移動(dòng)信道的傳播特性課件

3G移動(dòng)通信概論朱廣強(qiáng)zgq@3G移動(dòng)通信概論朱廣強(qiáng)zgq@1第2章移動(dòng)通信信道講述內(nèi)容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第一次課第二次課第三次課第2章移動(dòng)通信信道講述內(nèi)容第一次課第二次課第三次課2第2章移動(dòng)通信信道要求與重點(diǎn)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。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。理解描述多徑信道的參數(shù)，了解小范圍衰落模型。掌握電波傳播損耗的預(yù)測。了解移動(dòng)通信信道的建模與仿真第2章移動(dòng)通信信道要求與重點(diǎn)3第2章移動(dòng)通信信道通過本章學(xué)習(xí)，著重解決以下問題：大尺度傳播特性大尺度傳播模型:描述的是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間(T-R)長距離(幾千米、數(shù)百波長量級)上的場強(qiáng)變化。小尺度傳播特性小尺度傳播模型:描述短距離(數(shù)十波長以下量級)內(nèi)的接收場強(qiáng)的傳播模型。統(tǒng)計(jì)特性主要參數(shù)建模與仿真1)對移動(dòng)信道有一個(gè)全面深入的理解2)更好地理解經(jīng)歷信道后的信號變化機(jī)理第2章移動(dòng)通信信道通過本章學(xué)習(xí)，著重解決以下問題：1)對移4本次課解決的問題自由空間傳播損耗模型？電波傳播的幾種方式？自由空間傳播模型和兩徑傳播模型的傳播損耗如何計(jì)算？掌握移動(dòng)通信中電波傳播的主要方式掌握自由空間電波傳播損耗規(guī)律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)：典型傳播方式及傳播損耗規(guī)律難點(diǎn)：兩徑傳播模型的合成場強(qiáng)計(jì)算本次課解決的問題自由空間傳播損耗模型？重點(diǎn)：典型傳播方式及傳5概述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)通信信道典型的無線變參信道。6概述信道分類6移動(dòng)信道的傳播特性課件7概述目前典型移動(dòng)通信使用頻段： 1、150MHz（VHF） 2、450MHz（UHF） 3、900MHz（UHF） 4、1800MHz（UHF） 第三代移動(dòng)通信——IMT-2000也將使用1.8-2.2GHz頻段（UHF）。那么，VHF、UHF頻段電波傳播有些什么特性呢？8概述目前典型移動(dòng)通信使用頻段：82.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1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2.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1電波傳播方式9電磁波的基本特特征10電磁波的基本特特征102.1.1電波傳播方式VHF與UHF頻段，典型傳播方式1、直射2、反射3、散射4、繞射112.1.1電波傳播方式VHF與UHF頻段，典型傳播方式112.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1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122.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1電波傳播方式122.1.2直射波采用模型自由空間傳播模型自由空間模型的定義天線周圍是均勻無損耗的無限大空間大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)電導(dǎo)率為0，相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率為1自由空間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C2.1.2直射波采用模型13自由空間損耗自由空間損耗的本質(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，而接收天線的有效截面積是一定的，故而接收天線所捕獲的信號功率是減小了，這是自由空間損耗的本質(zhì)。dPTPR14自由空間損耗自由空間損耗的本質(zhì)dPTPR14模型適用范圍及接收功率計(jì)算公式模型適用范圍接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無阻隔的視距路徑LOS。僅當(dāng)視距大于發(fā)射天線遠(yuǎn)場距離時(shí)適用。距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率數(shù)學(xué)表達(dá)式（Friis公式）其中，Pt為發(fā)射功率，亦稱有效發(fā)射功率；Pr(d)是接收功率，為T-R距離的冪函數(shù)；Gt是發(fā)射天線增益；Gr是接收天線增益；d是T-R間距離；L是與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子；λ為波長。模型適用范圍及接收功率計(jì)算公式模型適用范圍其中，Pt15模型適用范圍及接收功率計(jì)算公式自由空間傳播模型

距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率物理意義

—與d2成反比→距離越遠(yuǎn)，衰減越大。

—與l2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，L＝1則表明系統(tǒng)硬件中無損耗。16模型適用范圍及接收功率計(jì)算公式自由空間傳播模型16模型適用范圍及接收功率計(jì)算公式傳播媒體的近似自由空間的接收功率：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(3×108

m/s)d=發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離(m)dPTPR17模型適用范圍及接收功率計(jì)算公式傳播媒體的近似自由空間的接收功自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗可以定義為：(不考慮天線增益)以dB計(jì)，得到：或可見，自由空間電波傳播損耗只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)。18自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗可以定義為：(不考慮天線增益2.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1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192.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1電波傳播方式192.1.3大氣中的電波傳播實(shí)際移動(dòng)信道在低層大氣中。低層大氣并不是均勻介質(zhì)，對電波傳播對影響：有利：可使極限視線傳播的距離增大。不利：吸收等202.1.3大氣中的電波傳播實(shí)際移動(dòng)信道在低層大氣中。202.1.3大氣中的電波傳播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。2.1.3大氣中的電波傳播大氣折射對電波傳播的影響，在工程21大氣折射假設(shè)A點(diǎn)架設(shè)一部發(fā)信機(jī)，天線的架高是H1，AB是和地球相切的一條射線。若要接收到來波，天線的架高必須超出這條切線，如果天線的高度不夠高，為了接收到來波，天線應(yīng)該向哪個(gè)方向移動(dòng)?CABH1OC1H2C222大氣折射假設(shè)A點(diǎn)架設(shè)一部發(fā)信機(jī)，天線的架高是H1，AB是和地視線傳播極限距離視線傳播極限距離232.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1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242.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1電波傳播方式242.1.4障礙物的影響與繞射損耗原理波理論。繞射可以用惠更斯原理解釋。惠更斯原理：波前的所有點(diǎn)可作為產(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。繞射由次級波的傳播進(jìn)入陰影區(qū)而形成。2.1.4障礙物的影響與繞射損耗原理25菲涅爾區(qū)如下圖所示，菲涅爾區(qū)區(qū)是一個(gè)橢球體，其中收發(fā)天線位于該橢球的兩個(gè)焦點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)上。實(shí)際傳播環(huán)境中，如果該橢球體內(nèi)存在阻擋物，直射波和反射波（或繞射波）的路徑差小于半個(gè)波長，相位差的影響小于／2，這樣的話就會(huì)大大影響無線電波的傳播效果。這個(gè)橢球體的半徑就是第一菲涅爾半徑。

