移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播

移動(dòng)通信第2章移動(dòng)通信基礎(chǔ)移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!移動(dòng)通信講授內(nèi)容第1章移動(dòng)通信發(fā)展概述第2章移動(dòng)通信基礎(chǔ)： 信道傳播、多址接入、組網(wǎng)第3章移動(dòng)通信系統(tǒng)GSMCDMAWCDMACDMA2000TD-SCDMA第4章第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!第2章無線通信基礎(chǔ)無線信道傳播抗摔落技術(shù)多址接入技術(shù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!42.1.1電磁波的基本知識(shí)2.1.2無線電波的傳播方式2.1.3電磁波的極化2.1無線信道傳播移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!5無線通信利用電磁波傳播進(jìn)行信息傳輸與信息交換。掌握電磁波傳播特性是無線通信系統(tǒng)研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)。電磁波有多種傳播方式：地球表面波傳播、空間波傳播、對(duì)流層反射和電離層反射等。不同傳播方式具有不同的傳播特性。城市傳播環(huán)境復(fù)雜，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間基本上無視線（LOS）路徑，多徑傳播普遍存在，高層建筑物引起的繞射損耗也非常大。2.1.0無線信道傳播概述移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!6多徑傳播會(huì)使接收信號(hào)產(chǎn)生多徑衰落(小尺度衰落)，接收信號(hào)電平急劇起伏，嚴(yán)重影響通信效果。多徑傳播會(huì)產(chǎn)生時(shí)間色散現(xiàn)象，造成碼間干擾。多徑傳播是影響無線通信系統(tǒng)性能和通信效果的主要因素。減小多徑傳播影響的技術(shù)措施：分集接收（時(shí)間分集、空間分集、頻率分集）、匹配濾波等。2.1.0無線信道傳播概述移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!7掌握電磁波傳播特性是理解無線通信協(xié)議設(shè)計(jì)背后原因的基礎(chǔ)。無線信道傳播特性也是無線通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和研究頻譜有效利用、系統(tǒng)電磁兼容性等課題所必須了解和掌握的內(nèi)容之一。3G長期演進(jìn)技術(shù)的核心MIMO則是直接利用了多徑傳播特性。電磁波的傳播機(jī)制，總體上主要是反射、透射、散射和繞射（衍射）等。對(duì)這些傳播機(jī)制的研究是掌握電磁波傳播特性的基礎(chǔ)。4.1無線信道傳播概述移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!8圖

4.1小尺度衰落同大尺度路徑損耗比較移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!9受各種地形、地物阻擋會(huì)發(fā)生反射、散射、繞射等，使Rx收到的無線信號(hào)來自不同傳播方向，經(jīng)過不同的傳播路徑，這種現(xiàn)象稱為多徑傳播。經(jīng)由不同傳播路徑到達(dá)接收天線的電磁波，會(huì)因傳播距離不同而存在相位差。多徑電磁波在接收天線上合成的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)比較大的起伏，往往達(dá)到幾十個(gè)dB，這就是多徑衰落(小尺度衰落)產(chǎn)生的原因。多徑傳播移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!102.1.1電磁波的基本知識(shí)任何輻射結(jié)構(gòu)都能產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)。變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播就形成了電磁波。電基本振子是一段長為l的線型輻射體，可以將這樣的線型輻射體看作是構(gòu)成線天線的基本構(gòu)成部分，即構(gòu)成線天線的電流元。輻射體長度l?λ，由于非常小，上面載有的傳導(dǎo)電流I可以看成振幅均勻分布且相位處處相同。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!11電基本振子輻射電基本振子的電磁場(chǎng)分為三個(gè)不同區(qū)域：感應(yīng)場(chǎng)占主導(dǎo)的近場(chǎng)區(qū)。這一區(qū)域電磁場(chǎng)的分布與靜電場(chǎng)相似，場(chǎng)強(qiáng)隨距離的3次方成正比地快速衰減。并且感應(yīng)場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相位相差90度，坡印廷矢量為虛數(shù)，沒有能量向外輻射。輻射場(chǎng)為主的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。這一區(qū)域電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的增加成反比地衰減，表現(xiàn)出向外輻射的特性，電場(chǎng)與磁場(chǎng)矢量在空間上成垂直關(guān)系，相位相同，坡印廷矢量指向電磁波傳播方向。近區(qū)場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)之間的過渡區(qū)，稱為中間區(qū)。中間區(qū)的感應(yīng)場(chǎng)和輻射場(chǎng)相差不大。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!12電磁波電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H及傳播方向關(guān)系移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!13電磁波譜移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!141.地球表面波傳播地球表面波也叫地面波是沿地球表面附近傳播的無線電波，屬于繞射傳播。地球表面波傳播的頻率一般限制在2MHz以下。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!152.空間波傳播電磁波在靠近地面的低空大氣層中的傳播，是無線通信中電磁波的主要傳播方式。頻率在30MHz以上的調(diào)頻廣播、電視信號(hào)發(fā)射、以及陸地移動(dòng)通信波段的電磁波傳播都屬于空間波傳播方式。一般將電磁波在低空大氣層中的傳播當(dāng)作視距(horizon)傳播。在分析傳播距離時(shí)，需要考慮地球低空大氣層的特點(diǎn)。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!16地球大氣不均勻，介電常數(shù)隨高度增加逐漸減小，大氣折射率也隨高度增加而減小并趨于1。將大氣層分成許多平行于地球面的薄層，可認(rèn)為薄層折射率n均勻，各薄層折射率隨高度增加逐漸減小。電磁波從低層射向高層時(shí)，即從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，穿過每一薄層的波都會(huì)向著離開法線的方向偏折，每穿過一個(gè)薄層就偏折一次。傳播路徑是一條不斷向地面偏折的曲線，實(shí)際傳播距離大于視距傳播的直線距離。2.空間波傳播

