无线通信基础教学课件2Word下载.docx

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直射波

障碍物

绕射波

入射波

反射波

电波的直射、反射和绕射

发射天线

接收天线

一般情况下，相对于直射波，

反射波、绕射波、散射波都比较弱。

（射线跟踪法）

二、接收信号中的四种效应

（1）

阴影效应：

由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电

波传播的接收区域中产生传播半盲区。

远近效应：

由于用户的随机移动性，发射机与接收机

之间的距离也是在随机转变。

若发射机

发射信号功率一样，那么抵达接收机时信

号的强弱将不同，离接收机近者信号强，

离接收机远者信号弱。

二、接收信号中的四种效应

（2）

多普勒效应：

由于用户处于高速移动（如车载通信）

中，传播频率的扩散而引发的，其频

率扩散程度（多普勒频移）与用户运

动速度成正比。

二、接收信号中的四种效应（3）

多普勒频移

X

Y

d

V

S

多普勒频率有正负吗？

温习：

无线通信信号的四种大体传播方式？

什么是阴影效应？

何谓半盲区？

什么是多普勒效应？

多普勒频移与用户运动速度之间的关系？

二、接收信号中的四种效应（4）

多径效应：

由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号是多条从不同路径过来的信号的合成。

它们抵达时的信号强度、信号相位、信号频率、信号方向都是不一样的。

所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和。

称这种自干扰现象为多径干扰或多径效应。

3、衰落（Fading）

接收信号电平随距离或时间波动，这种现象称为衰落

Distancein

wavelength

Signal

Power

T-Rdistance

TX

RX

大尺度路径损耗

大尺度路径损耗＋阴影损耗

大尺度路径损耗＋阴影损耗＋小尺度衰落

有损耗吗？

3、衰落（Fading）——小尺度衰落

例如GSM：

fc=900MHz,τ≈，Δd=

两个矢量求和，则有接收信号：

其中：

固定无线通信与移动无线通信相较，是不是存在小尺度衰落？

微波暗室

教室

3、衰落（Fading）——小尺度衰落实验

衰落深度可达20－40dB。

电平幅度散布一般遵循：

瑞利（Rayleigh）散布、莱斯（Rice）散布、纳卡伽米（Nakagami）散布等。

转变速度快。

具有选择性。

即在不同频率、不同时间、不同空间，其衰落特性是不一样的。

是无线移动通信中最难克服的衰落。

3、衰落（Fading）：

小结

三类不同层次的损耗

大尺度路径损耗（Large-ScalePathLoss）

阴影损耗（中尺度损耗）（Shadowing）

小尺度衰落（Small-ScaleFading）

电磁波在空间传播所产生的损耗

千米量级

由传播阻挡的阴影效应所产生的损耗

数百波长量级

反映小范围接收电平平均值的起伏转变趋势

数十波长以下量级

4、多径时延（时间色散）

同一发射信号通过不同路径抵达接收端，它抵达的时间前后和强度会有不同。

抵达信号之间不同的时间差，称为存在多径时延。

多径时延对数字移动通信

有极为重要的影响。

基站（BS）

移动台（MS）

路径1

路径2

路径3

多径时延大于脉冲宽度

多径时延小于脉冲宽度

五、多普勒频移（频率色散）

当发射机与接收机之间有相对运动时，收到的电波将发生频率的转变，此转变称为多普勒频移。

什么是大尺度路径损耗？

什么是阴影损耗？

什么是小尺度衰落？

什么是多径时延？

无线信道是一个完全开放式信道，其传播损耗从宏观的大范围看，主要决定于传播的环境。

传播损耗不仅决定于传播距离，而且还与传播中的地形、地貌、传播的载波频率，和发、收天线高度等密切相关。

从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难。

一般在工程上多采用一些模型与经验公式，它对于工程技术人员而言已大体上能知足工程上的估算要求。

大尺度路径损耗（Large-scalepathloss）

与阴影衰落（Shadowing）

自由空间传播模型（教材）

滑腻平面上的电波传播（教材）

带有阴影的对数距离路径损耗

（教材，）

室外/室内传播模型（教材）

什么是理想无线信道？

无阻挡、无吸收、无时变、无干扰，自由空间传播。

自由空间传播模型

自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径时接收信号的功率

无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能

量会因为扩散而减少。

这种减少，称为自由空间

的传播损耗。

Pt

发射功率为Pt，发射天线为各向均匀辐射，则以发射源为中心，d为半径的球面上单位面积功率为：

S＝Pt/4?

