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无线通信中的术语通俗解释,小白也能懂!(下)

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发表于 2017-3-22 10:58:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
传播损耗
Propagation Loss

类比:做蔬菜长途贩运生意的人都知道,假若从农民手里购买的白菜为每斤1毛钱,加上中间环节的运输费、摊位费、税、包装费等,到了最终消费者手中每斤至少得5毛钱。最终卖菜者赚得钱需要从总营业额中减去所有的利润损耗。

给定频率的无线制式,无线传播损耗主要是随距离变化的路径损耗(Path Loss),影响该路径损耗的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射,即有反射损耗(Reflection Loss)、绕射损耗(Scattered Loss)、地物损耗(Clutter Loss)。如果电磁波穿过墙体、车体、树木等等障碍物,还需考虑穿透损耗(Penetration Loss)。如果将手机贴近的人体使用,还需考虑人体损耗(Body Loss)等等。

路径损耗的环境因子系数n一般随传播环境不同而不同,一般密集城区取4~5,普通城区取3~4,郊区取2.5~3。在实际无线环境中,天线的高度可以影响路径损耗。一般发射天线或接收天线的高度增加一倍,可以补偿6dB的传播损耗。

反射损耗随反射表面不同而不同,水面的反射损耗在0~1dB,麦田的反射损耗在2~4dB,城市、山体的反射损耗可达14dB~20dB.

绕射波在绕射点四处扩散,扩散到除障碍物以外的所有方向,不同情况损耗差别较大。地物损耗主要由于地表散射造成,损耗大小视具体情况而定。

穿透损耗和建筑物的材质以及电磁波的入射角关系较大,一般情况下隔墙阻挡取5~20dB,楼层阻挡每层20dB,厚玻璃 6~10dB,火车车厢的穿透损耗为15~30dB,电梯的穿透损耗为30dB左右。
人体损耗一般取3个dB,也就是无线电波经过人体,一半的能量被人体吸收。

传播模型
Propagation Model

搞笑类比:一个私企老板经常跟大家强调:“我要的是 结果,你给我结果,我不要过程。”一天一个数学建模专家找这个老板推销他的万能数学模型,该模型的特点是能够给出任何问题的结果,过程你不用关心;但前提 是你按要求输入不超过三组数据。公司用这个模型进行销售预测、人力需求预测、降低成本预测等等,结果证明都非常正确。于是私企老板想用这个模型对自己是个 什么样的人有什么样的发展做一个判断。万能数学模型首先要求输入他一年来给员工开的工资的数据、再次要求他输入员工上下班的考勤记录、最后要求他输入的情 人个数,经过长达半小时的计算,模型给出了计算结果:请不要拿不下蛋的铁公鸡来开玩笑。

实际无线环境中不可能有自由空间那样理想的无线传播 条件。在不同的反射、绕射、散射条件的影响下,电波场强中值变化规律非常复杂,很难用简单的数学表达式来计算。通过理论或者实测的方式建立的无线电波传播 损耗的数学表达式称为传播模型。有两个途径研究传播模型:一是从无线传播理论出发分析所有从发射点到接收点的电磁波得出传播损耗的数学规律;另外一个是在 大量测试数据的基础上统计分析出传播损耗的数学规律。

感 悟:人类总是想用数学的手段为纷繁芜杂的社会、自然现象建立模型,以此得出一些数学的规律来指导我们的工作和生活。但遗憾的是,任何数学模型都是对事物发 展变化的普遍规律的近似表达,而不能完全符合实际。如果经济模型管用,那金融危机就不会爆发;如果管理模型管用,就不会有公司倒闭;如果无线传播模型绝对 准确,无线网络就不会有弱覆盖。

射线跟踪模型
Ray Tracing Model

类 比:每天有成千上万的人从北京出发去往全国各地,假若现在想知道每天有多少乘客从北京出发到上海。理论上我们只要把每天从北京到上海所有可能的交通工具包 括飞机、火车、汽车所能运输的人加起来便可以了。但是你有可能少考虑一部分人,他们可能跑步到上海,或者先乘火车到天津,再做轮船到上海。但这样的人毕竟 少数,对计算结果的影响不大。

