无线通线系统概论课件

無線通訊系統概論

行動通訊與網路Chapter03行動無線傳播無線通訊系統概論

行動通訊與網路Chapter03無線電波種類無線電波有很多種，包括地面、空中與天空。地波(groundwave)是在地球表面傳播，而天波(skywave)是在空中傳播，但可經對流層或電離層反射回地球。不同的波長受對流層與電離層的反射程度也有所差異這些波的不同屬性。我們可以將頻譜做切割，而無線頻譜即是依據傳播特性與系統面向來做分類。對蜂巢式系統而言，我們主要關注的是地波與空波(spacewave)。2第3章行動無線傳播第67頁無線電波種類無線電波有很多種，包括地面、空中與天空。2第3章表3.1無線頻率帶3頻率帶分類縮寫頻率範圍傳遞模式極低類ELF<300Hz地波超低類ILF300Hz-3kHz很低頻VLF3kHz-30kHz低頻LF30kHz-300kHz中頻MF300kHz-3MHz地波/天波高頻HF3MHz-30MHz天波很高頻VHF30MHz-300MHz空波超高頻UHF300MHz-3GHz特高頻SHF3GHz-30GHz極高頻EHF30GHz-300GHz機端高頻THF300GHz-3000GHz第3章行動無線傳播第68頁表3.1無線頻率帶3頻率帶分類縮寫頻率範圍傳遞模式極低類圖3.1不同型態之無線電波傳播4發送器接收器地球天波空波地波對流層(0-12km)平流層

(12-50km)中氣層(50-80km)電離層

(80-720km)第3章行動無線傳播第68頁圖3.1不同型態之無線電波傳播4發送器接收器地球天波空波傳播機制1.反射(reflection)：傳播中的波撞擊到一個物體,而此物體大於其波長(譬如地球表面、高聳的建築物、一大片的牆壁)。2.繞射(diffraction)：發送端與接收端之間的無線電路徑，遭受具不規則邊緣的表面所阻擋〔譬如電波繞過阻擋物，即不存在可視直線(lineofsight;LOS)〕。3.散射(scattering)：當物體是小於傳播波的波長時，入射波會散射成數個較弱的波。5第3章行動無線傳播第69頁傳播機制1.反射(reflection)：傳播中的波撞擊到圖3.2反射、繞射，以及散射6發送器d接收器hbhm繞射信號反射信號直射信號建築物第3章行動無線傳播第69頁散射信號圖3.2反射、繞射，以及散射6發送器d接收器hbhm繞射自由空間是理想的傳播媒介。考慮一個功率為Pt

之等向性發送端。距離始點為一任意長距離d

。其發射功率是以球體狀均勻分佈於表面。所以，在距離d

位置所接收的信號功率Pr

為:其中Ae為發送端所覆蓋的有效面積，而Gt

為發送天線增益(antennagain)。自由空間傳播7第3章行動無線傳播第70頁自由空間是理想的傳播媒介。考慮一個功率為Pt之等向性發送端有效孔徑與接收天線增益Gr的關係可從[3.1]導出為其中λ為電磁波波長。自由空間傳播8第3章行動無線傳播第70頁有效孔徑與接收天線增益Gr的關係可從[3.1]導出為自由空自由空間路徑衰減Lf是定義為:

Lf表示空間中功率衰減的量。衰減越多意味著需要更大的傳輸功率。也就是接收信號強度亦必須維持在某一最小功率。這樣接收端才能正確接收。自由空間傳播9第3章行動無線傳播第70-71頁自由空間路徑衰減Lf是定義為:自由空間傳播9第3章行當Gt

