《电信传输原理、系统及工程》课件第7章 无线通信传输理论

内容提要17.1无线通信的多址连接方式7.2无线电波传播损耗7.3无线信道噪声和衰落7.4地面对无线电波传播的影响7.5大气对无线电波传输的影响7.1无线通信的多址连接方式27.1.1无线通信工作方式对于点对点通信，按消息传输的方向和时间的关系，通信方式分为单工通信、半双工通信和全双工通信。（1）单工通信，是指只能进行单方向传输消息的工作方式，发端只能发，收端只能收。例如，遥控器以及点到多点的广播通信。（2）半双工通信，是指通信双方都能收发消息但不能同时收和发消息的工作方式。例如，采用同一载频工作的无线电对讲机，如图7-1所示。（3）全双工通信，是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。例如，电话、手机如图7-2示。图7-1半双工通信方式图7-2双工通信方式图7-3FDD和TDD原理示意图7.1.2多址连接方式多址连接技术与多路复用技术是两个不同的概念。“多路复用技术”是同一地理位置的不同独立信号共用（复用）一条信道，而互不干扰。比如卫星通信，同一地球站要同时传输多路信号，就可采用多路复用技术。“多址连接技术”是把处于不同地点多个用户分配的独立的专用的子信道接入（复用）到同一信道，而互不干扰。比如不同地点的移动用户复用到同一基站转发器同一信道一起传输，实现不同基站之间的用户信息传输。“多址连接方式”是属于不同地理位置的复用技术，可利用信号的任意一种参量来实现多址连接技术。常用的有：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等方式。（1）FDMA方式，是指处于不同地理位置的各移动用户，对每个用户都被分配到一个独立的子频带，各用户分别按分配的子频带复用到同一基站转发器的不同频段中，实现多址复用。（2）TDMA方式，是指不同地理位置各移动用户，在同一个频段信道中，把传递时间划分为若干时隙分配给每个用户，各用户按分配的专用时隙复用到同一基站转发器的不同时隙中，实现时分多址复用。（3）CDMA方式，是指不同地理位置各移动用户，在同一个频段的时间信道中，对每个用户都被分配一个码型结构，各用户分别按分配的码型结构复用到同一基站转发器中，实现码分多址复用。（4）SDMA方式，是指不同地理位置不同空间方位的各移动用户，在同一个频段、时间、码型的信道中，各用户分别按分配的不同空间方位复用到同一基站转发器中，实现空分多址复用。7.2无线电波传播损耗无线电波是看不见、摸不着的电磁波，但又实实在在存在于我们周围的一种物质的运动形式。当前，能用于通信的无线电频率范围已经从大约100KHz扩展到100GHz以上。不同频率（或波长）的电磁波具有不同的传播方式以及不同的应用场景。电磁波的传播主要分为中长波地表波传播、超短波及微波视距传播、短波电离层反射、对流层散射、电离层散射等，它们也具有如下的共同特性。图7-4电波的多径传播7.2.1自由空间传播损耗1．自由空间传播损耗的计算自由空间是一种抽象的空间，通常是指充满均匀、无耗媒质的无限大空间，无线电波在自由空间直线传播不会产生电磁波的吸收、散射、折射和反射等现象，因此只需要考虑无线电波从源点发射功率PT到目的点接收功率PR的差别，即为电波的传播带来的损耗。按照自由空间的假定，电波能量不会被损耗掉，那么为什么还会产生损耗呢？根据无线电波传播的特征，假设电波在无方向性天线发射，在自由空间的直线传播时，其能量会向四面八方扩散，当然总能量保持不变。对于无线通信系统来说，其信号接收装置的接收面积是有限的，只能接收一部分能量，从而相对于发射能量来说，接收能量实际上减少了。随着传播距离的增加，接收天线的面积占整个发射端信号扩散的球面面积的比例逐渐减小，其接收能量就越小，就意味着无线电波在自由空间直线传播的损耗就越大。由电磁场理论可知，若无方向性（或全向）天线的辐射功率为PT瓦，则距辐射源d米的接收点B处的单位面积上的电波平均功率见图7-5所示，为：由天线理论知道，一个各向均匀接收的天线，其有效接收面积为：有效接收面积A的物理意义是表明天线吸收传送过来电磁波功率能力大小的参数。

