无线通信基础

1.3.2场强及分贝●场强计算E=（60P0G）1/2A/rP0=PtIr-距离A-衰减因子G-天线方向系数APtiP0●分贝1.相对量纲dB=10lgP2/P1=10lg(E2/E1)2=20lgE2/E1=20lgr1/r2E1/E2=r2/r1E2(dB)-E1(dB)=20lgr1/r22.绝对量纲dBm=10lgPmwdBu=20lgEuv功率增大一倍，场强增大3dB1mw0dB1uv0dB3.距离分贝EdB=20lg(r)-1r增大一倍，EdB减小6dB;r增大十倍，EdB减少20dB4.dB/dBm/dBuv1mW=0dBm=113dBuv13dB10mW200mW10lg200/10=13(10dBm)(23dBm)10mWpeak80mW113+10lg80=132132dBuv1.3.3无线接入信道与电波传播无线接入网采用无线传输技术，无线传输技术是一种通过空间电磁波（我们称之为无线传播信道或无线接入信道）来传输信息的技术。●无线接入信道的基本特性无线传播特性是通信工程设计中的基本因素。细致地了解无线传播环境，掌握无线传播信道特性，对完成一个无线系统是非常必要的。1.衰落和多径特性无线电波以不同的时延从不同的方向通过多条路径到达接受机时，它们在接受机天线处通过矢量叠加合成后得到振幅或大或小的合成信号。这取决于来波是相互加强的合成还是相互抵消地合成。对于移动用户，当用户接受机从某一位置移动到另一位置时，各种来波之间的相位关系是变化的，也会引起大幅度的振幅和相位的起伏，信号受到衰落。因此，在移动无线电情况中，衰落还作为接受机通过空间变化场运动的结果而被产生。多径传播的影响使接受信号产生相当大振幅随位置的变化。在UHF和更高的频段上，无线电波散射体（如汽车，卡车）的运动也会引起衰落发生，即使接受机不在移动中。无线环境中的信号衰落可分成三部分：幅度衰减较大的路径损耗成分；伴随着中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分；衰减幅度较小的快变化成分。根据发射机和接受机之间是否存在可视路径（LOS）传播环境，它具有瑞森或瑞利分布特性。相应地，可用一个三层传播模式来描述无线蜂窝环境：第一层是描述发射机到接受机所在地区的区域内路径损耗特性的区域平均功率；第二层是叠加在变化缓慢的局部平均功率上的，用对数正态分布表示的慢衰落平均功率；第三层是昀后附加在上面的快衰落瞬间功率，它服从莱斯或瑞利分布。由于反射、建筑物周围的散射和他们内部的折射而造成的接收功率随距离增大而减小的现象称做路径损耗。发射机和接受机之间传输路径上的路径损耗，一般包括有直接视距路径的扩散损耗，由于建筑物、山或树叶引起的反射损耗和绕射损耗，建筑物等的穿透损耗。确定路径损耗的传播模式：通过对长距离（几百或几千米的范围内）的收发间隔上的功率电平取平均值来表征接受信号强度称为大尺度传播模式。中尺度传播模式确定局部平均动率中的变化，如果接受天线在大于几十米或几百米距离上移动，接受信号的中尺度变化被称为阴影效应，通常是由于树和树叶遮挡产生的。功率在几十个波长上取局部平均，典型地功率电平在40入取平均。大尺度和中尺度传播模式是反映平均电平中的长期变化，它们是慢衰落，图3.1表示无线信号的衰落特性。接收信号强度区域平均值阴影衰落引起的变化瑞利衰落引起的变化图3.1无线信号的衰落特性小尺度传播模式表征只有几个波长的短距离上的信号强度，或者属于几秒的短时间间隔上的信号强度。小尺度内的快衰落是由于发射波被散射体如房屋、建筑物等，或者被自然物体如某移动单元四周树林的多径反射引起的。2.多径信道由多径传播引起的接收信号短期起伏称为小尺度衰落。各条多径信号的不同传播路径长度产生不同的传播时延，图3.2表示由三条性质截然不同的路径所组成的多径信道的功率迟延谱的例子，它也称为多径分支（multipathtaps）。由于各条多径分支的功率是时变的，各路多径信号到达接收机时的相位不同，因而导致衰落，衰落深度决定于信道类型。