移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型課件

1、移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,1,第一章內(nèi)容回顧,移動(dòng)通信的分類及應(yīng)用系統(tǒng) 移動(dòng)通信的特點(diǎn)和工作方式 移動(dòng)通信的發(fā)展,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,1,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,2,什么是無(wú)線通信信道（鏈路）？,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,2,圖2.1 無(wú)線通信鏈路,無(wú)線通信鏈路：從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的整個(gè)通信路徑鏈路。,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,3,移動(dòng)無(wú)線信道的特點(diǎn)(1),移動(dòng)無(wú)線信道是最為復(fù)雜的一種無(wú)線信道 移動(dòng)無(wú)線信道的特點(diǎn) 傳播的開(kāi)放性 接收點(diǎn)地理環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性 通信用戶的隨機(jī)移動(dòng)性 移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能主要受到移動(dòng)

2、信道的制約 有效性 可靠性 安全性,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,3,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,4,信道函數(shù),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,4,s(t),r(t),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,5,10-3,10-3,不同無(wú)線信道下的性能,高斯白噪聲信道傳輸性能,慢瑞利衰落信道傳輸性能,7dB,24dB,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,6,第二章 移動(dòng)通信電波傳播 與傳播預(yù)測(cè)模型,程郁凡 通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,7,第二章內(nèi)容,2.1 無(wú)線電波傳播概述 2.2 自由空間的電波傳播 2.3 三種基

3、本電波傳播機(jī)制 2.4 路徑損耗模型 2.5 多徑衰落信道及特性參數(shù) 2.6 多徑衰落信道的統(tǒng)計(jì)模型,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,7,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,8,2.1 無(wú)線電波傳播概述,2.1.1 電磁波的產(chǎn)生 2.1.2 無(wú)線電波頻段劃分 2.1.3 無(wú)線電波傳播方式,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,8,參考書(shū)籍：移動(dòng)通信無(wú)線電波傳播 作者：吳志忠,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,9,2.1.1 電磁波的產(chǎn)生(1),電磁場(chǎng) 如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場(chǎng)，那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)；這個(gè)變化的磁場(chǎng)又

4、在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場(chǎng) 變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)是相互聯(lián)系著的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,9,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,10,2.1.1 電磁波的產(chǎn)生(2),電磁波 變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地傳播。這種變化的電磁場(chǎng)在空間以一定的速度向遠(yuǎn)處傳播的過(guò)程叫做電磁波。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,10,圖2.2 變化的電磁場(chǎng),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,11,2.1.2 無(wú)線電波頻段劃分,11,圖2.3 電磁波譜,圖2.4 無(wú)線電波頻段,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,

5、12,2.1.3 無(wú)線電波傳播方式,無(wú)線電波傳播基本概念 無(wú)線電波傳播主要方式 地波傳播 對(duì)流層電波傳播 天波傳播 衛(wèi)星通信,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,12,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,13,無(wú)線電波傳播基本概念,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,13,無(wú)線電波傳播 發(fā)射源所發(fā)射的無(wú)線電波通過(guò)自然條件下的媒質(zhì)到達(dá)接收天線的過(guò)程稱為無(wú)線電波傳播。,圖2.5 無(wú)線電波傳播,研究傳播過(guò)程中電磁波與媒質(zhì)的相互作用 傳播機(jī)理、信道模式 傳播環(huán)境與建模 傳播效應(yīng),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,14,傳輸媒質(zhì)對(duì)電磁波的影響,2021年4月,第二章 移