图7-5计算电波传播损耗示意图一个无方向性天线在B点收到的功率为：

或自由空间的传播损耗定义为式中，d为收、发天线的距离，f为发信频率。自由空间基本传播损耗[Lp]只与频率f和传播距离d有关，当频率增加一倍或距离扩大一倍时，[Lp]分别增加6dB。

若发射天线的增益为GT倍，接收天线的增益为GR倍，则式应改写为例7-1已知某微波中继传输系统，发射天线的增益为22dB，接收天线的的增益为16dB，收发距离为145km，载波中心频率为5.904GHz。求：

（1）该信道的自由空间传输损耗为多少?（2）若发射功率为25W，接收机接收到的功率为多少?解：（1）该信道的基本传输损耗为：（2）接收机的接收到的功率为：

2．自由空间传播下收信功率的计算无线通信中，假设微波中继传输线路的功率分配。实际使用的天线均为定向天线，当收、发天线增益分别为[GR]（dB），[GT]（dB）；收、发天线馈线系统损耗分别为[Lr]（dB），[Lt]（dB）时，则自由空间传播条件下，信道的基本传输损耗为：接收机接收功率为：图7-6无线通信传输线路功率分配示意图例7-2某微波中继传输系统，已知发射功率PT=1W，发信频率f=3800MHz，收发距离为45km，[GT]=38dB，[GR]=40dB，馈线系统损耗[Lr]=1（dB），[Lt]=3（dB），求自由空间传播条件下的收信功率。解：将PT=1W换成电平值，7.2.2自然现象附加损耗1．大气吸收损耗产生大气吸收损耗的气体主要是氧气、水蒸气以及水气凝结物。原因有两个，一是电波的吸收，即电波的电磁能转变为热能；二是电波因水气及凝结物产生的散射。图7-7水蒸气和氧吸收损耗2．雨雾散射损耗降雨引起的电波传播损耗的增加称为雨衰，雨衰是由于雨滴和雾对无线电波能量的吸收和散射产生的。图7-8雨雾的散射损耗3．大气折射损耗

在大气层中，离地球表面越高，空气密度越低，对电波的折射率也随之减小，使电磁波在大气层中的传播路径出现弯曲。即使发射天线在几何上直线对准接收天线，而实际上只是对准了一个虚的接收天线位置。由于大气层的不稳定因素，如温度、云层和雾等导致大气密度分布的不连续变化，使传播路径产生了随机的、时变的弯曲，从而引起接收信号下降或起伏变化，这就相当于传输带来了损耗。4．电离层与对流层的闪烁损耗电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，其强度大致与频率的平方成反比。因此，电离层闪烁会对较低频段（1GHz以下）的电波产生明显的散射和折射，从而引起信号的衰落。比如，对于200MHz的工作频率，电离层闪烁使信号损耗有10％的时间大于6dB。7.2.3无线电波传播损耗预测模型

为了给无线通信系统规划和设计提供依据，需要掌握无线电波的传播规律，并建立无线电波的传播模型即传播损耗与空间之间的关系。

一个有效的传播模型能很好的预测出传播的损耗，以及损耗是距离、工作频率和环境参数的函数。由于实际环境的影响，传播损耗也有所变化，因此预测结果必须在实际测量工程进一步验证。有很多无线电波传播损耗模型都可以预测出，在不同类型环境下发射机和接收机之间的路径损耗，例如，自由空间传播损耗模型、Longley-Rice传播模型、Okumura-Hata、COST231-Hata、Walfish-Ikegami，LEE模型等。1．自由空间传播损耗预测模型自由空间传播损耗模型应用的频率范围为0~300GHz，它是最简单的传播损耗预测模型。该损耗[LP]只与频率f和距离d有关。若已知发射功率[PT]，通过自由空间传播损耗模型可预测出[LP]，最终可推出[PR]。只要无线接收终端收到[PR]大于等于接收机的灵敏度[Pr]，该系统在dkm范围内可正常传输。2.Longley-Rice传播模型Longley-Rice模型应用于频率范围为40MHz～100GHz，不同种类的地形中点对点的通信系统。该模型是统计模型，可用来估算视距传播损耗，绕射传播损耗，散射传播损耗。综上所述，Longley-Rice传播损耗[Lb]为：[Lb]dB=[Lref]dB+[Lfeer]dB其中，[Lref]为视距、绕射和散射时的传播损耗值；[Lfeer]=32.45+20lgd+20lgf。3.移动通信路径的传播损耗SUI模型是斯坦福大学提出的，该模型是在Ereeg模型和COST231-Hata模型基础上修改而来半确定性经验模型。适用WiMAX无线接入系统网络设计，适用频率3.40GHz~3.53GHz范围。Okumura-Hata、COST231-Hata、Walfish-Ikegami和LEE等传播模型主要应用于计算陆地移动通信中路径的传播损耗，确定无线蜂窝小区的服务覆盖区，适用频率1.5G~2.0G范围。

