第3講 GSM-R通信系統(tǒng)--電波傳播特性課件

1、第3講 移動通信信道的電波傳播主講：譚傳武 通信與信號學院課前回顧n手機右上角偶爾顯示G/E/H/3G/4G，代表什么含義1 1、無線電波、無線電波2 2、移動通信信道特征、移動通信信道特征3 3、移動信道電波傳播特性、移動信道電波傳播特性內(nèi)容簡介問題：問題：宇航員通過什么與地面控制宇航員通過什么與地面控制中心取得聯(lián)系？中心取得聯(lián)系？ 實驗實驗1：奧斯特實驗奧斯特實驗證明：通電導線周圍存在磁場證明：通電導線周圍存在磁場 。即：電能產(chǎn)生磁。即：電能產(chǎn)生磁。實驗實驗2：閉合的線圈在磁場中做切割磁感線運動。閉合的線圈在磁場中做切割磁感線運動。證明：磁也能產(chǎn)生電。證明：磁也能產(chǎn)生電。n 電和磁的轉(zhuǎn)換并

2、輻射形成無線信道無線電波按頻率從低到高排列的順序是：長波、中波、短波、微波。無線電波與聲波一樣也有不同的頻率，不同的頻率對應不同的波長，頻率越高，波長越短，反之，頻率越低，波長越長。無線電頻段劃分波段名波段名稱稱波長范圍波長范圍頻率范圍頻率范圍頻段名稱頻段名稱傳播媒質(zhì)傳播媒質(zhì)用途用途長波長波103104M30 300kHzLF低頻低頻地面波地面波電報電報 導航導航 長距離通信長距離通信中波中波2102103M3001500kHzMF中頻中頻天波、地面波天波、地面波無線電波廣播、導航、海上無線電波廣播、導航、海上移動通信、地對空通信移動通信、地對空通信中短波中短波502102M166MHzIF天

3、波為主天波為主廣播中長距離通信廣播中長距離通信短波短波1050M6 30MHzHF高頻高頻電離層反射波電離層反射波無線電廣播通信、中長距離無線電廣播通信、中長距離通信通信超短波超短波110M30300 MHzVHF甚高頻甚高頻天波天波雷達、電視、短距離通信雷達、電視、短距離通信分米波分米波110dm3003000 MHzUHF超高頻超高頻天波、空間波天波、空間波短距離通信、電視通信短距離通信、電視通信厘米波厘米波110cm330GHzSHF特高頻特高頻天波、外球?qū)觽鞑ヌ觳?、外球?qū)觽鞑ブ欣^通信、無線電通信中繼通信、無線電通信毫米波毫米波110mm30300GHzEHF極高頻極高頻雷達通信雷達通信

4、亞毫米波亞毫米波1mm以下以下300GHz以上以上超極高頻超極高頻光纖光纖光通信光通信（1）與光的傳播相同。（2）無線電波也具有能量。（3）頻率越高，傳遞信息就越多。（4）波長越長，能繞過障礙物的本領(lǐng)越大。（5）微波遇到障礙物會發(fā)生反射，還能穿過電離層。無線電波傳播的特點：無線電波傳播的特點：無線電波的傳播速度n傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)q真空中的傳播速度等于光速(3108ms )q空氣中的傳播速度略小于光速（通常認為它等于光速 ）n無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系： /q為速度(m/s)；為頻率(Hz)；為波長(m)q不同介質(zhì)中傳播速度不同、波長不同 什么是移動通信信道？n基站天線、移動臺天

5、線之間的傳播路徑空中接口相比有線信道它是相比有線信道它是開放性信道開放性信道 接收地理環(huán)境的復雜性與多樣性接收地理環(huán)境的復雜性與多樣性一、移動通信信道特征q電波易受因素影響電波易受因素影響n天氣、干擾等天氣、干擾等q電波傳播方向具有一定范圍電波傳播方向具有一定范圍q容易泄密容易泄密1 開放性信道容易受很多參數(shù)影響敵方雷達所輻射的電磁波接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性地形分類地形分類 中等起伏地形中等起伏地形 不規(guī)則地形不規(guī)則地形2 接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性丘陵、孤立山岳、斜坡中等起伏地形水陸混合接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性地物分

6、類地物分類2 接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性郊區(qū)郊區(qū)市區(qū)市區(qū)開闊地開闊地3 通信用戶的隨機性移動影響信道通信用戶的隨機性移動影響信道慢速步行時的通信高速車載時的不間斷通信覆蓋范圍既要面狀覆蓋又要鏈狀覆蓋；覆蓋范圍既要面狀覆蓋又要鏈狀覆蓋；4 鐵路移動通信鐵路移動通信的信道特征的信道特征 鐵路沿線地形復雜；鐵路沿線地形復雜； 無線電傳播環(huán)境惡劣；無線電傳播環(huán)境惡劣； 列車的快速移動。列車的快速移動。4 鐵路移動通信的信道特征鐵路移動通信的信道特征用戶密度不均勻。用戶密度不均勻。4 鐵路移動通信的信道特征鐵路移動通信的信道特征車站線路電波傳播特性主要包含以下四種傳播損耗多徑效應陰影效應多普勒頻移二

