第2章無線通信基礎(chǔ)-2.ppt

1 提問 1 無線信道的傳播特征主要從哪兩個層面加以描述的 2 什么是大尺度衰落 什么是小尺度衰落 對通信系統(tǒng)有什么影響 3 在無線通信系統(tǒng)中 對接收信號影響比較嚴(yán)重的四種效應(yīng)是什么 4 輻射體向空間輻射電磁場 依據(jù)其空間特性不同 可以將其劃分為哪三個不同的區(qū)域 5 依據(jù)不同的頻率 無線電波在空間有哪三種基本傳播方式 2 提問 平均信號強(qiáng)度 大尺度衰落 和小尺度衰落 大尺度衰落 反映信號的平均功率隨距離增大而產(chǎn)生的緩慢變化 包括大尺度路徑損耗和陰影衰落 主要影響通信距離或覆蓋范圍 慢衰落 小尺度衰落 主要表現(xiàn)為多徑衰落 反映數(shù)十個波長區(qū)間內(nèi)信號功率的快變化 是影響接收信號質(zhì)量的主要因素 快衰落 1 無線信道的傳播特征主要從哪兩個方面加以描述的 2 什么是大尺度衰落 什么是小尺度衰落 對通信系統(tǒng)有什么影響 3 地球表面波傳播 天波傳播和空間波傳播 三個不同的區(qū)域 近場區(qū) 中間區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū) 陰影效應(yīng) 多徑效應(yīng) 遠(yuǎn)近效應(yīng) 多普勒效應(yīng) 3 在無線通信系統(tǒng)中 對接收信號影響比較嚴(yán)重的四種效應(yīng)是什么 4 輻射體向空間輻射電磁場 依據(jù)其空間特性不同 可以將其劃分為哪三個不同的區(qū)域 5 依據(jù)不同的頻率 無線電波在空間有哪三種基本傳播方式 提問 4 2 2大尺度路徑損耗2 2 1概述電磁波傳播模型的研究重點 1 預(yù)測發(fā)射機(jī)在一定距離處的平均接收信號強(qiáng)度 或路徑損耗 預(yù)測平均信號強(qiáng)度描述的是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間長距離上的信號強(qiáng)度變化 這種模型稱為大尺度傳播模型 用于估計無線信號覆蓋范圍的傳播模型 2 對特定位置附近信號強(qiáng)度變化進(jìn)行分析 無線通信系統(tǒng)工作的地形多種多樣 所以 一種單一的傳播模型是無法準(zhǔn)確描述收發(fā)機(jī)之間電波的傳播特性 需要根據(jù)不同的地域環(huán)境使用幾種不同的模型 5 為了建立比較貼合實際的大尺度損耗模型 需要將不同的地域環(huán)境根據(jù)地形起伏或地物高度 密度進(jìn)行分類 1 根據(jù)地形起伏情況 分成中等起伏地形和不規(guī)則地形兩大類 中等起伏地形 指在無線傳播路徑的地形剖面圖上 地面起伏高度不超過20米 并且起伏緩慢 起伏地形最高點與最低點之間的水平距離大于它們之間的高度差 不規(guī)則地形 如水路混合地形 孤立的山岳 丘陵地等 通常以中等起伏地形作為研究基準(zhǔn) 其他情況下的傳播模型則通過對基準(zhǔn)情況模型進(jìn)行修正得到 6 2 按服務(wù)區(qū)域的人口密度 建筑物密度及高度 經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及前景等情況進(jìn)行分類 無線覆蓋區(qū)域可以劃分成如下類型 大城市 中等城市 小城鎮(zhèn)和農(nóng)村 建筑物的密度與高度對電波傳播會產(chǎn)生兩方面的影響 1 高大密集的建筑物對電波傳播會產(chǎn)生反射 散射 能量吸收等 這些因素綜合起來會加快電波傳播的大尺度損耗 2 高大建筑物還會造成電波陰影 陰影區(qū)的信號強(qiáng)度可能會非常弱 這些地域類型的具體描述如表2 2所示 7 表2 2無線覆蓋區(qū)域類型劃分 8 3 按照地物的密集程度不同可以分為三類地區(qū) 開闊地 在電波傳播的路徑上無高大樹木 建筑物等障礙物 呈開闊狀地面 如農(nóng)田 荒野 廣場 沙漠和戈壁灘等 郊區(qū) 在靠近移動臺近處有些障礙物但不稠密 如有少量的低層房屋或小樹林等市區(qū) 有較密集的建筑物和高層樓房 9 2 2 2自由空間傳播模型電波向周圍空間擴(kuò)散傳播時 距離越遠(yuǎn) 單位面積上所接收的能量就越少 這種電波擴(kuò)散引起的衰耗稱為自由空間傳播損耗 自由空間傳播模型的作用 用于預(yù)測接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間完全無遮擋時的視線路徑接收信號強(qiáng)度 自由空間傳播的條件 理想的均勻介質(zhì) 無阻擋 無反射 無繞射 無散射 無吸收 10 通?？