6、動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,14,圖2.6 傳輸媒質(zhì)對(duì)電磁波的影響,傳輸媒質(zhì)對(duì)電磁波的影響,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,15,無(wú)線電波傳播地波傳播,地波傳播電波沿著地球表面?zhèn)鞑?2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,15,圖2.7 地波傳播,特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)穩(wěn)定，不受氣象條件、晝夜及季節(jié)變化的影響； 缺點(diǎn)：地面對(duì)電波吸收嚴(yán)重，衰減隨著頻率的升高而增大。 用途：地波導(dǎo)航、標(biāo)時(shí)臺(tái)、遠(yuǎn)程通信、廣播,出現(xiàn)情況： 天線低架于地面上； 最大輻射方向沿地球表面； 頻率：中、長(zhǎng)波以下的頻率。,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,16,地波傳播影響因素,地波傳播影響因素地質(zhì)磁電特性 相對(duì)介電

7、常數(shù)： 電導(dǎo)率： 相對(duì)復(fù)介電常數(shù)： 電磁波在自由空間中的波長(zhǎng)：,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,16,表2.1 地面特性表,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,17,地面媒質(zhì)的電特性,常用相對(duì)復(fù)介電常數(shù)來(lái)表示媒質(zhì)的電特性 良導(dǎo)體： 電介質(zhì)： 半電介質(zhì)：兩者相差不大,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,17,表2.2 地面媒質(zhì)的電特性,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,18,傳播特性,地面波的傳播特性 地表具有半導(dǎo)電特性，電波被吸收。地層電導(dǎo)率越大，頻率越低，地面對(duì)電波的吸收越小。 在不平坦地面的繞射傳播條件 只有當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)障礙物或與障礙物相當(dāng)時(shí)，才具有繞射

8、作用。 地波傳播方式適合長(zhǎng)波、超長(zhǎng)波波段，沿海面?zhèn)鞑ケ嚷访嬉h(yuǎn)。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,18,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,19,典型應(yīng)用(1),低頻地波導(dǎo)航系統(tǒng) 羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)(Loran- Long Range Navigation ) 一種遠(yuǎn)程脈沖-相位雙曲線無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)（100kHz，可實(shí)現(xiàn)2000km導(dǎo)航），陸、海、空導(dǎo)航定位系統(tǒng),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,19,圖2.8 羅蘭C導(dǎo)航儀,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,20,典型應(yīng)用(2),高頻(HF)地波超視距雷達(dá) 海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)，頻率：330MHz，作用距離可達(dá)30

9、0km。 可跟蹤、監(jiān)視艦船等。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,20,圖2.9 高頻地波超視距雷達(dá),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,21,高頻地波雷達(dá)系統(tǒng),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,21,圖2.10 美國(guó)雷聲公司制作的高頻地波雷達(dá)系統(tǒng),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,22,無(wú)線電波傳播對(duì)流層電波傳播,對(duì)流層電波傳播影響因素 對(duì)流層的彎曲傳播 對(duì)流層電波傳播機(jī)制,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,22,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,23,對(duì)流層電波傳播基本概念,2021年4月,23,對(duì)流層電波傳播無(wú)線電波在對(duì)流層的傳播

10、,對(duì)流層,圖2.11 大氣層的分布,90%水汽質(zhì)量 75%大氣質(zhì)量,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,24,對(duì)流層電波傳播影響因素,對(duì)流層電波傳播影響因素 氣體分子與水汽凝聚物 具有吸收作用 云、霧、雨等對(duì)電波的散射 大氣折射率 電波折射，電波彎曲傳播,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,24,圖2.12 大氣吸收衰減,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,25,彎曲傳播,對(duì)流層的彎曲傳播 大氣折射率n隨著海拔高度增高而減小,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,25,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,26,大氣折射指數(shù),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳

11、播預(yù)測(cè)模型,26,大氣折射率n ： 對(duì)流層中r 非常接近于1，例如靠近地球表面處 定義大氣折射指數(shù)N ： N 單位 p為大氣總壓強(qiáng)，e是水汽壓強(qiáng)，T為絕對(duì)溫度(K)。,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,27,等效地球半徑,由于大氣折射，電波軌跡為曲線 計(jì)算公式都是假設(shè)直線傳播，假設(shè)與實(shí)際不符，為了仍然能用公式，需修正 等效地球半徑 傳播射線被拉直后，射線到地球的距離仍相等，此時(shí)的地球半徑為等效地球半徑。,2021年4月,27,：射線曲率半徑,圖2.14 等效地球半徑,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,28,等效地球半徑因子,等效地球半徑因子K,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型

