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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 2001年11月17日
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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
第三讲 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
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引 言
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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。
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引言（2）：无线通信信道的指标 传播衰减 延时扩展 －衰减的平均值 －对信道色散效应的描述 －衰减的最大值 －衰减的统计特性 多普勒扩展
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
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引言（3）：无线传播信道的模型 h(, t) s(t) r(t) n(t) 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
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自由空间传播
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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。 球面上的功率流
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 d PT
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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： 代入Pr公式。得到：
S = GT PT / 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 = S A = A GT PT / 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 = Gr GT PT ( / 4 d)2 令： Pr / PT = Gr GT / LS 其中LS定义为自由空间传播损耗。 则： LS = (4 d / )2 = (4 f d / c )2 以分贝数表示： LS = lg f(GHz) +20 lg d(km) dB
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地面视距传播
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简 介 视距和天线高度的关系 地面微波通信属于视距传播。 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：
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。 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。
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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。
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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。
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大气效应之三：大气折射 引入等效地球半径的概念：
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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。
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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：
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平衰落 当衰落较严重时，接收点的场强接近瑞利分布 通用公式 接收点场强小于某个值的概率 例： B＝1 C＝3.5 A=1.410－8
Q=1
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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。
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地面超视距传播
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对流层散射传播 散射信道不存在电波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。
在地球表面10－12 km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。
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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。
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电离层反射传播（续） 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。 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）。
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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。
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卫星传播 静止卫星 移动卫星 信道稳定，可以按照自由空间传播损耗计算 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
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
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移动传播
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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。
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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。
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二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型
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二种传播模型（续） 大尺度路径损耗传播模型 描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，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 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。
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对数距离路径衰减规律 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：
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多径扩散和相干带宽 多径扩散和相干带宽的关系
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多普勒扩散和相干时间 多普勒扩散和相干时间的关系
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衰落信道的分类 基于多径时延扩散 基于多普勒扩散 平衰落 信号带宽<相干带宽 时延扩散<符号周期 频率选择性衰落
信号带宽>相干带宽 时延扩散>符号周期 基于多普勒扩散 快衰落 多普勒频移大 相干时间<符号周期 信道变化快于基带信号的变化 慢衰落 多普勒频移小 相干时间>符号周期 信道变化慢于基带信号的变化
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大尺度模型：室外模型 Longley-Rice模型 Durkin模型 适用频率范围：40MHz-10GHz。
不同种类地形的点对点系统。 利用路径几何学及对流层绕射性，预测大尺度中值传播损耗。 有计算机程序，根据输入的路径参数，进行点对点预测或区域预测。 缺点：不能提供对环境因素的修正，没有考虑多径效应。 Durkin模型 描述不规则地形场强预测的计算机仿真器。 已被联合无线电委员会用于进行有效移动无线覆盖区的研究。 主要用于大尺度路径损耗的预测。 缺点：不能精确预测由于树叶、建筑物、其它人造结构引起的传播效应，不能计算除地面反射以外的多径传播。
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大尺度模型：室外模型（续） Okumura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。
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大尺度模型：室外模型（续） Hata模型 其它模型 适用频率范围150MHz -1.5GHz Hata模型的PCS扩展
根据Okumura曲线图所作的经验公式，以市区传播损耗为标准，并对其它地区进行修正。 市区路径损耗的标准公式。在1km以上的情况下，预测结果和Okumura模型非常接近。 缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半径为1km的个人通信系统。 其它模型 Hata模型的PCS扩展 WalfishBertoni模型 宽带PCS微蜂窝模型
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大尺度模型：室内模型 一般说明 分隔损耗 室内传播特点：覆盖距离更小，环境变化更大 同楼层的分隔损耗
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？ 室内信道可以分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种。 分隔损耗 同楼层的分隔损耗 给出不同频段、不同材料不同分隔方式的损耗值。如：混凝土墙在1300MHz的损耗为8－15dB。 楼层间的分隔损耗 和建筑物的材料、类型、层数、窗户及频段有关。一层的衰减要大，而五、六层以上的衰减很小。
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大尺度模型：室内模型（续） 对数距离路径损耗模型 室内路径损耗公式
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大尺度模型：室内模型（续） Ericsson多重断点模型 通过测试多层办公室建筑，获得Ericsson无线系统模型
此模型提供特定地形路径损耗范围的确定限度 右图给出此模型的室内路径损耗图
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小尺度模型（1） 多径信道的冲激响应模型： 小尺度传播的主要效应： 移动信道可以看成线性时变信道，输入x(t)和输出y(t)存在以下关系
信号强度的快速变化 时变引起的多普勒频移 多径引起的延时扩展 多径信道的冲激响应模型： 移动信道可以看成线性时变信道，输入x(t)和输出y(t)存在以下关系
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小尺度模型（2） 移动多径信道的参数：延时扩展及相干带宽，描述色散 延时扩展的典型值如下表所示 相干带宽估算：
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小尺度传播模型（3） 移动多径信道的参数：多普勒扩展及相干时间，描述时变 多普勒频移计算： 相干时间计算：
对于高速行驶的车辆，只要传输速率大于几百bits/s，多普勒效应就可以忽略，信道就成为慢衰落信道。
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小尺度传播模型（4） 平坦衰落的Clarke模型 这是一种基于散射的统计模型。接收信号的包络服从瑞利分布：
射频信号受到多普勒衰落影响的功率谱密度如右图所示。
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小尺度传播模型（5） 电平交叉率（LCR）： 平均衰落时段： 瑞利衰落包络归一化为本地rms电平后，沿正向穿过某一指定电平的速率。表示为：
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小尺度传播模型（6） 双线瑞利衰落模型 Clarke模型及瑞利衰落统计模型只适用于平衰落，而不考虑多径时延。为此，采用一种常用的独立双线瑞利衰落信道模型。其冲激响应为：
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小尺度传播模型（7） Saleh和Valenzuela室内统计模型 SIRCIM和SMRCIM室内和室外统计模型
根据测试结果，提出一个简单的室内信道多径模型。该模型假设多径分量以簇的形式到达。接收信号的幅度是独立的瑞利随机变量，相位在（0，2）之间独立分布。 各个簇和簇内的多径分量构成不同速率的泊松过程，到达次数成指数分布。 SIRCIM和SMRCIM室内和室外统计模型 基于离散冲激响应信道模型提出了一个来源于实际的统计模型，并编写了计算机程序SIRCIM。后来又有人编写了一个类似的程序SMRCIM，用以产生市区蜂窝及微蜂窝信道的冲激响应。 目前全世界有100多家机构使用这种程序。
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