梢园褲M足以下條件的空間近似視為自由空間 a 地面上空大氣層是各向同性的均勻介質(zhì)b 無損耗的無限大空間 只有傳播損耗 如衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距無線鏈路是典型的自由空間傳播 直射波可近似按自由空間傳播模型進(jìn)行預(yù)測 是電磁波傳播的最簡單情況 Friis公式給出了在自由空間中 距發(fā)射機(jī)d處接收天線的接收功率 11 12 接收天線有效面積 Ae Gr 2 4 其中 Gr為接收天線增益 為信號波長 2 2 2 13 工程上常用的dB為單位 正值表示衰減 則式 2 2 3 可寫成式 2 2 4 說明 對于自由空間的電磁波傳播 距離增加一倍時 傳播衰減增加6dB 20lg2dB 傳播距離增加到10倍時 衰減增加20dB 2 2 4 接收功率衰減與距離的關(guān)系為20dB 十倍程 14 Friis公式 2 適用范圍 Friis自由空間傳播模型僅適用于天線遠(yuǎn)場區(qū) 定義 遠(yuǎn)場區(qū)為接收天線與發(fā)射天線的距離df滿足下列條件的區(qū)域 df D和df 15 d0必須滿足遠(yuǎn)場區(qū)條件 Pr d0 可以用式 2 2 2 預(yù)測得到 2 2 5 16 以dBm為單位表示時 式 2 2 5 變?yōu)槭街?Pr d0 的單位為mW 2 2 6 在實際常用的移動通信系統(tǒng)中 頻率在1 2GHz附近 室內(nèi)環(huán)境參考距離典型值取1m 室外環(huán)境取100m或1km 這樣選取參考距離后 式 2 2 5 和式 2 2 6 中的分子就是10的倍數(shù) 這使得以dB為單位的傳播損耗計算很容易 17 明確幾個常用單位 單位dB 0dBm 10lg 1mW 0dBW 10lg 1W 是個相對值 表示兩個量的相對大小關(guān)系 表示功率絕對值的單位 0dBW 10lg 1W 10lg 1000mW 30dBm 30dBm 0dBm 30dB 18 例子1 假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)為單位增益天線 發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為50W A 將其換算成dBm B 將其換算成dBW C 如果d0 100m的接收功率為0 0035mW 請問10km處的接收功率是多少 19 解 A Pt W 50W Pt dBm 10lg Pt mW 1mW Pt dBm 10lg 50 1000 Pt dBm 47dBmB Pt dBW 10lg Pt W 1W Pt dBW 10lg 50 Pt dBW 17dBW 20 C Pr d Pr d0 d0 d 2將已知量代入公式可得 Pr 10km Pr 100m 100m 10km 2Pr 10km 0 0035mW 10 4 Pr 10km 3 5x10 10WPr 10km dBm 10lg 3 5x10 10W 1mW 10lg 3 5x10 7 64 5dBm 21 22 解 100m處的接收功率為 10km處的接收功率為 23 例2 2一個發(fā)射機(jī)通過天線發(fā)射出去的功率為1W 載波頻率為2 4GHz 如果收發(fā)天線的增益均為1 6 收發(fā)天線之間的距離為1 6km 請問 1 接收天線的接收功率是多少 dBm 2 路徑損耗為多少 3 傳播時延為多少 解 已知Pt 1W Gt Gr 1 6 f 2 4GHz d 1 6km 1 以dBm表示發(fā)射功率為 24 取參考距離為100m 利用式 2 2 4 求得參考點的功率為 根據(jù)式 2 2 6 接收天線在1 6km處的接收功率為 電磁波波長為 25 2 以dBm為單位時 根據(jù)式 2 2 4 路徑損耗為 3 傳播時延為 也可直接計算 26 2 2 3輻射電場與功率的關(guān)系1 輻射電場與接收功率的關(guān)系遠(yuǎn)區(qū)輻射場的電場與磁場方向相互垂直 電場幅度與磁場幅度之比稱為電磁波的波阻抗 用 表示 為自由空間固有阻抗 磁導(dǎo)率 介電常數(shù) 27 則自由空間中的能流密度為 即天線在該點處的輻射功率密度 則距離發(fā)射天線d處的接收天線的接收功率為式 2 2 8 就把接收點的輻射電強(qiáng)與接收功率聯(lián)系起來了 能流密度指單位時間內(nèi)通過與傳播方向垂直的單位面積的能量 28 2 接收機(jī)輸入電壓與接收功率之間的關(guān)系 Vant 天線的感應(yīng)電勢Rant 接收天線的等效內(nèi)阻Rin 接收機(jī)的輸入電阻Vin 接收機(jī)的輸入電壓顯然 Vin Vant 圖2 12接收機(jī)的等效電路 2 2 9 當(dāng)接收機(jī)與天線匹配連接時 Rin Rant 接收機(jī)功率最大 式 2 2 9 給出了接收機(jī)輸入電壓與天線接收功率之間的關(guān)系注意 無負(fù)載時 Vin Vant 29 例2 3假設(shè)發(fā)射機(jī)在自由空間以50W功率發(fā)射 載頻為900MHz Gt 1 Gr 2 接收天線阻抗為50 的純電阻 假設(shè)無線通信系統(tǒng)處于最佳接收狀態(tài) 