射线跟踪模型的基本原理分析某种场景下无线电波从发射点传播到接收点理论上所有可能的传播途径,包括直射、发射、绕射等,通过接收点信号矢量叠加,计算得出接收信号场强。

Volcano模型,WaveSight模型以及WinProp模型就是典型的射线追踪模型。

射线模型需要高精度的三维数字地图,至少5m精度,1m精 度更好。由于对地图精度要求较高,所以用这种方法进行无线环境建模比较昂贵,一般只在密集城区使用就可以了。模型预测的准确性和数字地图的精确性、站点工 程参数如天线位置、天线高度、方向角、下倾角等设置的准确性相关较大。同时射线跟踪模型一般不考虑移动的车辆对无线信号传播的影响,也忽略较高阶的反射/衍射波、地面反射波、从建筑物下方穿过的电磁波、透射波、漫反射波等。

Okumura模型

类比:一位美国社会学家研究过人受教育的程度和工作后年收入的关系。经过对大量履历上的学历和目前工作的收入数据分析发现,博士生年收入比硕士生多$XXXX,硕士生年收入比本科生多$ XXXX,本科生年收入比未上大学的多$XX XX。 这个社会学家虽然开创了研究教育程度和年收入关系的先河,但是在很多情况下这种基于实际数据统计分析出来的关系模型并不成立。这个关系无法解释工作多年的 本科年收入比硕士还可能多,没有考虑不同行业待遇的差距,不同职务待遇的差距。于是后来的社会学家建模又考虑进去了工龄、行业、职务对收入的影响,进一步 完善了学历和收入的关系模型,这个关系模型变得更加复杂了。但是还是有一种情况不能适用,很多企业创始人他们的收入和他们的学历、工龄没有这么直接的关 系。于是再后来的社会学家又在研究这个方向上发表了论文,修正了上述关系,使它应用于企业创始人群体。

解释:
最著名的基于测试数据统计的无线传播模型是Okumura模型,它是Okumura在日本的大量测试数据基础上统计出的以曲线图表示的传播模型。但它适用范围窄,应用不十分方便。

在Okumura模型的基础上,Hata利用数学回归分析方法拟合出便于计算机计算的无线传播经验公式,即Okumura-Hata公式,适用频率在150~1500MHz的无线传播,如GSM900。该公式可应用在宏蜂窝(大区)条件下,半径在1-20km范围内的普通城区,郊区,乡村的无线环境。

但是随后出现了DCS1800,而且3G的工作频率都在2000MHz左右,原来的Okumura-Hata公式又不适用了,COST 231-Hata将Okumura-Hata模型的频率范围扩展到2000MHz,但是仍只适用于宏蜂窝条件。

随着人们对无线通信需求的不断增长,原来的宏蜂窝组网不能满足密集城区人们对无线网络质量的高要求,需要通过微蜂窝完善覆盖,于是有了适用于微蜂窝的Walfisch公式。

人们对无线通信的需求还是不断增长,室内无线用户日益增多,仅通过室外宏蜂窝覆盖室内不能满足人们对无线网络质量的高要求,需要建设室内分布系统,于是产生了应用于室内Keenan-Motley模型。

李氏准则
Lee’s Criteria

类 比:话说郓哥告诉武大潘金莲和西门庆偷情的事,武大卖完炊饼后早回去两次没有碰着,和郓哥说,“我娘子是正经人家的女子,怎么会有这种事?”郓哥提醒 他:“做这种事怎么会在你卖完炊饼后呢?也不可能在你的家里,抓这种事就得在合适的时间多回来几次才能碰着,而且王婆家你也要去看看。”

郓哥说得话用通信的语言说就是你的采样次数要足够多,采样地点要正确。

如何能够测试无线信号场强,充分的反应无线环境的特征。William Lee 博士1985年发表了关于无线信号场强采样的著名论文,通过严格的数学推导给出无线信号场强采样的标准:在40个波长内采样36~50个点。这一标准在无线通信工程中得到了广泛应用。

理解:假设我们的无线制式使用的频率是2000MHz,扫频仪每秒钟最多打100个点,那么进行无线环境测试的车速的上限是多少?

2000MHz的无线电波波长是0.15m,40个波长就是6m,也就是说6m的距离内必须够50个点。扫频仪每秒钟最多打100个点,也就是每秒钟最多走12米,即车速不能高于12m/s,走得多采样点就不够了。