12、,28,R : 地球半徑(6370km) Re = KR : 等效地球半徑,圖2.15 大氣層中無(wú)線電波射線的彎曲和K值,=R, K=,= , K=1,K=4/3,0, 0K1,最常發(fā)生,0,0R,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,29,對(duì)流層電波傳播機(jī)制,對(duì)流層電波傳播機(jī)制 對(duì)流層視距傳播 直射波傳播 對(duì)流層散射傳播 米波與分米波的超地平通信 大氣波導(dǎo)傳播 米波、厘米波 大氣折射率梯度滿足一定條件,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,29,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,30,對(duì)流層視距傳播,對(duì)流層視距傳播 處于對(duì)流層內(nèi)直射波的傳播方式 射線傳播方向與水平線幾乎平行 頻段：

13、30MHz40GHz 地波衰減大 天波不被反射 視距傳播的特點(diǎn) 距離短（50km） 傳播效應(yīng) 折射、吸收、衰落 反射、散射等,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,30,圖2.16 微波接力通信,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,31,對(duì)流層散射傳播,散射 當(dāng)電磁波的傳播路徑上存在小于波長(zhǎng)的物體，并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時(shí)，發(fā)生散射（亂反射）。 對(duì)流層散射傳播 利用大氣層的不均勻性對(duì)無(wú)線電波的散射作用而實(shí)現(xiàn)超視距傳播。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,31,圖2.17 對(duì)流層散射的超視距傳播,不均勻大氣,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,3

14、2,對(duì)流層散射傳播特點(diǎn),頻率：30MHz10GHz 對(duì)流層適應(yīng)此頻段，對(duì)其他頻段散射作用弱。 優(yōu)點(diǎn)： 不受電離層的影響（與短波天波通信相比）不用經(jīng)常變換頻率 所需中繼站少（與微波接力通信相比）（距離100500公里） 傳輸容量大 不怕高山、湖海和沙漠等自然 障礙。 缺點(diǎn) 傳輸損耗大、衰落較劇烈,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,32,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,33,對(duì)流層散射通信應(yīng)用,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,33,表2.3 美軍典型數(shù)字對(duì)流層散射機(jī)調(diào)制解調(diào)器參數(shù)表,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,34,大氣波導(dǎo)傳播(1),概念： 在一

15、定氣象條件下，由于大氣折射率梯度的變化，使在近地層傳播的電磁波的軌跡彎向地面，射線的真實(shí)曲率大于地球曲率時(shí)，電磁波被部分陷獲在一定厚度的大氣層內(nèi)，無(wú)線電波能量好像被限制在最大彎曲高度和地球表面之間或由它們組成的波導(dǎo)中傳播。又稱大氣波導(dǎo)傳播。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,34,K=,K=1,K=4/3,K1,圖2.18 大氣波導(dǎo)傳播,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,35,大氣波導(dǎo)傳播(2),原因 大氣層存在逆溫 濕度隨高度銳減 易于出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的天氣現(xiàn)象 海平面海水的蒸發(fā) 陸地上的夜間輻射 頻段 300MHz30GHz 特點(diǎn) 超視距 不是時(shí)時(shí)可用,2021年4月,

16、第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,35,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,36,無(wú)線電波傳播天波傳播,電離層概況 電離層的成分 電離層的分層 電離層的吸收 電離層的反射 無(wú)線電波在電離層中的傳播 長(zhǎng)波和超長(zhǎng)波 中波 短波,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,36,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,37,天波傳播,天波傳播無(wú)線電波向天空輻射，由電離層反射到接收點(diǎn)。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,37,電離層,圖2.19 天波傳播,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,38,電離層概況,電離層,2%大氣質(zhì)量,38,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,39,電離

