补充内容-传播模型课件

无线信号传播的讨论引子在开始讨论前，先让我们了解：无线信号在空口传输到底都经历了哪些损害：导向性媒体和非导向性媒体对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。非导向媒体的例子是大气和外层空间，它们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导它们的传播方向，这种传输形式通常称为无线传播(wireless transmission)特性数据传输的特性取决于传输媒体的性质和传输信号的特性导向媒体：传输受限于媒体自身的性质（如铜缆的材料衰减特性、容抗、感抗、阻抗、线径、波导形式、距离等）非导向媒体：传输主要受限于天线天线在无线信号传播中的作用中低频信号：波长很长，难以用常规尺寸来制作定向天线高频微波信号：可以用较小的尺寸来做定向发送天线对于非导向媒体，发送和接收都是通过天线实现的发送：天线将电磁能量发射到媒体中（空气）接收：天线从其周围媒体获取电磁波因此，天线是一种收发电磁波能量的装置对波的研究地波：低于2MHz的波，可以沿地表传播；天波：2MHz-30MHz，可以被电离层反射；直射波：30MHz以上，只能直射的波无线传播类型无线传播类型无线传播基本原理无线传播基本原理无线电波通过如下方式从发射天线传播到接无线电波通过如下方式从发射天线传播到接收天线：收天线：第一种方式即直达波。由于沿直线传播，所第一种方式即直达波。由于沿直线传播，所以可用于卫星和外部空间通信。另外，这个以可用于卫星和外部空间通信。另外，这个定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之间）。间）。第二种方式即地波或表面波。地波传播可看作是第二种方式即地波或表面波。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过地球表面到达接收机。过地球表面到达接收机。第三种方式即对流层反射波。这种波产生于对流层，第三种方式即对流层反射波。这种波产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层方式应用于波长小于系数使电波弯曲。对流层方式应用于波长小于1010米米（即频率大于（即频率大于30MHz30MHz）的无线通信中。）的无线通信中。第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于于1 1米（频率大于米（频率大于300MHz300MHz）时，电离层是反射体。）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃。这从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃。这种传播用于长距离通信。种传播用于长距离通信。另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波一样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波动上是随机的快速波动动上是随机的快速波动。典型的移动信道电波传播路径典型的移动信道电波传播路径 VHFVHF、UHFUHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性频段的电波传播特性频段的电波传播特性 陆地移动信道的主要陆地移动信道的主要特征是多径传播。特征是多径传播。传播过程中会遇到各传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，被以及起伏的地形，会引起电波的反射，会引起电波的反射，如右图所示。如右图所示。移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条反射波到达通过各个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落。的，称为多径衰落。移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性射频概念无线电频率简称射频（RF），侠义的射频频段指3KHz到300GHz的无线谱段目前真正可用于无线通信的商业化RF谱段不过集中在30MHz到40GHz，这是微波谱段的一部分，分别是VHF、UHF、SHF三个带，在不同在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。的频段内的频率具有不同的传播特性。广义的射频也包括红外线频谱，但红外线传输路径上不能有任何阻挡，它无法远距离应用，只能用在超短程室内无线电场合思考：你熟悉的调频收音机频率有哪些波段？为什么目前的广播电视塔上都要使用全向天线广播？电磁波频谱 无线频谱略表无线频谱略表由于种种原因，在一些欧、美、日等西方国家常常把目前可由于种种原因，在一些欧、美、日等西方国家常常把目前可用的微波波段分为用的微波波段分为L L、S S、C C、X X、KuKu、K K、KaKa等波段（或称子波等波段（或称子波段）段）感兴趣的3个频段微波：1GHz100GHz，可实现高方向性的波束，而且非常适用于点对点的传输，也可用于卫星通信。无线电广播频段：30MHz1GHz，适用于全向应用。红外线频谱段：31011Hz21014Hz，适于本地应用，在有限的区域(如一个房间)内对于局部的点对点及多点应用非常有用。