无线通信无线电传播

ElectronicEngineering1无线通信:无线电传播ElectronicEngineering2 有线和无线介质 无线电传播机制 天线和天线增益 路径损耗模型– 自由空间模型– 二雷模型– 阴影衰落– 不同环境 多径和多普勒效应– 多径衰落– 多普勒频谱电波传播与天线（通道5）ElectronicEngineering3有线和无线媒体 有线媒体– 可靠、引导链接：随着电信号相关的信息从一个终端传输到另一个终端。– 类似过滤器，限带的频率响应特性限制信道的最大发送数据速率。– 线外的辐射通过无线电或者其他的有线传输，可以在一定程度上引起近距离的干扰。 无线媒体– 相对不可靠，低带宽和广播性质（非导向介质）– 所有的无线传输共享相同的空气介质，而通过不同的电线的有线传输的各种信号，需要通过有线的介质。ElectronicEngineering4许可与免授权频段 授权带– 蜂窝系统操作1GHz左右– PCS和WLANs操作2GHz左右– WLAN在5GHz左右– LMDS(本地多点分配业务)在28-60GHz之间– IR(红外线)用于光通信 免授权频段– ISM(工业，科学和医疗)频段– U-NII(未许可国家信息基础设施)频段在1997年被释放，免授权频段PCS于1994年被释放。ElectronicEngineering5电磁频谱f,λ,和c(真空）的关系是：λf=cElectronicEngineering6Frequenciesforcommunication VLF=超低频UHF=极高频 LF=低频SHF=超高频 MF=中频EHF=特高频 HF=高频UV=紫外 VHF=甚高频 频率和波长： λ=c/f 波长λ,光速c≅3x108m/s,频率f1Mm300Hz10km30kHz100m3MHz1m300MHz10mm30GHz100µm3THz1µm300THzvisiblelightVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHFinfraredUVopticaltransmissioncoaxcabletwistedpairElectronicEngineering7移动通信频率 VHF-/UHF-移动无线范围– 简单,小天线汽车– 确定的传播特性,可靠的连接 SHF及更高为定向无线链路,卫星通信– 小天线,专注重点– 提供大带宽 无线局域网使用的频率为频谱UHF到SHF– 某些系统计划到EHF– 限制是由于水和水分子的吸收（共振频率）强降雨等天气造成的衰落和信号损失ElectronicEngineering8频率和规定 ITU-R用于新频率拍卖，管理全球频段（WRC世界无线电大会）EuropeUSAJapanCellularPhonesGSM450-457,479-486/460-467,489-496,890-915/935-960,1710-1785/1805-1880UMTS(FDD)1920-1980,2110-2190UMTS(TDD)1900-1920,2020-2025AMPS,TDMA,CDMA824-849,869-894TDMA,CDMA,GSM1850-1910,1930-1990PDC810-826,940-956,1429-1465,1477-1513CordlessPhonesCT1+885-887,930-932CT2864-868DECT1880-1900PACS1850-1910,1930-1990PACS-UB1910-1930PHS1895-1918JCT254-380WirelessLANsIEEE802.112400-2483HIPERLAN25150-5350,5470-5725902-928IEEE802.112400-24835150-5350,5725-5825IEEE802.112471-24975150-5250OthersRF-Control27,128,418,433,868RF-Control315,915RF-Control426,868ElectronicEngineering9速度，频率和波长系统频率波长AC交流电60Hz5,000kmFM收音机100MHz3m蜂窝800MHz37.5cmKa波段卫星20GHz15mm紫外线1015Hz10-7m光速(c)=波长(λ)*频率(f)=3x108m/s=300,000km/sElectronicEngineering10波的类型发射机接收机地球天波空间波地波对流层(0-12km)平流层(12-50km)中间层(50-80km)电离层(80-720km)ElectronicEngineering11无线电传播 严重的位点特异性的显著变化依赖于：– 地形（室内室外）– 操作频率（低和高）– 移动终端的速度– 干扰源 性能属性：– 信号覆盖– 接收方案– 干扰分析– 安装基站天线的最佳位置ElectronicEngineering12无线电传播机制反射和传输：当发生电磁波撞击的障碍物大于波长。– 户外不占优势衍射：入射在建筑物，墙壁或者其他大型物体的边缘上时，可以将边缘看作是活跃的次级线源。– 阴影区– 相比于室内的反射相对较弱散射：发生时物体的维度是电磁波的波长或者是更小的数量级的。