?

d2

发射天线增益：

Gt

接收天线有效面积：

A=Gr?

2/4?

，其中Gr为接收天线增益，?

为信号波长。

则有：

接收天线输出的功率Pr为上述三者的乘积。

一、Friis公式

（1）：

概念

自由空间中距发射机d处天线的接收功率为：

Pt为发射功率；

Gt是发射天线增益

Pr为接收功率；

Gr是接收天线增益

d是T-R间距离，单位为m；

为波长，单位为m；

通常直接概念是自由空间路径损耗：

注意：

距离每增加一倍或发射频率每增加一倍，

自由空间损耗就增加6dB

路径损耗dB表示：

接收功率衰减与距离的关系为20dB/十倍程

一、Friis公式

（2）：

适用范围

Friis自由空间传播模型仅适用于天线远场区。

【概念】天线远场区（Fraunhofer区）为超过远场

距离df的地域，即：

d≥df

远场距离df概念为：

（D为天线的最大物理线性尺寸）

参考距离

T-R距离d0作为接收功率的参考点。

取得距离为d处的接收功率Pr与距离为d0的接收功率Pr（d0）的关系：

明确几个常常利用单位：

损耗单位dB：

dBW表示大于或小于1瓦的分贝数：

dBmW（dBm）表示大于或小于1毫瓦的分贝数：

例题1：

发射机和接收机均为单位增益天线，发射机的功率为50W，载频为900MHz。

1）发射功率换算成dBW和dBm；

2）求自由空间中距离天线100m和10Km处的接收功率为多少dBm？

解：

例题2：

有一室内无线局域网，载波频率900MHz，小区半径10m，利用单位增益天线。

在自由空间路径损耗模型下，若要求小区内所有终端的最小接收功率为10?

W，则发射功率应该是多大？

若工作频率换为5GHz，相应的所需发射功率又为多少？

大气效应

（1）：

吸收衰减

主要发生在高频段

水蒸汽的最大吸收峰在23GHz；

氧气的最大吸收峰在60GHz（5mm）；

对于12GHz以下的频率，大气吸收衰减小于：

km。

大气效应

（2）：

雨雾衰减

在10GHz以下频段，雨雾衰减并非严重，一般只有几dB。

在10GHz以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几dB/km。

下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。

大气效应（3）：

大气折射

当一束电波通过折射率随高度转变的大气层时，会产生弯曲。

这种影响通常等效为地球半径发生了转变。

对于超短波波段，折射现象尤其突出它会影响到视距的极限传播距离。

低折射率区

高折射率区

入射方向

折射方向

两个天线之间直线传播最大距离是：

其中ht，hr（m）是两个天线的高度

视距（LOS）的极限传播距离

Re：

等效地球半径

取标准大气压下的经验值

作业：

滑腻平面上的电波传播

反射的条件：

当电波传播中碰到两种不同介质的滑腻可反射平面（如地球的表面或水面）时，若是界面的尺寸远大于电波的波长时，产生反射。

反射的表现：

反射角＝入射角

地面反射模型

（双线模型、两径模型）

接收功率必然增强吗？

直线传播距离：

反射路径传播距离：

双线模型

即有：

考虑到相位差，且反射无损耗，接收信号功率为：

上式显示随着发射机与接收机之间距离的增大，路径损耗会交替出现最小点和最大点;

相应的路径损耗为：

一般的，路径损耗随着距离的增大而增大;