=

Gr

=

1，自由空間路徑衰減為:其中C為光速(=2.998×108m/s)而fc為載波

頻率。以分貝為單位的自由空間路徑衰減可寫為：自由空間傳播10第3章行動無線傳播第71頁當Gt=Gr=1，自由空間路徑衰減為:自由空間傳播圖3.3自由空間路徑衰減11第3章行動無線傳播第71頁圖3.3自由空間路徑衰減11第3章行動無線傳播第地面行動無線通道可視為固定站台與手機之間的通訊；因衰落它會變成多重路徑傳播通道。意思是說因為路徑傳播過程中遭遇各種物體會造成繞射與反射。信號會以多條不同路徑抵達目的端。接收信號功率Pr是表示為：其中L代表通道中的傳播衰減。地面傳播12第3章行動無線傳播第72頁地面行動無線通道可視為固定站台與手機之間的通訊；因衰落它會變圖3.4傳播衰減示意圖13信號強度(dB)距離路徑衰減慢速衰落

(長期衰落)快速衰落

(短期衰落)第3章行動無線傳播第72頁圖3.4傳播衰減示意圖13信號強度距離路徑衰減慢速衰落快速最簡單的地表傳播之路徑衰減公式是其中A

和α為傳播常數，以及d是發送端與接收端之間的距離。通常在城市區域α的值為3~4。路徑衰減14第3章行動無線傳播第73頁最簡單的地表傳播之路徑衰減公式是路徑衰減14第3章行動無圖3.5無線傳播15發送器距離d接收器hbhm第3章行動無線傳播第68頁圖3.5無線傳播15發送器距離d接收器hbhm第3章路徑衰減城市區域（a）大型城市（b）中小型城市

16第3章行動無線傳播第73-74頁路徑衰減城市區域16第3章行動無線傳播第73-74路徑衰減2.郊外區域3.開放區域17第3章行動無線傳播第74頁路徑衰減2.郊外區域17第3章行動無線傳播第74圖3.6路徑衰減(城市:大城市)18第3章行動無線傳播第75頁圖3.6路徑衰減(城市:大城市)18第3章行動圖3.7路徑衰減(城市區域:中小型城市)19第3章行動無線傳播第68頁圖3.7路徑衰減(城市區域:中小型城市)19第3章圖3.8路徑衰減(郊區)20第3章行動無線傳播第75頁圖3.8路徑衰減(郊區)20第3章行動無線傳播圖3.9路徑衰減(開放區域)21第3章行動無線傳播第76頁圖3.9路徑衰減(開放區域)21第3章行動無線傳慢速衰落慢速衰落也稱為對數常態(log-normal)衰落或遮蔽效應(shadowing)，因為其振幅具有對數常態機率密度函數。慢速衰落於位置d的局部均值rm(d)定義如下：其中r(x)是於位置x的接收信號，以及dw是視窗大小。

22第3章行動無線傳播第77頁慢速衰落慢速衰落也稱為對數常態(log-normal)衰落或慢速衰落以分貝為單位的接受信號強度之機率密度函數為其中M是以分貝(dB)為單位的實際接受信號強度m

(譬如，M

=

10log10

m)、

為區域平均信號強度(譬如，M的均值)，以及σ是以分貝為單位的標準差。

23第3章行動無線傳播第77頁慢速衰落以分貝為單位的接受信號強度之機率密度函數為23第3章圖3.10對數常態分佈的機率密度函數24MM2p(M)第3章行動無線傳播第78頁圖3.10對數常態分佈的機率密度函數24MM2p(M)快速衰落複合信號包絡的機率分佈為Rayleigh分佈，其機率密度函數為：複合信號之相分佈的機率密度函數為：25第3章行動無線傳播第79頁快速衰落複合信號包絡的機率分佈為Rayleigh分佈，其衰落信號的均值(第一階矩量)為：衰落信號的功率(第二階矩量)為：複合信號的累積機率分佈(CDF)為：接收端離發送端很遠26第3章行動無線傳播第79-80頁衰落信號的均值(第一階矩量)為：接收端離發送端很遠26第3章圖3.11