微波传播微波传播微波的传播类似于光波的传播，是一种微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播。其主要在对流层内进行。总视距传播。其主要在对流层内进行。总的说来，这种传播方式比较稳定，但其的说来，这种传播方式比较稳定，但其传播也受到大气折射和地面反射的影响。传播也受到大气折射和地面反射的影响。另外，对流层中的大气湍流气团对微波另外，对流层中的大气湍流气团对微波有散射作用。利用这种散射作用可实现有散射作用。利用这种散射作用可实现微波的超视距传播微波的超视距传播。自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。生反射或散射。自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式l 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式在在研研究究传传播播时时，特特定定收收信信机机功功率率接接收收的的信信号号电电平平是是一一个个主主要要特特性性。由由于于传传播播路路径径和和地地形形干干扰扰，传传播播信信号号减减小小，这这种种信信号号强强度度减减小小称称为传播损耗。为传播损耗。以理想全向天线为例。经推导，自由空间以理想全向天线为例。经推导，自由空间（各向同性，无吸收，电导率为零的均匀介（各向同性，无吸收，电导率为零的均匀介质）的传播损耗为：质）的传播损耗为：LpLp=32.4+20 =32.4+20 lgf(MHzlgf(MHz)+20 )+20 lgdlgd(km)(km)其中，其中，f f为频率，为频率，d d为距离（公里）。为距离（公里）。自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式由上式可见，自由空间中电波传播损耗由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率（亦称衰减）只与工作频率f f和传播距离和传播距离d d有关，当有关，当f f或或d d增大一倍时，增大一倍时，L Lbsbs将将分别增加分别增加6dB6dB。自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式视距传播的极限距离视距传播的极限距离由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。视线所能到达的最远距离称为视线距离视线所能到达的最远距离称为视线距离d0视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离已知地球半径为已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收，设发射天线和接收天线高度分别为天线高度分别为hT和和hR（单位为（单位为m），理论上可），理论上可得视距传播的极限距离得视距传播的极限距离d0为为由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。架设越高，视线距离越远。视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径半径RR=8 500km=8 500km，可得修正后的视距传播的极，可得修正后的视距传播的极限距离限距离d d0 0为为 视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射反射、绕射和散射。当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。地球表面、建筑物和墙壁表面。当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。生波的弯曲。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射。在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。绕射损耗绕射损耗绕射损耗绕射损耗绕射损耗绕射损耗关于绕射损耗的理论研究一般是采用菲关于绕射损耗的理论研究一般是采用菲涅尔模型来做，见课本第二章涅尔模型来做，见课本第二章P22至至P23菲涅尔区同心圆半径计算公式：菲涅尔区同心圆半径计算公式：第一菲涅尔区绕射距离速查表第一菲涅尔区绕射距离速查表电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。时，会发生反射现象。反射波和直射波反射波和直射波反射波反射波反射波反射波散射发生的基本条件是：电波行进路线当散射发生的基本条件是：电波行进路线当中有反射体，而且该反射体的截面最大尺中有反射体，而且该反射体的截面最大尺寸远小于波长；当该反射体的截面最大尺寸远小于波长；当该反射体的截面最大尺寸大于波长时，则发生反射寸大于波长时，则发生反射 散射波散射波散射波散射波当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。磁场的阴影。移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落。称为阴影衰落。阴阴阴阴 影影影影 效效效效 应应应应由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等。度等。阴阴阴阴 影影影影 效效效效 应应应应慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。