通信信道.docx

1、通信信道通信信道一、无线信道1无线信道的定义无线通信的传输媒质，即是无线信道，更确切的说，无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。天线感应电流而产生电磁振荡并辐射出电磁波，这些电磁波在自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。电磁波的传播路径可能包括直射传播和非直射传播，多种传播路径的存在造成了无线信号特征的变化。了解无线信道的特点对于理解无线通信是非常必要的。与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。例如，模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB，也就是说，信号电平要比噪声电平高40000倍。而且对有线信道来说，其传输质量是可以控制的，通过选择合适的材料与精心加工，可以确

2、保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。有线传输介质中，信噪比的波动通常不超过l-2dB。与此相对照，陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。而且在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，影响通信的可靠性。在蜂窝移动环境中，同频干扰也是一个必须考虑的问题。当发生衰落时，要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号上。模拟移动通信多采用调频方式，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的抑制作用。而衰落现象会显著改变调频信号特性，削弱其捕获效应。对

3、于数字传输来说，衰落将使比特误码率（BER）大大增加。无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也不尽相同。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的无线信道特性也大有差异。而传播环境本身是相当复杂和多变的，这就使得无线信道特性也是十分复杂的。复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。2. 电磁波在无线信道中的传播电磁波传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。传播特性直接关系到通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设

4、计问题。不仅如此，对于移动通信系统的无线信道环境而言，其信道环境比固定无线通信的信道环境更复杂，因而不能简单地用固定无线通信的电波传播模式来分析，必须根据移动通信的特点按照不同的传播环境和地理特征进行分析。对于不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。在陆地移动系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加上移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的无线信道越发多变而且难以控制。1) 基本传播机制:无线信号最基本的四种传播机制为直射、反射、绕射和散射。 直射：即无线信号在自由空间中的传播； 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射，反射

5、一般在地球表面，建筑物、墙壁表面发生； 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的物体边缘阻挡时发生绕射； 散射：当无线路径中存在小于波长的物体并且单位体积内这种障碍物体的数量较多的时候发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体上，一般树叶、灯柱等会引起散射。2) 无线信道的指标:（1）传播损耗多种传播机制的存在使得任何一点接收到的无线信号都极少是经过直线传播的原有信号。一般认为无线信号的损耗主要由以下三种构成。 路径损耗：由于电波的弥散特性造成的，反映了在公里量级的空间距离内，接收信号电平的衰减，也称大尺度衰落； 阴影衰落：即慢衰落，是接收信号的场强在长时间内的缓慢变化，一般由于

6、电波在传播路径上遇到由于障碍物的电磁场阴影区所引起的； 多径衰落：即快衰落，是接收信号场强在整个波长内迅速的随机变化，一般主要由于多径效应引起的。（2）传播时延：包括传播时延的平均值、传播时延的最大值和传播时延的统计特性等；（3）时延扩展：信号通过不同的路径沿不同的方向到达接收端会引起时延扩展，时延扩展是对信道色散效应的描述；（4）多普勒扩展：是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落，是对信道时变效应的描述；（5）干扰：包括干扰的性质以及干扰的强度。3. 无线信道的传播模型1) 构建无线信道模型的原因：移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。首先，传播环境十分复

7、杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强、时延等参数的快速波动。因此在设计无线通信技术或进行移动通信网络建设之前，必须对信号传播特征、通信环境中可能受到的系统干扰等进行估计，这时的主要依据就是各种不同条件下的无线信道模型。举例来说，在移动网络规划中，如果话务量分布相同，但是建筑物、植被等情况不同，那么就必须应用不同的传播模型。2)无线信道模型的分类：无线信道模型一般可分为室内传播模型和室外传播模型，后者又可以分为宏蜂窝模型和微蜂窝模型。（1）室内传播模型：室内传播模型的主要特点是覆盖范围小、环境变动

8、较大、不受气候影响，但受建筑材料影响大。典型模型包括：对数距离路径损耗模型、Ericsson多重断点模型等；（2）室外宏蜂窝模型：当基站天线架设较高、覆盖范围较大时所使用的一类模型。实际使用中一般是几种宏蜂窝模型结合使用来完成网络规划；（3）室外微蜂窝模型：当基站天线的架设高度在36m时，多使用室外微蜂窝模型；其描述的损耗可分为视距损耗与非视距损耗。需要指出的是，由于移动环境的复杂性，不可能建立单一的模型。不同的模型是从不同传播环境的实测数据中归纳而得出的，都有一定的适用范围。进行系统工程设计时，模型的选择是很重要的，有时不同的模型会给出不同的结果。因此，传播环境对无线信道特性起着关键作用。3