移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!17θ4θ3θ2θ1n1n2n3n4圖2-8大氣層對(duì)電磁波的折射移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!183.天波傳播天波是天線發(fā)射后射向太空的電磁波，天波依靠電離層反射實(shí)現(xiàn)地球通信。大氣中有一層電離層，電磁波遇到電離層會(huì)發(fā)生反射。電離層反射是電磁波在電離層中連續(xù)折射的結(jié)果。地面上空50km到幾百km的范圍內(nèi)，氣體分子受太陽光照射發(fā)生電離，形成厚度為幾百km的電離層。電離層中電子密度呈現(xiàn)不均勻分布，先是隨高度增加密度增大，在300km高空附近達(dá)到最大值，而后隨高度增加密度減小。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!19電磁波在電離層中傳播時(shí)，先是從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，電磁波的傳播方向?qū)⒁蜻B續(xù)的折射而不斷地向著地面的方向偏折。當(dāng)傳播到某個(gè)高度時(shí)，就會(huì)有一部分電磁波由原來的向太空方向轉(zhuǎn)為向地面方向傳播。轉(zhuǎn)向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄗ兂捎晒馐杳劫|(zhì)射向光密媒質(zhì)，傳播方向?qū)⑦B續(xù)地向著靠近法線的方向偏折，而這時(shí)靠近法線的方向即是靠近地面的方向。這部分電磁波重回地面。3.天波傳播

移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!天波傳播用于長距離通信

移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!212.1.3電磁波的極化電磁波的極化：

順著電磁波傳播方向看去，電場(chǎng)矢量末端在空間變化的規(guī)律，也就是電場(chǎng)矢量末端隨時(shí)間變化時(shí)在空間描繪出的軌跡，稱為電磁波的極化。電場(chǎng)矢量末端軌跡為直線時(shí)稱為線極化，末端軌跡為圓時(shí)為圓極化，末端軌跡為橢圓時(shí)為橢圓極化。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!22沿z軸方向傳播的均勻平面電磁波，其電場(chǎng)矢量在x軸和y軸方向的分量為2.1.3電磁波的極化總的電場(chǎng)矢量為兩個(gè)分量之和移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!232.1.3電磁波的極化旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)方向xyxy(a)左旋圓極化(b)右旋圓極化（圖中z軸的方向是指向讀者的）移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!24兩個(gè)線極化波可以合成任意其它的極化方式。反之，任意極化的電磁波也可以分解為兩個(gè)線極化的電磁波。一個(gè)線極化波也可以分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓極化波。2.1.3電磁波的極化移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!252.1.0無線信道傳播概述有線信道特性是穩(wěn)定的、可預(yù)測(cè)的。但鋪設(shè)固定，不靈活。無線信道特性是隨機(jī)的、時(shí)變的、不可預(yù)測(cè)的。但取消連線，鋪設(shè)靈活，適應(yīng)各種地理環(huán)境。近三十多年來，無線通信獲得快速發(fā)展。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!26城市傳播環(huán)境示意圖移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!27