當

=

1,

2,

3時

Rayleigh分布的機率密度函數27r246810P(r)00.20.40.60.81.0

=

1

=

2

=

3第3章行動無線傳播第79頁圖3.11當=1,2,3時

Rayleigh接收端離發送端很近複合信號包絡的機率分佈為Rician分佈，其機率密度函數是：其中r為衰落信號的包絡，σ是標準差，β

是直接信號的振幅。以及I0(x)是零階修正Bessel函數；即為：28第3章行動無線傳播第80頁接收端離發送端很近複合信號包絡的機率分佈為Rician分佈，圖3.12根據Rician分佈而得的複合信號包絡之機率密度函數29r機率密度函數p(r)β=2β=1β=0(Rayleigh)=1β=3第3章行動無線傳播第81頁圖3.12根據Rician分佈而得的複合信號包絡之機率Nakagami分佈，接收信號包絡的機率密度函數為：其中Γ(m)為Gamma函數、為平均功率。即衰落信號的第二階矩量，以及稱為衰落項。其中。一般型模型30第3章行動無線傳播第81頁Nakagami分佈，接收信號包絡的機率密度函數為：一般型接收信號的瞬時振幅可表現於準位跨越率、衰落率、衰落深度，以及衰落時間。準位跨越率N(RS)為:其中

fm

是最大Doppler頻率，其為：其中ν是行動用戶的移動速度，以及λ是載波波長。瞬時振幅的特性31第3章行動無線傳播第82頁接收信號的瞬時振幅可表現於準位跨越率、衰落率、衰落深度，以及

等於平均平方值，2σ2是平均平方根(rootmeansquare)值。直立單極天線的準位跨越率為：其中是指定準位與衰落包絡的平均平方根振幅之間的比例。瞬時振幅的特性32第3章行動無線傳播第83頁等於平均平方值，2σ2是平均平方根(root衰落率定義為信號包絡在單位時間正跨越於中間值

rm的次數。衰落率與載體波長、行動用戶的速率，以及多重路徑的數目有關。基於大量的經驗，平均衰落率為：衰落率33第3章行動無線傳播第83頁衰落率定義為信號包絡在單位時間正跨越於中間值rm的次數。衰衰落深度定義為平均平方值與最小衰落信號值之間的比例。因為衰落深度是隨機變數，平均衰落深度是定義為中間值與衰落信號振幅之間的差，當。衰落深度34第3章行動無線傳播第83頁衰落深度定義為平均平方值與最小衰落信號值之間的比例。因為衰落衰落時間定義為信號低於指定臨界Rs的時間長短。因為它是隨機變數，我們使用平均衰落時間來描述衰落時間衰落時間35第3章行動無線傳播第83頁衰落時間定義為信號低於指定臨界Rs的時間長短。因為它是隨機變圖3.13移動數度效應36時間V1V2V3V4信號強度第3章行動無線傳播第84頁圖3.13移動數度效應36時間V1V2V3V4信號強度第Doppler效應在無線與行動系統，基地台的位置是固定的，但手機是可移動的。接收縱號的頻率fr為：其中fc為來源端載波的頻率，以及fd是Doppler頻率或Doppler位移。Doppler頻率或Doppler位移是v

cosθ代表接收端在傳送端方向的速度分量。37接收器來自發送端的信號接收器之移動方向θ第3章行動無線傳播第85頁Doppler效應在無線與行動系統，基地台的位置是固定的，圖3.15信號的延遲展延38延遲信號強度來自盡端反射的信號來自中途反射的信號來自遠方反射的信號第3章行動無線傳播第85頁圖3.15信號的延遲展延38延遲信號強度來自盡端反射的信延遲展延延遲展延可定義為：指數：均勻：39第3章行動無線傳播第86頁延遲展延延遲展延可定義為：39第3章行動無線傳播第符號間干擾(ISI)是由多重路徑信號的時間延遲所引羅。ISI也會對通道的突發錯誤率(bursterrorrate)造成影響。符號間干擾40第3章行動無線傳播第86頁符號間干擾(ISI)是由多重路徑信號的時間延遲所引羅。ISI圖3.16多重路徑信號所引起的符號間干擾41時間時間時間發送信號接受信號

