無線通信基礎(chǔ)

關(guān)于無線通信基礎(chǔ)【1】第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日【2】提問平均信號強度(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?！ヂ?/p>

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？第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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)和遠場區(qū)。陰影效應(yīng)；多徑效應(yīng)；遠近效應(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？提問第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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)射機在一定距離處的平均接收信號強度(或路徑損耗)；

預(yù)測平均信號強度描述的是發(fā)射機與接收機之間長距離上的信號強度變化，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度變化進行分析。

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確描述收發(fā)機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。第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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，其他情況下的傳播模型則通過對基準情況模型進行修正得到。第五頁，共四十七頁，2022年，8月28日【6】

2、按服務(wù)區(qū)域的人口密度、建筑物密度及高度、經(jīng)濟發(fā)展水平及前景等情況進行分類，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)的信號強度可能會非常弱。

這些地域類型的具體描述如表2-2所示。第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日【7】表2-2無線覆蓋區(qū)域類型劃分第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日【9】2.2.2自由空間傳播模型

電波向周圍空間擴散傳播時，距離越遠，單位面積

上所接收的能量就越少，這種電波擴散引起的衰耗稱為

自由空間傳播損耗。

自由空間傳播模型的作用：用于預(yù)測接收機和發(fā)射機之間完全無遮擋時的視線路徑接收信號強度。

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。

第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日【10】

通常可以把滿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d處接收天線的接收功率。

第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日【11】Ptd發(fā)射天線為全向均勻輻射，發(fā)射功率為Pt，則以發(fā)射源為中心，d為半徑的球面上單位面積功率為：

S＝Pt/4d2

發(fā)射天線增益：Gt發(fā)射天線在距離d處的輻射功率密度為Friis公式（1）：定義信號強度隨著距離的平方成反比衰減。（2-2-1）第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日【12】

接收天線有效面積：Ae=Gr2/4

其中：Gr為接收天線增益，為信號波長。自由空間中距發(fā)射機d處天線的接收功率為：其中：Pt為發(fā)射功率；Gt是發(fā)射天線增益

Pr為接收功率；Gr是接收天線增益

d是T-R間距離，單位為m；為波長，單位為m；（2-2-2）第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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）（2-2-3）自由空間的傳播衰減為接收功率衰減與距離的關(guān)系為20dB/十倍程第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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場區(qū)?！径x】遠場區(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>>λ遠場距離df計算公式：（D為天線的最大物理線性尺寸）第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日【15】參考距離T-R以距離d0作為接收功率的參考點。得到距離為d處的接收功率Pr與距離為d0的接收功率Pr(d0)的關(guān)系：d0必須滿足遠場區(qū)條件。Pr(d0)可以用式（2-2-2）預(yù)測得到（2-2-5）第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日【16】以dBm為單位表示時，式（2-2-5）變?yōu)?/p>

式中，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。第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日【17】明確幾個常用單位：單位dB：dBW表示大于或小于1瓦的分貝數(shù)：dBmW（dBm）表示大于或小于1毫瓦的分貝數(shù)：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)=30dBm30dBm-0dBm=30dB第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日【18】例子1

假設(shè)發(fā)射機和接收機為單位增益天線，發(fā)射機的發(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？第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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)2

Pr(10km)=0.0035mW*(10-4)

Pr(10km)=3.5x10-10WPr(10km)[dBm]=10lg(3.5x10-10W/1mW)

=10lg(3.5x10-7)

=-64.5dBm第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日【21】

例題2：發(fā)射機和接收機均為單位增益天線，發(fā)射機的功率為50W，載頻為900MHz。求自由空間中距離天線100m和10Km處的接收功率為多少dBm？第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日【22】

例題2：發(fā)射機和接收機均為單位增益天線，發(fā)射機的功率為50W，載頻為900MHz。求自由空間中距離天線100m和10Km處的接收功率為多少dBm？解：100m處的接收功率為10km處的接收功率為第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日【23】

例2-2

一個發(fā)射機通過天線發(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

第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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

也可直接計算第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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η表示:為自由空間固有阻抗磁導率介電常數(shù)第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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。

（2-2-7）(W/m2)（2-2-8）(W)第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日【28】2、接收機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－接收機的輸入電阻Vin－接收機的輸入電壓顯然，Vin≠Vant圖2-12接收機的等效電路（2-2-9）當接收機與天線匹配連接時，Rin=Rant，接收機功率最大

式（2-2-9）給出了接收機輸入電壓與天線接收功率之間的關(guān)系注意：無負載時，Vin=Vant第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日【29】

例2-3

假設(shè)發(fā)射機在自由空間以50W功率發(fā)射，載頻為900MHz，Gt=1,Gr=2，接收天線阻抗為50Ω的純電阻。假設(shè)無線通信系統(tǒng)處于最佳接收狀態(tài)，并且接收機與接收天線理想匹配。試求：

（1）10km處接收機收到的功率；

（2）接收天線的感應(yīng)電場幅度；

（3）接收機的輸入電壓。第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日【30】

解：已知Pt=50W,fc=900MHz,Gt=1,Gr=2，接收天線的50Ω純實數(shù)阻抗與接收機匹配。

（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第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日【31】(2)用式（2-2-8）計算接收電場幅度:

(3)用式（2-2-9）計算接收機輸入電壓為:（2-2-8）(W)（2-2-9）第三十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日【32】作業(yè)：有一室內(nèi)無線局域網(wǎng)，載波頻率900MHz，小區(qū)半徑10m，使用單位增益天線。在自由空間路徑損耗模型下，若要求小區(qū)內(nèi)所有終端的最小接收功率為10μW，則發(fā)射功率應(yīng)該是多大？若工作頻率換為5GHz，相應(yīng)的所需發(fā)射功率又為多少？

P73-742-7、2-8第三十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日【33】2.2.4電磁波基本傳播機制

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。第三十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日【34】

1.電磁波的反射和透射

反射的條件：當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度取決于反射系數(shù)R和透射系數(shù)Γ；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)。第三十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日【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鏈路也比較準確。該模型以幾何光學為基礎(chǔ)，考慮了直射、反射路徑。并且認為地面發(fā)生全反射，反射前后信號相位相差180°，反射系數(shù)R=-1。第三十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日【36】假設(shè)發(fā)射機和接收機均處于地平線上，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)地面反射后到達接收機的路徑。

這兩條路徑的傳播距離是不相同的，使得同時到達接收機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)境下的雙線模型第三十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日【37】直線傳播距離：反射路徑傳播距離：

雙線模型第三十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日【38】則d1與d2的路徑差Δd為（2-2-16）第三十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日【39】并參考式（2-2-5）中引入?yún)⒖键c距離d0的思想，可以導出經(jīng)直射路徑到達接收機的信號電場強度為

式中，k=2π/λ，為自由空間波數(shù)；E0為距發(fā)射機參考距離d0處的電場強度。（2-1-1）遠場區(qū)輻射電場表達式第三十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日【40】則經(jīng)反射路徑到達接收機的信號電場強度可以表示為

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。第四十頁，共四十七頁，2022年，8月28日【41】將d2=d1