《無線通信信道》PPT課件.ppt

1、第二講,無線通信中的信道,姚彥教授 清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2002年3月 廣州,內(nèi) 容,引言 自由空間傳播 地面視距傳播 移動(dòng)傳播,引 言,引言(1):無線通信信道的分類,理想無線信道？非理想無線信道？ 理想：無阻擋、無衰落、無時(shí)變、無干擾，自由空間傳播。 固定無線信道？移動(dòng)無線信道？ 視距無線信道？非視距無線信道？ 視距，如：地面視距、衛(wèi)星。 非視距，如：地面繞射、對流層散射、電離層折射。 有干擾無線信道？無干擾無線信道？ 干擾，如：系統(tǒng)內(nèi)部的干擾、系統(tǒng)外部的非敵意干擾、敵意干擾。,引言(2):無線通信信道的指標(biāo),傳播衰減 - 衰減的平均值 -衰減的最大值 -衰減的統(tǒng)計(jì)特性

2、傳播延時(shí) -延時(shí)的平均值 -延時(shí)的最大值 -延時(shí)的統(tǒng)計(jì)特性,延時(shí)擴(kuò)展 - 對信道色散效應(yīng)的描述 多普勒擴(kuò)展 - 對信道時(shí)變效應(yīng)的描述 干擾 - 干擾的性質(zhì) - 干擾的強(qiáng)度,引言 (3):無線傳播信道的模型,信道響應(yīng)為h(, t) ，可以表示色散和時(shí)變 假設(shè)：線性信道、加性干擾,自由空間傳播,自由空間傳播 (1),什么叫自由空間？無任何衰減、無任何阻擋、無任何多徑的傳播空間。 無線電波在自由空間傳播時(shí)，其單位面積中的能量會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而減少。這種減少，稱為自由空間的傳播損耗。 如圖所示，發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線為各向均勻輻射，則以發(fā)射源為中心，d為半徑的球面上單位面積的功率為： S PT / 4 d

3、2 球面上的功率流,自由空間傳播 (2),由于天線有方向性（設(shè)發(fā)射天線增益為GT），故在主波束方向通過單位面積的功率為： S = GT PT / 4 d2 設(shè)接收天線的有效面積為A，則接收天線所截獲的功率為：Pr = S A = A GT PT / 4 d2 對于拋物面天線，假定天線口面場具有等相、等幅分布，則天線的有效面積為： A = Gr 2 / 4 其中Gr為接收天線增益， 為自由空間波長,代入Pr公式。得到： Pr = Gr GT PT ( / 4 d)2 令： Pr / PT = Gr GT / LS 其中LS定義為自由空間傳播損耗。 則： LS = (4 d / )2 = (4 f

4、 d / c )2 以分貝數(shù)表示： LS = 92.4 + 20 lg f(GHz) +20 lg d(km) dB,地面視距傳播,簡 介,地面微波通信屬于視距傳播。 視距傳播的主要特點(diǎn)是收發(fā)天線都在視距范圍內(nèi)。 視距傳播要考慮大氣效應(yīng)和地面效應(yīng)。,視距和天線高度的關(guān)系 由于地球是一個(gè)曲面，天線高度h1、h2和視距d之間存在以下關(guān)系： d = 3.57( ) 其中h1、h2的單位是m，d的單位是km。 說明：此公式?jīng)]有考慮大氣及地面對傳播的影響，所以只能用作大致的估計(jì)。,大氣效應(yīng) (1):吸收衰減,主要發(fā)生在高頻段 水蒸汽的最大吸收峰在23GHz(1.3cm)； 氧氣的最大吸收峰在60GHz(

5、5mm)； 對于12GHz(2.5cm)以下的頻率，大氣吸收衰減小于： 0.015dB/km。,大氣效應(yīng) (2):雨霧衰減,在10GHz以下頻段，雨霧衰減并不嚴(yán)重，一般只有幾dB。 在10GHz以上頻段，雨霧衰減大大增加，達(dá)到幾dB/km。 下雨衰減是限制高頻段微波傳播距離的主要因素。,大氣效應(yīng) (3):大氣折射,引入等效地球半徑的概念：,地面效應(yīng) (1):費(fèi)涅爾半徑和余隙,利用波動(dòng)光學(xué)的惠更斯費(fèi)涅爾原理，在遇到障礙物時(shí)將產(chǎn)生附加損耗。 障礙物到T，R連線的垂直距離為hc，稱為余隙。一階費(fèi)涅爾半徑為h1，定義hc/h1為相對余隙。就可以從右圖求出附加損耗。,地面效應(yīng) (2):地面反射,這是產(chǎn)生

