2013秋-无线通信与无线网络课件chap3

1、第3讲 大尺度路径损耗浙江大学信电系钟财军caiju无线信道n 信道在通信系统中的地位无线信道n 无线信道的特点的开放性：存在多种干扰环境复杂：使接收端的信号处于极不稳定的状态，接收信号的幅度、频率、相位等均可能处于不断变化之中nnn 网络拓扑处于不断的变化之中（通信用户的随机移动性）无线信道n 无线信道对于工程师的重要性n 无线信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所 在地点环境条件的客观存在的信道，其信道参数是时 变的。n 利用这类复杂的移动信道进行通信，首先必须分析和 掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问 题一一对症下药给出相应技术解决方案。n 移动通信中的各类新技术，都是针

2、对移动信道的动态 时变特性，为解决移动通信中的有效性、可靠性和安 全性的基本指标而设计的n 自由空间损耗n 例子:通信nn 点对点微波链路n Friis公式 = 2n 自由空间中的电磁波想的信道条件。是一种比较理n 无线通信中的非自由空间是指存在反射物或者物的空间。n 在非自由空间中，由于现实的无线通信发生位置的随机性，无线通信信道均比自由空间信道复杂。n 直射路径信道n 无直射路径信道天线看不到发射机天线的环境，称为无直射路径(NLOS: Non-Line of Sight)环境n NLOS环境是无线通信中经常遇到的环境n NLOS是一种十分恶劣的信道环境，给无线通信系统设计带来很大的nn

3、直射(LOS)n 反射(Reflection)n 地球表面；大气层；建筑物n 散射(Scattering)n 粗糙表面；小物体；不规则物体n 绕射(Diffraction)n 山体n 穿透(Penetration)n 穿透封闭建筑物透射移动模型n 用于号强度。和发射机之间的接收信n 两种n 大尺度n模型:(Large Scale fading)的平均值n 包括路径损耗和阴影n 小尺度n(Small Scale fading)的短时间变化n 包括多径和多普勒频移无线信道建模方法n 理论分析n 用电磁场和统计理论分析电波在移动环境中的 信道特性，并用各种数学模型来描述移动n 现场电波n 在不同实测

4、环境下，做电波实测试验n 移动信道的计算机模拟n 利用计算机技术对信道进行和模拟路径损耗模型n 电磁波在空间所产生的损耗n 反映了在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势n 与距离相关，衰减特性满足：1阴影n 电磁波在路径上遇到起伏的山丘、建筑物、树林等高大物阻挡，形成电磁波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起。n 反应中等范围内数十个波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗特性服从对数正态分布nn 慢小尺度n 主要由多径和多普勒频移而产生的n 反映了围观小范围内数个波长量级接收信号电平平均 值的变化而产生的损耗n 衰减特性服从瑞利分布或者莱斯分布大尺度和小

5、尺度对数距离路径损耗模型n 平均大尺度路径损耗表示为：ndPL(d ) d0 = + 10 log00路径损耗指数阴影模型n 对数正态阴影模型 dB= + = + 10 log+ 00零均值的高斯分布随量，为dB标准差为 ，n 接收信号电平 dBm= dBm dB大尺度模型覆盖面积的百分率由于 为正态分布随概率：量，接收电平低于某一特定值的 Pr 2 Pr 01= 2 0覆盖面积的百分率大尺度模型无线信道损耗从宏观的大范围看，主要决n定于的环境与条件。损耗不仅决定于距离，而且还与n中的地形、地貌、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、完整的公式很一般在工程上多采用一

6、些经验公式与模型，它，n对于工程技术的估算要求。而言已基本上能满足工程上大尺度模型n 室外模型n Longley-Rice模型n Durkin模型n 奥村(Okumura)模型n Hata模型n Longley-Rice模型n 使用范围：频率40MHz100GHz，点对点传输；n 利用几何学和电磁波传输损耗n 缺点：理论中值n 不提供在n 不考虑多径附近时对环境因素的修正Okumura模型城区信号时使用最广泛的模型nn 使用范围：频率1501920MHz，距离1100km，天线高度301000mn 完全基于测量数据，不提供任何理论解释n 模型： dB= + , Okumura模型n 衰减中值条

7、件n 准平滑城区n BS天线高度200mn MS天线高度3mOkumura模型n 不同类型地表情况下的修正因子Okumura模型n 天线高度增益: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,且为郊区环境的路径损耗。已知发射机的EIRP为1kW，载频为900MHz，求接收功率（接收天线为n 解：a)自由空间路径损耗： = 125.5 dBb)由Okumura曲线可得： 900,50增益）= 43 dB, = 9 dBc)由天线高度增益可得：= 6