SPM 模型
Standard Propagation Model

类比:在先秦时代,各诸侯国的文字是不统一的,不同国家的人交流起来十分不方便。最后秦始皇告诉天下人,他用的字就是标准字,大家统一用这种文字。

无线传播模型有很多种形式,也有很多适用范围,由于形式上的不统一,无线工程师使用起来很不方便,对同一无线环境很难有比较统一的认识。

SPM模型的推出解决了这个问题。SPM模型适用于从150MHz到2GHz比较宽的频率范围,也适用于从密集城区、普通城区、郊区、农村的各种无线环境。所以目前应用比较广泛。
Path Loss= K1+ K2log(d)+ K3log(Htxeff)+ K4Diffration+ K5log(d) log(Htxeff)+ K6(HRxeff  ) +Kclutterf(clutter)
其中:
d:接收机与发射机之间的距离(m);
HTxeff:发射天线的有效高度 (m);
Diffraction loss:经过有障碍路径引起的衍射损耗(dB);
HRxeff:接收天线的有效高度(m);
f(clutter): 因地物所引起的平均加权损耗;
K1:常数 (dB);.
K2:log(d)的系数;
K3:log(HTxeff)的系数;
K4:衍射损耗的系数;
K5: log(HTxeff)log(d)的系数.
K6: HRxeff的系数.
Kclutter: f(clutter)的系数.
在自由空间传播模型中,K3、K4、K5、K6、Kclutter都是0,K1=38.45,K2=20。
在一般的无线环境中,K1和K1取值也是非常重要的,对整个结果的准确性影响比较大,因为我们在利用传播模型计算的时候,主要关注的就是离发射机不同位置的情况下,我的路损是多少,可以得到的信号场强是多少。而其他因素如天线高度在一定情况下我们认为不变化

峰均比
PAR Peak-to-Average Ratio

类比:
一个村子里面有比较富裕的人家,也有比较穷的人家,但大多数都是收入中等的普通人家,我们最有钱的人家的财富和村子户平均财富的比或者最穷人家的财富和户平均财富的比,可以衡量出村子贫富两极分化的程度。

但从全国来看,用排在胡润排行榜上第一名的财富来和中国家庭的平均收入来比就显得不那么合适,不能全面衡量中国的贫富差距现象。如果用1%的中国富裕阶层的平均财富和中国家庭的平均收入,就可以说明一些问题。假若中国家庭平均年收入是3万元,而最有钱的富豪家庭的年收入为30亿,30亿和3亿一比,就是10万倍,如果用dB表示,就是50dB。

如果我们研究全国各自然村富翁的财富的分布情况,以说明不同省份经济发展水平,也可以用峰均比的概念,即最有钱的村富翁的财富和所有村富翁财富的平均值相比。也就是说,峰均比一定要指出是什么样的峰值和均值的比,单位是绝对的比值还是dB值。

解释:无线信号从时域上观测是幅度不断变化的正弦波,幅度并不恒定,一个周期内的信号幅度峰值和其他周期内的幅度峰值是不一样的,因此每个周期的平均功率和峰值功率是不一样的。在一个较长的时间内,峰值功率是以某种概率出现的最大瞬态功率,通常概率取为0.01%。在这个概率下的峰值功率跟系统总的平均功率的比就是峰均比。在概率为0.01%处的PAR,一般称为峰值因子(CF CREST Factor,CF)。

理解峰均比的概念是需要注意以下几点:
1.由于功率的峰均比是电压的峰均比的平方,PAR一般是指功率的峰均比,但也有书上把他当做电压的峰均比来用。
2.如果功率幅值随时间没有变化,即“包络的最大值”与“包络的平均值”处处相等,即“恒包络”信号的峰均比为1或者是0dB。
3.如果只考虑一个周期的无线信号纯正弦波,功率峰均比就是2,即3dB;而其电压的峰值因子CF就是功率峰均比的平方根1.414。但一般情况下,峰均比很少是指这种情况。
3.调制技术、多载波技术都可能带来较大的峰均比,峰均比过大不是什么好事,会影响很多射频器件的应用效率。

CW(Continuous Wave)测试

毛主席教导我们:“没有调查,就没有发言权。调查研究就像十月怀胎,解决问题就像一朝分娩。”原始材料的获取是正确解决一切问题的前提。同样的,原始数据的获取是一切数学建模的最关键一环。调查、监控、测试是获取原始数据的手段。

无线传播模型与具体的地形地貌因素密切相关,通过大量测试对各类场景SPM模型(或者其他模型)的各项K值进行确定的过程叫做模型校正。CW测试(连续波测试)是获取无线电波传播的测试数据的重要步骤。CW测试获取的数据是不同位置的接受电平强度,即经纬度信息和场强值的对应。可以作为模型校正的数据源。对测试获取的数据要求具备典型性和平衡性,即要求数据能够代表该地区的无线传播特性且可以“成比例”的反映该地区不同地物的无线传播特性。做CW测试需要避免地理定位时卫星遮挡或发射天线近端有高大建筑物阻挡,以免影响经纬度信息的准确性。