6、電平衰落的主要原因之一。 設(shè)：反射系數(shù)為m，反射相位為1800，自由空間衰減系數(shù)為，就可以求出接收點(diǎn)的場強(qiáng)：,移動(dòng)傳播,說 明,移動(dòng)無線傳播面臨的是隨時(shí)變化的、復(fù)雜的環(huán)境。 首先，傳播環(huán)境十分復(fù)雜，傳播機(jī)理多種多樣。幾乎包括了電波傳播的所有過程，如：直射、繞射、反射、散射。 其次，由于用戶臺(tái)的移動(dòng)性，傳播參數(shù)隨時(shí)變化，引起接收場強(qiáng)的快速波動(dòng)。 為此，提出大尺度傳播模型和小尺度傳播模型。,四種傳播機(jī)制,直射：自由空間傳播 反射：當(dāng)電磁波遇到比波長大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射。反射發(fā)生在地球表面、建筑物和墻壁表面。 繞射：當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路由被尖銳的邊緣阻擋時(shí)，發(fā)生繞射。 散射：當(dāng)電磁波的傳

7、播路由上存在小于波長的物體、并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時(shí)，發(fā)生散射。散射發(fā)生在粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體，如：樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等。,兩種傳播模型：大尺度模型和小尺度模型,兩種傳播模型(續(xù)),大尺度路徑損耗傳播模型 描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長距離上平均場強(qiáng)的變化，用于預(yù)測平均場強(qiáng)并估計(jì)無線覆蓋范圍。 小尺度多徑衰落傳播模型 描述移動(dòng)臺(tái)在極小范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，短距離或短時(shí)間上接收場強(qiáng)的快速變化，用于確定移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該采取的技術(shù)措施。,對數(shù)距離路徑衰減規(guī)律,根據(jù)理論和測試結(jié)果，無論室內(nèi)還是室外信道，平均接收信號(hào)功率隨距離的對數(shù)衰減，其路徑損耗指數(shù)如下表所示：,大尺度模型,大尺度模

8、型：室外模型,Longley-Rice模型 適用頻率范圍：40MHz-10GHz。 不同種類地形的點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)。 利用路徑幾何學(xué)及對流層繞射性，預(yù)測大尺度中值傳播損耗。 有計(jì)算機(jī)程序，根據(jù)輸入的路徑參數(shù)，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)預(yù)測或區(qū)域預(yù)測。 缺點(diǎn)：不能提供對環(huán)境因素的修正，沒有考慮多徑效應(yīng),Durkin模型 描述不規(guī)則地形場強(qiáng)預(yù)測的計(jì)算機(jī)仿真器。 已被聯(lián)合無線電委員會(huì)用于進(jìn)行有效移動(dòng)無線覆蓋區(qū)的研究。 主要用于大尺度路徑損耗的預(yù)測。 缺點(diǎn)：不能精確預(yù)測由于樹葉、建筑物、其它人造結(jié)構(gòu)引起的傳播效應(yīng)，不能計(jì)算除地面反射以外的多徑傳播。,大尺度模型：室外模型(續(xù)),Okumura模型 適用頻率范圍150MHz-

9、3GHz， 距離1100km，天線高度301000m。 預(yù)測城區(qū)信號(hào)時(shí)使用最廣泛的模型，在日本已經(jīng)成為系統(tǒng)規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)。 開發(fā)了一套在特定條件下自由空間中值損耗的曲線。 缺點(diǎn)：對城區(qū)和郊區(qū)的快速變化反應(yīng)較慢，和實(shí)際情況偏差約1014dB。,大尺度模型：室外模型(續(xù)),Hata模型 適用頻率范圍150MHz -1.5GHz 根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗(yàn)公式，以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，并對其它地區(qū)進(jìn)行修正。 市區(qū)路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式。在1km以上的情況下，預(yù)測結(jié)果和Okumura模型非常接近。 缺點(diǎn)：適用于大區(qū)制移動(dòng)系統(tǒng)，不適用于小區(qū)半徑為1km的個(gè)人通信系統(tǒng)。,其它模型 Hata模型的PCS擴(kuò)展

10、WalfishBertoni模型 寬帶PCS微蜂窩模型,大尺度模型：室內(nèi)模型,一般說明 室內(nèi)傳播特點(diǎn)：覆蓋距離更小，環(huán)境變化更大 受到影響的因素很多，如：門窗是開還是關(guān)？天線放置的位置？人員的分布情況？ 室內(nèi)信道可以分為視距（LOS）和阻擋（OBS）兩種。,分隔損耗 同樓層的分隔損耗 給出不同頻段、不同材料不同分隔方式的損耗值。如：混凝土墻在1300MHz的損耗為815dB。 樓層間的分隔損耗 和建筑物的材料、類型、層數(shù)、窗戶及頻段有關(guān)。一層的衰減要大，而五、六層以上的衰減很小。,大尺度模型：室內(nèi)模型(續(xù)),對數(shù)距離路徑損耗模型 室內(nèi)路徑損耗公式,大尺度模型：室內(nèi)模型(續(xù)),Ericsson多

