移動(dòng)通信信道-1

1、上次課重點(diǎn)回顧q何謂移動(dòng)通信？q移動(dòng)通信有哪些主要特點(diǎn)？q常用的移動(dòng)通信應(yīng)用系統(tǒng)有哪幾種？q無線電信號經(jīng)歷移動(dòng)通信信道后會發(fā)生哪些變化？q產(chǎn)生這些變化的原因有哪些？q如何表征移動(dòng)通信信道特性？本講-第4講要解決的主要問題2-4內(nèi)容提要2.1 陸地?zé)o線電波傳播特性2.2移動(dòng)通信信道的多徑傳播特性2.3描述多徑衰落信道的主要參數(shù)2.4 陰影衰落的基本特性2.5 電波傳播損耗預(yù)測模型2.6 多徑衰落信道的建模和仿真2.7 MIMO信道簡介第一次課第二次課第三次課1)深入理解深入理解移動(dòng)通信信移動(dòng)通信信道特點(diǎn)；道特點(diǎn)；2)更好地理更好地理解經(jīng)歷信道解經(jīng)歷信道后的信號變后的信號變化機(jī)理?；瘷C(jī)理。2-51

2、.1.發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳播路徑非常復(fù)雜發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳播路徑非常復(fù)雜 接收天線將接收從多條路徑傳來的信號 移動(dòng)臺的運(yùn)動(dòng) 周圍環(huán)境的變化2 2. .傳播特性直接關(guān)系到以下因素傳播特性直接關(guān)系到以下因素n天線高度的確定n預(yù)測信號的覆蓋范圍n需采用何種抗衰落技術(shù)n2-6要求與重點(diǎn)1. 掌握移動(dòng)通信中電波傳播的主要方式，理解兩徑傳播模型的合成場強(qiáng)計(jì)算方法。2. 掌握多徑傳播的基本特性，理解多徑衰落對數(shù)字移動(dòng)通信的影響。3. 理解描述多徑信道的參數(shù)，了解小尺度衰落模型。4. 掌握電波傳播損耗的預(yù)測。5. 了解移動(dòng)通信信道的建模與仿真。n 自由空間傳播損耗模型？n 電波傳播的幾種方式？自由空間傳

3、播模型和兩徑傳播模型的傳播損耗如何計(jì)算？1.掌握掌握移動(dòng)通信中電波傳播的主要方式2.掌握掌握自由空間電波傳播損耗規(guī)律3.理解理解兩徑傳播模型的合成場強(qiáng)計(jì)算方法及傳播損耗規(guī)律重點(diǎn)重點(diǎn)：典型傳播方式及傳播損耗規(guī)律難點(diǎn)難點(diǎn)：兩徑傳播模型的合成場強(qiáng)計(jì)算2-81、信道分類 按傳輸媒質(zhì)分有線信道無線信道 根據(jù)信道特性參數(shù)隨時(shí)間變化的快慢恒參信道：傳輸特性隨時(shí)間變化速度極慢，或者說在足夠長的時(shí)間內(nèi)，其參數(shù)基本不變。變參信道：傳輸特性隨時(shí)間的變化較快。移動(dòng)通信信道是典型的無線變參信道。2-92、研究傳播特性的基本方法 理論分析 即用電磁場理論或統(tǒng)計(jì)理論分析電波在移動(dòng)環(huán)境中的傳播特性，并用各種模型來描述移動(dòng)信道

4、。 現(xiàn)場電波傳播實(shí)測 即在不同的傳播環(huán)境中，做電波傳播試驗(yàn)。測試參數(shù)包括接收信號幅度、時(shí)延以及其它反映信道特征的參數(shù)。 計(jì)算機(jī)模擬 利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，快速靈活地模擬各種移動(dòng)環(huán)境。概述2-10縮寫名稱頻率范圍波長名稱目前頻率分配情況VLF基低頻30kHz以下萬米波(甚長波)(1020)kHz,主要用于無線電導(dǎo)航,海上移動(dòng)通信和廣播LF低頻Low30kHz300kHz千米波(長波)(2003000)kHz,主要用于廣播,無線電導(dǎo)航,海上移動(dòng)通信,地對空通信MF 中頻Medium300kHz3000kHz百米波(中波)HF高頻High3MHz30MHz十米波(短波)主要用于定點(diǎn)通信,航海和航