ElectronicEngineering13信号传播 自由空间的传播与光一样（直线） 接收功率正比于1/d²(d=发送和接收两者之间的距离)– 接收功率的影响因素：– 衰落（依赖频率）；– 阴影；– 大型障碍物处的反射；– 取决于介质密度的折射；– 小型障碍物的散射；– 边缘衍射；反射散射衍射阴影折射ElectronicEngineering14室内无线电传播散射Rx衍射反射传输TxElectronicEngineering15室外无线电传播线的视距(LOS)路径建筑物反射屋顶衍射地面反射ElectronicEngineering16天线 电装置– 天线是一个电动的导体或者导体系统传输-向空间辐射电磁能前端-从空间收集电磁能量– 在双向通信中，同一天线既可用于发送也可用于接收 天线的类型– 全向天线（理想）向天线的各个方向均匀辐射功率– 偶极天线半波偶极子天线（或赫兹天线）四分之一波长垂直天线(或马可尼天线)– 抛物面反射天线ElectronicEngineering17 辐射和电磁波的接收，导线耦合到空间的无线电传输 各向同性辐射：在各个方向（三维）辐射相等—只是一种理论上的参考天线 实际天线总是有指令的效果（垂直和/或水平） 辐射模式：天线周围的辐射测定天线：各向同性辐射zyxzyx理想各向同性辐射ElectronicEngineering18天线：简单的偶极子 实际天线并不是各向同性的辐射器，但是例如，车顶的λ/4长度的偶极子或者λ/2的赫兹偶极子。 è天线的尺寸与波长比例 例子:一个简单的赫兹偶极子辐射图 增益：较比于各向同性的辐射器其在主瓣方向方向上具有最大功率(平均功率相同)侧视图（xy平面）xy侧视图(yz平面)zy俯视图(xz平面)xz简单偶极子λ/4λ/2ElectronicEngineering19天线：定向和扇形sideview(xy-plane)xysideview(yz-plane)zytopview(xz-plane)xztopview,3sectorxztopview,6sectorxz 通常用于微波连接或基站的移动电话（例如，一个山谷的无线覆盖）定向天线扇区天线ElectronicEngineering20天线：分集(diversity) 由两个及以上的天线组成的天线阵– 多元天线阵列 天线分集– 交换分集，选择分集接收天线选择输出最大的– 分集合结合输出功率产生增益+λ/4λ/2λ/4groundplaneλ/2λ/2+λ/2ElectronicEngineering21信号传播范围distancesendertransmissiondetectioninterference 传播范围– 通讯的可能性– 低误码率 检测范围– 检测信号可能性– 无通信可能性 干扰范围– 信号可能没有被检测到– 信号可能添加背景噪声ElectronicEngineering22天线增益 天线增益– 在某个方向上的功率输出与全向天线（理想）的任何方向上的功率输出之比。 有效面积– 与物理尺寸和天线形状有关 天线增益和有效面积之间的关系G=天线增益Ae=有效面积f=载波频率c=光速(≈3×108m/s)λ=载波波长€G=4πAeλ2=4πf2Aec2ElectronicEngineering23有线和无线介质无线电传播机制天线和天线增益 路径损耗模型– 自由空间模型– 二雷模型– 阴影衰落– 不同环境多径和多普勒效应– 多径衰落– 多普勒频谱电波传播与天线（通道5）ElectronicEngineering24路径损耗模型 信号覆盖范围的计算– 频率和地形对无线网络的设计和部署 用于不同环境中各发射器和接收器之间的几个信道模型 什么是路径损耗模型?– 设计两个终端之间以距离衰减的信号强度– 使用路径损耗模型来计算BS和AP之间的距离;在自组织网络的两个终端之间的最大距离。ElectronicEngineering25自由空间传播路径损耗梯度:无线电信号强度随距离以指数α衰减 参数:– 如果发射功率为Pt,经过距离d（米）以后，信号的强度将会正比于Ptd-α。– 在自由空间中的简单情况下,α=2。– 当一个天线辐射信号时，信号在所有方向上传播。在半径为d空间范围内的信号强度是总的辐射强度在4πd2的空间划分。– 附加损耗可能是由频率、Gt（发射系统天线增益）和Gr（接收系统天线增益）引起的。ElectronicEngineering26自由空间传播 Pt为发送功率，Pr为接收功率，于是我们可以得到： 令P0=PtGtGr(λ/4π)2为信号的接收强度(d=1m),我们可以把上述等式写为：分贝(dB),该方程的形式为：10log(Pr)=10log(P0)-20log(d) 传输延迟为距离的函数，其关系如下：τ=d/c=3dns或者3ns每距离秒。24⎟⎠⎞⎜⎝⎛=dGGPPrttrπλ20dPPr=ElectronicEngineering27天线增益 圆形反射器天线– 天线增益G=η(πD/λ)2– η=净效率(依赖于在天线孔径，损失，欧姆加热的电场分布,典型0.55)– D=直径– 因此,G=η(πDf/c)2,c=λf(c为光速) 例如：天线直径=2m,– 频率=6GHz,波长=0.05m,G=39.4dB,– 频率=14GHz,直径相同,波长=0.021m,G=46.9dB 对于直径相同的天线，频率越高，增益越高。ElectronicEngineering28 接收信号的功率：其中Gr为接收天线增益；L是在信道中的传播损耗，即：L=LPLSLFLPGGPtrtr=快衰落慢衰落路径损耗接收信号ElectronicEngineering29 路径损耗LP的定义如下：自由空间的路径损耗：其中fc是载波频率可以看出fc越大，损耗越大。,rtPPPL=),(log20)(log2045.32)(1010kmdMHzfdBLcPF++=自由空间的路径损耗ElectronicEngineering30PathLossinFree-space708090100110120130051015202530Distanced(km)PathLossLf(dB)fc=150MHzfc=200MHzfc=400MHzfc=800MHzfc=1000MHzfc=1500MHz自由空间的路径损耗ElectronicEngineering31移动无线电环境的Two-Ray模型（1） 在所有的现实环境中，信号可以通过若干不同的路径达到接收器。 Two–rayortwo-path模型比较受本土收音机的欢迎。hbhmdLine-of-sight(LOS)pathGroundreflectionElectronicEn