在自由空间传播模型中，若频率增加一倍，路径增加为十倍，路径损耗增加多少dB？

发射天线高9米，接收天线高4米，LOS极限传播距离为多少千米？

发射天线高30米，接收天线高2米，一般情况下，能够应用双线模型的最小距离为多少？

当时，有：

即有d处的接收功率为：

双线模型几个重要结论

路径损耗呈现4次幂衰减，这表明其接收功率衰减比自由空间（2次幂衰减）要快的多。

显示了发射天线和接收天线的高度对路径损耗的明显影响。

路径损耗与频率无关。

第一费涅尔区距离：

工程上一般以为：

小于第一费涅尔区距离，路径损耗2次幂衰减；

大于第一费涅尔区距离，路径损耗4次幂衰减。

地面反射模型是应用射线跟踪法的一个简单且超级有效的模型。

该模型在预测几千米范围（利用较高天线塔）内的大尺度信号强度时是超级准确的。

对于小区视距内的微蜂窝环境的预测也是超级准确的。

对于由直射波和强地面反射波为主导的无线信道的预测是很有效的。

例题3：

应用双线模型分析一个郊区的蜂窝系统。

一、已知室外参数，ht=10m,hr=3m,载波频率fc=2GHz。

求第一费涅尔区距离dc？

此处的功率损耗？

单位增益天线

二、已知室内参数，ht=3m,hr=2m,载波频率fc=2GHz。

单位增益天线

与自由空间损耗相较，如何？

3km处双线模型与自由空间传播模型相较，如何？

B一、（a）在路径损耗分析中，分析双线模型的长处和缺点。

（b）在下列情况下，双线模型是不是可以应用，解释原因。

1）ht=35m,hr=3m,d=250m

2）ht=30m,hr=,d=450m

B二、比较双线地面反射模型中精准公式（）与近似公式的

路径损耗不同。

假定发射机高度为40m，接收机高度为3m，

频率为1800MHz，依据这两个公式别离求距离为1km,3km,

5km时的路径损耗，并计算第一费涅尔区距离。

现场实验研究的经验证明，虽然发射机周围的平均功率服从2次幂衰减的规律，但远距离处的平均功率却随着距离的增大呈指数衰减。

实际应用环境超级复杂。

实际应用的模型大多都是通过理论分析和实际测量相结合来取得。

理论分析——针对应用环境，找出主要的影响因素，成立模型，通过仿真或计算得出传播模型。

实际测量——按照大量实验所得测量数据，绘出传播损耗的曲线或拟合成解析式，再抽象出传播模型。

对于实际路径损耗估量，咱们可以利用统计方式来研究传播特性，此时传播特性是以一般环境类型（如城市、郊区和农村）为基础的经验近似。

实际路径损耗估量分为两部份：

代表均值转变的：

对数距离路径损耗

代表局部转变的：

对数正态阴影

一、对数距离路径损耗

（1）

基于理论和测试的传播模型指出，无论室外仍是室内信道，平均接收信号功率随距离的转变而呈对数衰减。

对于任意的TR距离，对数距离路径损耗表示为：

或：

其中，κ为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增加的速度；

d0为近区参考距离；

d为TR距离。

功率衰减与距离的关系为10kdB/十倍程

κ代表不同环境下路径损耗指数

~

建筑物内视距传播

4~6

建筑物阻挡

3~5

市区蜂窝阴影

2~3

工厂阻挡

市区蜂窝

2

自由空间

路径损耗指数κ

环境

一、对数距离路径损耗

（2）

选择自由空间的参考距离超级重要。

一、对数距离路径损耗（3）

在室外宏小区中，d0的典型值为1km。

参考距离永远在天线的远场区。

参考路径损耗取决于载波频率、天线高度和增益，和其他一些因素。

在室内微微小区中，d0的典型值为1m。

在室外微小区中，d0的典型值为100m。

二、对数正态阴影

（1）

对数正态散布是描述阴影效应的一种普遍采用的模型。