5、空移動(dòng)通信,廣播,熱帶廣播及業(yè)余無線電等VHF基高頻Very30MHz300MHz米波(超短波)(301000)MHz,主要用于電視廣播,陸上移動(dòng)通信,航空移動(dòng)通信,海上移動(dòng)通信,定點(diǎn)通信,空間通信和雷達(dá)等UHF特高頻Ultra300MHz3000MHz分米波(微波)SHF超高頻Super3GHz30GHz厘米波(微波)1GHz-10GHz,主要用于無線電微波接力系統(tǒng),其次是定點(diǎn)通信和移動(dòng)通信業(yè)務(wù)EHF極高頻Extremely30GHz300GHz毫米波(微波)10GHz以上,主要用于無線電中繼接力通信,空間通信,雷達(dá),導(dǎo)航,無線電天文學(xué)等2-113、目前典型移動(dòng)通信使用頻段（1）150 MH

6、z （VHF）（2）450 MHz （UHF）（3）900 MHz （UHF）（4）1800MHz （UHF）（5）2000MHz （UHF） （6）2600MHz （UHF） （7）5G將使用5.2GHz、毫米波頻段.VHF/UHF頻段電波傳播有哪些特性呢？頻段電波傳播有哪些特性呢？2-122.1.1 電波傳播方式2.1.2 直射波2.1.3 大氣中的電波傳播2.1.4 障礙物的影響與繞射損耗2.1.5 反射波2.1.6 散射波2-13n VHF與UHF頻段，典型傳播方式1、直射2、反射3、散射4、繞射問題情境：附近GSM基站發(fā)射的電波信號如何到達(dá)本教室？2-142.1.1 電波傳播方式2.

7、1.2 直射波2.1.3 大氣中的電波傳播2.1.4 障礙物的影響與繞射損耗2.1.5 反射波2.1.6 散射波2-151、傳播模型 自由空間傳播模型（1）幾點(diǎn)討論n 自由空間傳播模型的定義 均勻無損耗的無限大空間 各向同性 電導(dǎo)率為0，相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率為1。2-16n自由空間傳播模型的特性- 不存在電波的反射、折射、繞射、色散和吸收等現(xiàn)象- 電波的傳播速率等于真空中光速Cn自由空間傳播損耗的本質(zhì) 球面波在傳播過程中，隨著傳播距離增大，球面單位面積上的能量減小了。 接收天線的有效截面積一定，故接收天線所捕獲的信號功率減小。dPTPR2-17（2）模型適用范圍 接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無

8、阻隔的視距路徑 實(shí)際情況中，只要地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率為1，傳播路徑上沒有障礙物的阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號場強(qiáng)也可以忽略不計(jì)，這種情況下，電波可視作在自由空間傳播。2-182、接收功率計(jì)算公式、接收功率計(jì)算公式距發(fā)射機(jī)距發(fā)射機(jī)d 處天線處天線的接收功率： PT = 發(fā)射功率 (W) GT = 發(fā)射天線增益 GR = 接收天線增益 = c/f 波長(m)，c = 光速 (3108 m/s) d = 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離(m) 22( )44TTRRP GP dGddPTPR單位面積上的電波功率密度接收天線的有效面積2-19 距發(fā)射機(jī)d處天線的

9、接收功率: 物理意義與d2成反比距離越遠(yuǎn)，衰減越大。與2成正比（與f2成反比）頻率越高，衰減越大。綜合損耗L(L=1)通常歸因于傳輸線衰減、濾波損耗和天線損耗，L1則表明系統(tǒng)硬件中無損耗。LdGGPdP222RTTR)4()(2-203、自由空間傳播損耗計(jì)算n 自由空間傳播損耗的定義：(不考慮天線增益)n 以dB計(jì)，得到：n 或前提條件：天線增益為1，綜合損耗=1，單位以dB計(jì)。()32.4420lg ()20lg()fsLdBd kmf MHz24TfsRPdLP24()10lgfsdLdB2-21自由空間傳播損耗： 只與工作頻率和傳輸距離有關(guān) 當(dāng)距離或頻率增加一倍，路徑損耗增加約6dB()

10、32.4420lg20lgfsLdBf MHzd km自由空間傳播損耗示例：工作頻率工作頻率(MHz)150450900150450900傳輸距離傳輸距離(km)151515303030自由空間自由空間Lfs(dB)99.48109.03115.05105.50115.05121.07 思考題：已知近地距離d0點(diǎn)接收功率Pr(d0)，如何求解實(shí)際距離d的接收功率Pr(d) ？200)()(dddPdPrr2-232.1.1 電波傳播方式2.1.2 直射波2.1.3 大氣中的電波傳播2.1.4 障礙物的影響與繞射損耗2.1.5 反射波2.1.6 散射波四、大氣中的電波傳播1、出現(xiàn)折射現(xiàn)象的原因p

