無線通信技術(shù)2

1、無線通信技術(shù)2010-12-81無線電的傳播大尺度路徑損耗 自由空間傳播模型 三種傳播機(jī)制：反射、繞射和散射 鏈路預(yù)算小尺度衰落和多徑效應(yīng) 多徑信道的沖激響應(yīng)模型 小尺度衰落模型通信與信息工程學(xué)院21. 無線電傳播介紹電磁波傳播的三種機(jī)制：反射、繞射和散射。 大多數(shù)蜂窩系統(tǒng) : 市區(qū)城區(qū) 傳播模型的研究 A、距發(fā)射機(jī)一定距離處信號(hào)的平均場(chǎng)強(qiáng)； B、特定位置附近信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的變化；通信與信息工程學(xué)院大尺度路徑損耗3對(duì)于A，預(yù)測(cè)平均場(chǎng)強(qiáng)并用于估計(jì)無線覆蓋范圍的傳播模型，由于它們描述的是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長(zhǎng)距離（百米-千米）上的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)變化，稱為大尺度傳播模型。對(duì)于B，通常描述短距離（波長(zhǎng)）或短時(shí)間（m

2、s-s）內(nèi)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的快速波動(dòng)。這種模型稱為小尺度衰落模型。大尺度路徑損耗通信與信息工程學(xué)院4大尺度路徑損耗2. 自由空間傳播模型 作用：用于預(yù)測(cè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間完全無 阻擋的視距路徑時(shí)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)； 實(shí)例：衛(wèi)星通信系統(tǒng)、微波視距無線鏈路等。 預(yù)測(cè)公式（Friis 公式）：通信與信息工程學(xué)院5大尺度路徑損耗Pr-接收功率； Pt-發(fā)射功率；Gr-接收天線增益； Gt-發(fā)射天線增益； -波長(zhǎng)（米）；d -接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的距離（米）；L -系統(tǒng)損耗因子（L 1，與傳播無關(guān)），通常歸因于傳輸線損耗、濾波損耗等6大尺度路徑損耗例題1：假設(shè)基站發(fā)送信號(hào)到移動(dòng)臺(tái)的場(chǎng)景。已知基站處天線增益為10d

3、B, 發(fā)射功率為10W, 移動(dòng)臺(tái)接收天線增益為3dB, 傳輸距離為10km, 工作頻率為900MHz。求自由空間傳播下的接收信號(hào)功率。通信與信息工程學(xué)院7大尺度路徑損耗通信與信息工程學(xué)院路徑損耗：表示信號(hào)衰減，定義為有效發(fā)射功率和接收功率的差，單位為dB(正值) -Friis自由空間模型有無適用條件？8大尺度路徑損耗Friis自由空間模型的適用條件： （1）遠(yuǎn)場(chǎng)預(yù)測(cè) Fraunhofer距離： 且 （2） 參考距離 且小于系統(tǒng)中所有接收機(jī)的距離。于是通信與信息工程學(xué)院9大尺度路徑損耗例題2 求解最大尺寸為1m，工作頻率為900MHz的天線的遠(yuǎn)場(chǎng)距離。例題3 如果發(fā)射機(jī)發(fā)射50W的功率，將其換算

4、成dBm和dBW。如果該發(fā)射機(jī)采用單位增益天線，載頻為900MHz，求出在自由空間中距離天線100m處的接收功率，10km處呢？設(shè)接收天線為單位增益。 通信與信息工程學(xué)院10三種基本傳播機(jī)制-反射、繞射和散射 大尺度傳播模型（接收功率） 小尺度衰落模型（時(shí)間色散、相干帶寬等） 反射：大尺寸物體（與波長(zhǎng)相比） 繞射：邊緣尖銳物體，依賴于物體的形狀以及入射波的振幅、相位和極化情況 散射：介質(zhì)中存在大量小粒子大尺度路徑損耗11大尺度路徑損耗反射 當(dāng)無線電波入射到具有不同介電常數(shù)的兩種介質(zhì)交界處時(shí)，一部分被界面反射，一部分則通過界面。 對(duì)理想介質(zhì)，能量無損耗； 理想導(dǎo)體，則全部反射； 反射波和透射波的

5、電場(chǎng)強(qiáng)度取決于入射波在介質(zhì)中的菲涅爾（Fresnel）系數(shù)。12大尺度路徑損耗菲涅爾（Fresnel）系數(shù)依賴于介質(zhì)材料、入射波的極性、入射角、頻率等；13大尺度路徑損耗Brewster角：電磁波透射到介質(zhì)界面上而不發(fā)生反射時(shí)的入射角。14大尺度路徑損耗電場(chǎng)強(qiáng)度和功率之間的關(guān)系： 其中：E的單位：v/m P的單位：W15大尺度路徑損耗雙線地面反射模型自由空間模型的局限性 雙線地面反射模型：直達(dá)徑+地面反射路徑 適用：預(yù)測(cè)km范圍內(nèi)的大尺度信號(hào)強(qiáng)度 城區(qū)視距內(nèi)的微蜂窩環(huán)境16大尺度路徑損耗雙線地面反射模型兩徑模型17大尺度路徑損耗計(jì)算路徑差的方法18大尺度路徑損耗例題4 移動(dòng)臺(tái)距離基站5km，使

