无线通信基础知识(3)

2019-04-14 15:32

板状天线高增益的形成

A. 采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵

B. 在直线阵的一侧加一块反射板 (以带反射板的二半波振子垂直阵为例)

C. 为提高板状天线的增益,还可以进一步采用八个半波振子排阵

前面已指出,四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为 8 dB;一侧加有一个反射板的四元式直线阵,即常规板状天线,其增益约为 14 ~ 17 dB 。

一侧加有一个反射板的八元式直线阵,即加长型板状天线,其增益约为 16 ~ 19 dB . 不言而喻,加长型板状天线的长度,为常规板状天线的一倍,达 2.4 m 左右。

室内分布系统建设的必要性

情况一:现代都市建筑物越来越高、越来越密集,而且多以钢筋混凝土

为骨架,再加上全封闭式的外装修,移动通信的无线电信号在其间受到阻挡而衰减,很难进行正常的室内通信;在一些高层建筑物的低层,基站信号通常较弱,存在部分盲区;在某些超高建筑物的高层,也存在盲区;诸如地下停车场、地下商场、地铁、隧道等场所,通常都是盲区;在城市的边缘区,基站密度小,在距基站较远的地方,信号本身就较小,那么,在建筑物内,因建筑物对电磁波的阻挡损耗,室内的通信有时就很困难。

情况二:在大中城市的中心区 ,基站密度都比较大,平均站距小于1km,所以进入室内的信号通常比较杂乱而造成信号不稳定。特别是在一些没有完全封闭的建筑物中、高层,近处基站和远处基站的信号通过直射、反射、折射、绕射等方式进入室内,信号非常杂乱,其迭加结果为信号忽强忽弱不稳定,且同频、邻频干扰严重,造成通话过程中频繁切换、话音质量差以及掉话严重等现象。

为解决以上情况的覆盖问题,最有效的方法就是建设室内分布系统,用无线接入方式将基站的信号通过有线传送方式直接引入到室内,使用户在室内能享受高质量的个人通信服务。

室内分布系统的类型及其特点

按信号源的不同,室内分布系统可分为蜂窝室内分布系统和直放站室内分布系统:

*蜂窝系统 优点是信号稳定、可靠,通信质量好;缺点是建设周期较长,一次性投资大,还需支付传输线路的租赁费用。

*直放站系统 优点是投资省、安装方便快捷,;缺点是通过定向天线难以取得单一纯净的信号,系统的话音质量相对蜂窝系统较差,且易造成对其他基站的干扰。强调一下,在室内信号较弱或为覆盖盲区的环境中,如果通过定向天线可以取得较纯净且稳定的基站信号的条件下,可以考虑采用直放站作为室内分布系统的信号引入设备。

按照布线材料的不同,室内分布系统可分为同轴电缆系统、光纤系统和泄漏电缆系统:

*同轴电缆是最常用的材料,价格便宜、性能稳定,但线路损耗大,大型同轴电缆室内分布系统通常需要多个干线放大器。

*光纤线路损耗小,可保证足够的信号强度,性能稳定可靠,但在近端和远端都需要增加光电转换设备,系统造价高,主要用于通信质量要求高的大型场所。

*泄漏电缆系统不需要室内天线,在电缆通过的地方,信号即可泄漏出来,完成覆盖。泄漏电缆室内分布系统安装方便,但对电缆的性能要求高,造价高,使用较少。

室内分布系统的场强的估算

经验证明,在室内环境下,电波传播距离很近时,传输损耗非常接近自由空间的情况,其计算公式为: Ls= ( 4πd /λ)2 = ( 4πd f/c )2

式中,d为传输距离,单位为m;f为电波频率,单位为Hz;c为光速,c = 3×108 m/s 。

通常用对数表示为:

Ls(dB)= 10 Lg ( 4πd f/c )2= 20 Lg (4π/c ) + 20 Lg(f)+ 20 Lg(d) 在f = 1000 MHz时,有:

Ls(dB) = 32.44 + 20 Lg(d) 不同距离的损耗如下:

d=1 m Ls(dB)= 32.44 ( dB ) d=5 m Ls(dB)= 46.42 ( dB ) d=10 m Ls(dB)= 52.44 ( dB ) d=20m? Ls(dB)= 58.44(dB)

室内吸顶天线增益一般为 GT = 3 dB,假设天线的下行输出功率为PT = 10 dBm,则在天线口正方向d=1 m 处,手机天线(增益一般说成 GR = 2 dB)所收到的功率PR为:

PR = PT – Ls(dB)+ GT + GR = 10 – 32.44 + 3 + 2 = – 17.44 ( dBm )

若天线在天花板(石膏或木质)内,电波对其的穿透衰耗的经验数据为5 dB 左右,则所收到的功率PR 应修正为:

PR = –17.44 – 5 = – 22.44 ( dBm )。

当电波传播距离较远时,各个方向传播途中,电磁波将发生反射、绕射和穿透。经验给出综合考虑电波传播过程中建筑结构引起的衰减最大值约为13 dB,再加上5 dB的信号波动值,则例如在距天线20m处,则所收到的功率PR为:

