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无线信道的特性及传输模型

时间:2021-07-16 11:05 作者:admin 分享到:
      随着无线通信技术的广泛应用,传统的有线网络通信已经越来越不能满足人们应急通信的需求,于是基于无线网络的应急通信应运而生,且发展迅速。无线网络正以它优越的灵活性和便捷性在应急应用中发挥日益重要的作用。
     无线网络是无线通信技术与网络技术相结合的产物。从专业角度来讲,无线网络就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信,并实现通信的移动化、个性化和宽带化。通俗地讲,无线网络就是在不采用网线的情况下,提供以太网互联功能。
4.1无线信道的特性
   移动通信系统是依靠无线信道实现的,它是复杂的无线通信信道之一。移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约,无线信道环境的好坏直接影响通信质量的好坏。
移动通信信道的主要特点有以下几个。
   (1)传播的开放性:一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的。
   (2)接收点地理环境的复杂性与多样性,一般可将地理环境划分为下列3类典型区域。
  • 高楼林立的城市中心繁华区。
  • 以一般性建筑物为主的近郊小城镇区。
  • 以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。
   (3)通信用户的随机移动性:慢速步行时的通信;高速车载时的不间断通信。
    无线信号从发送机到接收机的过程中,受到地形或障碍物的影响,会发生反射、绕射、衍射等现象,接收机接收到的信号是由不同路径的来波组合而成的,
这种现象称为多径效应。由于不同路径的来波到达时间不同,导致相位不同。不同相位的来波在接收端因同相叠加而加强,因反相叠加而减弱,会造成信号幅度的变化,称为衰落,这种由多径引起的衰落称为多径衰落。当发射机与接收机之间存在相对运动时,接收机接收的信号频率与发射机发射的信号频率不相同,这种现象称为多普勒效应,接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。
    无线移动通信系统的性能主要受无线信道的影响,具有较强的随机性。复杂的信道特性对于无线通信来说不可避免,因此要保证信号的传输质量,必须采用各种措施来减少由于衰落造成的不利影响。
4.1.1大尺度衰落
    大尺度衰落是指描述发射机和接收机之间长距离(几百米或几千米)上的场强变化。
    大尺度衰落是由于发射机与接收机之间的距离和两者之间的障碍物引起的平均信号能量减少,包括路径损耗和阴影衰落。其中,路径损耗是由发射功率的幅度扩散及信道的传播特性造成的,阴影衰落是由发射机与接收机之间的障碍物造成的。
1.路径损耗
2.阴影衰落
信号在传播过程中会遇到各种障碍物的阻挡,从而使接收功率发生随机变化,因此需要建立一个模型来描述这种信号功率的随机衰减。造成信号衰减的因素是未知的,所以只能用统计模型来表征这种随机衰减,最常用的统计模型是对数正态阴影模型,它可以精确地描述室内和室外无线传播环境中的接收功率变化。
4.1.2小尺度衰落
小尺度衰落是指由于不同多径分量的相互干涉而引起的合成信号幅度的变化,反映的是在短距离(几倍波长)上接收信号强度的变化情况。
小尺度衰落是由于发射机与接收机之间空间位置的微小变化引起的,描述小范围内接收信号场强中瞬时值的快速变化特性,是由多径传播和多普勒频移两者共同作用的结果,包括由多径效应引起的衰落和信道时变性引起的衰落,具有信 
号的多径时延扩展特性和信道的时变特性。
根据信号带宽和多径信道的相干带宽关系,将由多径效应引起的衰落分为平坦衰落和频率选择性衰落。
1.平坦衰落
若信号的带宽小于多径信道的相干带宽,此时的信道衰落称为平坦衰落。研究表明,平坦衰落的幅度符合瑞利分布或莱斯分布。
2.频率选择性衰落
若信号的带宽大于多径信道的相干带宽,此时的信道衰落称为频率选择性衰落。此时,信道冲激响应具有多径时延扩展,反应衰落信号相位的随机变化。频率选择性衰落是由于多径时延接近或超过发射信号周期而引起的,是影响信号传输的重要特性。信号在多径传播过程中,容易引起选择性衰落,从而造成码间干扰。为了不引起明显的频率选择性衰落,传输信号带宽必须小于多径信道的相干带宽。为了减少码间干扰的影响,通常限制信号的传输速率。
