无线通信基础

第二章无线信道的特性主讲人：张炜电子科学与工程学院军事通信工程系第二章无线信道的特性第2页共102页无线信道的损伤性无线信道的复杂性1.多种损伤。加性的，乘性的；时间上的，频率上的；干扰，周围环境噪声；快变化的，慢变化的等等2.时变的信道信道的特性随时间不同而发生变化。如何实现无线信道上的高质量通信，是一个具有挑战性的课题。第二章无线信道的特性第3页共102页2.1多径传播环境2.2线性时变信道模型2.3信道相关函数2.4大尺度路径损耗与阴影衰落2.5小尺度多径衰落第二章无线信道的特性第4页共102页2.1多径传播环境1、无线通信信号的传播方式2、接收信号中的四种效应3、衰落4、多径时延（时间色散）5、多普勒频移（频率色散）2.1多径传播环境（无线传播环境）第二章无线信道的特性第5页共102页2.1多径传播环境1、无线通信信号的传播方式反射：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：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻挡时将发生绕射。散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，将发生散射。散射发生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。直射：发射机信号无阻挡到达接收机。四种最基本传播方式：第二章无线信道的特性第6页共102页直射波障碍物绕射波入射波反射波电波的直射、反射和绕射发射天线接收天线2.1多径传播环境一般情况下，相对于直射波，反射波、绕射波、散射波都比较弱。（射线跟踪法）第二章无线信道的特性第7页共102页2.1多径传播环境2、接收信号中的四种效应（1）阴影效应：由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。第二章无线信道的特性第8页共102页2.1多径传播环境远近效应：由于用户的随机移动性，发射机与接收机之间的距离也是在随机变化。若发射机发射信号功率一样，那么到达接收机时信号的强弱将不同，离接收机近者信号强，离接收机远者信号弱。2、接收信号中的四种效应（2）第二章无线信道的特性第9页共102页多普勒效应：由于用户处于高速移动（如车载通信）中，传播频率的扩散而引起的，其频率扩散程度（多普勒频移）与用户运动速度成正比。2.1多径传播环境2、接收信号中的四种效应（3）•多普勒频移22cos()lVtt相位变化：XYldVS()tcos()cos()ldtVtt1cos()cos()2cdVfVftttc频率变化(多普勒频移）：多普勒频率有正负吗？第二章无线信道的特性第10页共102页复习：1.无线通信信号的四种基本传播方式？2.什么是阴影效应？何谓半盲区？3.什么是多普勒效应？多普勒频移与用户运动速度之间的关系？cos()cos()cdVfVfttc多普勒频移：第二章无线信道的特性第11页共102页2.1多径传播环境2、接收信号中的四种效应（4）多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号是多条从不同路径过来的信号的合成。它们到达时的信号强度、信号相位、信号频率、信号方向都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和。称这种自干扰现象为多径干扰或多径效应。第二章无线信道的特性第12页共102页2.1多径传播环境2、接收信号中的四种效应（4）第二章无线信道的特性第13页共102页2.1多径传播环境3、衰落（Fading）接收信号电平随距离或时间波动，这种现象称为衰落第二章无线信道的特性第14页共102页2.1多径传播环境3、衰落（Fading）DistanceinwavelengthSignalPowerT-RdistanceTXRXRX大尺度路径损耗大尺度路径损耗＋阴影损耗大尺度路径损耗＋阴影损耗＋小尺度衰落有损耗吗？第二章无线信道的特性第15页共102页2.1多径传播环境051015-101signal1time(milliseconds)051015-101signal2time(milliseconds)051015-202r(t)time(milliseconds)051015-101signal1time(milliseconds)051015-101signal2time(milliseconds)051015-202r(t)time(milliseconds)3、衰落（Fading）——小尺度衰落12()cos(2)cos(2())ccrtftft1201212cf051015-101signal1time(milliseconds)051015-101signal2time(milliseconds)051015-202r(t)time(milliseconds)051015-101signal1time(milliseconds)051015-101signal2time(milliseconds)051015-202r(t)time(milliseconds)例如GSM：fc=900MHz,τ≈0.55ns，Δd=16.7cm第二章无线信道的特性第16页共102页2.1多径传播环境3、衰落（Fading）——小尺度衰落12()cos(2)cos(2())ccrtftft两个矢量求和，则有接收信号：()cos(2)crtft其中：2212122cos(2)cf00.511.522.500.511.522.533.54接收信号幅度偏移波长122,1固定无线通信与移动无线通信相比，是否存在小尺度衰落？第二章无线信道的特性第17页共102页专用信号源通信、侦察、导航抗干扰接收机雷达接收机转台θ3多用途信号源源1源2源3源4源5源6反辐射导引头传输控制显示微波暗室教室3、衰落（Fading）——小尺度衰落实验第二章无线信道的特性第18页共102页2.1多径传播环境第二章无线信道的特性第19页共102页2.1多径传播环境第二章无线信道的特性第20页共102页2.1多径传播环境3、衰落（Fading）——小尺度衰落衰落深度可达20－40dB。