PR = PT – Ls(dB)+ GT + GR –(13 + 5 ) = 10 – 58.44 + 3 + 2 – 18 = – 61.44 ( dBm )

顺便指出:

对于不同材质的隔墙,阻挡所造成的穿透衰耗的经验数据为(5 ~ 20)dB; 楼层间一般为钢筋水泥材质的隔层,穿透衰耗为 20 dB 以上 。

自由空间电磁波衰耗经验公式: Loss(dB)= 32.5 + 20lgD + 20lgF

D--- Distance:两端之间自由空间距离,单位:公里; F--- Frequency:通信电磁波频率,单位:MHz。 二、电磁波空间传输损耗

损耗是指在传输过程中因传输介质等因素引起的能力损失。 无线信道空间传输损耗

超高频和微波波段信号的空间传播,会对信号带来多种传输损伤、很大衰减和多径衰落。 1.直线传播损伤 ● 衰减和失真; ● 自由空间损耗; ● 噪声; ● 大气吸收; ● 多径和折射。 2.衰减因素

双绞线、电缆到光纤、波导等传输媒体,都是导向媒体,而在自由空间长距离的电磁波传播,属于非导向媒体传输;因此衰减是较为复杂的距离函数,并在地球周围受到充满大气层的影响。传播衰减主要影响因素是:传播频段f,传播距离L,电磁波速率C(近于光速)。 自由空间传播损耗

1. 微波段信号远程传播如卫星到地面约36000km。信号波束随传播距离而发散。上行链路的发射信号功率,由大功率速调管可达上千瓦,而卫星转发器只能靠太阳能供电,由于卫星表面积受限,因此下行链路发射功率很难达到上百瓦。因此地球站接收信号功率不过微瓦级,并且还包含了收、发天线增益几十个dB的补偿效果。 2. 空间传播损耗(dB)

多径传播和多径衰落 1.多径传播

天线辐射的信号以三种方式传播:地波、天波和空间波(后者即称谓的直线波); ● 当电磁波遇有比其波长要大的障碍物时,则发生反射; ● 并在该物体边界进行衍射(绕射);

● 若障碍物尺寸不大于电磁波长,会发生散射,即散射成几路弱信号———多径衰落。 2.多径传播后果

● 多径到达的信号,由于相位不同,强弱相差很大,若无序混迭、相位抵消,就使接收信号难以检测与恢复质量良好的信息; ● 产生严重的码间干拢(ISI);

● 特别是在较高速度的移动台天线发出的信号,运动方向、障碍物环境较快变化,多径信号中主路径不稳定等因素导致的接收信号更难处理。 3.衰落类型

● 慢衰落(平坦衰落—flat fading); ● 快衰落(fast fading);

● 选择性衰落(Selective fading)。 4.衰落信道的3种类型

● 高斯信道———是最简单的信道模型,同时它更符合于通信恒参传输媒体。本书各种传输系统,均是基于高斯信道进行性能分析。

● 瑞利衰落信道———多径衰落导致多条均很弱的路径信号,而不存在一条主路径。 ● 赖斯衰落信道———是较瑞利衰落利于处理的情况,它具有明显的主路径和多个较弱的间接路径。

5.多径衰落环境下的信号接收 ● 选用适当的分集技术与合并处理 ● 自适应均衡 ● 前向纠错编码

● 高性能传输技术———如TCM,复合编码,OFDM等 电波在自由空间传播的损耗公式为:

Lbs(dB) = 32.45 + 20lgf(MHz) + 20lgd(km)

式中,Lbs为自由空间的路径传播损耗,它与收发天线增益Gr、Gt无关,仅与传输路径有关。如果将其他参数保持不变,仅使工作频率f(或传输距离d)提高一倍,则其自由空间的路径损耗就增加6dB。

对于WLAN,工作在2.4GHz,在自由空间中传播损耗为(f = 2400MHz): Lbs = 100 + 20lgd(km) Lbs = 100 + 20lgd(km)

距离(m) 1 5 20 30 40 50 80 100 损耗(dB) 40 54 66 70 72 74 78 80

而实际中,电波还要受到诸如地面的吸收、反射、障碍物的阻挡等影响。在室内的障碍物通常为墙壁、隔断、地板等。障碍物对电波的阻挡效果与障碍物的结构有关,木质结构的损耗为5dB,钢筋混凝土结构的损耗为25dB。

以型号FH-AP2400的无线接入节点设备和FH-325的无线PCMCIA网卡为例,分析AP在室内覆盖范围的大小。

为分析简单起见,只考虑空间传播和障碍物(墙壁、隔断、地板)阻挡对电波的损耗。下表列出了电波通过不同的障碍物后FH-AP2400(ISP)的有效覆盖距离。

上表的数据是根据AP工作在11Mbps时的灵敏度计算得到的。当AP工作在更低的速率(5.5/2/1Mbps)时,有效覆盖距离还可以更大。


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