型值为1km1km（宏小区）、（宏小区）、100m100m（室（室外微小区）、外微小区）、1m1m（室内微微小区）；（室内微微小区）；L Lp p(d(d0 0) )的值取决于工的值取决于工作频率、天线高度和增益以及传播环境。作频率、天线高度和增益以及传播环境。 K K为路径损耗指数，典型值如表所示。为路径损耗指数，典型值如表所示。 （dB)dB)为服从对数正态分布的阴影损耗。为服从对数正态分布的阴影损耗。大尺度路径损耗的计算（续）大尺度路径损耗的计算（续） 0dB00ppdd,dBddlgk10dLdL清华大学微波与数字通信国家重点实验室第

15、04讲无线信道(2)无线通信工程路径损耗指数的典型值路径损耗指数的典型值根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信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：号功率随距离的对数衰减，其路径损耗指数如下表所示：清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程对数正态分布的阴影损耗对数正态分布的阴影损耗对数正态分布是描述阴影效应的一种广泛采用的模型，所以对数正态分布是描述阴影效应的一种广泛采用的模型，所以 （dB)dB)的概率密度函数可以表示为：的概率密度函数可以表示为： 的线性尺度即满足对数正态分布：的线性

16、尺度即满足对数正态分布：对数正态阴影的一阶统计特性由标准方差对数正态阴影的一阶统计特性由标准方差 决定。根据实决定。根据实际测量，际测量， 的典型值为：的典型值为：8dB8dB（在室外的蜂窝系统中），（在室外的蜂窝系统中），5dB5dB（在室内环境下）。（在室内环境下）。 222xexp21xfdB 222ylg20expy210ln/20yf清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程对数正态分布的阴影损耗（续）对数正态分布的阴影损耗（续）阴影损耗标准方差的测试值（北京市区）阴影损耗标准方差的测试值（北京市区）频率（频率（MHzMHz）标准方差标准方差 ( (dB)

17、dB)57.557.53.373.37166.4166.43.33.3535.25535.254.164.169009009.29.2清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室外模型：室外模型：EgliEgli（艾格里）模型（艾格里）模型 19571957年由年由Joan EgliJoan Egli提出。提出。 根据：在宏蜂窝的室外传根据：在宏蜂窝的室外传播条件下，路径损耗和距播条件下，路径损耗和距离的四次方成正比，是一离的四次方成正比，是一个简化的不规则地形上的个简化的不规则地形上的传播模型。传播模型。 在平滑地面的理论公式中在平滑地面的理论公式中加入地形校正因

18、子加入地形校正因子C CT T：dBCdlg40hhlg20flg2088LTkmmrmtMHzp清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室外模型：室外模型：EgliEgli（艾格里）模型（续）（艾格里）模型（续） EgliEgli公式是以地形起伏和障碍物高度不超过公式是以地形起伏和障碍物高度不超过15m15m为准的，当为准的，当超过超过15m15m应使用地形校正因子应使用地形校正因子C CT T 。 对于对于900MHz900MHz频率，根据实际测量统计，其地形校正因子的频率，根据实际测量统计，其地形校正因子的中值为中值为27.527.5dBdB。 在北京地区，

19、在北京地区，EgliEgli修正公式为：修正公式为： 例：例：f=900MHzf=900MHz，h hr r=1.5m=1.5m，C CT T=0=0（地形起伏小于（地形起伏小于15m15m），就有：），就有：dBCd65. 0hlg20hlg20dlg40flg207 .100LTrtpd65. 0dlg40hlg202 .156LtP清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室外模型：室外模型：OkumuraOkumura（奥村）模型（奥村）模型l 1962196219651965年年OkumuraOkumura在日本在日本东京地区进行测试所得的结果，东京地区进

20、行测试所得的结果，属于经验模型。属于经验模型。l 适用频率范围适用频率范围150150MHz-3GHzMHz-3GHz， 距离距离1 1100100kmkm，天线高度，天线高度303010001000m m。l 预测城区信号时使用最广泛的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模型，在日本已经成为系统规划的标准。划的标准。l 开发了一套在特定条件下自由开发了一套在特定条件下自由空间中值损耗的曲线。空间中值损耗的曲线。l 缺点：对城区和郊区的快速变缺点：对城区和郊区的快速变化反应较慢，和实际情况偏差化反应较慢，和实际情况偏差约约10101414dBdB。清华大学微波与数字通信国家重点