幅度取决于信号频率与障碍物状况。频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具有物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能力。较强的绕射能力。慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电场实测的方法找出其统计规律。场实测的方法找出其统计规律。阴阴阴阴 影影影影 效效效效 应应应应相干时间相干时间相干时间为两个瞬时时间的信道冲激响相干时间为两个瞬时时间的信道冲激响应保持强相关时的最大时间间隔。相干应保持强相关时的最大时间间隔。相干时间越小，多普勒频移越大；反之，相时间越小，多普勒频移越大；反之，相干时间越大，多普勒频移越小。干时间越大，多普勒频移越小。传输损伤使得任何传输系统收端接到的信号传输损伤使得任何传输系统收端接到的信号都不可能完全是其发端发送的信号；对模拟都不可能完全是其发端发送的信号；对模拟系统而言，这种损伤降低了信号质量；而对系统而言，这种损伤降低了信号质量；而对数字系统的数字系统的0、1来说，它很有可能导致对数来说，它很有可能导致对数位取值的判断完全相反位取值的判断完全相反对于无线网络，我们主要关心无线直线传播对于无线网络，我们主要关心无线直线传播模式，在直线模式下，主要的损伤如下：模式，在直线模式下，主要的损伤如下：直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤1、衰减和衰减失真、衰减和衰减失真(attenuationandattenuationdistortion)2、自由空间损耗、自由空间损耗(freespaceloss)3、噪声、噪声(noise)4、大气吸收、大气吸收(atmosphericabsorption)5、多径、多径(multipath)6、折射、折射(refraction)1、衰减和衰减失真：、衰减和衰减失真：信号强度随跨越距离而发生逐渐降低的现象就是衰信号强度随跨越距离而发生逐渐降低的现象就是衰减，它是距离的函数；衰减主要带来减，它是距离的函数；衰减主要带来3大影响：大影响：接收信号必须有足够强度，在系统灵敏度所能忍受接收信号必须有足够强度，在系统灵敏度所能忍受的范围内的范围内接收信号必须有足够信噪比，以保证系统能正确解接收信号必须有足够信噪比，以保证系统能正确解析析高频信号最易因衰减而失真，但高频信号加载大功高频信号最易因衰减而失真，但高频信号加载大功率难度较低频大率难度较低频大2、自由空间损耗：、自由空间损耗：在理想媒质中，信号向自由空间发散也会因在理想媒质中，信号向自由空间发散也会因距离而逐渐减弱距离而逐渐减弱Ld=20lgf+20lgd-147.56（dB）f:MHzd:m3、噪声、噪声:噪声有如下四类：噪声有如下四类：热噪声（热噪声（thermalnoise）互调噪声（互调噪声（intermodulationnoise）串扰（串扰（crosstalk）脉冲噪声（脉冲噪声（impulsenoise）热噪声：热噪声：由电子热扰动产生的系统热噪声当然是温度的由电子热扰动产生的系统热噪声当然是温度的函数，它在系统工作的整个频谱段上是均匀分函数，它在系统工作的整个频谱段上是均匀分布的，与频率无关，因此又称为白噪声（布的，与频率无关，因此又称为白噪声（whitenoise）在任一设备或导体中，在任一设备或导体中，1Hz带宽热噪声为：带宽热噪声为：No=KTNo1Hz带宽按瓦特计的噪声功率带宽按瓦特计的噪声功率K波尔兹曼常数波尔兹曼常数=1.380310-23J/KT开氏绝对温度开氏绝对温度因此，在整个工作带宽为因此，在整个工作带宽为B的频率区间总的频率区间总的热噪声为：的热噪声为：N=KTB按按dBW计则有：计则有：N=10lgK+10lgT+10lgB=-228.6(dBW)+10lgT+10lgB互调噪声：互调噪声：当两个不同的频率成分同时在向异质媒质或当两个不同的频率成分同时在向异质媒质或同质媒质传输时，由于媒质间存在非线性，同质媒质传输时，由于媒质间存在非线性，在交界面必会产生互调，两频互调干扰噪声在交界面必会产生互调，两频互调干扰噪声谱具有特定的频率，刚好是两个频率的累加谱具有特定的频率，刚好是两个频率的累加和或差和或差放大电路互调噪声与其输出信号强度有极大放大电路互调噪声与其输出信号强度有极大正相关关系正相关关系串扰和脉冲干扰：串扰和脉冲干扰：串扰是两路信号在线路中互耦，或因信道间串扰是两路信号在线路中互耦，或因信道间隔不理想、频率间隔不理想等原因产生的信隔不理想、频率间隔不理想等原因产生的信号混淆，在一些公共频段如号混淆，在一些公共频段如ISM频段，或大频段，或大功率无屏蔽线路中易产生串扰功率无屏蔽线路中易产生串扰脉冲干扰通常存在一些不确定，任何外系统脉冲干扰通常存在一些不确定，任何外系统的电磁脉冲尖峰都有可能串入信道中，形成的电磁脉冲尖峰都有可能串入信道中，形成短时间的强烈干扰，然而当我们试图捕获它短时间的强烈干扰，然而当我们试图捕获它时又不太容易时又不太容易4、大气吸收：、大气吸收：某些频率较多地受到大气吸收的影响，主要是水蒸某些频率较多地受到大气吸收的影响，主要是水蒸气和大分子的氧气气和大分子的氧气水蒸气所产生的衰减峰值在水蒸气所产生的衰减峰值在22GHz附近，频率低于附近，频率低于15GHz其效果就降得很低了其效果就降得很低了氧气所产生的衰减峰值在氧气所产生的衰减峰值在60GHz附近，频率低于附近，频率低于30GHz其效果