11、重?cái)帱c(diǎn)模型 通過測試多層辦公室建筑，獲得Ericsson無線系統(tǒng)模型 此模型提供特定地形路徑損耗范圍的確定限度 右圖給出此模型的室內(nèi)路徑損耗圖,小尺度模型,內(nèi) 容,小尺度多徑傳播概述 影響小尺度衰落的因素 一個(gè)多徑信道的沖激響應(yīng)模型 移動(dòng)多徑信道的參數(shù) 衰落類型,小尺度多徑傳播概述,小尺度衰落，簡稱衰落： 無線信號(hào)在經(jīng)過短時(shí)間或短距離傳播后其幅度快速衰落。變化的程度取決于多徑波的強(qiáng)度、相對傳播時(shí)間和傳播信號(hào)的帶寬。 衰落的效應(yīng)表現(xiàn)為 (1)經(jīng)短距離或短時(shí)傳播后信號(hào)強(qiáng)度的急速變化。 (2)在不同多徑信號(hào)上，存在時(shí)變的多普勒頻移引起的隨機(jī)頻率調(diào)制。 (3) 多徑傳播時(shí)延引起的擴(kuò)展。,影響衰落的因素

12、,多徑傳播 移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度 環(huán)境物體的運(yùn)動(dòng)速度 信號(hào)的傳輸帶寬,多普勒頻移,fd：多普勒頻移(Hz) v：移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度(m/s) ：載波波長(m) fc：載波頻率(Hz) c：光速(m/s) ：運(yùn)動(dòng)方向與入射波夾角 多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)方向與入射波之間的夾角有關(guān)。,多徑信道沖激響應(yīng)模型(1),x(t)表示所傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)波形 y(t)表示接收波形 h(t,)表示時(shí)變多徑無線信道的沖激相應(yīng)。,多徑信道沖激響應(yīng)模型(2),c(t)、r(t)是x(t)和y(t)的等效基帶表示，關(guān)系為：,多徑信道沖激響應(yīng)模型(3),多徑信道的接收信號(hào)由多個(gè)被減弱、有時(shí)延、有相移的傳輸信號(hào)組成，其基帶

13、沖激響應(yīng)模型可表示為：,如假設(shè)信道具有時(shí)不變特性，或者至少在一小段時(shí)間間隔或距離具有不變性，則信道沖激響應(yīng)模型可簡化為:,移動(dòng)多徑信道的參數(shù),時(shí)間色散參數(shù) 相干帶寬 多普勒擴(kuò)展 相干時(shí)間,時(shí)間色散參數(shù),平均時(shí)延擴(kuò)展 rms時(shí)延擴(kuò)展 附加時(shí)延擴(kuò)展(XdB),時(shí)間色散參數(shù):平均時(shí)延擴(kuò)展,平均附加時(shí)延是功率延遲分布的一階矩，定義為,時(shí)間色散參數(shù):rms時(shí)延擴(kuò)展,rms時(shí)延擴(kuò)展是功率延遲分布的二階矩，定義為：,其中，,時(shí)間色散參數(shù):最大附加時(shí)延(XdB),最大附加時(shí)延(XdB)定義為多徑能量從初值衰落到低于最大能量XdB處的時(shí)延。 最大附加時(shí)延定義為x -0，其中0為第一個(gè)到達(dá)信號(hào)，x為最大時(shí)延值，其間到達(dá)多徑分量不低于最大分量減去XdB(最強(qiáng)多徑信號(hào)不一定在0處到達(dá))。,相干帶寬,相干帶寬定義為頻率相關(guān)函數(shù)大于0.9的特定帶寬，則相干帶寬近似為，,相干帶寬定義為頻率相關(guān)函數(shù)大于0.5的特定帶寬，則相干帶寬近似為，,多普勒擴(kuò)展,多普勒擴(kuò)展被定義為一個(gè)頻率范圍，在此范圍內(nèi)接收的多普勒普有非0值。當(dāng)發(fā)送頻率為fc的純正弦信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)譜即多普勒譜在fc-fd至fc+fd范圍內(nèi)存在分量，其中fd為多普勒頻移。,相干時(shí)間tc,相干時(shí)間是多普勒擴(kuò)展在時(shí)域的表示，用于在時(shí)域描述信道頻率色散的時(shí)變特性。,相干時(shí)間是信道沖激響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平