9、)如何构建传播模型：信道模型建立的准确与否关系到无线通信技术设计的是否合理，移动网络的规划是否符合实际情况，但由于不同地点的传播环境千差万别，所以很难得到准确而通用的模型。对无线信道进行研究的基本方法有三种。（1）理论分析：即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种数学模型来描述无线信道。构建理论信道模型首先需要将无线传播环境进行大致分类（如大城市、中小城市、效外）之后，然后提出一些假设条件使信道数学模型简化，进行理论分析和推导，得出理论模型。因此，数学模型对信道的描述都是近似的。即便如此，信道的理论模型对人们认识和研究无线信道仍可起指导作用；（2）现场实测：建立在大量实

10、测数据和经验公式的基础之上，选取典型环境，进行电波传播实测试验。测试参数包括接收信号幅度、延时以及其它反映信道特征的参数。对实测数据进行统计分析，可以得出一些有用的结果，建立经验模型。由于移动环境的多样性，现场实测一直被作为研究无线信道的重要方法。（3）计算机模拟：是近年来随着计算机技术的发展新出现的研究方法。如前所述，任何理论分析，都要假设一些简化条件，而实际移动传播环境是干变万化的，这就限制了理论结果的应用范围。现场实测，较为费时、费力，并且也是针对某个特定环境进行的。而计算机在硬件支持下，具有很强的计算能力，能灵活快速地模拟各种移动环境。因而，计算机模拟越来越成为研究无线信道的重要方法。

11、在实际的应用中经常将以上几种方法结合使用，例如使用第二种方法得到的模型对理论推导获得的模型进行修正。4)传播模型的输入参数：传播模型的数学描述都比较复杂，一般给出的是损耗或场强的分布函数，模型的输入参数主要有：自然地形特征、植被特征、天气状况、电磁噪声状况、天线高度（包括接收机和发射机的天线高度）、建筑物的分布、建筑物的平均高度、载波频率、波长、收发天线之间的距离等。4. 无线信道的特点（1）频谱资源有限：虽然可供通信用的无线频谱从数十MHz到数十GHz，但由于无线频谱在各个国家都是一种被严格管制使用的资源，因此对于某个特定的通信系统来说，频谱资源是非常有限的。而且目前移动用户处于快速增长中，

12、因此必须精心设计移动通信技术，以使用有限的频谱资源；（2）传播环境复杂：前面已经说明了电磁波在无线信道中传播会存在多种传播机制，这会使得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；（3）存在多种干扰：电磁波在空气中的传播处于一个开放环境之中，而很多的工业设备或民用设备都会产生电磁波，这就对相同频率的有用信号的传播形成了干扰。此外，由于射频器件的非线性还会引入互调干扰，同一通信系统内不同信道间的隔离度不够还会引入邻道干扰；（4）网络拓扑处于不断的变化之中：无线通信产生的一个重要原因是可以使用户自由的移动。同一系统中处于不同位置的用户、以及同一用户的移动行为

13、，都会使得在同一移动通信系统中存在着不同的传播路径，并进一步会产生信号在不同传播路径之间的干扰。此外，近年来兴起的自组织（ad-hoc）网络，更是具有接收机和发射机同时移动的特点，也会对无线信道的研究产生新的影响。5. 无线信道的微波频段1) 微波频段的定义：微波频段被定义为1GHz到100GHz的范围，也有定义认为微波频段的上限为1000GHz。但实用的微波通信系统工作上限一般为50GHz。由于最常见的微波接力中继通信系统与一般的移动通信系统有很多不同之处。因此虽然两者都属于无线通信的范畴，但在此对微波频段的使用做单独介绍。2) 微波频段的特点：微波通信同样是利用电磁波来承载信息，但它具有以

14、下显著特点：（1）工作频率高，可用带宽大：微波通信系统一般工作在数G或数十GHz的频率上。被分配的带宽在数十MHz左右，这在无线通信中已是非常可观；一个第三代移动通信的运营商在单方向也仅被分配5MHz的带宽；（2）波长短，易于设计高增益的天线：天线可以设计得比较复杂，增益可以达到数十分贝；（3）受天电干扰小：天电干扰、工业干扰和太阳黑子活动基本不影响微波频段；（4）视距传播：在微波通信的系统中必须保证电磁波传输路径的可视性，它无法像某些低频波那样沿着地球的曲面传播，也无法穿过建筑物，甚至树叶这样的物体也会显著的影响通信系统。在微波中继通信中还必须注意天线的指向性；（5）容易受天气影响：雷雨、空