就降得很低了其效果就降得很低了雨和雾富含水分子，它导致通常所说的雨衰现象，雨和雾富含水分子，它导致通常所说的雨衰现象，因此某些因此某些26GHz系统在南方多雨地区使用效果很差，系统在南方多雨地区使用效果很差，但到干燥的北方使用却很正常但到干燥的北方使用却很正常5、多径和折射：、多径和折射：多径、折射等现象在许多无线、移动课程中多径、折射等现象在许多无线、移动课程中都要涉及，但这不是我们能解决得了的，城都要涉及，但这不是我们能解决得了的，城市环境留给我们移动通信的选项通常不多，市环境留给我们移动通信的选项通常不多，谁都知道简单环境覆盖起来比复杂环境要容谁都知道简单环境覆盖起来比复杂环境要容易得多，我们所能做的就是尽量不把辐射天易得多，我们所能做的就是尽量不把辐射天线对准近处的大型障碍物或地面、水面线对准近处的大型障碍物或地面、水面移动环境中的衰退移动环境中的衰退通信系统所面临的最具挑战性的技术通信系统所面临的最具挑战性的技术问题是移动环境中的衰退现象。在移动问题是移动环境中的衰退现象。在移动环境中，两个天线中的一个相对于另一环境中，两个天线中的一个相对于另一个在移动，各种障碍物的相对位置会随个在移动，各种障碍物的相对位置会随时间而改变，由此会产生比较复杂的传时间而改变，由此会产生比较复杂的传输结果。输结果。反射(R)、散射(S)和衍射(D)无线电波在传播路途遇到大尺寸障碍物无线电波在传播路途遇到大尺寸障碍物（大于本身波长）时，会有反射产生，（大于本身波长）时，会有反射产生，不仅会有能量损失，而且对接收端会产不仅会有能量损失，而且对接收端会产生积极的或消极的干扰生积极的或消极的干扰衍射会发生在一个难以穿透的大尺寸障衍射会发生在一个难以穿透的大尺寸障碍物的边缘，电波遇到这样的边缘时其碍物的边缘，电波遇到这样的边缘时其能量会向其他方向传播，造成非传播方能量会向其他方向传播，造成非传播方向的天线也能收到信号向的天线也能收到信号障碍物不大（小于或相当于波长）时，障碍物不大（小于或相当于波长）时，会有散射产生，一路入信号被散射为几会有散射产生，一路入信号被散射为几路弱信号路弱信号一个信号的相位被弱化为多个副本，就一个信号的相位被弱化为多个副本，就是多径传播带来的消极影响，其叠加产是多径传播带来的消极影响，其叠加产物信噪比的恶化使收端信号检测变得更物信噪比的恶化使收端信号检测变得更为困难为困难存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲 码间干扰码间干扰ISI：最先到达的主要脉冲通常：最先到达的主要脉冲通常会伴随若干延迟到达的次要波，这些次会伴随若干延迟到达的次要波，这些次要脉冲很可能在下一符号主波到达后仍要脉冲很可能在下一符号主波到达后仍未消退，当然对接下来的数据位带来信未消退，当然对接下来的数据位带来信噪比的恶化噪比的恶化ISI带来信号可保真恢复技术的难度，以带来信号可保真恢复技术的难度，以及对接收灵敏度的影响及对接收灵敏度的影响衰退类型 移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速衰退效果也可以分为平面的或选择性的。衰退效果也可以分为平面的或选择性的。平面衰退平面衰退(flatfading)或称非选择性的衰退，接或称非选择性的衰退，接收到的信号的所有频率成分同时按相同的比例收到的信号的所有频率成分同时按相同的比例波动。波动。选择性衰退选择性衰退(selectivefading)无线电信号的不同无线电信号的不同频谱成分的影响是不相等的。频谱成分的影响是不相等的。多普勒效应多普勒效应多普勒效应是为纪念多普勒效应是为纪念ChristianDoppler而命而命名的。名的。多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。假设当观察者移动时也能得到同样的结论。假设原有波源的波长为原有波源的波长为，波速为，波速为c，观察者移动，观察者移动速度为速度为v，当观察者走近波源时观察到的波源，当观察者走近波源时观察到的波源频率为频率为(v+c)/，如果观察者远离波源，则观，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为察到的波源频率为(v-c)/。多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波。所有类型的波，包括光波、电磁波。在无线移动通信中，当移动台移向基站时，在无线移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以在频率变高，远离基站时，频率变低，所以在移动通信中要充分考虑多普勒效应。移动通信中要充分考虑多普勒效应。尤其是高速移动宽带接入网络，必须考虑多尤其是高速移动宽带接入网络，必须考虑多普勒效应。普勒效应。科学家哈勃（科学家哈勃（EdwinHubble）使用多普勒效）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论：应得出宇宙正在膨胀的结论：红移：天体远离我们银河系，光线频率变低，红移：天体远离我们银河系，光线频率变低，移向光谱红端；移向光谱红端；蓝移：天体接近我们银河系，光线频率变高，蓝移：天体接近我们银河系，光线频率变高，移向光谱蓝端移向光谱蓝端数字信号的优缺点数字信号的优缺点 优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪声的优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪声的干扰。