无线链路传输模型
       在移动无线电环境中,传播环境的复杂多变和移动台的不断移动导致无线链路呈现复杂多变的特征,影响着无线电信号的传输质量。同时由于在实际的工程设计中,由链路预算得到的最大路径损耗必须依靠无线环境的传播模型才能转换成为小区半径。因此,研究无线通信和无线网络规划的首要问题就是研究无线传播环境对信号的传输质量的影响,也就是研究无线电信号在空中所经历的电波传播损耗,这就需要建立传播模型来模拟电信号在无线环境中的衰减情况,估算出尽可能接近实际的接收点的信号场强中值,从而进行合理的小区规划,在满足用户需求的同时又可以节约投资。
        人们经过理论分析和长期的实际观测,通过建立基站与移动台之间的无线链路的统计模型,发现电波传播的损耗主要由传播路径损耗、多径衰落和慢衰落3个部分构成。其中,传播路径损耗主要是由于电波传播的弥散特性造成的;多径衰落通常是由移动台周围半径约100倍波长内的物体造成的反射,一般认为信号的均值服从瑞利分布;慢衰落是由于地形起伏和人造建筑物引起的慢衰落及由于电波的空间扩散造成的衰减,一般认为信号的均值服从对数正态分布。另外,对信号造成干扰的除了上述3种乘性干扰之外,还始终存在着一种服从高斯分布的加性噪声,其噪声源包括热噪声、雷电噪声等,多用户干扰及来自其他小区的干扰也常被等效为高斯白噪声。
        广泛应用于工程实际的传播模型有适用于室外型大区制蜂窝结构的Okumura-Hata、Cost 231-Hata和适用于微蜂窝结构的Walfish-Ikegami经验公式等,它们都是在大量的测试数据中总结出来的信号电平随地理环境变化的衰减分布规律的经验模式。由于这些模型是在大量的统计数据中总结出的经验数据,并且是从特定的地理区域获得的,因此,它们都具有一些地区适应性,如Okumura-Hata更适用于准平坦地形情况、Cost231-Hata适用于中小城市等。在实际的工程使用中,要根据不同地区的无线环境情况有选择地使用,并且在当地进行模型校正。
       在应急通信系统设计中,我们所要考虑的不仅有大区制的扇区覆盖、更有小区制及微小区制的扇区覆盖。因此,在未来的传播预测中,用到的将是一种混合的预测算法,即在大区制覆盖的地区仍然采用宏蜂窝传播模型经验公式,并且利用通过实地做连续波测试得到的修正因子来更精确地描述当地无线路径损耗。在以微小区结构为主的密集复杂城区,低于周围建筑物高度的基站和周围建筑物形状及高度、街道宽度、地形等对无线传播的影响都应在我们规划的范围之内,运用可视化技术对覆盖区域环境进行描述及射线跟踪算法来进行精确的覆盖模拟。
4.2.1传播模型分类
根据传播模型的获得方式,通常可以将传播模型分为经验模式、半经验或半确定性模式和确定性模式。
(1)经验模式是将大量测试的结果经过统计分析得到反映无线路径损耗的公式,如Okumura-Hata>Cost 231-Hata>LEE模型等。
(2)半经验或半确定性模式是把确定性方法用于一般的市区或室内环境导出的公式。还可以根据实验结果对等式进行修正,得到表征天线周围地区规定特性的函数,如Cost231Walfish-Ikegami等。
(3)确定性模式是对具体的现场环境应用电磁理论计算的方法。在这种模式中,已使用的几种技术通常基于射线跟踪的电磁方法,如几何绕射理论、物理光学等。在这种模式中,无线传播与环境特征(如建筑物的高度、棱角、街道宽度、物体表面材质等)有关。
根据移动无线传播环境的不同,可将传播模型分为自由空间传播模型和非自由空间传播模型。
(1)自由空间传播模型是指充满均匀理想介质的空间,而且不存在地面和障碍物的影响。在自由空间中传播的电波不产生反射、折射、散射、绕射和吸收等现象,只存在因扩散而造成的衰减。自由空间的基本传输损耗是指位于自由空间的发射系统的等效全向辐射功率与接收系统各向同性接收天线所接收到的可用功率之比,在实际系统中只有在视距情况下发射和接收之间才可以采用自由空间传播模型。
(2)非自由空间传播模型是指在基站和移动台之间不存在直射信号,接收的信号是发射信号经过若干次反射、绕射和散射后的叠加,在某些特别空旷地区或基站天线特别高的地区存在直射传播路径。人们经过理论分析和长期的实际观测,建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型,电波传播的损耗主要由传播路径损耗、快衰落(多径衰落)、慢衰落等3个部分构成。
 
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