7.3无线信道噪声和衰落7.3.1无线信道噪声及干扰噪声(noise)与干扰(interference)泛指有用信号以外的其他一切无用信号。噪声和干扰一般是区别开的。比如在通信系统中，常用的信噪比是指接收到的有用信号的功率与接收到的噪声信号的功率之比值，而信干比是指接收到的有用信号的功率与干扰信号的功率之比值。1.无线信道的噪声噪声的振幅和频率处于完全无规律的震荡。噪声是随机产生的无用自发脉冲。噪声是信号在传输过程中会受到一些外在能量影响所产生信号（如杂散电磁场）的干扰，这些外在能量即噪声。噪声通常会造成信号的失真。其来源除了来自系统外部，亦有可能由接收系统本身产生。在信道中的噪声是客观存在，且难以消除的。信道噪声是能够影响有用信号，降低通信可靠性，造成信号的失真。按照噪声来源来分类，可分为外部噪声、内部噪声。外部噪声，包含人为噪声和自然噪声，这类噪声对信号形成的干扰，大多数带有突发性短促脉冲性质，其频谱可以覆盖整个无线电波段，但其主要能量谱密度集中在20MHz以下频段，对工作在米波频段以上的通信系统不会形成干扰或影响。人为噪声是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声，其中包括工业噪声和无线电噪声，如各种电器开关通断时产生的短脉冲、荧光灯闪烁产生的脉冲串、其他无线电系统产生的信号等。自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声。如雷电、磁暴、太阳黑子、银河系噪声、宇宙射线.内部噪声是指通信设备本身产生的各种噪声。它来源于通信设备的各种电子器件、传输线、天线等。如由元器件内部各种微观粒子的热躁动所产生的热噪声等。内部噪声又称为高斯噪声或白噪声。2.无线信道的干扰干扰一般是指无线系统中不同单元的信号与信号之间互相造成的扰动。通常讨论的干扰是指无线电台间的相互干扰，比如多个发射机同时与一个接收机通信，那么发射机之间互相构成干扰，例如移动通信系统中的上行线路中，多个发射机同时与一个接收机通信，那么发射机之间互相构成干扰。狭义讲干扰通常指与有用信号同性质的随机的无用信号产生的不良影响如电台之间产生的干扰和无线电波之间干扰。比如码间干扰、同频干扰等。