干扰。缺点：比模拟信号的衰减要严重缺点：比模拟信号的衰减要严重模拟数据和数字数据的模拟信号和数字信号模拟数据和数字数据的模拟信号和数字信号 2.8扩频技术扩频技术 扩频技术最初是针对军事和情报部门的需求而开发的。基本思想是将携带信息的信号扩展到较宽的带宽中，以加大干扰和窃听的难度。第一种扩频技术称为跳频(frequency hopping)，更新的一种技术是直接序列(direct sequence)。扩频数字通信系统的一般模型 跳频扩频 在跳频扩频(frequency hopping spread spectrum，FHSS)中，信号用看似随机的无线电频率序列进行广播，并在固定间隔里从一个频率跳到另一个频率。而接收器在接收消息时，也和发送器同步地从一个频率跳到另一个频率。这样一来，原本打算窃听的人听到的只是无法识别的哗哗声，即使试图在某一频率上干扰，也只能抹去信号中很少的几个位。直接序列扩频 直接序列扩频(direct sequence spread spectrum，DSSS)，原始信号中的每一个位在传输信号中以多个位表示，此技术使用了扩展编码(spreading code)。这种扩展编码将信号扩展到更宽的频带范围上，而这个频带范围与使用的位数成正比。因此，一个10位的扩展编码能够在一个频带上将信号扩展至比1位扩展编码大10倍的带宽。码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)是一种基于DSSS的具有扩频功能的多路技术。2.9差错控制技术差错控制技术 无论传输系统如何设计，差错总会存在，它可能会导致传输的帧中有一个或多个位被改变，对于无线传输系统更是如此，为了保障可靠的数据传输，必须进行差错控制。三种差错控制技术差错检测码(error detection code)差错纠错码(error correction code)，也称为前向纠错FEC(forward error correction)码自动重发请求ARQ(automatic repeat request)协议。无线链路的衰落无线链路的衰落经过空中传播，经过空中传播，大尺度衰落：又叫慢衰落大尺度衰落：又叫慢衰落衰落与距离、频率、地形地物有关衰落与距离、频率、地形地物有关可用链可用链路衰耗预测模型去预测，不同频段衰落规律路衰耗预测模型去预测，不同频段衰落规律是不一样的。是不一样的。小尺度衰落：又叫快衰落小尺度衰落：又叫快衰落衰落是时间上随机的衰落是时间上随机的只可用统计规律去预只可用统计规律去预估，不同的传播环境统计规律是不一样的。估，不同的传播环境统计规律是不一样的。电波传播损耗预测模型电波传播损耗预测模型设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。这里的信号中值是长区间中值。号中值预测。这里的信号中值是长区间中值。无线传播模型无线传播模型传播模型是非常重要的。传播模型是移动通信网小区规划的基础。传播模型是非常重要的。传播模型是移动通信网小区规划的基础。模型的价值就是保证了精度，同时节省了人力、费用和时间。在模型的价值就是保证了精度，同时节省了人力、费用和时间。在规划某一区域的蜂窝系统之前，选择信号覆盖区的蜂窝站址使其规划某一区域的蜂窝系统之前，选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰，是一个重要的任务。互不干扰，是一个重要的任务。多数模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的。所以传播环多数模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的。所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用。确定某一特定地区传播环境对无线传播模型的建立起关键作用。确定某一特定地区传播环境的主要因素有：境的主要因素有：自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；该地区的植被特征；该地区的植被特征；天气状况；天气状况；自然和人为的电磁噪声状况。自然和人为的电磁噪声状况。另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响。响。在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异；在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异；静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相同。相同。根据无线网络规划的需要，我们一般将无线传播模型根据无线网络规划的需要，我们一般将无线传播模型分为两类：室外传播模型和室内传播模型。分为两类：室外传播模型和室内传播模型。常用的模型如下表所示：常用的模型如下表所示：模型名称适用范围Okumura-Hata适用于 900MHz 宏蜂窝预测 Cost231-Hata适用于1800MHz 宏蜂窝预测 Cost231 Walfish-Ikegami适用于900和1800MHz 微蜂窝预测Keenan-Motley适用于900和1800MHz 室内环境预测Okumura Okumura HataHata模型模型Hata根据根据Okumura模型中的各种图表曲线模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式，称为归纳出一个经验公式，称为Hata模型。