21、实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室外模型：室外模型：HataHata( (哈塔）哈塔）模型模型是一种广泛使用的传播模型，适用于宏蜂窝（小区半是一种广泛使用的传播模型，适用于宏蜂窝（小区半径大于径大于1km1km）的路径损耗预测。根据使用频率不同，）的路径损耗预测。根据使用频率不同，HataHata模型可以分为：模型可以分为：l Okumura-HataOkumura-Hata模型，频率范围模型，频率范围150MHz -1.5GHz150MHz -1.5GHz，主，主要用于要用于900900MHzMHz。l COST-231 HataCOST-231 Hata模型，模型，COST-231

22、COST-231工作委员会提出的工作委员会提出的将频率扩展到将频率扩展到2 2GHzGHz的的HataHata模型扩展版本。模型扩展版本。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室外模型：室外模型：Okumura-HataOkumura-Hata模型模型Okumura-HataOkumura-Hata模型模型l 19801980年年HataHata将将OkumuraOkumura的曲线解析化，得到的曲线解析化，得到HataHata公式：公式：l 其中其中 开阔地区DdlgBA市郊CdlgBA市区dlgBALpflg33.18flg78. 494.40D28/flg

23、24 . 5Chlg55. 69 .44Bhahlg82.13flg16.2655.69A22trt清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室外模型：室外模型：Okumura-HataOkumura-Hata模型模型（续）（续）Okumura-HataOkumura-Hata模型模型l 其中：其中：a(ha(hr r) )为移动台的天线校正因子为移动台的天线校正因子 MHz400f大城市，dB97. 4h75.11lg2 . 3haMHz200f大城市，dB1 . 1h54. 1lg29. 8ha中小城市dB8 . 0flg56. 1h7 . 0flg1 . 1h

24、a2rr2rrrr清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室外模型：室外模型：COST-231 HataCOST-231 Hata模型模型COST-231 HataCOST-231 Hata模型模型l 针对针对HataHata模型的不足，模型的不足，COST-231COST-231工作委员会提出工作委员会提出Okumura-Okumura-HataHata模型的扩展模型，即模型的扩展模型，即COST-231 HataCOST-231 Hata模型。模型。l COST-231 HataCOST-231 Hata模型路径损耗的计算公式：模型路径损耗的计算公式：l 其中

25、：其中：C CM M为大城市中心校正因子，在中等城市和郊区，为大城市中心校正因子，在中等城市和郊区，C CM M=0dB=0dB，在市中心，在市中心，C CM M=3dB=3dB。l 适用范围：适用范围： MtrtpCdlghlg55. 69 .44hahlg82.13flg9 .333 .46Lm20030h,m101hkm201d,MHz23001500ftr清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室外模型：室外模型：Lee(Lee(李建业）李建业）模型模型l 用于预测不同地区的路径损耗。用于预测不同地区的路径损耗。l 要点：要点：（1 1）给出在一组特定条件

26、下的路径损耗预测；（）给出在一组特定条件下的路径损耗预测；（2 2）在其他条件下，给出校正因子。在其他条件下，给出校正因子。l 参数：（参数：（1 1）在）在1.6km1.6km（1 1英里）处所获得的功率英里）处所获得的功率P P0 0，（，（2 2）路）路径损耗指数径损耗指数k k。l 特定条件：见教科书。特定条件：见教科书。l 接收信号功率计算公式：接收信号功率计算公式：l 其中：其中：k k，n n及及a a0 0的取值见教科书。的取值见教科书。 dBmaf /flgn10d/dlgk10PdPdB0c0dBm0r清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室

27、内模型概述室内模型概述一般说明一般说明l 室内传播特点：更加严重室内传播特点：更加严重的阻挡，更加严重的多径，的阻挡，更加严重的多径，更加严重的变化。更加严重的变化。l 受到影响的因素很多，如：受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放门窗是开还是关？天线放置的位置？人员的分布情置的位置？人员的分布情况？况？l 室内传播的信号预测要比室内传播的信号预测要比室外传播复杂得多。室外传播复杂得多。模型分类模型分类l室外向室内穿透损耗室外向室内穿透损耗l同楼层的分隔损耗同楼层的分隔损耗l楼层间的分隔损耗楼层间的分隔损耗l同一室内无障碍物损耗同一室内无障碍物损耗l同一室内有障碍物损耗同一室内有障碍物