8、 dB，= 10.46 dBd)总路径损耗： = 155.04 dBe)接收功率： = EIRP dBm+ dB+ dB= 60dBm 155.04dB + 0dB = 95.04dBmHata模型n 基于Okumura曲线图所做的经验公式n 适用范围：频率:1501500MHz，天线高度：30200m，移动台天线高度：110m；距离大于1km dB= 69.55 + 26.16 log 13.82 log +44.9 6.55 log log 移动天线修正因子，中小城市和大城市不同Hata模型的PCS扩展：f：1500MHz2000MHz室内模型n 更加复杂，取决于众多因素：n 房间的门是否

9、开着；n 桌子高度，桌子与天花板的距离；n 墙体的建筑材料；n 家具，办公桌的位置摆放；n 室内信道分为视距(LOS)或阻挡(OBS)室内模型n 同楼层分隔损耗；楼层间分隔损耗n 对数正态路径损耗模型 = + 10 log+ 00不同的房屋结构，参数n和正态变量方差不一样！链路预算余量: 直接按照中值计算，只有大约50%的时间和位置的传输质量超过这一门限。n链路预算n 考虑载频为900MHz的移动无线系统，带宽为25kHz，仅受到热噪声的影响（环境温度为 = 300K 。发射机和的天线增益分别为8dB和-2dB。端缆、合并器等处的损耗为2dB。噪声系数为7dB，信号的3dB带宽为25kHz。所

10、需的工作信噪比为18dB，期望覆盖范围是2km。断点在10m距离处，断点之外路径损耗指数为3.8，且射功率是多少？余量为10dB，则最小发链路预算噪声功率谱密度 -174dBm/Hz 44dBHz-130dBm带宽接收端热噪声功率附加噪声所需信噪比 所需接收功率7dB18dB-105dBm3.8从10m到2km距离路径损耗发射机到10m断点的路径损耗移动台天线增益RX 余量200 87dB52dB-(-2)dB 10dB22dB损耗所需EIRP发射天线增益46dBm-8dB2dB8dB增益2dB损耗发射端缆、合并器等处损耗所需（放大器输出）40dBm思考题n 写出自由空间意义。模型公式及各个参

11、数的n 大尺度和小尺度的定义？模型的公式及各个n 写出对数正态阴影参数的意义。无线信道中的噪声n 无线通信信道中的噪声干扰，是指无意或有意产生、随机性很强、影响无线通 接收准确性的信道中产生的信号。收机信号外部噪声外部噪声，是指在无线通收机外部n产生并进入无线通 外部噪声分为三类：n 近地噪声n 太阳系噪声n 宇宙噪声。收机的噪声。n一般来说，近地噪声对无线通信系统的n影响最大。近地噪声地球对流层内任两点间的无线通信，无线电波与对流层内的氧、水蒸气、雨等相互作用，从而产生噪声，与频率有关。人类的工业活动产生的噪声，例如：其它的无线 电台泄漏的无线电信号、电源开关产生的无线电 信号、汽车工作时点

12、火线圈产生的电磁辐射信号、电力线感应等。大气运动产生的噪声，例如：闪电时产生的无线电信号。动物产生的噪声，例如，某些动物在捕食、遇到时会产生很强的无线电信号。nnnn内部噪声n 内部噪声是无线通声，包括：n 天线噪声n 馈线噪声n 收发开关噪声n 前端低噪声放大器噪声n 前端其它放大器噪声收机本身产生的各种噪n 量化噪声等等。n 一般来说，天线噪声、馈线噪声、收发开关噪声、前端低噪声放大器噪声占无线通内部噪声中的比例最重。收机白噪声与高斯白噪声n 高斯分布:n 如果被研究的随量可以表示为大量同分布随量的和，其中每一个随量对于总和只起微小的作用，则可以认为这个随量的分布服从高斯分布(Gaussi

13、an Distribution)。高斯分布又称正态分布(Normal Distribution)。n 在实际无线通信信道中，大部分噪声干扰可以分解为很多子的干扰的和。因此，服从高斯分布的一类噪声在无线通信信道中是广泛存在的。白噪声n 白噪声n 功率谱密度函数在整个频域内是常数的噪声称为白噪声n 其中的“白”的含义，类似于光学中包括全部可见光频率在内的光称为白光。n 不是白噪声的噪声称为有色噪声。白噪声严格地说，白噪声只是一种理想化的模型，因为实际噪声的功率谱密度不可能具有无限宽的带宽，否则它的平均功率将是无限大，是物理上不可实现的。然而，白噪声在数学处理上比较方便，因此它是系统分析的有力工具。一般来说，只要一个噪声信号所具有的频谱宽度远远超过通信系统的工作频率范围，且在该带宽内其功率谱密度基本上近似为常数