2013秋-無線通信與無線網(wǎng)絡(luò)課件chap3

1、第3講 大尺度路徑損耗浙江大學(xué)信電系鐘財(cái)軍caiju無線信道n 信道在通信系統(tǒng)中的地位無線信道n 無線信道的特點(diǎn)的開放性：存在多種干擾環(huán)境復(fù)雜：使接收端的信號(hào)處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，接收信號(hào)的幅度、頻率、相位等均可能處于不斷變化之中nnn 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮幱诓粩嗟淖兓校ㄍㄐ庞脩舻碾S機(jī)移動(dòng)性）無線信道n 無線信道對(duì)于工程師的重要性n 無線信道是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信道，取決于用戶所 在地點(diǎn)環(huán)境條件的客觀存在的信道，其信道參數(shù)是時(shí) 變的。n 利用這類復(fù)雜的移動(dòng)信道進(jìn)行通信，首先必須分析和 掌握信道的基本特點(diǎn)和實(shí)質(zhì)，然后才能針對(duì)存在的問 題一一對(duì)癥下藥給出相應(yīng)技術(shù)解決方案。n 移動(dòng)通信中的各類新技術(shù)，都是針

2、對(duì)移動(dòng)信道的動(dòng)態(tài) 時(shí)變特性，為解決移動(dòng)通信中的有效性、可靠性和安 全性的基本指標(biāo)而設(shè)計(jì)的n 自由空間損耗n 例子:通信nn 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波鏈路n Friis公式 = 2n 自由空間中的電磁波想的信道條件。是一種比較理n 無線通信中的非自由空間是指存在反射物或者物的空間。n 在非自由空間中，由于現(xiàn)實(shí)的無線通信發(fā)生位置的隨機(jī)性，無線通信信道均比自由空間信道復(fù)雜。n 直射路徑信道n 無直射路徑信道天線看不到發(fā)射機(jī)天線的環(huán)境，稱為無直射路徑(NLOS: Non-Line of Sight)環(huán)境n NLOS環(huán)境是無線通信中經(jīng)常遇到的環(huán)境n NLOS是一種十分惡劣的信道環(huán)境，給無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大的nn

3、直射(LOS)n 反射(Reflection)n 地球表面；大氣層；建筑物n 散射(Scattering)n 粗糙表面；小物體；不規(guī)則物體n 繞射(Diffraction)n 山體n 穿透(Penetration)n 穿透封閉建筑物透射移動(dòng)模型n 用于號(hào)強(qiáng)度。和發(fā)射機(jī)之間的接收信n 兩種n 大尺度n模型:(Large Scale fading)的平均值n 包括路徑損耗和陰影n 小尺度n(Small Scale fading)的短時(shí)間變化n 包括多徑和多普勒頻移無線信道建模方法n 理論分析n 用電磁場(chǎng)和統(tǒng)計(jì)理論分析電波在移動(dòng)環(huán)境中的 信道特性，并用各種數(shù)學(xué)模型來描述移動(dòng)n 現(xiàn)場(chǎng)電波n 在不同實(shí)測(cè)

4、環(huán)境下，做電波實(shí)測(cè)試驗(yàn)n 移動(dòng)信道的計(jì)算機(jī)模擬n 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)信道進(jìn)行和模擬路徑損耗模型n 電磁波在空間所產(chǎn)生的損耗n 反映了在宏觀大范圍（即公里量級(jí)）的空間距離上的接收信號(hào)電平平均值的變化趨勢(shì)n 與距離相關(guān)，衰減特性滿足：1陰影n 電磁波在路徑上遇到起伏的山丘、建筑物、樹林等高大物阻擋，形成電磁波的陰影區(qū)，就會(huì)造成信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值的緩慢變化，引起。n 反應(yīng)中等范圍內(nèi)數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗特性服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布nn 慢小尺度n 主要由多徑和多普勒頻移而產(chǎn)生的n 反映了圍觀小范圍內(nèi)數(shù)個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)接收信號(hào)電平平均 值的變化而產(chǎn)生的損耗n 衰減特性服從瑞利分布或者萊斯分布大尺度和小