15、气凝结物等都会引导起反射、影响通信效果。 3)地面视距信道:微波传输的信道也被称为地面视距信道，视距传播模型主要考虑的因素包括大气效应和地面效应。其中，大气效应主要包括吸收衰减、雨雾衰减和大气折射；地面效应主要包括费涅尔效应和地面反射。（1）吸收衰减：主要发生在微波的高频段，不同的大气成分如水蒸汽、氧气具有不同的吸收衰减，对12GHz以下的低频段影响较小；（2）雨雾衰减：在10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几dB；在10GHz以上频段，雨雾衰减则会大大增加。下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素，在暴雨天气下出现的电视转播中断常是由此原因造成的；（3）大气折射：是由于空气密度存

16、在梯度而造成的微波传播方向的改变；（4）费涅尔效应：描述了微波传播在遇到障碍物时产生的附加损耗；（5）地面反射：是传播过程中产生电平衰落的主要原因；（6）频率选择性衰落。4) 微波通信的主要应用：微波通信兴起于二十世纪50年代。由于其通信的容量大而投资费用省（约占电缆投资的五分之一），建设速度快，抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的微波通信，成为长距离、大容量地面干线无线传输的主要手段，也可以用于传输高质量的彩色电视信号，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系

17、列自适应衰落对抗技术与高阶调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性的变化。国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例最高达50%以上。我国对于微波通信的应用也已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。在当今世界的通信技术中，微波通信仍然具有独特而重要的地位。以下是几种微波通信的典型应用。（1）微波中继通信：微波中继通信系统一般包含终端站和中继站两大类设备。它的站与站之间要求具有视距传播条件，通过高度指向性天线来完成相互通信。中继站上的天

18、线依次将信号传递给相邻的站点，这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输，如图一所示。由于这些站都是固定设置的，因此上述这些条件可以最大限度的保证通信的有限距离和信号质量，微波中继通信常用于电话通信网的补充，也用于在较长的距离上以中继接力的方式传输电视信号，主要是作为有线通信线路的补充，在难于铺设有线电缆或一些临时性应用的场合替代有线通信；图一 微波中继通信系统（2）多点分配业务（MDS）：这实际上是一种固定无线接入技术，它包括由运营商设置的主站和位于用户处的子站，可以提供数十MHz甚至数GHz的带宽，这些带宽由所有的用户共享。MDS系统主要为个人用户、宽带小区和写字楼等设

19、施提供无线宽带接入，它的特点是建网迅速，但资源分配不够灵活。MDS包括覆盖范围较大的多信道多点分配业务（MMDS）和覆盖范围较小、但提供带宽更为充足的本地多点分配业务（LMDS）。图二是多点分配业务系统的示意图。MMDS 和LMDS 的系统构成相似，一般包括基站、远端站和网管系统，其中基站和远端站又分为室内单元（IDU） 和室外单元（ODU） 部分。IDU是与提供业务相关的部分，如业务的适配和汇聚、分发；ODU 提供基站和远端站之间的射频传输功能。MMDS 和LMDS 的实现技术也非常相似，都是通过无线调制与复用技术实现宽带业务的点对多点接入。二者主要区别在于工作的频段不同以及由此带来的可承载

20、带宽和无线传输特性的不同。图二 多点分配业务系统MMDS/ LMDS 不同于传统的点到点微波传输和GSM移动通信系统，它采用蜂窝的形式，通过多扇区覆盖向所需地区提供业务服务，一个中心站可以根据系统容量和具体业务需求下带多个远端站，中心站与远端站之间的通信，下行大多使用TDM 方式，上行采用FDMA 或TDMA 方式，一个扇区可以提供多个载频，目前大多数产品可提供4 个90扇区的覆盖，部分产品甚至可提供24个15扇区覆盖。同时，因其远端站是固定的，MMDS/ LMDS 系统无需跨区切换和位置更新，这明显不同于GSM系统。以下分别说明MMDS/ LMDS的技术特点。 工作频段：MMDS的频率集中在