28、损耗l其他特定环境的损耗，如其他特定环境的损耗，如：隧道等。：隧道等。 清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室内模型：穿透损耗模型室内模型：穿透损耗模型清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室内模型：对数距离路径损耗模型室内模型：对数距离路径损耗模型l 路径损耗公式：路径损耗公式：l 式中，式中，L(d)L(d)为平均路径损耗为平均路径损耗(dB)(dB)；d d为收发之间的距离；为收发之间的距离；d d0 0为参考距离；为参考距离；n n为平均路径损耗指数，其值和周围环境及建为平均路径损耗指数，其值和周围环境及建筑物类型有关；

29、筑物类型有关； 为正态随机变量，均值为为正态随机变量，均值为0 0，标准差为，标准差为 ，代表环境地物的影响。代表环境地物的影响。l 此模型比较简单实用，已经被广泛用于室内环境及室外微此模型比较简单实用，已经被广泛用于室内环境及室外微蜂窝小区环境。蜂窝小区环境。 Xddlgn10dLdL00X清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室内模型：对数距离路径损耗模型（续）室内模型：对数距离路径损耗模型（续）清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室内模型：衰减因子模型室内模型：衰减因子模型l 这是一个经验模型，灵活性强，精度高。路径损耗公

30、式：这是一个经验模型，灵活性强，精度高。路径损耗公式：式中式中n nSFSF为同一楼层的路径损耗因子，为同一楼层的路径损耗因子，FAFFAF为校正因子，在不同为校正因子，在不同楼层情况下可以加一项楼层情况下可以加一项FAFFAF。l 在多层情况下，也可以将在多层情况下，也可以将FAFFAF项用多层路径损耗因子项用多层路径损耗因子n nMFMF表示：表示： dBFAFddlgn10dLdL0SF0 dBddlgn10dLdL0MF0清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程室内模型：衰减因子模型（续）室内模型：衰减因子模型（续）清华大学微波与数字通信国家重点实验室第0

31、4讲无线信道(2)无线通信工程移动传播的小尺度模型移动传播的小尺度模型清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程 一阶统计特性一阶统计特性假定信道为平衰落、慢衰落、无噪声，此时的接收信号可以表示为：假定信道为平衰落、慢衰落、无噪声，此时的接收信号可以表示为： (t)和和 (t)是信道引入的幅度衰落及相位失真，都是随机过程，可以用概率是信道引入的幅度衰落及相位失真，都是随机过程，可以用概率密度函数进行研究。密度函数进行研究。 0N1ntf2jnN1nntf2jntxetttxettrncnc tZ/tZtant,tZtZt所以：tf2t,tsinttZ,tcosttZ

32、ettjZtZtZ其中：cs12s2cncnN1nnncN1nnncN1ntf2jnscnc清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程 非视距传播的瑞利衰落非视距传播的瑞利衰落l 假定假定 n(t)和和 n(t)对不同路径都相互独立，对不同路径都相互独立， n(t)在在(0,2 )上均匀分布，上均匀分布，路径数目路径数目N为无限大，就有：为无限大，就有： 幅度衰落幅度衰落 (t)服从瑞利分布服从瑞利分布 相位失真相位失真 (t)服从均匀分布服从均匀分布 幅度衰落和相位失真是相互独立的。幅度衰落和相位失真是相互独立的。l 这样的信道称为瑞利衰落信道。这样的信道称为瑞利衰落信道。 2Z2Z2Z22Z2E2有：E0 x00 x2xexpxxf 其他02x021xf清华大学微波与数字通信国家重点实验室第04讲无线信道(2)无线通信工程 视距传播的莱斯衰落视距传播的莱斯衰落l 在前面讨论的无视距传播情况下，加入一条确定的视距路径，则信道在前面讨论的无视距传播情况下，加入一条确定的视距路径，则信道增益可以表示为：增益可以表示为：l 幅度衰落的概率密度函数为