7、、移動信道電波傳播特性移動無線信道的特點電磁傳播的主要方式：電磁傳播的主要方式： 多普勒多普勒擴展效應擴展效應 開放性開放性 擴散性擴散性 損耗損耗散射波散射波直射波直射波多徑反射波多徑反射波繞射波繞射波n電磁波傳播機制：直射、反射、繞射和散射。q傳播損耗用來衡量電磁波在傳播過程中產(chǎn)生的能量衰減的大小。q電波在自由空間中以直射波方式進行傳播（電波從發(fā)射天線直接傳播到接收天線），其能量既不會被障礙物所吸收，也不會被反射或散射。1 傳播損耗傳播損耗自由空間傳播損耗特性傳播距離越遠，自由空間傳播損耗越大；工作頻率越高，自由空間傳播損耗越大。不僅有自由空間的路徑損耗，還有附加傳播路徑的損耗（反射、散射

8、、繞射、屏蔽、阻擋、吸收等引起）。傳播損耗與小區(qū)的覆蓋范圍是密切相關(guān)的。電波傳播方式直 射 波反 射 波繞 射 波散 射 波電波傳播分析n1) 直射波：電波傳播過程中沒有遇到任何的障礙物, 直接到達接收端的電波, 稱為直射波。直射波更多出現(xiàn)于理想的電波傳播環(huán)境中。n2) 反射波：電波在傳播過程中遇到比自身的波長大得多的物體時, 會在物體表面發(fā)生反射, 形成反射波。 反射常發(fā)生于地表、 建筑物的墻壁表面等。 n3) 繞射波：電波在傳播過程中被尖利的邊緣阻擋時, 會由阻擋表面產(chǎn)生二次波, 二次波能夠散布于空間, 甚至到達阻擋體的背面, 那些到達阻擋體背面的電波就稱為繞射波。 由于地球表面的彎曲性和

9、地表物體的密集性, 使得繞射波在電波傳播過程中起到了重要作用。 n4) 散射波：電波在傳播過程中遇到障礙物表面粗糙或者體積小但數(shù)目多時, 會在其表面發(fā)生散射, 形成散射波。 散射波可能散布于許多方向, 因而電波的能量也被分散于多個方向。 什么是多徑傳播：什么是多徑傳播：到達接收點的電磁波存在多條不同的路徑，這種現(xiàn)象叫做多徑傳播。2 多徑效應多徑效應一是多徑衰落一是多徑衰落 電波通過各個路徑的距離不同，從各條路徑來的反射波電波通過各個路徑的距離不同，從各條路徑來的反射波到達的時間不同，相位不同，使得直射波和反射波有時到達的時間不同，相位不同，使得直射波和反射波有時候同相相加，有時候反相抵消，產(chǎn)生

10、了衰落。候同相相加，有時候反相抵消，產(chǎn)生了衰落。多徑效應給電波傳播帶來什么影響？由于這種衰落導致接收信號的快速起伏，故也稱為由于這種衰落導致接收信號的快速起伏，故也稱為快衰落快衰落。二是多徑時延二是多徑時延 因多徑傳播造成信號時間擴散的現(xiàn)象，稱為多徑時延因多徑傳播造成信號時間擴散的現(xiàn)象，稱為多徑時延。多徑效應給電波傳播帶來什么影響？思考題：n電磁波有哪三種傳播機制？n什么是快衰落？3 陰影效應 什么是陰影效應？ 當電波在傳播路徑上遇到障礙物阻擋時，在障礙物的后面就會形成信號場強較弱的陰影區(qū)，這稱為陰影效應。 由陰影效應引起的衰落稱為陰影衰落。這種衰落使接收信號場強中值隨著所處位置改變而呈現(xiàn)較慢

11、變動，故又稱為慢衰落。陰影效應產(chǎn)生陰影衰落-慢衰落 當發(fā)射源與接收體之間存在相對運動時，接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應，接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為多普勒頻移。 表示移動速度；表示波長；表示入射波與移動臺移動方向之間的夾角。4 多普勒頻移多普勒頻移cosdf 平坦衰落和頻率選擇性衰落 當移動無線信道的帶寬大于發(fā)送信號的帶寬，接收信號經(jīng)歷的就是平坦衰落。平坦衰落會使時域信號產(chǎn)生模糊和擴展，產(chǎn)生碼間干擾。 當移動無線信道的帶寬小于發(fā)送信號的帶寬時，產(chǎn)生頻率選擇性衰落。信號頻譜會在某些頻率上產(chǎn)生幅度和相位的變化，在時域信號也會發(fā)生嚴重畸變。衰落的分類

12、衰落的分類 大尺度衰落和小尺度衰落 大尺度衰落是由周圍環(huán)境和地物的差別而導致的陰影區(qū)引起的，表現(xiàn)為長時間內(nèi)長距離內(nèi)幅度的變化。 小尺度衰落是移動臺的移動距離只有幾個波長時，幅度的波動深度和速度的表征。它是由移動臺附近物體復雜的散射引起的。 距離（m） -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 5010150200250300350400450500 場強 (dBm) 短期衰落 長期衰落 /2 衰落的分類衰落的分類思考題：n什么是多普勒頻移？n什么是慢衰落？ 為了無縫覆蓋和不重復覆蓋，專家們只能根據(jù)傳播損耗時的場強變換來建立數(shù)學模型。無線信道的傳播特性給設計者帶來了挑戰(zhàn)n 為了確定網(wǎng)絡的覆蓋，常用的電波傳播損耗預測模型有Okumura模型、Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型、對數(shù)陰影模型、CCIR模型、LEE模型以及COST-231 Walfisch-Ikegami模型。nOkumura-HataOkumu