第一菲涅爾區(qū)是主傳播區(qū)，它的半徑R為dt為反射點(diǎn)到發(fā)射端的距離；dr為反射點(diǎn)到接收端的距離；d為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)間的水平距離26菲涅爾區(qū)如下圖所示，菲涅爾區(qū)區(qū)是一個(gè)橢球體，其中收發(fā)天線位于菲涅爾區(qū)在典型的城市無線環(huán)境巾，基站覆蓋半徑為1.5km，假若地面反射點(diǎn)離發(fā)射天線為150m，離接收天線約為1380m．那么對于采用2000MHz頻率的無線制式(波長為0.15m)來說，該點(diǎn)處的第一菲涅爾區(qū)半徑是多少？第一菲涅爾區(qū)是主傳播區(qū)，它的半徑R為27菲涅爾區(qū)在典型的城市無線環(huán)境巾，基站覆蓋半徑為1.5km，假繞射損耗繞射損耗：在實(shí)際情況下，電波的直射路徑上存在各種障礙物，由障礙物引起的附加傳播損耗。x表示障礙物頂點(diǎn)至直射線的距離，稱為菲涅爾余隙。規(guī)定阻擋時(shí)余隙為負(fù)，無阻擋時(shí)余隙為正。。28繞射損耗繞射損耗：在實(shí)際情況下，電波的直射路徑上存在各種障礙繞射損耗工程上采用圖表形式。如圖2-4。x/x1＞0.5時(shí)附加損耗為0dB。X<0時(shí)，損耗急劇增加。X=0時(shí)，TR射線從障礙物頂點(diǎn)擦過在選擇天線高度時(shí)，根據(jù)地形盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾區(qū)余隙x/x1＞0.5例題：2-1P19繞射損耗工程上采用圖表形式。如圖2-4。例題：2-1P19292.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1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2.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1電波傳播方式302.1.5反射反射波：當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時(shí)，如果尺寸比電波波長大得多時(shí)會(huì)產(chǎn)生鏡面反射。312.1.5反射反射波：當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界2.1.5反射反射波與直射波二徑合成2.1.5反射反射波與直射波二徑合成32場強(qiáng)計(jì)算步驟反射波與直射波的路徑差為：

通常，上式中每個(gè)根號都可以用二項(xiàng)式定理展開，并且只取展開式中的前兩項(xiàng)。

33場強(qiáng)計(jì)算步驟反射波與直射波的路徑差為：33場強(qiáng)計(jì)算步驟b.由路徑差引起的附加相移c.接收場強(qiáng)在T-R距離很大的情況下，dLOS與dg相差很小，兩者近似等于d，此時(shí)有

：

場強(qiáng)計(jì)算步驟b.由路徑差引起的附加相移342.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1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352.1陸地?zé)o線電波傳播特性2.1.1電波傳播方式352.1.6散射產(chǎn)生粗糙的表面會(huì)向所有方向散射電磁波。影響散射造成實(shí)際中接收信號強(qiáng)度比單獨(dú)考慮繞射和反射模型時(shí)預(yù)測的要強(qiáng)。散射與反射：依賴于表面的光滑程度和物體大小與波長的比較。遠(yuǎn)大于波長的平滑表面—>反射模型。小于波長的粗糙表面—>散射模型。362.1.6散射產(chǎn)生36小結(jié)無線電波傳播機(jī)制直射、折射、反射、繞射和散射。自由空間（無阻擋物）：直射，視距傳播LOS(line-of-sight))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)交界處，會(huì)有一部分發(fā)生反射。繞射：惠更斯原理。能夠傳播到阻擋物后面。散射：粗糙的表面會(huì)向所有方向散射電磁波。平滑表面—>反射模型。粗糙表面—>散射模型。傳播損耗自由空間模型：雙徑模型：37小結(jié)無線電波傳播機(jī)制37小結(jié)大多數(shù)情況都是空間傳播損耗、反射、繞射、散射等多種因素的綜合。預(yù)測接收點(diǎn)的信號場強(qiáng)是研究傳播模型的主要目的，通過以上的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可以對預(yù)測接收點(diǎn)的信號場強(qiáng)有定性和一些定量的分析。要想較為準(zhǔn)確地預(yù)測出接收點(diǎn)的信號場強(qiáng)大小，則還需要全面地考慮各種傳播方式的傳播損耗。38小結(jié)大多數(shù)情況都是空間傳播損耗、反