信道的瞬间功率分布可以用分布函数来描述，它决定于无线环境。所谓的瑞利衰落信道则是衰落昀严重的移动无线信道，因为衰落是昀深的，在瑞利衰落信道中所有多径分支都是独立的，没有一个占优势的分支路径；在莱斯衰落信道中衰落下降是较浅的，这是由于多径分支中有一条占优势的路径，例如在有视距路径的情况中，视距路径就是一条占优势的路径。在微小区和微微小区环境中一般存在视距连接的这种情况。功率时间图3.2多径信道的脉冲响应3.迟延扩展由于多径反射，发射天线发出的无线信号将沿着不同的路径传播到接收机处。每条路径都有不同的路径长度，所以每条路径到达的时间是不同的，使得接收到的信号轮廓不清或被扩展，这种现象称为迟延扩展。在数字系统中，迟延扩展会引起码间干扰，因而限制了数字多径信道的昀大码速。不同环境中的平均迟延扩展是不同的。4.相关带宽相关带宽是频率范围的统计测量值，在这个频率范围内信道以近似等增益和线形相位通过全部频谱分量的。因此，相关带宽代表一个频率范围，在这个频率范围两个接收信号的幅度或者相位有高度相关性，即这两个信号的频谱分量以相类似方式受到信道的影响。信道相关带宽决定了传输速率的上限，如果接收机中没有均衡器的话，就要使用这个传输速率上限。相关带宽是信号仍然强相关时的昀大频率之差。相关带宽和迟延扩展是成反比的（也就是说迟延扩展越小，相关带宽越大）。如果信号的发射带宽大于相关带宽的话，信号将经受频率选择性衰落，如果信号的发射带宽小于相关带宽的话，则属于平坦衰落信道。相关带宽是可用于RAKE接收机或均衡接收机分集的一种测量。相关带宽越小意味着分集重数越多。如图3.3所示，图中只有频率载波部分是衰落的。如果相关带宽和发射带宽一样大，那么整个接收频谱都将观察到衰落。相关带宽图3.3相关带宽和衰落5.多普勒扩展在移动接入中，移动用户的运动会引起多普勒扩展，多普勒扩展定义为多普勒功率谱的宽度,有时也称为频谱扩展或信道的衰落带宽。每条到达路径的多普勒频移一般都和另一条路径不同。对接收信号的影响可被看作发射信号频率的多普勒扩展或频谱展宽，而不是看作一频偏。如果从基站到移动接收机只有一条路径的话，那么基站将观察到与载波频率的简单偏移结合在一起的零多普勒扩展（多普勒频移），这和一个人站在铁路线上当火车驶来或离去时，所察觉到火车啸声的频率变化相类似。多普勒频率变化和移动用户相对运动的角度a有关。当多普勒功率谱为非零时的值的范围，称为多普勒扩展。6.码间干扰在实际的数字无线系统中，发射机带通滤波器的存在，对于尽的能多的保存频谱是必不可少的。然而，这种带宽受限信道可能由于码间干扰（ISI）而降低传输性能。因此，我们应尽可能多地不引入任何码间干扰来减小信号带宽。●无线接入信道的电波传播特性1.短期衰落短期衰落又称多径衰落，即是快衰落。其概率密度函数是由瑞利分布给出，所以又称瑞利衰落。2.衰落深度和衰落速率信号的衰落深度定义为实际接收机信号有效值与自由空间传播时信号电平之差。由于差值在每次衰落时都不同，是随机的，因此我们定义平均衰落深度，它是信号中值与概率prob(rR)=10%的信号值的差值。对于瑞利衰落求得平均衰落深度为8.18dB，并作为判断该信号是否服从瑞利分布的根据。衰落速率为信号包络每秒以正斜率通过中值电平的次数来表示，或者等于每秒通过中值电平的次数除以2。它和车速、工作波长及多径数目有关，但其平均衰落速率则可用以下公式表示：平均衰落速率=2v/入（次/秒）3.电平通过率电平通过率N（R）是指信号包络以正斜率（r0)通过某一规定电平R的每秒平均次数。其实际意义是如果把规定R取为接收门限值，则电平通过率就是单位时间内信号包络低于门限的次数。因为信号包络是随机的，所以电平通过率也是随机的。4.衰落持续时间衰落持续时间定义为接收信号低于某一电平的持续时间。如果接收信号低那平低于接收门限电平的话，通信就要中断。5.莱斯衰落当有一个起支配作用的不变的（非衰落）信号分量存在时，如视距（LOS）传播路径，小尺度衰落包络分布将服从莱斯分布。6.长期衰落长期衰落即慢衰落。