电平幅度分布一般遵循：瑞利（Rayleigh）分布、莱斯（Rice）分布、纳卡伽米（Nakagami）分布等。变化速率快。具有选择性。即在不同频率、不同时间、不同空间，其衰落特性是不一样的。是无线移动通信中最难克服的衰落。第二章无线信道的特性第21页共102页2.1多径传播环境3、衰落（Fading）：小结三类不同层次的损耗1.大尺度路径损耗（Large-ScalePathLoss）2.阴影损耗（中尺度损耗）（Shadowing）3.小尺度衰落（Small-ScaleFading）电磁波在空间传播所产生的损耗千米量级由传播阻挡的阴影效应所产生的损耗数百波长量级反映小范围接收电平平均值的起伏变化趋势数十波长以下量级第二章无线信道的特性第22页共102页2.1多径传播环境4、多径时延（时间色散）同一发射信号通过不同路径到达接收端，它到达的时间先后和强度会有不同。到达信号之间不同的时间差，称为存在多径时延。多径时延对数字移动通信有极其重要的影响。第二章无线信道的特性第23页共102页2.1多径传播环境4、多径时延（时间色散）基站(BS)移动台(MS)路径1路径2路径305101520253035404550-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81tx05101520253035404550-10105101520253035404550-10105101520253035404550-10105101520253035404550-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81多径时延大于脉冲宽度第二章无线信道的特性第24页共102页2.1多径传播环境4、多径时延（时间色散）基站(BS)移动台(MS)路径1路径2路径305101520253035404550-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8105101520253035404550-10105101520253035404550-10105101520253035404550-10105101520253035404550-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81多径时延小于脉冲宽度第二章无线信道的特性第25页共102页2.1多径传播环境4、多径时延（时间色散）05101520253035404550-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8105101520253035404550-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81多径时延小于脉冲宽度05101520253035404550-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81tx05101520253035404550-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81多径时延大于脉冲宽度第二章无线信道的特性第26页共102页2.1多径传播环境5、多普勒频移（频率色散）当发射机与接收机之间有相对运动时，收到的电波将发生频率的变化，此变化称为多普勒频移。XYldVS()tcos()cdVfftc多普勒频率：第二章无线信道的特性第27页共102页复习：1.什么是大尺度路径损耗？什么是阴影损耗？2.什么是小尺度衰落？3.什么是多径时延？第二章无线信道的特性第28页共102页无线信道是一个完全开放式信道，其传播损耗从宏观的大范围看，主要决定于传播的环境。2.4大尺度路径损耗与阴影衰落传播损耗不仅决定于传播距离，而且还与传播中的地形、地貌、传播的载波频率，以及发、收天线高度等密切相关。从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难。一般在工程上多采用一些模型与经验公式，它对于工程技术人员而言已基本上能满足工程上的估算要求。2.4大尺度路径损耗(Large-scalepathloss)与阴影衰落(Shadowing)第二章无线信道的特性第29页共102页2.4大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1自由空间传播模型（教材2.4.1）2.4.2光滑平面上的电波传播（教材2.4.2）2.4.3带有阴影的对数距离路径损耗（教材2.4.3，2.4.6）2.4.4室外/室内传播模型（教材2.4.4/2.4.5）第二章无线信道的特性第30页共102页2.4大尺度路径损耗与阴影衰落什么是理想无线信道？无阻挡、无吸收、无时变、无干扰，自由空间传播。2.4.1自由空间传播模型自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径时接收信号的功率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。第二章无线信道的特性第31页共102页2.4大尺度路径损耗与阴影衰落Ptd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功率为：S＝Pt/4d2发射天线增益：Gt接收天线有效面积：A=Gr2/4，其中Gr为接收天线增益，为信号波长。则有：接收天线输出的功率Pr为上述三者的乘积。一、Friis公式（1）：定义2.4.1自由空间传播模型第二章无线信道的特性第32页共102页2.4大尺度路径损耗与阴影衰落自由空间中距发射机d处天线的接收功率为：24rttrPPGGd其中：Pt为发射功率；Gt是发射天线增益Pr为接收功率；Gr是接收天线增益d是T-R间距离，单位为m；为波长，单位为m；一、Friis公式（1）：定义2.4.1自由空间传播模型第二章无线信道的特性第33页共102页2.4大尺度路径损耗与阴影衰落通常直接定义是自由空间路径损耗：24d)(dLp22()10log()(4)/20log()4pcLddBdcfdBd()20log()20log()147.5