(短的延遲)接受信號

(長的延遲)101傳遞時間延遲信號第3章行動無線傳播第87頁圖3.16多重路徑信號所引起的符號間干擾41時間時間時間同調頻寬是通道中可視為「平坦」(在通道頻譜之增益為相等及其相位具線性)的頻率範圍之統計量測。同調頻寬Bc代表兩衰落信號包絡在頻率f1與f2的相互關係，並且是一個延遲展延τd函數。當兩衰落信號包絡在頻率f1與f2的相關係數(correlationcoefficient)為0.5時，同調頻寬可近似為：同調頻寬42第3章行動無線傳播第87-88頁同調頻寬是通道中可視為「平坦」(在通道頻譜之增益為相等及其相在蜂巢式系統，關鍵概念是頻率的重複利用；即是相同頻率分配給不同細胞。頻率劃分是依細胞之間使用相同頻率的共通道干擾機率Pco是小於一指定值。它會定義有用信號強度rd降低至干擾信號強度ru

若干倍之機率，如：其中β

定義為保護比(otectionratio)。共通道干擾43第3章行動無線傳播第88頁在蜂巢式系統，關鍵概念是頻率的重複利用；即是相同頻率分配給不我們假設有用信號與干擾信號是相互獨立的。其機率密度函數我們分別記作p1(r1)與p2(r2)。然後Pco為：共通道干擾44第3章行動無線傳播第89頁我們假設有用信號與干擾信號是相互獨立的。其機率密度函數我們分無線通訊系統概論

行動通訊與網路Chapter03行動無線傳播無線通訊系統概論

行動通訊與網路Chapter03無線電波種類無線電波有很多種，包括地面、空中與天空。地波(groundwave)是在地球表面傳播，而天波(skywave)是在空中傳播，但可經對流層或電離層反射回地球。不同的波長受對流層與電離層的反射程度也有所差異這些波的不同屬性。我們可以將頻譜做切割，而無線頻譜即是依據傳播特性與系統面向來做分類。對蜂巢式系統而言，我們主要關注的是地波與空波(spacewave)。46第3章行動無線傳播第67頁無線電波種類無線電波有很多種，包括地面、空中與天空。2第3章表3.1無線頻率帶47頻率帶分類縮寫頻率範圍傳遞模式極低類ELF<300Hz地波超低類ILF300Hz-3kHz很低頻VLF3kHz-30kHz低頻LF30kHz-300kHz中頻MF300kHz-3MHz地波/天波高頻HF3MHz-30MHz天波很高頻VHF30MHz-300MHz空波超高頻UHF300MHz-3GHz特高頻SHF3GHz-30GHz極高頻EHF30GHz-300GHz機端高頻THF300GHz-3000GHz第3章行動無線傳播第68頁表3.1無線頻率帶3頻率帶分類縮寫頻率範圍傳遞模式極低類圖3.1不同型態之無線電波傳播48發送器接收器地球天波空波地波對流層(0-12km)平流層

(12-50km)中氣層(50-80km)電離層

(80-720km)第3章行動無線傳播第68頁圖3.1不同型態之無線電波傳播4發送器接收器地球天波空波傳播機制1.反射(reflection)：傳播中的波撞擊到一個物體,而此物體大於其波長(譬如地球表面、高聳的建築物、一大片的牆壁)。2.繞射(diffraction)：發送端與接收端之間的無線電路徑，遭受具不規則邊緣的表面所阻擋〔譬如電波繞過阻擋物，即不存在可視直線(lineofsight;LOS)〕。3.散射(scattering)：當物體是小於傳播波的波長時，入射波會散射成數個較弱的波。49第3章行動無線傳播第69頁傳播機制1.反射(reflection)：傳播中的波撞擊到圖3.2反射、繞射，以及散射50發送器d接收器hbhm繞射信號反射信號直射信號建築物第3章行動無線傳播第69頁散射信號圖3.2反射、繞射，以及散射6發送器d接收器hbhm繞射自由空間是理想的傳播媒介。考慮一個功率為Pt