5、尺度對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型n 平均大尺度路徑損耗表示為：ndPL(d ) d0 = + 10 log00路徑損耗指數(shù)陰影模型n 對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型 dB= + = + 10 log+ 00零均值的高斯分布隨量，為dB標(biāo)準(zhǔn)差為 ，n 接收信號(hào)電平 dBm= dBm dB大尺度模型覆蓋面積的百分率由于 為正態(tài)分布隨概率：量，接收電平低于某一特定值的 Pr 2 Pr 01= 2 0覆蓋面積的百分率大尺度模型無線信道損耗從宏觀的大范圍看，主要決n定于的環(huán)境與條件。損耗不僅決定于距離，而且還與n中的地形、地貌、的載波頻率，以及發(fā)、收天線高度等密切相關(guān)。從理論角度給出一個(gè)確切、完整的公式很一般在工程上多采用一

6、些經(jīng)驗(yàn)公式與模型，它，n對(duì)于工程技術(shù)的估算要求。而言已基本上能滿足工程上大尺度模型n 室外模型n Longley-Rice模型n Durkin模型n 奧村(Okumura)模型n Hata模型n Longley-Rice模型n 使用范圍：頻率40MHz100GHz，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸；n 利用幾何學(xué)和電磁波傳輸損耗n 缺點(diǎn)：理論中值n 不提供在n 不考慮多徑附近時(shí)對(duì)環(huán)境因素的修正Okumura模型城區(qū)信號(hào)時(shí)使用最廣泛的模型nn 使用范圍：頻率1501920MHz，距離1100km，天線高度301000mn 完全基于測(cè)量數(shù)據(jù)，不提供任何理論解釋n 模型： dB= + , Okumura模型n 衰減中值條

7、件n 準(zhǔn)平滑城區(qū)n BS天線高度200mn MS天線高度3mOkumura模型n 不同類型地表情況下的修正因子Okumura模型n 天線高度增益:n 1000m30m= 20 log2003mn= 10 log3n 10m3m = 20 log3Okumura模型n 例子：使用Okumura模型求解d = 50km， = 100， =10,且為郊區(qū)環(huán)境的路徑損耗。已知發(fā)射機(jī)的EIRP為1kW，載頻為900MHz，求接收功率（接收天線為n 解：a)自由空間路徑損耗： = 125.5 dBb)由Okumura曲線可得： 900,50增益）= 43 dB, = 9 dBc)由天線高度增益可得：= 6

8、 dB，= 10.46 dBd)總路徑損耗： = 155.04 dBe)接收功率： = EIRP dBm+ dB+ dB= 60dBm 155.04dB + 0dB = 95.04dBmHata模型n 基于Okumura曲線圖所做的經(jīng)驗(yàn)公式n 適用范圍：頻率:1501500MHz，天線高度：30200m，移動(dòng)臺(tái)天線高度：110m；距離大于1km dB= 69.55 + 26.16 log 13.82 log +44.9 6.55 log log 移動(dòng)天線修正因子，中小城市和大城市不同Hata模型的PCS擴(kuò)展：f：1500MHz2000MHz室內(nèi)模型n 更加復(fù)雜，取決于眾多因素：n 房間的門是否

9、開著；n 桌子高度，桌子與天花板的距離；n 墻體的建筑材料；n 家具，辦公桌的位置擺放；n 室內(nèi)信道分為視距(LOS)或阻擋(OBS)室內(nèi)模型n 同樓層分隔損耗；樓層間分隔損耗n 對(duì)數(shù)正態(tài)路徑損耗模型 = + 10 log+ 00不同的房屋結(jié)構(gòu)，參數(shù)n和正態(tài)變量方差不一樣！鏈路預(yù)算余量: 直接按照中值計(jì)算，只有大約50%的時(shí)間和位置的傳輸質(zhì)量超過這一門限。n鏈路預(yù)算n 考慮載頻為900MHz的移動(dòng)無線系統(tǒng)，帶寬為25kHz，僅受到熱噪聲的影響（環(huán)境溫度為 = 300K 。發(fā)射機(jī)和的天線增益分別為8dB和-2dB。端纜、合并器等處的損耗為2dB。噪聲系數(shù)為7dB，信號(hào)的3dB帶寬為25kHz。所