当移动用户行进时，由于地形起伏或建筑物等阴影效应，或有一较强的反射波的逐渐加入或消失，引起信号场强中值的缓慢起伏衰落，这种衰落也称为阴影衰落，他服从对数正态分布。7.自由空间路径损耗Lp=32.45+20logf(MHz)+20logd(km)(dB)8.惠更斯-菲涅耳原理和菲涅耳区图3.4表示发射天线T辐射能量是以扩展波前面的形式从源向外传播。惠更斯认为波在传播过程中，行进中的波前面上的每一点，如P，、P，，等，都是一个进行二次辐射的球面波波源，而下个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波波面的包络面。其后，菲涅耳发展了这个原理。认为波在传播过程中，空间任一点的辐射场，是包围波源的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波，在该点互相干涉叠加的结果。这就是惠更斯-菲涅耳原理。在点P，点,仅有部分新波前到达接收机，它和离发射天线的距离以及角度a有关。对于T和R之间为昀短路径d的情况，角度a将为180度，但对于其他任何路径，角度a将在0与180度之间。就任何一点而言，例如P，点，角度a的余弦是“倾斜因子”的度量，它确定到达接收机的分量大小。显然，如果我们考虑点P，，，那么角度a是较大的，而且P，，点的二次辐射波对R处信号的贡献小于P点。如果我们再研究一下P，点，很显然，经由这条路径的能量将在经由昀短路径d传播的能量之后到达R点。如果经由P，点路径比d长入/2，则两信号在R点由于相位相差180度而互相抵消。如果间接路径长度再增加半个波长，则通过着条路径（P，，点）到达的信号在R点与直接信号同相相加。间接路径长度可以无限增加，从而，也就可以确定出使直射波交替地抵消和增强的信号所经过的路径。次级波前P，，P，d+2入/2d+2入/2RTPd扩展波前角度a图3.3惠更斯-菲涅耳原理的说明9.平地反射面上的路径损耗和菲涅耳区在外空间，两个天线之间的路径上一般没有遮挡物和可以产生反射的物体。因此，接收信号只有一个分量所组成。然而，当两个天线在地球上时，就会有多条路径从发射机到达接收机。多径效应改变了收发两点之间的路径损耗。昀简单的情况是当两个天线高度和它们之间的间隔相比很小的时候，以及反射的地球表面可以假设为平地时。那么，主要的传播方式为直接波和反射波，接收信号可以用散射场来表示，它可以通过直接波和放射拨波的合成来近似。●线传播损耗预测1.无线接入环境a.车载无线环境车载无线环境的特征是宏小区和大发射功率，因此,也称为宏小区环境。由于车辆运动速度较快，通常收发天线之间没有视距分量，接收信号大部分时间是由反射波所组成。接收信号的平均功率，随距离按某些称为路径损耗指数的增加而减小。路径损耗指数的大小决定于环境，典型的是3至5之间。阴影效应则是由树和树叶的障碍所引起，在接收信号功率方面导致的中尺度变化，可以用对数正态分布来建模。标准偏差变化较大。小尺度衰落是瑞利衰落。迟延扩展一般为0.8us，昀大值昀多可达几十微秒。b.室外到室内和步行的无线环境室外到室内和步行的无线环境的特征是微小区和低的发射功率。基站天线位于屋顶下面,视距和非视距线路都存在,室内覆盖也可以由室外基站来提供。微小区环境中的路径损耗衰减如图3.5所示。路径损耗指数有大的变化，由视距区域为2，变化到由于沿路径的树和其它阻碍物的非视距区域为6。而且，当移动用户绕街角运动时它可能遭受一个15-25dB的突然下降。阴影效应的标准偏差从10dB变化到12dB，典型的建筑物穿透损耗平均为12dB，具有8dB的标准偏差。小尺度衰落或是瑞利衰落或是莱斯衰落，具有0.2us左右的迟延扩展。距离距离图3.5视距和非视距情况中微小区传播c.室内办公无线环境在室内办公无线环境中，发射功率是小的，基站和用户位于室内。路径损耗指数从2变化到5,取决于墙、地板和办公用具的散射和衰减。墙和地板的穿透损耗根据材料从3dB的轻质纺织材料变化到13-20dB的混凝土砖墙。阴影效应是对数正态的，具有12dB的标准偏差。衰落从莱斯衰落延伸到瑞利