17、層的成分,電離層： 60km到1000km的區(qū)域 自由電子、正離子、負(fù)離子、中性分子和原子等組成的等離子體。 電離源 太陽(yáng)輻射的紫外線、X射線、高能帶電微粒流 為數(shù)眾多的微流星 其它星球輻射的電磁波以及宇宙射線等 只占全部大氣質(zhì)量的2左右，但因存在大量帶電粒子，所以對(duì)電波傳播有極大影響 具有多變特性。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,39,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,40,電離層的分層,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,40,圖2.20 電離層中典型的電子濃度高度分布,吸收層,反射層,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,41,電離層的吸收損耗,吸收

18、的原因 受電場(chǎng)作用的電子與其它粒子相碰撞時(shí)，就將從電波得到的動(dòng)能傳遞給中性分子或離子，轉(zhuǎn)化為熱能，這種現(xiàn)象稱為電離層對(duì)電波的吸收。 電離層吸收基本規(guī)律 與氣體密度、電離層電子密度和電波頻率有關(guān) 吸收主要集中在D層 氣體密度越大，吸收越大 電子密度越大，吸收越大 電波頻率越低，吸收越大 所以短波天波工作時(shí)，在能反射回來(lái)的前提下，盡量選擇較高的工作頻率。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,41,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,42,電離層可以看作是相對(duì)介電常數(shù)為r的電介質(zhì) f : 頻率；N: 電子密度 折射率n:,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,42,

19、圖2.21 電磁波在電離層中的彎曲傳播,電離層的反射,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,43,電離層的反射特點(diǎn),在入射角一定的情況下： 電波頻率越低，越易反射 電波頻率越低，反射的位置越低,2021年4月,43,圖2.22 電磁波在電離層中的彎曲傳播,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,44,平面分層的Snell折射定理,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,44,圖2.23 平面分層的折射,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,45,球面分層的Snell折射定理,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,45,圖2.24 0與0之間的幾何關(guān)系,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模

20、型,46,最高可用頻率,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,46,MUF：Maximum Usable Frequency,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,47,最高可用頻率與臨界頻率,當(dāng)電波頻率超過(guò)最高可用頻率fMUF時(shí)，無(wú)線電波在電離層中不發(fā)生反射，而是穿出電離層。 當(dāng)電波頻率小于或等于臨界頻率fc時(shí)，任意仰角的電波都能從電離層反射到地面。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,47,R：地球半徑 h：電離層離地面的高度 ：發(fā)射仰角,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,48,2021年4月,48,圖2.25 fMUF隨時(shí)間變化曲線,最佳工作頻率,MUF：M

21、aximum Usable Frequency FOT：Frequency of Optimum Traffic,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,49,無(wú)線電波在電離層中的傳播,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,49,圖2.26 長(zhǎng)、中、短波從不同高度反射,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,50,超長(zhǎng)波和長(zhǎng)波的電波傳播,超長(zhǎng)波和長(zhǎng)波傳播機(jī)制(300kHz) 地波傳播和地電離層波導(dǎo)傳播。 傳播特點(diǎn) 頻率低，可被電離層D層下邊界反射。不穿透電離層，地面和電離層的吸收損耗很小。 對(duì)于超長(zhǎng)波，通常認(rèn)為在地面電離層組成的波導(dǎo)中傳播。 遠(yuǎn)距離通信（幾千公里）。 缺點(diǎn) 頻率低，信息容量小