10、需的工作信噪比為18dB，期望覆蓋范圍是2km。斷點(diǎn)在10m距離處，斷點(diǎn)之外路徑損耗指數(shù)為3.8，且射功率是多少？余量為10dB，則最小發(fā)鏈路預(yù)算噪聲功率譜密度 -174dBm/Hz 44dBHz-130dBm帶寬接收端熱噪聲功率附加噪聲所需信噪比 所需接收功率7dB18dB-105dBm3.8從10m到2km距離路徑損耗發(fā)射機(jī)到10m斷點(diǎn)的路徑損耗移動(dòng)臺(tái)天線增益RX 余量200 87dB52dB-(-2)dB 10dB22dB損耗所需EIRP發(fā)射天線增益46dBm-8dB2dB8dB增益2dB損耗發(fā)射端纜、合并器等處損耗所需（放大器輸出）40dBm思考題n 寫出自由空間意義。模型公式及各個(gè)參

11、數(shù)的n 大尺度和小尺度的定義？模型的公式及各個(gè)n 寫出對(duì)數(shù)正態(tài)陰影參數(shù)的意義。無線信道中的噪聲n 無線通信信道中的噪聲干擾，是指無意或有意產(chǎn)生、隨機(jī)性很強(qiáng)、影響無線通 接收準(zhǔn)確性的信道中產(chǎn)生的信號(hào)。收機(jī)信號(hào)外部噪聲外部噪聲，是指在無線通收機(jī)外部n產(chǎn)生并進(jìn)入無線通 外部噪聲分為三類：n 近地噪聲n 太陽系噪聲n 宇宙噪聲。收機(jī)的噪聲。n一般來說，近地噪聲對(duì)無線通信系統(tǒng)的n影響最大。近地噪聲地球?qū)α鲗觾?nèi)任兩點(diǎn)間的無線通信，無線電波與對(duì)流層內(nèi)的氧、水蒸氣、雨等相互作用，從而產(chǎn)生噪聲，與頻率有關(guān)。人類的工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，例如：其它的無線 電臺(tái)泄漏的無線電信號(hào)、電源開關(guān)產(chǎn)生的無線電 信號(hào)、汽車工作時(shí)點(diǎn)

12、火線圈產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)、電力線感應(yīng)等。大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，例如：閃電時(shí)產(chǎn)生的無線電信號(hào)。動(dòng)物產(chǎn)生的噪聲，例如，某些動(dòng)物在捕食、遇到時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的無線電信號(hào)。nnnn內(nèi)部噪聲n 內(nèi)部噪聲是無線通聲，包括：n 天線噪聲n 饋線噪聲n 收發(fā)開關(guān)噪聲n 前端低噪聲放大器噪聲n 前端其它放大器噪聲收機(jī)本身產(chǎn)生的各種噪n 量化噪聲等等。n 一般來說，天線噪聲、饋線噪聲、收發(fā)開關(guān)噪聲、前端低噪聲放大器噪聲占無線通內(nèi)部噪聲中的比例最重。收機(jī)白噪聲與高斯白噪聲n 高斯分布:n 如果被研究的隨量可以表示為大量同分布隨量的和，其中每一個(gè)隨量對(duì)于總和只起微小的作用，則可以認(rèn)為這個(gè)隨量的分布服從高斯分布(Gaussi

13、an Distribution)。高斯分布又稱正態(tài)分布(Normal Distribution)。n 在實(shí)際無線通信信道中，大部分噪聲干擾可以分解為很多子的干擾的和。因此，服從高斯分布的一類噪聲在無線通信信道中是廣泛存在的。白噪聲n 白噪聲n 功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù)的噪聲稱為白噪聲n 其中的“白”的含義，類似于光學(xué)中包括全部可見光頻率在內(nèi)的光稱為白光。n 不是白噪聲的噪聲稱為有色噪聲。白噪聲嚴(yán)格地說，白噪聲只是一種理想化的模型，因?yàn)閷?shí)際噪聲的功率譜密度不可能具有無限寬的帶寬，否則它的平均功率將是無限大，是物理上不可實(shí)現(xiàn)的。然而，白噪聲在數(shù)學(xué)處理上比較方便，因此它是系統(tǒng)分析的有力工具。一般來說，只要一個(gè)噪聲信號(hào)所具有的頻譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通信系統(tǒng)的工作頻率范圍，且在該帶寬內(nèi)其功率譜密度基本上近似為常數(shù)