干扰也可以分为自然干扰和人为干扰等。自然干扰主要有天电干扰、宇宙干扰等。人为干扰主要有工业干扰、无线电干扰等。移动通信系统中终端自身产生的干扰、终端间和终端与基站间的相互干扰，一般包括同频干扰、邻频干扰、互调干扰、远近效应等。1）同频道干扰同频道干扰一般是指相同频率电台之间的干扰、或相近频率信号的干扰。在电台密集的地方，为了提高频谱利用率或系统的设计不当，例如，同频道电台之间的距离不够大，相应的空间隔离度不满足要求，就会造成同频道干扰。另外，在CDMA系统中同一载波的不同扩频码之间的相互干扰也可以看成同频道干扰。2）邻道干扰邻道干扰是指相邻和相近的频道之间的干扰，如图7-9所示。当对话音信号又采用了调频方式时，理论上讲，发信机的调频信号频谱是很宽的，可能含有无穷多个边频分量，如果当其中某些边频分量落入邻频道接收机的通频带内，就会造成邻道干扰。一般来说，移动终端距基站越近，路径传播损耗越小，则邻道干扰越大。图7-9邻道干扰3）互调干扰互调干扰是两个或多个不同频率信号，同时作用在通信设备的非线性电路上，产生许多组合频率分量，如果组合频率正好落在接收机通带内而形成干扰，这就是互调干扰。电路的非线性特性是造成互调干扰的根本原因，如图7-10所示。图7-10基站发射机互调干扰示意图4）远近效应通常将近处无用强信号压制远处有用弱信号的现象称为远近效应，又叫近端对远端的干扰。当基站同时接收到两个不同距离移动终端的信号时，若两者频率相同或邻近，则基站接收到的远端移动台的较弱的有用信号会被近端移动台的较强信号所淹没。距离基站BS远的（距离d2）移动台B将会被近端（距离d1）另一移动台A的信号所淹没（d2>>d1）。图7-11近端对远端的干扰情况7.3.2无线信道的衰落及抗衰落在无线通信信道中，由于信号电波经过反射、折射、散射等多条路径或经过障碍物的阴影传播到达接收机后,总信号的强度和相位等特性就会随时间起伏变化,随时强弱，故称为衰落。譬如在接收话音时，声音一会儿强，一会儿弱，这就是衰落现象。衰落现象可以简单看成是起伏变化的衰减。引起衰落的原因是多方面的，大体上可以归为两大类：第一类是气象条件的不平稳变化以及起伏的地形阻挡引起的慢衰落，第二类是由多径传播引起的快衰落，如图7-12所示。图7-12信号衰落特性示意1．慢衰落及慢衰落储备1）慢衰落慢衰落是随时间变化接收机接收的场强中值呈现较慢变动，其衰落周期以秒计算。慢衰落，一是由气象条件的不平稳变化引起的，如大气折射的慢变化，雨雾衰减以及大气中不均匀体的散射等引起的；二是当电波在传播路径上遇到高度、位置、占地面积不等的建筑物，起伏的地形、山峰和森林和其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。例如移动终端通过不同障碍物的阴影时，就会造成接收场强中值的变化，称之为阴影效应也称为慢衰落（大尺度衰落）。2）慢衰落储备在移动信道中，慢衰落变化的时间较长、地理范围较宽，相对好补偿，通常移动传输系统对慢衰落采用衰落储备的方法来抗衰落。衰落储备的目的是为了防止因衰落引起的通信中断。在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率及通信可靠性指标。通信可靠性也称做可通率T，它与中断率的关系是T=1-R。图7-13给出可通率T分别为90%，95%和99%的3组曲线，根据地形地物、工作频率和可通率T要求，由此图可查得必须的衰落储备量。例如：f=2000MHz，市区工作，要求T=99%，则由图可知，衰落储备约为25.5dB。图7-13衰落储备量2．快衰落及快衰落防范

1）快衰落大量统计测试表明，快衰落是多径传播随时间变化，接收机接收的场强中值呈现快速起伏变动，由于多径传播到达接收天线的几条射线在垂直天线口面上的相位不可能完全相同，产生相互叠加干扰，使合成信号产生或深或浅的衰落，因此快衰落的衰落幅度深度可达30～40dB，衰落速度为30～40次/秒。快衰落与大气中存在的波导、薄层以及湍流等引起的多径传播有关。在微波范围内只要每条射线的路径稍有变动，它们的合成信号就会产生明显的起伏。2）快衰落防范无线电波传播中快衰落现象的随机性给微波传输性能带来了不利的影响，对快衰落可以采用分集技术和合并技术来实现。7.4地面对无线电波传播影响地面对无线电波传播影响。地面对微波直射波传播的影响主要有反射、地面散射和绕射。散射是不规则地形将微波反射到各个方向，相当于乱反射。显然，散射会损耗微波能量。绕射是由于地面上的障碍物，如山头、森林和高大建筑物等可阻挡无线电波传播，使微波绕过障碍物向非接收方向传播，进而使接收的微波信号能量大大减小。天线架得很高时，地面平坦范围大，反射加大；地面起伏较大时，散射增强；当障碍物的几何尺寸比微波的波长小时，绕射现象会严重一些。7.4.1惠更斯—菲涅尔原理惠更斯－菲涅耳原理是关于光波或电磁波波动性学说，其基本思想是光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。1.惠更斯－菲涅耳原理一点源的振动可传递给邻近质点，使其成为2次波源。当点源发出球面波时，2次波源产生的波前也是球面，3次，4次……波源也是如此。在微波传输中，当发射天线的尺寸远小于站间距离的时候，可以把发射天线近似看成一个点源，如图7-16所示。图中T为发射天线，它发出球面波，把波前分解为许多面积点元，点源T在接收处R产生的场强便是许多面积点元在R处产生的场强之矢量和。尽管T与R之间有障碍物，但挡不住所有的面积点元在R处仍可收到一定的场强。图7-16惠更斯－菲涅耳原理图