22、，天線很難布置。 應(yīng)用： 遠(yuǎn)距離導(dǎo)航,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,50,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,51,中波電波傳播,中波電波傳播機(jī)制（300kHz3MHz） 地波傳播和天波傳播。 傳播特點(diǎn) 白天地波傳播為主，但受地面吸收衰減影響；可在E層被反射，但在D層受到較強(qiáng)的吸收，傳播距離不遠(yuǎn)； 晚上服務(wù)范圍比白天大，因?yàn)橐归gD層消失，吸收減小，比白天增加了電離層傳播； 通信距離較遠(yuǎn)（幾百公里） 應(yīng)用 無(wú)線電導(dǎo)航，語(yǔ)音調(diào)幅廣播,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,51,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,52,短波電波傳播(1),短波電波傳播機(jī)制（3MH

23、z30MHz） 地波傳播和天波傳播，以天波傳播為主。 傳播特點(diǎn) 傳播距離遠(yuǎn)：幾百幾萬(wàn)km(一跳或多跳反射)； 能以較小的功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳播； 白天和夜間要更換頻率； 設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、便于移動(dòng)。 缺點(diǎn) 嚴(yán)重的衰落、信號(hào)不穩(wěn)定； 電臺(tái)過(guò)分擁擠并互相干擾。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,52,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,53,短波電波傳播(2),應(yīng)用 各種距離的定點(diǎn)通信 國(guó)際通信及廣播 船岸間的航海移動(dòng)通信 飛機(jī)地面間的航空移動(dòng)通信,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,53,圖2.27 寶麗2050短波電臺(tái),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,54,

24、衛(wèi)星通信(1),衛(wèi)星通信：地球上的無(wú)線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的空間微波通信。,2021年4月,54,圖2.28 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),軌道高度：500幾萬(wàn)公里,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,55,衛(wèi)星通信(2),適用頻段：140GHz 傳播特點(diǎn) 覆蓋面積大，通信距離遠(yuǎn)（幾萬(wàn)公里） 傳輸頻帶寬，通信容量大 通信穩(wěn)定性好，質(zhì)量高 傳播時(shí)延大 路徑損耗大 存在日凌中斷、星蝕和雨衰現(xiàn)象。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,55,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,56,無(wú)線電波傳播方式小結(jié),地波傳播：超長(zhǎng)波、長(zhǎng)波、中波,視距傳播：VHF及以上,大氣波導(dǎo)傳播：UH

25、F, SHF,對(duì)流層散射傳播：VHF,UHF, SHF,天波傳播：短波,星地通信：LKa,電離層波導(dǎo)傳播：超長(zhǎng)波、長(zhǎng)波,星際通信：Ka及以上,本章研究重點(diǎn)陸地移動(dòng)通信無(wú)線電波傳播 視距傳播：視距范圍之內(nèi)的無(wú)線電波傳播 頻段：30MHz10GHz,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,57,陸地移動(dòng)信道的電波傳播機(jī)制,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,57,基站,散射,陰影衰落,散射,直射,反射,移動(dòng)終端（手機(jī)）,衍(繞)射,直射波（最強(qiáng)） 反射波（次強(qiáng)） 繞射波（次強(qiáng)） 散射波（最弱）,圖2.29 陸地移動(dòng)信道的電波傳播機(jī)制,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,58,陸地移動(dòng)信道的

26、電波傳播機(jī)制,直射： 是指視距范圍內(nèi)無(wú)遮擋的傳播。直射波傳播的信號(hào)最強(qiáng)?？砂醋杂煽臻g傳播來(lái)考慮。 反射： 當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)發(fā)生反射，反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面。反射波的信號(hào)強(qiáng)度僅次于直射波。 繞射： 收發(fā)之間的傳輸路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射，信號(hào)能量繞過(guò)障礙物傳播，繞射波信號(hào)強(qiáng)度與反射波相當(dāng)。 散射： 當(dāng)電波傳播遇到小于信號(hào)波長(zhǎng)的障礙物或粗糙表面時(shí)引起的漫反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播機(jī)制，散射波信號(hào)強(qiáng)度最弱。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,58,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,59,大尺度路徑損耗和小尺度衰落(1),大尺度路徑損耗 用于描述發(fā)射