为零均值的高斯（正态）散布随机变量（单位为dB），其标准误差为（单位为dB），有概率密度函数（pdf）为：

实际损耗可描述为对数距离路径损耗与对数正态阴影的组合，即：

为零均值的高斯（正态）散布随机变量，单位为dB。

二、对数正态阴影

（2）

对数正态阴影描述了在传播路径上具有相同的TR距离时，不同的随机阴影效果。

这种现象称为对数正态阴影。

二、对数正态阴影（3）

TR距离为d处的接收功率可用下式表示：

由于ε（dB）为正态散布的随机变量，对于接收功率常常利用Q函数表示其超过特定值的概率。

二、对数正态阴影（4）

pdf

接收功率超过某一特定值ξ的概率：

二、对数正态阴影（5）

实际上，κ和是按照测试数据，一般利用线性递归方式，使路径损耗的测试值和估量值的均方误差达到最小而计算得出的。

三、无线小区覆盖

由于随机阴影的影响，覆盖区内一些位置的接收电平低于设定的门限。

计算边界内覆盖区的百分率与边界处覆盖之间的关系是超级成心义的。

咱们的目的：

计算有效服务区域的百分比

（即接收信号等于或高于门限要求的区域百分比）。

一、业务质量的要求；

二、传播环境；

问题：

考虑对数距离路径损耗模型，要求在小区边缘处的路径损耗不能大于参考距离d0处路径损耗γdB，肯定下述两种情况下的小区覆盖。

一、不考虑对数正态阴影；

二、考虑对数正态阴影；

要求在小区边缘处的路径损耗不能大于参考距离d0处路径损耗γdB：

取得：

距离d处的路径损耗为：

距离d处的路径损耗相对于参考距离d0处路径损耗为：

【注意】在有对数正态阴影时，要求在小区边缘处的路径损耗不能大于参考距离d0处路径损耗γdB，只能是一种概率。

分两个步骤进行分析：

步骤一、肯定位置r处的路径损耗低于门限值γ的概率a1；

步骤二、计算（由半径R概念的）圆面积内的路径损耗低于门限值γ的概率a2；

步骤一、肯定位置r处的路径损耗低于门限值γ的概率a1：

参见教材推导，可得：

-70dBm

3000

-35dBm

1000

-20dBm

200

0dBm

100

Receive

power

d（m）

例题4：

距发射机100m、200m、1km、3km处别离取得接收功率的测量值如表所示。

假设路径损耗符合对数正态散布模型，且设d0=100m处。

1）求路径损耗指数；

2）计算方差；

3）运用结果估量d=2km处的接收信号功率；

4）预测2km处接收功率大于－60dBm的概率；

5）预测半径为2km的小区内，接收功率大于－60dBm的覆盖面积百分比。

1）求路径损耗指数

MMSE即求使上式微分为0的κ

2）计算方差

3）估量d=2km处的接收信号功率

4）预测2km处功率大于－60dBm的概率

信号超过门限的覆盖区百分比的一族曲线

提示：

一、接收机灵敏度即接收性能够进行正常通信的

最小接收功率。

二、参考点处的接收功率依据自由空间传播模型。

3、

B3：

载频为1800MHz，发射机的发射功率为15W，发射天线

增益为12dB。

接收机的天线增益为3dB，接收机灵敏度

为-100dBm。

求保证通信中断率小于5%的T-R最大距离。

假定，，d0=1km。

第一费涅尔区距离的概念式？

工程上一般如何应用此距离的？

带有阴影的对数距离路径损耗模型包括哪两个部份？

路径损耗指数由什么决定的？

一般情况下，κ是按照测试数据利用线性递归的方式，依据什么准则取得？

室外/室内传播模型

为了描述其信道特性，人们成立了大量的信道模型。

这些模型一般都是按照测试数据总结取得的，旨在预测特定区域的信号场强。

1.地形的分类

中等起伏地形——传播基准

地面起伏高度不超过20m，起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。

不