射频 RF
RF Radio Frequency

类比:人若想在空中遨游,可以用飞机作为载体。飞机升空的条件是必须有一定的速度,通过一定长度的机场跑道才能把速度提上去。

信息在空中传递,必须有无线电波作为载体,但是无线电波的频率低于100 KHz时,电波就会被地物吸收,而且接收装置也非常复杂。只有达到一定频率的电波才能在空中远距离传送,也容易把信息接收下来。
射频就是能够发射出去的高频交变电波,频率范围从300KHz~30GHz之间。

能够传送射频信号的传输电缆就是射频线,如工程上使用的馈线。经过调制后的高频无线电波在射频线中传输叫做射频有线传输。射频线和天线连接,射频信号通过天线向空中发射出去或者接收下来。

噪声
Noise

噪声是什么?繁忙的街道上人们说话,略微远一点就无法正常交流了。这时候都受到那些影响了,往来的汽车嘀嘀声(人类之外的噪声),人群的嘈杂声(人类内的 噪声),都是影响人们正常交流的噪声。这些噪声随着环境的不同,大小不同,影响程度也不同,我们无法对某个具体的噪声特定时刻的大小进行预测,但其具有统 计概率规律。

在无线电波信号处理和传播过程中,也会遇到无法确切预测但有统计概率的干扰信号,这种信号不同于特定频率的无线电波之间的互相干扰,称之为噪声。噪声分为 系统内部的噪声和系统外部的噪声。系统内部的噪声包括和环境温度相关的热噪声、电子管工作时产生的噪声,信号与噪声之间的互调产物等等。系统外的噪声来自 雷电风雨产生的噪声、汽车的点火噪声、其他用电设备产生的噪声。

相位噪声
Phase Noise

类比:从北京飞往上海的航班排好后,每天按照固定的时刻起飞降落,周而复始。但是一天由于天气原因,航班无法正常起飞和降落,很多航班相对正常时间都有所延误。

相位噪声就是指在系统内(如各种射频器件)各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。描述无线电波的三要素是幅度、频率、相位。频率和相位相互 影响。理想情况下,固定频率的无线信号波动周期是固定的,正如飞机的正常航班一样起飞时间是固定的。在频域内一个脉冲信号(频谱宽度接近0)在时域内是一 定频率的正弦波。

但实际情况是信号总有一定的频谱宽度,而且由于噪声的影响,偏离中心频率的很远处也有该信号的功率,正如有延误1个小时以上的航班一样。偏离中心频率的很 远处的信号叫做边带信号,边带信号可能挤到相邻的频率中去,正如延误的航班可能挤到了其他航班的时间从而对其造成影响。所以这个边带信号就叫做相位噪声。

相位噪声如何描述其大小呢?在偏移中心频率一定范围内,单位带宽内的功率与总信号功率的比,单位为dBc/Hz。正如要评估某一天天气对航班的影响,可以 定义晚点1个小时以上的航班和航班总数的比例,这个比例越小越好。射频器件系统内的热噪声可能导致相位噪声的产生。相位噪声大小可以衡量射频器件的优劣。 相位噪声越小,射频器件越好。

SNR
Signal to Noise Ratio

类比:
悟空问八戒:“你要找什么样的女朋友?”八戒回答:“当然是越漂亮越好。”
悟空问道:“让你追一辈子,你还要不要?”八戒嗫嚅道:“不敢要了。”
悟空问沙僧:“你希望什么样的上网的速度?”沙僧回答:“当然是越快越好。”
悟空问道:“一比特要你两块钱,你还上不上?” 沙僧嗫嚅道:“不敢上了。”
悟空问唐僧:“你要什么样的坐骑?”唐僧回答:“速度越快越好、越省油越好,越安全越好。”
悟空问道:“要你把北京的房子卖了买个有面子,有牌子的车,你还买不买?” 唐僧嗫嚅道:“不敢买了。”

悟空总结道:“要得到好处的时候,你一定会付出代价。你要考虑的是,你得到好处和付出的代价相比是否合适,也就是性价比的问题。不是好处越多越好,而是性价比越高越好。”

信噪比简单的说就是有用信号和干扰噪声的比。有用信号在传输的过程中,必然会引入各种噪声,最起码有热噪声。一个射频器件如放大器把有用信号功率放大的同时,必然会放大相应的噪声。信噪比(Signal/Noise),通常以SNR表示,同样射频条件下以功率表示的信噪比是以电压表示的信噪比的平方,工程上一般指的是功率上的比值。如果用分贝(dB)表示,以功率表示的信噪比是以电压表示的信噪比的2倍。信噪比越大越好。
应用:信噪比(电压)低于80dB的音箱和MP3不建议购买。