27、機(jī)與接收機(jī)之間的長(zhǎng)距離（幾百或幾千米）上信號(hào)強(qiáng)度的變化。 小尺度衰落 用于描述發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的短距離（幾個(gè)波長(zhǎng)）或短時(shí)間（秒級(jí)）內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的快速變化。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,59,小尺度衰落r0(t),大尺度路徑損耗m(t),圖2.30 衰減區(qū)域,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,60,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,60,大尺度路徑損耗和小尺度衰落(2),自由空間傳播損耗,大尺度路徑損耗,大尺度路徑損耗+小尺度衰落,圖2.31 大尺度路徑損耗和小尺度衰落,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,61,第二章內(nèi)容,2.1 無(wú)線電波傳播概述 2

28、.2 自由空間的電波傳播 2.3 三種基本電波傳播機(jī)制 2.4 路徑損耗模型 2.5 多徑衰落信道及特性參數(shù) 2.6 多徑衰落信道的統(tǒng)計(jì)模型,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,61,大尺度路徑損耗,小尺度衰落,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,62,2.2 自由空間的電波傳播,基本概念 自由空間： 充滿均勻、線性、各向同性理想機(jī)制的無(wú)限大空間。 電波直線傳播 自由空間傳播損耗：電波通過(guò)自由空間介質(zhì)傳播時(shí)所生的損耗 理想傳播條件，電波在自由空間傳播時(shí)，不存在電波的反射、折射、繞射、吸收等現(xiàn)象。 其單位面積中的能量會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而減少，而接收天線只能接收到部分面積上的能量。,202

29、1年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,62,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,63,前提條件,前提： 發(fā)射天線遠(yuǎn)離地球，或沒(méi)有阻擋物,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,63,(,a,),(,b,),(,c,),圖2.32 近似于自由空間傳播的傳播機(jī)制,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,64,天線基礎(chǔ)知識(shí)(1),各向同性輻射：沒(méi)有體積、不存在損耗的點(diǎn)源均勻輻射器。其方向圖為球體，在各個(gè)方向具有相同的輻射強(qiáng)度。 天線增益：方向性天線在某方向的某位置達(dá)到輻射場(chǎng)強(qiáng) 所用的發(fā)射功率為 ，而各向同性輻射的點(diǎn)源天線所需的功率為 ，則天線增益為 有效輻射： 相對(duì)于各向同性輻射器的

30、有效輻射功率,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,64,EIRP：Effective Isotropic Radiated Power,圖2.33 各向同性與有效輻射,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,65,天線基礎(chǔ)知識(shí)(2),天線增益G與天線有效面積Ae的關(guān)系： 拋物面天線，假定天線口面場(chǎng)具有等相、等幅分布1,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,65,1 天線 ：（美）克勞斯，（美）馬赫夫克,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,66,EIRP,例2.1 各向同性輻射器和方向性天線的EIRP,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,66,圖2.

31、34 兩種方式下獲得的相同EIRP,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,67,收發(fā)參數(shù),參數(shù) 發(fā)射天線增益： 接收天線增益： 發(fā)射功率： 接收功率： 收發(fā)距離： 天線的有效面積：,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,67,圖2.35 各向同性輻射接收,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,68,接收功率密度,各向同性輻射接收功率密度 發(fā)射天線為各向均勻輻射時(shí)，以發(fā)射源為中心，d為半徑的球面上單位面積的功率為,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,68,方向性天線下的接收功率 密度 如天線具有方向性（發(fā)射天線增益為 ），在主波束方向通過(guò)單位面積的功率為：,圖2.36

32、接收功率,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,69,接收功率(1),接收天線所截取的功率,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,69,Ls：自由空間傳播損耗,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,70,接收功率(2),自由空間傳播模型適合遠(yuǎn)場(chǎng)條件 選擇一個(gè)參考距離d0作為接收功率的參考點(diǎn)。 選擇依據(jù)：在遠(yuǎn)場(chǎng)，同時(shí)小于通信距離。 宏蜂窩：選擇d0 為1km 微蜂窩：選擇d0 為100m或1m,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,70,d0：參考距離，D：天線的最大尺寸,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,71,自由空間的傳播損耗,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與