11、 在實(shí)際移動(dòng)信道中，電波在低層大氣中傳播。p 地球上的空氣處于重力場中，且大氣的氣壓和溫度隨著高度分布不均，其密度隨高度而變化。p 大氣折射率隨密度減小而減小。 思考：電磁波在大氣中傳播時(shí)，會發(fā)生什么現(xiàn)象？電磁波在傳播過程中，通過一層層密度不同的大氣，在各層的分界面處會發(fā)生折射，使電波射束發(fā)生彎曲。四、大氣中的電波傳播2、折射現(xiàn)象示意圖 p 電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫做折射。 3、折射對電波傳播的影響 有利：存在折射，可使極限視線傳播的距離增大 不利：吸收等因素會消耗電磁波能量rt四、大氣中的電波傳播4、介質(zhì)折射率 與電波傳播速度 間的關(guān)系p 介質(zhì)折射率大氣的相

12、對介電系數(shù) 與溫度、濕度和氣壓有關(guān)大氣的高度不同，相對介電常數(shù)不同p 電波傳播速度與介質(zhì)折射率成反比rnrcvnnv四、大氣中的電波傳播5、超視距傳輸p 大氣折射的彎曲程度取決于大氣折射率n的垂直梯度p 大氣折射對電波傳播的影響，在工程上通常用“地球等效半徑”來表征，也就是認(rèn)為電波依然按直線方向行進(jìn)，只是地球的實(shí)際半徑變成了等效半徑。0011eRkdnRRdh等效半徑地球等效半徑系數(shù)實(shí)際半徑四、大氣中的電波傳播5、超視距傳輸p 標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，等效地球半徑系數(shù)k=4/3。地球?qū)嶋H半徑是6370km, 地球等效半徑為8500km。p 思考：等效半徑變大意味著什么？p 大氣折射的結(jié)果是傳播距離比極

13、限視距更遠(yuǎn)了，即所謂的超視距傳播。四、大氣中的電波傳播6、視線傳播極限距離的計(jì)算122etrdddRhh4.12()trdhhkm2212()22eteettetdRhRR hhR h2222()22ereerrerdRhRR hhR h8500eRkm2-302.1.1 電波傳播方式2.1.2 直射波2.1.3 大氣中的電波傳播2.1.4 障礙物的影響與繞射損耗2.1.5 反射波2.1.6 散射波五、障礙物的影響與繞射損耗1、繞射現(xiàn)象 p 繞射：電磁波能夠繞過長度不大于波長的障礙物傳播 p 繞射使得無線電信號可以傳播到阻擋物后面 思考：哪個(gè)波段的電磁波繞射能力最強(qiáng)？TRObstruction

14、障礙物 頻率越低，傳播損耗越小，繞射能力越強(qiáng)！五、障礙物的影響與繞射損耗2、繞射產(chǎn)生機(jī)理p 繞射可用惠更斯原理解釋波前上的所有點(diǎn)均為產(chǎn)生次級波的點(diǎn)源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前。當(dāng)電波到達(dá)阻擋物的邊緣時(shí)，由次級波的傳播進(jìn)入陰影區(qū)。五、障礙物的影響與繞射損耗p 繞射損耗：在實(shí)際情況下，電波的直射路徑上存在各種障礙物，障礙物會帶來的一定的傳播損耗，這種附加傳播損耗稱為繞射損耗。 3、繞射對電波傳播的影響五、障礙物的影響與繞射損耗3、繞射對電波傳播的影響p繞射損耗與菲涅爾余隙有關(guān)。p菲涅爾余隙x：障礙物頂點(diǎn)至直射線TR的距離。 阻擋時(shí)余隙為負(fù)無阻擋時(shí)余隙為正五、障礙物的影響與繞射損耗4、計(jì)算繞射損耗的計(jì)算p 繞射損耗由第一費(fèi)涅爾半徑 x1決定：21211ddddxx1有什么用處？五、障礙物的影響與繞射損耗p x/x10.5時(shí),附加損耗約為0dB。p x 反射模型。小于波長的粗糙表面 散射模型。 對于陸地移動(dòng)通信，樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等會引發(fā)散射。2-50 無線電波傳播機(jī)制 典型有直射、反射、繞射和散射等。 自由空間（無阻擋物）：直射，視距傳播 存在阻擋物（多條路徑）： 反射：當(dāng)電波在不同性質(zhì)的介質(zhì)交界