第04讲-无线信道

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姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2004年10－12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04讲：无线信道（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•移动传播的大尺度模型•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•在地球表面10－12km处为对流层，存在大量随机运动的不均匀介质，能对电波产生折射、散射和反射。•散射通信是利用部分散射体内介质的前向散射信号。这是典型的多径信道。•通信距离可达几百－上千公里。•散射信道不存在电波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。•根据测试结果，接收电平小于其均方根值10dB,20dB,30dB的概率分别为10％，1％，0.1%。•快衰落服从瑞利分布。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•在地球上空60km以上是电离层，可以分为D层、E层、F层。D层能吸收电波，E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F层，并且能够在昼夜都保持一定的通信功能。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）•存在严重的多径效应，最大传播延时差可达毫秒量级。•存在严重的时变性，电离层的特性随时变化，并且很难准确预测•存在最高可用频率，为了实现较好的传输质量，工作频率应尽可能接近最高可用频率。这些频率都在短波波段（2－30MHz）。•存在多种附加损耗。如：吸收损耗（6－25dB），地面反射损耗（20dB），系统额外损耗（15－18dB）•存在严重的干扰，这是短波通信的一大特点。包括：大气噪声、工业干扰、天电干扰、其它电台的干扰。•技术措施：自适应均衡、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•据统计，每昼夜有数百亿的流星进入大气层，和空气碰撞产生电离。在地面80－120km处形成电离气体带，这就是流星余迹。•利用流星余迹的散射和反射进行通信。•工作频率30－80MHz，传输距离200－2000km，传输速率低，用于突发通信。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静止卫星•信道稳定，可以按照自由空间传播损耗计算•长延时，要考虑对话音质量和通信协议的影响移动卫星•要考虑地面的影响，包括多径和遮蔽•接收信号电平服从莱斯分布•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。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•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）的信道特性。•假定多径时延扩展比信号的符号周期小得多，而且平均时延是时不变的，信道的冲激响应可以写成：•发送信号为x(t)，接收信号为r(t)，就有：•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）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g(t)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：•大尺度多径衰落传播模型：信道增益的“宏观值”，与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“微观值”，是由多径传播造成的，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。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。由于两条路径的干涉效果，在某些情况下，路径损耗会比自由空间好6dB，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。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：其中：d0是近区参考距离，典型值为1km（宏小区）、100m（室外微小区）、1m（室内微微小区）；Lp(d0)的值取决于工作频率、天线高度和增益以及传播环境。K为路径损耗指数，典型值如表所示。（dB)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）0dB00ppdd,dBddlgk10dLdL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是描述阴影效应的一种广泛采用的模型，所以（dB)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：对数正态阴影的一阶统计特性由标准方差决定。根据实际测量，的典型值为：8dB（在室外的蜂窝系统中），5dB（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）阴影损耗标准方差的测试值（北京市区）频率（MHz）标准方差(dB)57.53.37166.43.3535.254.169009.2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：Egli（艾格里）模型•1957年由JoanEgli提出。•根据：在宏蜂窝的室外传播条件下，路径损耗和距离的四次方成正比，是一个简化的不规则地形上的传播模型。•在平滑地面的理论公式中加入地形校正因子CT：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：Egli（艾格里）模型（续）•Egli公式是以地形起伏和障碍物高度不超过15m为准的，当超过15m应使用地形校正因子CT。•对于900MHz频率，根据实际测量统计，其地形校正因子的中值为27.5dB。•在北京地区，Egli修正公式为：•例：f=900MHz，hr=1.5m，CT=0（地形起伏小于15m），就有：dBCd65.0hlg20hlg20dlg40flg207.100LTrtpd65.0dlg40hlg202.156LtP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：Okumura（奥村）模型1962－1965年Okumura在日本东京地区进行测试所得的结果，属于经验模型。适用频率范围150MHz-3GHz，距离1－100km，天线高度30－1000m。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10－14dB。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：Hata(哈塔）模型是一种广泛使用的传播模型，适用于宏蜂窝（小区半径大于1km）的路径损耗预测。根据使用频率不同，Hata模型可以分为：Okumura-Hata模型，频率范围150MHz-1.5GHz，主要用于900MHz。COST-231Hata模型，COST-231工作委员会提出的将频率扩展到2GHz的Hata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：Okumura-Hata模型Okumura-Hata模型1980年Hata将Okumura的曲线解析化，得到Hata公式：其中开阔地区DdlgBA市郊CdlgBA市区dlgBALpflg33.18flg78.494.40D28/flg24.5Chlg55.69.44Bhahlg82.13flg16.2655.69A22trt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：Okumura-Hata模型（续）Okumura-Hata模型其中：a(hr)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dB8.0flg56.1h7.0flg1.1ha2rr2rrrr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：COST-231Hata模型COST-231Hata模型针对Hata模型的不足，COST-231工作委员会提出Okumura-Hata模型的扩展模型，即COST-231Hata模型。COST-231Hata模型路径损耗的计算公式：其中：CM为大城市中心校正因子，在中等城市和郊区，CM=0dB，在市中心，CM=3dB。适用范围：MtrtpCdlghlg55.69.44hahlg82.13flg9.333.46Lm20030h,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：Lee(李建业）模型用于预测不同地区的路径损耗。要点：（1）给出在一组特定条件下的路径损耗预测；（2）在其他条件下，给出校正因子。参数：（1）在1.6km（1英里）处所获得的功率P0，（2）路径损耗指数k。特定条件：见教科书。接收信号功率计算公式：其中：k，n及a0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)无线通信工程室内模型概述一般说明室内传播特点：更加严重的阻挡，更加严重的多径，更加严重的变化。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？室内传播的信号预测要比室外传播复杂得多。模型分类室外向室内穿透损耗同楼层的分隔损耗楼层间的分隔损耗同一