并且接收機(jī)與接收天線理想匹配 試求 1 10km處接收機(jī)收到的功率 2 接收天線的感應(yīng)電場幅度 3 接收機(jī)的輸入電壓 30 解 已知Pt 50W fc 900MHz Gt 1 Gr 2 接收天線的50 純實數(shù)阻抗與接收機(jī)匹配 1 先計算電磁波的波長 所以10km處的接收功率為 用dBW或dBm為單位表示則有 Pr d 10lg 7 036 10 10 91 5dBW 61 5dBm 31 2 用式 2 2 8 計算接收電場幅度 3 用式 2 2 9 計算接收機(jī)輸入電壓為 2 2 9 32 33 2 2 4電磁波基本傳播機(jī)制自由空間傳播是電磁波傳播的最簡單情況 實際情況下 電磁波傳播路徑上一般存在不同的障礙物 發(fā)生反射 透射 繞射 也叫衍射 和散射等 34 1 電磁波的反射和透射反射的條件 當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時 如果界面的尺寸遠(yuǎn)大于電波的波長時 產(chǎn)生反射 假設(shè)平面波入射到兩種電介質(zhì)的交界面 會發(fā)生反射和透射 a 若第二介質(zhì)為理想導(dǎo)體 則僅有反射 無透射 無損耗 b 若是非理想電介質(zhì) 則有能量損耗 反射波與傳輸波的電場強(qiáng)度取決于反射系數(shù)R和透射系數(shù) 反射系數(shù)與介質(zhì)的屬性有關(guān) 并且與電波的極化方式 入射角 頻率有關(guān) 35 2 地面反射和傳播環(huán)境對功率衰減的影響 地面反射雙線模型 在移動無線信道中 MS和BS之間很少存在單一LOS傳播 所以只考慮了直射波的自由空間模型在很多情況下不能正確地預(yù)測大尺度衰減情況 在存在直射波的情況下 無線通信的雙線模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測幾千米通信范圍的大尺度信號衰落 適用于農(nóng)村和城郊等比較平坦 開闊的傳播環(huán)境 并且對城區(qū)微蜂窩環(huán)境下的LOS鏈路也比較準(zhǔn)確 該模型以幾何光學(xué)為基礎(chǔ) 考慮了直射 反射路徑 并且認(rèn)為地面發(fā)生全反射 反射前后信號相位相差180 反射系數(shù)R 1 36 假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均處于地平線上 其中間是平坦的地面 電磁波的傳播路徑有兩條 1 與自由空間傳播相同的LOS 視線路徑 2 經(jīng)地面反射后到達(dá)接收機(jī)的路徑 這兩條路徑的傳播距離是不相同的 使得同時到達(dá)接收機(jī)的兩路信號之間存在相位差 從而對傳播衰減產(chǎn)生影響 圖2 14無線傳播環(huán)境下的雙線模型 37 直線傳播距離 反射路徑傳播距離 雙線模型 38 則d1與d2的路徑差 d為 2 2 16 39 并參考式 2 2 5 中引入?yún)⒖键c距離d0的思想 可以導(dǎo)出經(jīng)直射路徑到達(dá)接收機(jī)的信號電場強(qiáng)度為式中 k 2 為自由空間波數(shù) E0為距發(fā)射機(jī)參考距離d0處的電場強(qiáng)度 40 則經(jīng)反射路徑到達(dá)接收機(jī)的信號電場強(qiáng)度可以表示為由于反射系數(shù)R 1 因此接收信號總的場強(qiáng)為 2 2 14 在全反射的情況下 由于d1和d2相差不大 和的差別對信號幅度的影響就可以忽略 可以認(rèn)為但是 對于處在相位項上的d1和d2可能產(chǎn)生對信號幅度有很大影響的相位差 故其距離差不能忽略 41 將d2 d1 d代入式 2 2 14 得到 式中 k d為兩個到達(dá)信號之間的相位差 2 2 15 由路徑差 d的表達(dá)式可以得到 42 根據(jù)式 2 2 15 可以得到接收信號電場強(qiáng)度的包絡(luò)為 2 2 17 考慮到相位差 接收信號功率為 其中 43 2 2 19 距離d處接收機(jī)的接收功率為 以dB為單位表示的路徑損耗計算公式為PL d 40lgd 10lgGt 10lgGr 20lght 20lghr 40dB 10倍程 44 2 4大尺度路徑損耗與陰影衰落 雙線模型幾個重要結(jié)論 1 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離d很大時 接收功率隨距離的4次方成反比衰減 這表明其接收功率衰減比自由空間 2次方衰減 要快的多 顯示了發(fā)射天線和接收天線的高度對路徑損耗的明顯影響 路徑損耗與信號頻率無關(guān) PL d 40lgd 10lgGt 10lgGr 20lght 20lghr 45 2 4大尺度路徑損耗與陰影衰落 第一費(fèi)涅爾區(qū)距離 2 工程上一般認(rèn)為 小于第一費(fèi)涅爾區(qū)