時(shí)間色散移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!28無線通信傳播環(huán)境下，主要關(guān)心電磁波兩個(gè)方面的傳播特性:大尺度路徑損耗：決定無線信號(hào)的最大傳播距離，是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本參數(shù)。多徑傳播：造成的小尺度衰落現(xiàn)象直接影響實(shí)時(shí)通信效果。

2.1.0無線信道傳播概述移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!29決定Rx與Tx相距一定距離時(shí)的平均接收信號(hào)電平。大型地物障礙時(shí)形成陰影，產(chǎn)生陰影衰落。在陰影區(qū)域，雖然Rx與Tx之間距離沒有變化，但平均接收信號(hào)電平會(huì)發(fā)生變化。氣象因素也影響信號(hào)傳播的衰減特性。因陰影效應(yīng)或氣象因素產(chǎn)生的電平起伏一般隨距離的變化比較緩慢，稱為慢衰落或大尺度衰落。大尺度路徑損耗移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!30多徑衰落現(xiàn)象對(duì)通信效果的影響非常大，當(dāng)Rx天線處在深衰落位置點(diǎn)上時(shí)，甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛?。固定無線通信系統(tǒng)布局需要避免深衰落點(diǎn)。多徑傳播移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!31圖2-3分析點(diǎn)基本振子輻射的坐標(biāo)系統(tǒng)θrylOzφEθ=Hr=Hθ=0移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!32電基本振子輻射研究電磁波傳播問題，只需要考慮天線輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!33電磁波在自由空間的傳播速度等于光速c。在傳播方向上，距離最近的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）強(qiáng)度相同的兩點(diǎn)之間的距離，就是該電磁波的波長λ。電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）強(qiáng)度方向每秒鐘變化的次數(shù)就是該電磁波的頻率f。c

、λ、f三者之間的關(guān)系滿足電基本振子輻射移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!342.1.2無線電波的傳播方式依據(jù)不同的頻率，無線電波在空間的傳播有三種基本方式：地球表面波傳播天波傳播空間波傳播。移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!35地球表面波傳播是超視距傳播。優(yōu)點(diǎn)：1）可用來在地球上兩點(diǎn)之間建立長距離通信；2）傳播比較穩(wěn)定，基本不受大氣條件影響。缺點(diǎn)：1）地球表面波傳播只適合較低頻率的電磁波。地球是良導(dǎo)體，會(huì)因地球表面波的傳播引起感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電阻損耗和介質(zhì)損耗，電磁波不斷衰減，頻率越高衰減越嚴(yán)重。2）發(fā)射設(shè)備體積大，造價(jià)高，天線架設(shè)困難。3）只能是窄帶系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)寬帶通信。1.地球表面波傳播移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!36發(fā)射天線直射（LOS）路徑接收天線hthr

d圖2-7空間波的視距傳播Re移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!折射定理：

入射角與折射角的正弦之比，等于兩種媒質(zhì)的折射率之反比。θ1：入射角θ2：折射角

n1：媒質(zhì)1的折射率

n2：媒質(zhì)2的折射率。n2n1移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!38保持傳播圓弧線上每一點(diǎn)至地面的距離不變，把射線拉直，得到一個(gè)半徑為Re的等效地球面。Re=8450km。用等效半徑代替地球的實(shí)際半徑，視距傳播距離計(jì)算公式為2.空間波傳播

移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!39相對(duì)介電常數(shù)與媒質(zhì)中自由電子密度Ne的關(guān)系為εr=1-80.8Ne/f2。媒質(zhì)折射率為

上式中，Ne>0，因此n<1。折射率先是隨著高度的增加而減小，然后又隨高度的增加而增大。3.天波傳播移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!3.天波傳播

移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!41波長短于10m的微波能穿過電離層，波長超過3000km的長波，幾乎會(huì)被電離層全部吸收。短波最適宜以天波的形式傳播，它可以被電離層反射到幾千km以外，從而可用于長距離通信。電離層的物理特性不穩(wěn)定，白天受陽光照射時(shí)電離程度高，夜晚電離程度低，因此夜間對(duì)中波和中短波的吸收減弱，這時(shí)中波和中短波也能以天波的形式傳播。收音機(jī)夜晚能收聽到許多遠(yuǎn)地的中波或中短波電臺(tái)。3.天波傳播

移動(dòng)通信基礎(chǔ)信道傳播共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!電磁波極化特性具有重要的應(yīng)用：

無線電系統(tǒng)發(fā)射天線與接收天線的極化狀態(tài)相匹配時(shí)具有最佳的接收效果，

這就是為什么也可以通過控制天線的極化狀態(tài)來控制接收效果的原因。線極化、圓極化和橢圓極