模型。这种模型仍然保留了这种模型仍然保留了Okumura模型的风格，模型的风格，以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。上进行修正。覆盖模型覆盖模型-Okumura_HataOkumura_Hata 根据根据根据根据 Okumura_HataOkumura_HataOkumura_HataOkumura_Hata传播模型，我们可以计算出覆传播模型，我们可以计算出覆传播模型，我们可以计算出覆传播模型，我们可以计算出覆盖区内的路径损耗：盖区内的路径损耗：盖区内的路径损耗：盖区内的路径损耗：PL(dBPL(dB)=69.55+26.16log(F)=69.55+26.16log(F)13.82log(H)13.82log(H)（44.944.96.55log(H)6.55log(H)）*log(Dlog(D)C(F)C(F)其中：PL:PL:路径损耗，单位路径损耗，单位dBdB；F F：频率，计算取值：频率，计算取值21002100；GSMGSM计算取值为计算取值为900900；H H：天线有效高度，单位为米，取值为：天线有效高度，单位为米，取值为3 3米；米；D D：距离，单位为千米，一般取距天线的最远距离；：距离，单位为千米，一般取距天线的最远距离；C(F)C(F)：环境校正因子，参照现场模拟测试结论取定该值。：环境校正因子，参照现场模拟测试结论取定该值。上式可简化为：上式可简化为：PL(dB149.1544.17*log(D)C(F)（WCDMA2100）PL(dB141.444.17*log(D)C(F)（GSM900）Okumura_HataOkumura_Hata模型的模型的3G频段距离衰耗表频段距离衰耗表 距离距离（米）（米）距离距离（米）（米）衰耗衰耗值（dB）距离（米）距离（米）衰耗衰耗值（dB）116.652578.356095.15229.953081.857098.15547.553584.8580100.75856.554087.4590102.951060.854589.65100104.951568.555091.65150112.752074.155593.55200118.25Okumura_HataOkumura_Hata模型的模型的900MHz距离衰耗表距离衰耗表 距离距离（米）（米）衰耗衰耗值（dB）距离距离（米）（米）衰耗衰耗值（dB）距离距离（米）（米）衰耗衰耗值（dB）18.92570.66087.4222.23074.17090.4539.83577.18093.0848.84079.79095.21053.14581.910097.21560.85083.9150105.02066.45585.8200110.5Okumura_HataOkumura_Hata预测结果变化规律预测结果变化规律在在在在900MHz900MHz900MHz900MHz频段，距离每增加一倍，空间衰耗值增频段，距离每增加一倍，空间衰耗值增频段，距离每增加一倍，空间衰耗值增频段，距离每增加一倍，空间衰耗值增加加加加13.3 dB13.3 dB13.3 dB13.3 dB；在在在在2100MHz2100MHz2100MHz2100MHz频率上，相同距离的频率上，相同距离的频率上，相同距离的频率上，相同距离的衰耗衰耗衰耗衰耗值较值较值较值较900MHz900MHz900MHz900MHz频频频频段多段多段多段多7.75 dB7.75 dB7.75 dB7.75 dB；Okumura_HataOkumura_HataOkumura_HataOkumura_Hata预测模型适用于宏蜂窝预测预测模型适用于宏蜂窝预测预测模型适用于宏蜂窝预测预测模型适用于宏蜂窝预测CCIR模型可以简单地认为可以简单地认为CCIR模型就是对模型就是对Okumura_HataOkumura_HataOkumura_HataOkumura_Hata模型中模型中模型中模型中的的的的环境校正因子环境校正因子C(F)C(F)取值的一种规定，它引用的校正取值的一种规定，它引用的校正依据是：被建筑物覆盖的区域的百分比，姑且称它为依据是：被建筑物覆盖的区域的百分比，姑且称它为R RB B，则有：，则有：C(F)=30-25lgRC(F)=30-25lgRB B例如：当等于例如：当等于15%15%时，一般可认为是乡村或开阔的地方，时，一般可认为是乡村或开阔的地方，此时此时C(F)=30-25lg15=0C(F)=30-25lg15=0，比当初，比当初Okumura_HataOkumura_HataOkumura_HataOkumura_Hata模型模型模型模型设设置时对这类地形的衰耗值定义还要悲观，同样的情形置时对这类地形的衰耗值定义还要悲观，同样的情形也出现在城市和城郊的预测工作中，见也出现在城市和城郊的预测工作中，见P47P47图图2.212.21宏蜂窝和微蜂窝宏蜂窝和微蜂窝一般称天线高度高于覆盖区建筑物的为宏蜂窝一般称天线高度高于覆盖区建筑物的为宏蜂窝称天线高度低于覆盖区建筑物的为微蜂窝称天线高度低于覆盖区建筑物的为微蜂窝称天线置于覆盖区建筑物内的为室内覆盖称天线置于覆盖区建筑物内的为室内覆盖或微微蜂窝或微微蜂窝称天线直接置于用户房间内的为室内深度覆盖称天线直接置于用户房间内的为室内深度覆盖或或PICO（毫微微蜂窝）（毫微微蜂窝）COST-231 WICOST-231 WI模型模型COST-231 WI模型广泛用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境。