2.菲涅耳椭圆及椭球面的定义由解析几何可知，平面上一动点P至两定点T，R的距离之和（PT+PR）为常数时，此动点轨迹为椭圆。若动点在空间，此动点轨迹为旋转椭球面，如图7-17所示。在讨论微波传播时，当一动点P至两定点T，R的距离之和常数为d＋λ/2，动点轨迹为第1菲涅尔椭球面，式中d＝|TR|；当该常数为d＋2λ/2，动点轨迹为第2菲涅耳椭球面，见图7-17中分别用A和B标出。当常数为d＋nλ/2，且n＝1，2，……时，动点轨迹为第n菲涅耳椭球面。若图7-17的一系列菲涅耳椭球面结合与图7-16的第n个球面波前面交割时，就可在交割界面上得到一个圆和一系列的圆环。图7-17菲涅耳椭球面如图7-18所示，中心是一个圆，称为第1菲涅耳区，其外面的圆环，称为第2菲涅耳区，再往外的圆环，称为第3，第4，……，第n菲涅耳区。为简化分析，将菲涅耳区近似地把它们看作是铅垂面上的平面圆和圆环。图7-18第n菲涅耳区的定义3.菲涅耳区及菲涅耳区半径的定义菲涅耳区半径定义为椭球面上某点P至TR的垂直距离，用F表示。现用图7-19求得第1菲涅耳区半径F1。图7-19中，P为第1菲涅耳椭球面上任一点，d1，d2分别为P点至发射天线T及接收天线R的水平距离，收、发站距d=d1+d2，单位为km。根据菲涅耳椭球面及菲涅耳区的定义可得图7-19求第1菲涅耳区半径7.4.2路径中山脊刃形对微波传播的影响用菲涅耳区的概念可解释微波传播路径中障碍物的阻挡损耗。微波传播中有时会遇到如图7-20（a）所示的山脊刃形障碍物。此时由于障碍物不能遮挡全部菲涅耳区，在收信处R可接收到微波。图7-20传播路径中的障碍物在图7-20中，定义障碍物顶部至TR的垂直距离hc称为余隙。障碍物在TR连线之下时，hc为正余隙；障碍物的顶部与TR连线相切时，hc=0；障碍物的顶部在TR连线以上时，

hc为负余隙。零、负余隙对微波传播可能受阻，引起阻挡损耗，使接收功率值下降。如果余隙

时，阻挡引起的损耗正好是0dB，即路径损耗正好是自由空间损耗，所以h0称为自由空间余隙。

若余隙hc大于h0，则路径损耗随hc的增加略有波动，最终稳定在自由空间损耗上。若余隙hc小于h0，那么随着hc的减小，路径阻挡损耗将急剧增加，根据菲涅耳衍射定律，障碍物阻挡损耗[L]与相对余隙hc/F1值的关系曲线如图7-21所示。设计微波通信链路时，首先要保证自由空间余隙内没有任何障碍物。在实际中往往要求在第1菲涅耳区内不存在任何障碍物。图7-21山脊刃形障碍物的阻挡损耗例7-3已知在自由空间传输条件下接收机的收信功率[P]=-35dBm，在传输路径中有如图7-20（a）所示的刃形障碍物阻挡损耗，且hc=0，求此时收信功率电平值。解：hc=0时，查图7-21得：[L]=6dB，此时收信功率：[P]=-35-6=-41dBm7.5大气对无线电波传播影响在地球周围的大气层分为平均高度达10km的对流层，从10km到60km的同温层和60km以上的电离层。在空间通信业务中，无线电波穿过大气层时，除路径损耗外，还会产生其他影响。不同的对流层与同温层、电离层，它们除了含有各种气体外，还含有大量的水蒸气以及水气的凝结物。总之，在无线传输中，由于跨越距离大，影响传播的因素也很多。7.5.1大气对微波传播的折射影响地球周围的大气层并不是—种均匀媒质，大气的压力、温度与湿度都随高度而变化。地球物理学中指出，大气层的介电常数是高度的函数，在标准大气压下，大气的绝对折射率

与1相差极小，在真空中电波传播速度为：而在大气层中，其电波传播速度为：根据无线电波或微波具有光似性的特点，当电波由一种媒质向另一种媒质传播时，在两种媒质的交界面处会发生折射。假设将地球的大气层分成许多薄片层，每一薄片层认为是均匀的，各薄