无线通信02

无线通信李榕教授华南师范大学物理与电信工程学院2011年3月1日第二讲无线通信的信道引言自由空间传播地面视距传播地面超视距传播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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h(,t)s(t)r(t)n(t)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d2球面上的功率流PTd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=GTPT/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=SA=AGTPT/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=GrGTPT(/4d)2令：Pr/PT=GrGT/LS其中LS定义为自由空间传播损耗。则：LS=(4d/)2=(4fd/c)2以分贝数表示：LS=92.4+20lgf(GHz)+20lgd(km)dBGroundWavePropagationFollowscontouroftheearthCanPropagateconsiderabledistancesFrequenciesupto2MHzExampleAMradioLine-of-SightPropagationTransmittingandreceivingantennasmustbewithinlineofsight–Satellite/groundcommunicationSkyWavePropagationSignalreflectedfromionizedlayerofatmospherebackdowntoearthSignalcantravelanumberofhops,backandforthbetweenionosphereandearth’ssurfaceReflectioneffectcausedbyrefractionExamples–Amateurradio–CBradio地面视距传播视距通信简介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。21hh大气效应之一：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(5mm)；对于12GHz(2.5cm)以下的频率，大气吸收衰减小于：0.015dB/km。大气效应之二：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。大气效应之三：大气折射引入等效地球半径的概念：3/421一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地面效应之一：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。地面效应之二：地面反射这是产生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：为收发之间的距离。为收发天线高度，其中：dhhdhhmmEEtr212/1212,22cos21频率选择性衰落根据W.D.Rummler提出的伪三径模型，得到频率选择性衰落的频率响应函数，如下图所示。地面超视距传播对流层散射传播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。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。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。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。卫星通信工作过程：卫星通信系统是由空间部分——通信卫星和地面部分——通信地面站两大部分构成的。在这一系统中，通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下，视野开阔，只要在它的覆盖照射区以内，不论距离远近都可以通信，通过它转发和反射电报、电视、广播和数据等无线信号。卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的。微波中继通信是一种“视距”通信，即只有在“看得见”的范围内才能通信。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。图1是一种简单的卫星通信系统示意图，它是由一颗通信卫星和多个地面通信站组成的。图1卫星通信示意图ABCDE地球地球ABR0he卫星从地面站1发出无线电信号，这个微弱的信号被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大，变频和功率放大，最后再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新发向地面站2，从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。举一个简单的例子：如北京市某用户要通过卫星与大洋彼岸的另一用户打电话，先要通过长途电话局，由它把用户电话线路与卫星通信系统中的北京地面站连通，地面站把电话信号发射到卫星，卫星接到这个信号后通过功率放大器，将信号放大再转发到大西洋彼岸的地面站，地面站把电话信号取出来，送到受话人所在的城市长途电话局转接用户。(1)按通信卫星的运行轨道可分为：①赤道轨道卫星（指轨道平面与赤道平面夹角φ=0°）；②极轨道卫星（φ=90°）；③倾斜轨道卫星（0°φ90°）。所谓轨道就是卫星在空间运行的路线。见图2。(2)按卫星离地面最大高度h的不同可分为：①低高度卫星h5000km；②中高度卫星5000kmh20000km③高高度卫星h20000km。图2通信卫星轨道示意图赤道赤道赤道轨道倾斜轨道极轨道北极(3)按卫星与地球上任一点的相对位置的不同可分为：同步卫星和非同步卫星。同步卫星是指在赤道上空约35800km高的圆形轨道上与地球自转同向运行的卫星。由于其运行方向和周期与地球自转方向和周期均相同，因此从地面上任何一点看上去，卫星都是“静止”不动的，所以把这种对地球相对静止的卫星简称为同步（静止）卫星，其运行轨道称为同步轨道。非同步卫星的运行周期不等于（通常小于）地球自转周期，其轨道倾角、轨道高度、轨道形状（圆形或椭圆形）可因需要而不同。从地球上看，这种卫星以一定的速度在运动，故又称为移动卫星或运动卫星。不同类型的卫星有不同的特点和用途。在卫星通信中，同步卫星使用得最为广泛，其主要原因是：第一，同步卫星距地面高达35800km，一颗卫星的覆盖区（从卫星上能“看到”的地球区域）可达地球总面积的40%左右，地面最大跨距可达18000km。因此只需三颗卫星适当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的全球性通信。图18―3全球卫星通信系统示意图极通信卫星1地球通信卫星2通信卫星3静止轨道由于同步卫星相对于地球是静止的，因此，地面站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统；通信连续，不像卫星相对于地球以一定的速度运动时那样，需要变更转发当时信号的卫星而出现信号中断；信号频率稳定，不会因卫星相对于地球运动而产生多卜勒频移。当然，同步卫星也有一些缺点，主要表现在：两极地区为通信盲区；卫星离地球较远等。卫星通信采用微波频段，频带宽，通信容量大。传输容量主要由终端站决定，卫星通信系统的传输容量取决于卫星转发器的带宽和发射功率，而且一颗卫星可设置多个（如IS-Ⅶ有46个）转发器，故通信容量很大。例如，利用频率再用技术的某些卫星通信系统可传输30000路电话和4路彩色电视。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要考虑多普勒频移移动传播reflectionscatteringdiffractionshadowingrefraction移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。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。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。图3-1典型的移动信道电波传播路径WirelessNetworking47Signalcantakemanydifferentpathsbetweensenderandreceiverduetoreflection,scattering,diffractionTimedispersion:signalisdispersedovertimeinterferencewith“neighbor”symbo