6、用垂直的/4單極天線，增益為2.55dB，距離發(fā)射機(jī)1km處的場(chǎng)強(qiáng)為0.001v/m，載頻為900Mhz。（a）求接收機(jī)天線的長(zhǎng)度；（b）使用地面反射模型求解接收功率，假定發(fā)射機(jī)天線距離地面高度50m，接收機(jī)天線距離地面高度1.5m.19大尺度路徑損耗繞射 可傳播到阻擋物的后面 惠更斯原理解釋：波前上的所有點(diǎn)都可以作為產(chǎn)生次級(jí)波的點(diǎn)源。繞射由次級(jí)波的傳播進(jìn)入陰影區(qū)而形成。20大尺度路徑損耗繞射的兩種情況： 情況A：21大尺度路徑損耗情況B：22大尺度路徑損耗等效圖： 假設(shè)：h23大尺度路徑損耗傳播路徑增大量為：相位差：當(dāng) 很小時(shí)，24大尺度路徑損耗繞射時(shí)，路徑損耗是路徑差的函數(shù)，這種損耗可以用

7、菲涅爾區(qū)來解釋。費(fèi)涅爾區(qū)： 費(fèi)涅爾區(qū)半徑25大尺度路徑損耗在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，對(duì)次級(jí)波的阻擋產(chǎn)生了繞射損耗，僅有一部分能量能繞過阻擋體。也就是說，阻擋體使一些菲涅爾區(qū)發(fā)出的次級(jí)波被阻擋。 根據(jù)阻擋體的幾何特征，接收能量為非阻擋菲涅爾區(qū)所貢獻(xiàn)的能量的矢量和。如果第一費(fèi)涅爾區(qū)的2/3沒有被阻擋，那么可以認(rèn)為該鏈路是“Line-of-sight(LOS)”26大尺度路徑損耗例題5: 考慮GSM通信系統(tǒng)，一個(gè)通信鏈路其長(zhǎng)度為2km，在鏈路正中間有一個(gè)高障礙物。若要不對(duì)該通信鏈路造成明顯的影響，這個(gè)障礙物能夠有多大？27大尺度路徑損耗一般情況下，精確預(yù)測(cè)繞射損耗是不可能的，通常在預(yù)測(cè)中采用理論近似加上必要

8、的經(jīng)驗(yàn)修正的方法。 刀刃繞射模型：阻擋體為單個(gè)物體，例如山峰，通過把阻擋體看作繞射刀形邊緣來估計(jì)繞射損耗。 利用經(jīng)驗(yàn)公式或圖解來計(jì)算繞射損耗。28大尺度路徑損耗圖解：29大尺度路徑損耗對(duì)多個(gè)阻擋體的情況，可等效為單個(gè)阻擋體，采用刀刃繞射模型來估計(jì)。30大尺度路徑損耗散射 在實(shí)際的無線環(huán)境中，接收的信號(hào)通常比單獨(dú)繞射和反射模型預(yù)測(cè)的要強(qiáng)一些。 這是因?yàn)楫?dāng)電磁波在傳播中遇到粗糙表面時(shí)，反射能量由于散射而散布于所有方向，像燈柱、樹葉等這樣的物體都會(huì)在所有方向上散射能量，這就給接收機(jī)提供了額外的能量。31大尺度路徑損耗路徑損耗估計(jì)與鏈路預(yù)算設(shè)計(jì) 傳播模型的建立：分析與實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合產(chǎn)生 實(shí)驗(yàn)方法：基于測(cè)

9、量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合 優(yōu)點(diǎn)：考慮了所有已知和未知的因素 局限：特點(diǎn)頻率、特定環(huán)境下得到的 本節(jié)課來學(xué)習(xí)實(shí)際中采用的路徑損耗估計(jì)方法。32大尺度路徑損耗對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型 理論和測(cè)量數(shù)據(jù) 室內(nèi)和室外 接收信號(hào)的平均功率隨距離呈對(duì)數(shù)衰減！ 平均大尺度路徑損耗可表示為 33大尺度路徑損耗或者其中： n-路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離的增長(zhǎng)速率，取決于傳播環(huán)境；d0 -參考距離，由測(cè)試決定；d-T-R的距離；上劃線表示給定d的所有可能路徑損耗的平均34大尺度路徑損耗坐標(biāo)系為對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，這樣路徑損耗就可表示為斜率是10n dB/十倍程的直線。參考距離選擇：天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)參考距離處的路徑損耗：可通過

10、測(cè)試獲得，也可以采用自由空間路徑損耗公式計(jì)算得出不同無線環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)：35大尺度路徑損耗36大尺度路徑損耗對(duì)數(shù)正態(tài)陰影 上一小節(jié)僅討論了接收信號(hào)的平均功率 相同T-R距離d時(shí)，不同位置的周圍環(huán)境差別非常大，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量結(jié)果與平均值有很大差異。 測(cè)試表明，對(duì)任意的d值，特定位置的路徑損耗PL(d)為隨機(jī)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，即37大尺度路徑損耗參考距離d0、路徑損耗指數(shù)n和標(biāo)準(zhǔn)方差 ，系統(tǒng)地描述了具有特定T-R距離的位置的路徑損耗模型。該模型可用于無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)和和分析過程，從而對(duì)任意位置的接收功率進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。 實(shí)際中，n和 是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出來：使測(cè)量值和估計(jì)值的均方誤差最小。38大尺度路徑損耗確定覆蓋率 由于隨機(jī)陰影的影響，覆蓋區(qū)內(nèi)一些位置的接收電平會(huì)低于設(shè)定的門限。計(jì)算覆蓋百分率是非常有用的。 有效服務(wù)區(qū)域百分比39大尺度路徑損耗40大尺度路徑損耗作業(yè)題1：假設(shè)一個(gè)接收機(jī)位于一個(gè)