之等向性發送端。距離始點為一任意長距離d

。其發射功率是以球體狀均勻分佈於表面。所以，在距離d

位置所接收的信號功率Pr

為:其中Ae為發送端所覆蓋的有效面積，而Gt

為發送天線增益(antennagain)。自由空間傳播51第3章行動無線傳播第70頁自由空間是理想的傳播媒介。考慮一個功率為Pt之等向性發送端有效孔徑與接收天線增益Gr的關係可從[3.1]導出為其中λ為電磁波波長。自由空間傳播52第3章行動無線傳播第70頁有效孔徑與接收天線增益Gr的關係可從[3.1]導出為自由空自由空間路徑衰減Lf是定義為:

Lf表示空間中功率衰減的量。衰減越多意味著需要更大的傳輸功率。也就是接收信號強度亦必須維持在某一最小功率。這樣接收端才能正確接收。自由空間傳播53第3章行動無線傳播第70-71頁自由空間路徑衰減Lf是定義為:自由空間傳播9第3章行當Gt

=

Gr

=

1，自由空間路徑衰減為:其中C為光速(=2.998×108m/s)而fc為載波

頻率。以分貝為單位的自由空間路徑衰減可寫為：自由空間傳播54第3章行動無線傳播第71頁當Gt=Gr=1，自由空間路徑衰減為:自由空間傳播圖3.3自由空間路徑衰減55第3章行動無線傳播第71頁圖3.3自由空間路徑衰減11第3章行動無線傳播第地面行動無線通道可視為固定站台與手機之間的通訊；因衰落它會變成多重路徑傳播通道。意思是說因為路徑傳播過程中遭遇各種物體會造成繞射與反射。信號會以多條不同路徑抵達目的端。接收信號功率Pr是表示為：其中L代表通道中的傳播衰減。地面傳播56第3章行動無線傳播第72頁地面行動無線通道可視為固定站台與手機之間的通訊；因衰落它會變圖3.4傳播衰減示意圖57信號強度(dB)距離路徑衰減慢速衰落

(長期衰落)快速衰落

(短期衰落)第3章行動無線傳播第72頁圖3.4傳播衰減示意圖13信號強度距離路徑衰減慢速衰落快速最簡單的地表傳播之路徑衰減公式是其中A

和α為傳播常數，以及d是發送端與接收端之間的距離。通常在城市區域α的值為3~4。路徑衰減58第3章行動無線傳播第73頁最簡單的地表傳播之路徑衰減公式是路徑衰減14第3章行動無圖3.5無線傳播59發送器距離d接收器hbhm第3章行動無線傳播第68頁圖3.5無線傳播15發送器距離d接收器hbhm第3章路徑衰減城市區域（a）大型城市（b）中小型城市

60第3章行動無線傳播第73-74頁路徑衰減城市區域16第3章行動無線傳播第73-74路徑衰減2.郊外區域3.開放區域61第3章行動無線傳播第74頁路徑衰減2.郊外區域17第3章行動無線傳播第74圖3.6路徑衰減(城市:大城市)62第3章行動無線傳播第75頁圖3.6路徑衰減(城市:大城市)18第3章行動圖3.7路徑衰減(城市區域:中小型城市)63第3章行動無線傳播第68頁圖3.7路徑衰減(城市區域:中小型城市)19第3章圖3.8路徑衰減(郊區)64第3章行動無線傳播第75頁圖3.8路徑衰減(郊區)20第3章行動無線傳播圖3.9路徑衰減(開放區域)65第3章行動無線傳播第76頁圖3.9路徑衰減(開放區域)21第3章行動無線傳慢速衰落慢速衰落也稱為對數常態(log-normal)衰落或遮蔽效應(shadowing)，因為其振幅具有對數常態機率密度函數。慢速衰落於位置d的局部均值rm(d)定義如下：其中r(x)是於位置x的接收信號，以及dw是視窗大小。

66第3章行動無線傳播第77頁慢速衰落慢速衰落也稱為對數常態(log-normal)衰落或慢速衰落以分貝為單位的接受信號強度之機率密度函數為其中M是以分貝(dB)為單位的實際接受信號強度m