它是基于Walfisch-Bertoni模型和Ikegami模型得到的，在低基站天线场景时该模型考虑了多屏绕射损耗、建筑物到街面的损耗和自由空间损耗的影响COST-231 WI模型适用于：800MHz-2000MHz频段基站天线高度在4米到50米之内预测距离不超过5公里微蜂窝场景COST-231 WICOST-231 WI模型模型视距情况下（视距情况下（LOS）L=42.6+26logd+20logflogd+20logf式中：式中：f为频率，单位为频率，单位MHzd为距离，单位为距离，单位KmCOST-231 WICOST-231 WI模型模型非视距情况下（NLOS）先看下图：COST-231 WICOST-231 WI模型模型图中：图中：hb为基站天线高出地面的高度，（为基站天线高出地面的高度，（4至至50米）米）hm为移动台天线的高度，（为移动台天线的高度，（1至至3米）米）hB为传播路径上建筑物的高度为传播路径上建筑物的高度hb=hbhB为基站天线的架高为基站天线的架高hm=hmhB为移动台天线低于建筑物的高差为移动台天线低于建筑物的高差b为建筑物间隔，默认值为为建筑物间隔，默认值为20米到米到50米米w为街道宽度，默认值为为街道宽度，默认值为b/2L=L0+L1+L2L0为自由空间衰耗；为自由空间衰耗；L1为沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗为沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗L2为多遮蔽物衍射损耗为多遮蔽物衍射损耗COST-231 WICOST-231 WI模型模型先计算先计算L1定向损耗此处根据衍射角度不同还有不同取值，对现场勘测此处根据衍射角度不同还有不同取值，对现场勘测要求甚高，一般在楼下都是取第三项，角度取要求甚高，一般在楼下都是取第三项，角度取85度度COST-231 WICOST-231 WI模型模型再计算再计算L2其中：其中：COST-231 WICOST-231 WI模型模型中等城市和郊区大城市COST-231 WICOST-231 WI模型模型设定几个条件，可将非视距模型予以简化，然后再做成设定几个条件，可将非视距模型予以简化，然后再做成速查表格速查表格设：设：1.基站天线架高基站天线架高hb为为4米（一般抱杆安装就是这个高度）米（一般抱杆安装就是这个高度）2.手机高度手机高度hm为为1.6米米3.频率频率f暂定为暂定为GSM频段，取为频段，取为9004.建筑物间隔因要算进去楼体厚度，所以一般建筑物间隔因要算进去楼体厚度，所以一般b取取50米米5.w就取为就取为d的一半的一半6.像这种场景一般在国内属于像这种场景一般在国内属于7层楼的多层小区，考虑层楼的多层小区，考虑hB为为20米米7.在在900MHz一般认为一般认为kf取取-4COST-231 WICOST-231 WI模型模型COST-231 WICOST-231 WI模型在模型在900MHz900MHz频段简化为频段简化为L=L0+L1+L2=114.7+38lgd其中其中d取取km为单位为单位课后练习：根据简化的课后练习：根据简化的COST-231 WICOST-231 WICOST-231 WICOST-231 WI模型制作模型制作模型制作模型制作GSM900MHzGSM900MHzGSM900MHzGSM900MHz频段距离速查表（需列明假设条件）频段距离速查表（需列明假设条件）频段距离速查表（需列明假设条件）频段距离速查表（需列明假设条件）COST-231 WICOST-231 WI模型模型一般用一般用COST-231 WICOST-231 WI模型做楼顶布放天线模型做楼顶布放天线条件下的，由低平的多层组成的小区覆条件下的，由低平的多层组成的小区覆盖场景，多用于盖场景，多用于800-900800-900频段频段ITU-R室内传播模型室内传播模型在室内分布系统中，无线电波在复杂的在室内分布系统中，无线电波在复杂的室内环境中传播，要受到房间内部各种室内环境中传播，要受到房间内部各种物体和墙壁、地板、人体的反射和阻挡，物体和墙壁、地板、人体的反射和阻挡，出现反射、绕射、散射和衰减等各种传出现反射、绕射、散射和衰减等各种传播效应。大部分室内无线通信过程都是播效应。大部分室内无线通信过程都是在非视距的情况下完成的，所以我们认在非视距的情况下完成的，所以我们认为室内覆盖环境不应是自由空间，而是为室内覆盖环境不应是自由空间，而是受限空间。受限空间。ITU-R室内传播模型室内传播模型根据根据ITU-RRec.P.1238建议给出的数据，建议给出的数据，可以把无线电波在室内的基本传播损耗可以把无线电波在室内的基本传播损耗表示为：表示为：Lb(dB)=20lgf+10nlgd+Lfloor-28式中：式中：f为工作频率，单位取为工作频率，单位取MHz，d为为距离，单位取米，距离，单位取米，n是室内传播指数，它是室内传播指数，它是介于是介于2.03.3之间的常数，与建筑物性之间的常数，与建筑物性质有关，在不同频段，其取值如下：质有关，在不同频段，其取值如下：f900MHz时时住宅和办公楼住宅和办公楼n3.3商业卖场商业卖场n2.0f1.82.0GHz时时办公楼办公楼n3.0住宅楼住宅楼n2.8商业卖场商业卖场n2.2式中式中Lfloor是穿过地板的损耗，在不同频段，其取是穿过地板的损耗，在不同频段，其取值如下：值如下：f900MHz时穿时穿1层地板层地板各种楼宇统一取值各种楼宇统一取值Lfloor9穿穿2层地板层地板各种楼宇统一取值各种楼宇统一取值Lfloor19