21、2GHz5GHz。它的优点是：雨衰可以忽略不计；器件成熟；设备成本低。本地多点分配业务LMDS工作在毫米波波段的20GHz40GHz频段上，在20GHz40GHz频段上，被许可的频率包括24GHz、28GHz、31GHz、38GHz等，其中以28GHz获得的许可较多，该频段具有较宽松的频谱范围，最有潜力提供多种业务。LMDS的信号传输距离很短，仅5km6km，因此不得不采用多个小蜂窝结构来覆盖一个城市，造成多蜂窝系统复杂度较高；设备成本高；雨衰太大、降雨时很难工作； 多址方式：MMDS/ LMDS 下行主要采用FDMA 方式将信号向相应扇区广播。从中心站到终端站的下行信号采用点到多点的方式，每

22、个用户终端在特定的频段内接收属于自己的信号。上行多址方式为TDMA或FDMA。如果采用TDMA 方式,则若干远端站可在相同频段的不同时隙向基站发射信号。这种方式对支持突发型的数据业务（如Internet 接入应用） 优势较明显。如果采用FDMA 方式，在相同扇区中，不同的远端在不同频段上向基站发射信号，彼此互不干扰。由于这种方式远端需长期占用频率资源,所以适合租用线业务；调制方式：MMDS/ LMDS 的调制方式主要采用QPSK、4QAM、16QAM和64QAM 等几种调制解调技术。调制阶数越高频率利用率越高，系统的容量也相应提高。但调制技术越复杂，相同条件下的覆盖范围越小，抗干扰的能力也随之

23、下降；传输带宽：传输容量是衡量无线宽带接入设备的重要指标，主要包含中心站的单扇区容量和远端站的最大容量两部分。MMDS系统的带宽较为有限，总容量仅为200MHz；而LMDS的传输带宽甚至可以与光纤相比拟，实现无线“光纤”到楼，可用频率至少为1GHz，与其他接入技术相比，LMDS是最后一公里光纤的灵活替代技术，单一用户传输速率最高可达155Mbit/s； 业务承载：MMDS/ LMDS可以承载的业务包括：话音业务，如POTS、ISDN 或E1；专线业务，如E1、N 64K、30B +D、V.35、X.21等；高速数据业务。（3）无线局域网：目前基于802.11系统标准的无线局域网也工作于微波频段

24、，其中802.11b工作于2.4GHz；802.11a/g工作于5.8GHz；（4）第4代移动通信系统：未来的移动通信系统要求达到数百MHz的带宽，这在频谱资源十分紧张的800MHz、900MHz、2GHz等频段是难以想象的。因此一个可行的解决方案即是使用目前频谱资源相对宽松的微波频段，特别是频率较高的微波频段。但由于微波频段的衰减较大，而且在非视距传播时的性能较差，因此这还是一个有待于进一步研究的难点；（5）卫星通信：在卫星通信中使用的频谱资源主要有以下几个波段。 C波段：上行链路工作于6GHz，下行链路工作于4GHz，C波段对于天气的适应性较好，但C波段的工作频率被地面微波系统所共享； K

25、u波段：上行链路工作于14GHz，下行链路工作于11GHz，它的频段并没有被其它系统所使用，能够提供一定的终端移动性支持，但更容易受到天气因素的干扰； Ka波段：上行链路工作于30GHz，下行链路工作于20GHz，可以提供更宽的频谱供使用，Ka波段最容易受到天气因素（如雨衰）的影响； L波段：工作于390MHz到1550MHz，受天气影响最小，但可提供的频带宽度不足。二、有线传输信道1)有线传输信道的定义：信道(information channels,通信专业术语)是信号的传输媒质，可分为有线信道和无线信道两类。有线信道是指传输媒介为明线有线信道示意图、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导等一类能

26、够看得见的媒介。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。如对称电缆（又称电话电缆）广泛应用于（市内）近程传输。2)有线信道的原理：有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。这一类信道使用的传输媒质包括用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。3)有线信道的特点：有线信道的传输媒体为导线（双绞线或者光纤等），信号沿导线传输，能量相对集中在导线附近，因此具有较高的传输效率。有线信道的信噪比高、频带资源窄、存在回波和非线性失真。 4)有线信道的分类：有线信道主要有四类。即