(譬如，M

=

10log10

m)、

為區域平均信號強度(譬如，M的均值)，以及σ是以分貝為單位的標準差。

67第3章行動無線傳播第77頁慢速衰落以分貝為單位的接受信號強度之機率密度函數為23第3章圖3.10對數常態分佈的機率密度函數68MM2p(M)第3章行動無線傳播第78頁圖3.10對數常態分佈的機率密度函數24MM2p(M)快速衰落複合信號包絡的機率分佈為Rayleigh分佈，其機率密度函數為：複合信號之相分佈的機率密度函數為：69第3章行動無線傳播第79頁快速衰落複合信號包絡的機率分佈為Rayleigh分佈，其衰落信號的均值(第一階矩量)為：衰落信號的功率(第二階矩量)為：複合信號的累積機率分佈(CDF)為：接收端離發送端很遠70第3章行動無線傳播第79-80頁衰落信號的均值(第一階矩量)為：接收端離發送端很遠26第3章圖3.11

當

=

1,

2,

3時

Rayleigh分布的機率密度函數71r246810P(r)00.20.40.60.81.0

=

1

=

2

=

3第3章行動無線傳播第79頁圖3.11當=1,2,3時

Rayleigh接收端離發送端很近複合信號包絡的機率分佈為Rician分佈，其機率密度函數是：其中r為衰落信號的包絡，σ是標準差，β

是直接信號的振幅。以及I0(x)是零階修正Bessel函數；即為：72第3章行動無線傳播第80頁接收端離發送端很近複合信號包絡的機率分佈為Rician分佈，圖3.12根據Rician分佈而得的複合信號包絡之機率密度函數73r機率密度函數p(r)β=2β=1β=0(Rayleigh)=1β=3第3章行動無線傳播第81頁圖3.12根據Rician分佈而得的複合信號包絡之機率Nakagami分佈，接收信號包絡的機率密度函數為：其中Γ(m)為Gamma函數、為平均功率。即衰落信號的第二階矩量，以及稱為衰落項。其中。一般型模型74第3章行動無線傳播第81頁Nakagami分佈，接收信號包絡的機率密度函數為：一般型接收信號的瞬時振幅可表現於準位跨越率、衰落率、衰落深度，以及衰落時間。準位跨越率N(RS)為:其中

fm

是最大Doppler頻率，其為：其中ν是行動用戶的移動速度，以及λ是載波波長。瞬時振幅的特性75第3章行動無線傳播第82頁接收信號的瞬時振幅可表現於準位跨越率、衰落率、衰落深度，以及

等於平均平方值，2σ2是平均平方根(rootmeansquare)值。直立單極天線的準位跨越率為：其中是指定準位與衰落包絡的平均平方根振幅之間的比例。瞬時振幅的特性76第3章行動無線傳播第83頁等於平均平方值，2σ2是平均平方根(root衰落率定義為信號包絡在單位時間正跨越於中間值

rm的次數。衰落率與載體波長、行動用戶的速率，以及多重路徑的數目有關。基於大量的經驗，平均衰落率為：衰落率77第3章行動無線傳播第83頁衰落率定義為信號包絡在單位時間正跨越於中間值rm的次數。衰衰落深度定義為平均平方值與最小衰落信號值之間的比例。因為衰落深度是隨機變數，平均衰落深度是定義為中間值與衰落信號振幅之間的差，當。衰落深度78第3章行動無線傳播第83頁衰落深度定義為平均平方值與最小衰落信號值之間的比例。因為衰落衰落時間定義為信號低於指定臨界Rs的時間長短。因為它是隨機變數，我們使用平均衰落時間來描述衰落時間衰落時間79第3章行動無線傳播第83頁衰落時間定義為信號低於指定臨界Rs的時間長短。因為它是隨機變圖3.13移動數度效應80時間V1V2V3V4信號強度第3章行動無線傳播第84頁圖3.13移動數度效