高小姐的性价比降低了——噪声系数
NF
Noise Factor

类比:
话说八戒和高小姐结婚几年后,悟空问八戒:“怎么样,小日子不错吧!”八戒一脸苦相,说:“别提了,高小姐性价比降低很多了。面色老了很多,脾气坏了很多, 生活懒散了很多,还和我不断地要更高的生活费。”高小姐婚前的性价比比婚后的性价比高出很多倍,这个倍数可以称为婚姻魔盒系数,可以描述婚姻质量。

射频器件本身就会加入噪声,输入端信噪比会比输出端的信噪比高一些。输入端信噪比和输出端信噪比之比就是射频器件的噪声系数。

NF=10lg(输入端信噪比/输出端信噪比)
噪声系数可以衡量接收机、放大器的射频(RF)性能,表示经过射频器件后,信号有用功率的损失和噪声功率的放大。基站的噪声系数大约为3~5dB,而用户移动台的噪声系数大约为7~9dB。

涓涓细流汇聚成河——加性噪声
additive noise

类比:万里黄河是由高山雪水形成的涓涓细流逐渐汇聚而成的,比较重要的源头有三个:一是扎曲,二是约古宗列渠,三是卡日曲。扎曲干涸的时候,卡日曲还有充足的水流。

加性噪声是通过功率直接叠加的方式作用于有用信号,它的存在却独立于有用信号,不管有没有有用信号,加性噪声始终存在于射频器件中,影响正常通信的质量。

一般通信中把随机的加性噪声看成是系统的背景噪声;从来源来看,加性噪声可分为无线电噪声、工业电噪声、自然噪声、射频器件的内部热噪声。无线电的干扰频率是固定的,可以通过加强了无线电频率的管理尽量规避。工业电噪声来源于各种电气设备,但干扰频谱集中于较低的频率范围,选择较高的工频工作可防止干扰。自然噪声来源于闪电、太阳黑子及宇宙射线等。这类噪声很难避免。内部热噪声由电子器件不规则的热运动引起,在数学上可以用随机过程来描述,又可称为随机噪声。

你家的苹果很好看——失真
Distortion

类比:大家比较熟悉皇帝新装的故事,成年人 都夸皇帝的衣服好漂亮,而只有孩子说:其实他什么也没穿。小孩刚会说话的时候,看到邻居家的苹果,自己想吃,哭着闹着要吃苹果,真实地表达自己的意图。等 长到六七岁的时候,还是想吃邻居家的苹果,却说:“你家的苹果很好看。”等长大成人后,虽然想吃邻家的苹果,为了说明自己不缺苹果,却推托说:“我不吃, 真的不吃。” 孩子真实地说出自己看到情况或说出自己的真实想法,这叫童真;而成年人掩饰了自己的真实所见和真实想法,这叫失去童真(率真),或者失真。

所谓失真,就是失去真实,或者说真实的东西被歪曲的表现出来。信号经过射频收发通道的时候,由于有加性噪声和乘性噪声引入,多少会有一定程度的对所传信号的歪曲,这个就是无线信号的失真。无线信号的失真可分为线性失真和非线性失真。

工地的探照灯——杂散辐射
Spurious Emission

现象类比:我们的生活小区旁边有一个工地,彻底灯火明亮。安装探照灯主要目的是为了便于巡查从而避免工地的各种物资丢失(工作带宽范围内辐射就可以了)。可是探照灯太亮了,辐射到了我们小区(杂散辐射),影响了我们小区很多人的休息(杂散辐射必然带来干扰)。

射频发信机本应该在规定的频率范围内发送无线信号,即发射带内信号;正如探照灯应该主要照射工地范围一样。由于射频发信机内部元器件并非理想器件,存在或 多或少的非线性,在发射无线信号的过程中产生了很多非规定频率范围内的信号,即发生了杂散辐射;就像探照灯照到了旁边的生活小区。发射机发射了非自己频率 范围内的信号,就可能对其他通信系统造成干扰,就像工地的探照灯影响了旁边小区居民休息一样。

杂散辐射可能是一些非线性元器件产生的谐波分量、交调信号等。为了防止一个系统的杂散辐射对其他无线通信系统造成干扰,需要提高系统的电磁兼容性能。一般 在协议中都会规定这个系统的不同带外频率范围的最大杂散辐射水平。一般规定的形式都是一个频率范围内一定带宽的最大允许的杂散辐射是多少dBm;如协议上 规定WCDMA的发射机在150kHz~30MHz范围内每10kHz带宽的杂散辐射不能超过-36dBm。

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