穿穿3层地板层地板各种楼宇统一取值各种楼宇统一取值Lfloor24f1.82.0GHz时时住宅楼住宅楼Lfloor4电波穿过楼电波穿过楼层数层数办公楼办公楼Lfloor154（电波穿过楼层数（电波穿过楼层数1）商业卖场商业卖场Lfloor63（电波穿过楼层数（电波穿过楼层数1）现场环境中，电波穿透现场环境中，电波穿透2层楼板和墙壁的衰层楼板和墙壁的衰耗比较大，再加上每层都会设计有天线，耗比较大，再加上每层都会设计有天线，所以垂直方向隔楼板覆盖我们可以不考虑，所以垂直方向隔楼板覆盖我们可以不考虑，根据实际情况水平方向隔墙壁覆盖我们最根据实际情况水平方向隔墙壁覆盖我们最多只考虑多只考虑3层，如隔墙太多覆盖效果肯定很层，如隔墙太多覆盖效果肯定很差，需要另想办法差，需要另想办法根据根据ITU-RRec.P.1238建议室内传播模建议室内传播模型计算的距离衰耗表型计算的距离衰耗表表一：表一：f900MHz住宅和办公楼住宅和办公楼Lb(dB)=31+33lgd（米）（米）+Lfloor表二：表二：f900MHz商业卖场商业卖场Lb(dB)=31+20lgd（米）（米）+Lfloor多径信道的统计分析多径信道的统计分析高斯分布：即对数正态分布高斯分布：即对数正态分布瑞利分布：无直达波路径，但又有大量瑞利分布：无直达波路径，但又有大量反射波存在，且各反射波幅度和相位都反射波存在，且各反射波幅度和相位都是统计独立的是统计独立的莱斯分布：当接收信号有视距直达波时莱斯分布：当接收信号有视距直达波时视距信号成为主接收信号分量视距信号成为主接收信号分量中上中上-m分布：分布：莱斯分布莱斯分布中值场强并不时刻稳定在预定数值上，而是在不断变化中值场强并不时刻稳定在预定数值上，而是在不断变化之中的，其变化的规律遵循如下概率：之中的，其变化的规律遵循如下概率：1.多数信道辐射规律遵循瑞利分布，但直射径为主，且周多数信道辐射规律遵循瑞利分布，但直射径为主，且周围开阔，反射径较少情形服从高斯正态分布围开阔，反射径较少情形服从高斯正态分布2.有直射径，但周围有较多反射体，且反射较强情形，有直射径，但周围有较多反射体，且反射较强情形，服从莱斯分布服从莱斯分布3.无直射径，但有一条最强反射径和多条次强反射径情形，无直射径，但有一条最强反射径和多条次强反射径情形，也服从莱斯分布也服从莱斯分布4.莱斯分布情形下若主径信号进一步增强，则向高斯分布莱斯分布情形下若主径信号进一步增强，则向高斯分布趋近趋近中上中上-m分布适用于城区情形，但由于计算过于复杂，需分布适用于城区情形，但由于计算过于复杂，需对对m进行取值和调整，所以实网预测很少选用进行取值和调整，所以实网预测很少选用信道干扰信道干扰同频干扰、邻频干扰、互调干扰、异系统同频干扰、邻频干扰、互调干扰、异系统干扰、其他干扰源干扰、其他干扰源同频干扰：指系统内使用同一频点的其他基同频干扰：指系统内使用同一频点的其他基站或其他手机发出的同频信号过强，对本端站或其他手机发出的同频信号过强，对本端接收信号的接收信号的SNR有较大恶化影响，高于了系有较大恶化影响，高于了系统能忍受的门限，造成解码困难和误码增加、统能忍受的门限，造成解码困难和误码增加、或干脆不能解码的情形或干脆不能解码的情形GSM系统要求的同频干扰保护比：系统要求的同频干扰保护比：+9dB解决措施：跳时、跳频、重新规划频率、解决措施：跳时、跳频、重新规划频率、CDMA、扩频技术、扩频技术邻频干扰：指系统内使用相邻频点的其他基邻频干扰：指系统内使用相邻频点的其他基站或其他手机发出的邻频信号过强，接收端站或其他手机发出的邻频信号过强，接收端的边带滤波器未能有效滤除，从而对本端接的边带滤波器未能有效滤除，从而对本端接收信号的收信号的SNR有较大恶化影响，高于了系统有较大恶化影响，高于了系统能忍受的门限，造成解码困难和误码增加、能忍受的门限，造成解码困难和误码增加、或干脆不能解码的情形或干脆不能解码的情形GSM系统要求的邻频干扰保护比：系统要求的邻频干扰保护比：-6dB解决措施：重新规划频率、跳频解决措施：重新规划频率、跳频互调干扰：指系统内载有两个不同的带内频互调干扰：指系统内载有两个不同的带内频点的支路由于器件和放大器的非线性，在合点的支路由于器件和放大器的非线性，在合成端口形成频率互调，寄生了较强的带内互成端口形成频率互调，寄生了较强的带内互调产物，对接收端造成了影响，接收端的边调产物，对接收端造成了影响，接收端的边带滤波器未能有效滤除，从而对本端接收信带滤波器未能有效滤除，从而对本端接收信号的号的SNR有较大恶化影响，高于了系统能忍有较大恶化影响，高于了系统能忍受的门限，造成解码困难和误码增加、或干受的门限，造成解码困难和误码增加、或干脆不能解码的情形脆不能解码的情形GSM系统要求的设备类互调指标：要求三阶互调系统要求的设备类互调指标：要求三阶互调低于低于-36dBm；我国运营商要求低于；我国运营商要求低于-42dBm；GSM系统要求的无源器件类互调指标：要求三阶系统要求的无源器件类互调指标：要求三阶互调须低于互调须低于-120dBc；而我国运营商近年要求低于；而我国运营商近年要求低于-140dBc；高性能器件要求更高；高性能器件要求更高解决措施：采购线性度高的设备器件、解解决措施：采购线性度高的设备器件、解决端口发热导致的阻抗不匹配问题决端口发热导致的阻抗不匹配问题监狱、部队、考场、边境线使用的干扰屏蔽器；监狱、部队、考场、边境线使用的干扰屏蔽器；高压输电线路、大功率电源引起的工频干扰高压输电线路、大功率电源引起的工频干扰私用无线器材；私用无线器材；直放站类设备非线性工作造成干扰直放站类设备非线性工作造成干扰异系统干扰和其他干扰异系统干扰和其他干扰