27、明线（open wire）、对称电缆（Symmetrical cable）、同轴电缆（coaxial cable）和光纤。 明线明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。虽然它的传输损耗低，但是由于易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰比较敏感，已经逐渐被电缆取代。 对称电缆电缆有两类，即对称电缆和同轴电缆。对称电缆是由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制成的，为了较小每对导线之间的干扰，每一对导线都做成扭绞形状，称为双绞线，同一根电缆中的各对线之间也按照一定的规律扭绞在一起，在电信网中，通常一根对称电缆中有25对双绞线，对称电缆的芯线直径在0.4mm1.4mm

28、，损耗比较大，但是性能比较稳定。对称电缆在有线电话网中广泛应用于用户接入电路，每个用户电话都是通过一对双绞线连接到电话交换机，通常采用的是2226号线规的双绞线。双绞线在计算机局域网中也得到了广泛的应用，Ethernet中使用的超五类线就是由四对双绞线组成的。 同轴电缆同轴电缆是由内外两层同心圆柱体构成，在这两根导体之间用绝缘体隔离开。内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或金属编织网，在外导体外面有一层绝缘保护层，在内外导体之间可以填充实心介质材料火绝缘支架，起到支撑和绝缘的作用。由于外导体通常接地，因此能够起到很好的屏蔽作用。随着光纤的广泛应用，远距离传输信号的干线线路多采用光纤替代同

29、轴电缆，在有线电视广播（CATV：Cable Television）中还广泛地采用同轴电缆为用户提供电视信号，另外在很多程控电话交换机中PCM群路信号仍然采用同轴电缆传输信号，同轴电缆也作为通信设备内部中频和射频部分经常使用传输的介质，如连接无线通信收发设备和天线之间的馈线。 光纤传输光信号的有线信道是光导纤维，简称光纤。光纤是由华裔科学家高锟（Charles Kuen）发明的，他被认为是“光纤之父”。在1970年美国康宁（Corning）公司制造出了世界上第一根实用化的光纤，随着加工制造工艺的不断提高，光纤的衰减不断下降，世界各国干线传输网络主要是由光纤构成的。 光纤中光信号的传输是基于全反

30、射原理，光纤可以分为多模光纤（MMF：Multi-Mode Fiber）和单模光纤（SMF：Single Mode Fiber），单模光纤中光信号具有多种传播模式，而单模光纤中只有一种传播模式。光纤的信号光源可以有发光二极管（LED：Light-Emitted Dioxide）和激光。实际应用中使用的光波长主要在1.31 和1.55 两个低损耗的波长窗口内，如Ethernet网中的1000Base-LX物理接口采用1.31 波长的光信号。计算机局域网中也出现了850nm波长的信号光源，如Ethernet网中的1000Base-SX物理接口就采用这样的光源。LED光源光谱纯度低，不同波长的光信号

31、在光纤中传播速度不同，因此随着距离的增加，光信号传播会发生色散，造成信号的失真，限制了光纤传输的距离，因此对于长距离的传输，每隔一段距离都需要对信号进行中继。单模光纤的色散要比多模光纤要小得多（在多模光纤中还存在模式色散），因而无中继传输距离更长，采用光谱纯度高的激光源传输时引起的色散则更小。三、通信信道特性(一)时延扩展和相干带宽: 在移动通信中，由于多径效应的存在，使得接收端收到的信号与实际发送的信号相比在时间上被拉长了，这种现象称为时延扩展。在数字通信中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到相邻码元周期中而引起码间串扰。解决码元串扰的方法就是使码元周期大于时延扩展。与时延扩展有

32、关的一个重要的概念就是相干带宽。当在移动通信中存在两个频率间隔较小的衰落信号时，由于不同传播时延的存在，使得原来不相干的这两个信号变得相干起来。使此种情况发生的频率间隔被称为相干带宽（）,它取决与时延扩展。(二)信道衰落根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。快衰落信道是指信道冲击响应在符号周期内变化很快，即信道的相干时间比发送信号的信号周期要短。快衰落仅与由运动引起的信道变化率有关，实际上，它仅发生在数据率非常低的情况下。慢衰落信道是指信道冲击响应变化率比发送的基带信号S(t)变化率低得多，因此可以假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态信道。对频域来说，慢衰落意味着信道的多普勒扩展要比基带信号的带宽小得多。显然，信号经历的是快衰落还是慢衰落取决于移动站的速度（或信道路径中物体的移动速度）和基带信号的发送速率。根据相干带宽和信号带宽的比较，信道可以分为平坦衰落和频率选择性衰落。所谓平坦衰落是指当信号带宽远小于信道的相干带宽