33、傳播預(yù)測(cè)模型,71,自由空間的傳播損耗 Ls 用dB描述： 代入c： 將f 的單位改為MHz，d 的單位為改km，取對(duì)數(shù),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,72,鏈路損耗(1),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,72,圖2.37 鏈路損耗,Lt：發(fā)端線路損耗 Lr：收端線路損耗,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,73,鏈路損耗(2),不考慮收發(fā)線路損耗時(shí)（ Lt = Lr = 0dB） 用對(duì)數(shù)表示： 考慮收發(fā)線路損耗，總鏈路損耗為：,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,73,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,74,鏈路損耗(3),2021年4月,第二章 移動(dòng)

34、通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,74,功率的轉(zhuǎn)換 都是功率單位 折算成dB更利于計(jì)算 例：,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,75,例題,例2.2 Pt = 10W = 40dBm；Gr = Gt = 7dBi； f = 1910MHz， d = 500m ，問(wèn)：Ls(dB)=? Pr=?,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,75,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,76,課堂練習(xí),課堂練習(xí) 發(fā)射功率為Pt =10mW ，發(fā)射/接收天線增益Gr = Gt = 9dBi，工作頻率f = 1910MHz (20log1910=65.62dB)，接收靈敏度為Pr =10-7mW，問(wèn)：接收機(jī)

35、距離發(fā)射機(jī)最遠(yuǎn)多遠(yuǎn)時(shí)能正常工作？此時(shí)的鏈路損耗為多少？ 接收信號(hào)功率必須大于等于接收靈敏度時(shí)才能正常工作，當(dāng)?shù)扔诮邮侦`敏度時(shí)的通信距離為最遠(yuǎn)距離。 1) 鏈路損耗 L：,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,76,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,77,課堂練習(xí),2) 最遠(yuǎn)傳輸距離d：,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,77,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,78,第二章內(nèi)容,2.1 無(wú)線電波傳播概述 2.2 自由空間的電波傳播 2.3 三種基本電波傳播機(jī)制 2.4 路徑損耗模型 2.5 多徑衰落信道及特性參數(shù) 2.6 多徑衰落信道的統(tǒng)計(jì)模型,2021年4月

36、,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,78,大尺度路徑損耗,小尺度衰落,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,79,2.3 三種基本電波傳播機(jī)制,2.3.1 反射 2.3.2 繞射 2.3.3 散射,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,79,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,80,2.3.1 反射,反射(reflection) 當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)發(fā)生反射，反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面。 反射系數(shù) 反射波與入射波振幅的比值 當(dāng) 1很小時(shí)， 反射波場(chǎng)強(qiáng)的幅度等于入射波場(chǎng)強(qiáng)的幅度，而相差為180,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,80,圖2

37、.38 平滑表面的反射,1: 掠角； : 相對(duì)復(fù)介電常數(shù),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,81,雙線地面反射模型(1),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,81,圖2.39 雙線地面反射模型,ht: 發(fā)天線高度 hr: 收天線高度 d: 射路徑距離 d :反射路徑距離 d: 收發(fā)距離 R: 地面反射系數(shù),反射成分,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,82,雙線地面反射模型(2),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,82,圖2.40 路徑差的映像方法,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,83,泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,8

38、3,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,84,雙線地面反射模型(3),假定地面全反射，,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,84,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,85,雙線地面反射模型(4),自由空間傳播損耗 雙線地面反射路徑損耗,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,85,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,86,2.3.2 繞射,繞射(diffraction) 當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無(wú)線路徑被尖銳的邊緣阻擋時(shí)，發(fā)生繞射。 次級(jí)波進(jìn)入陰影區(qū)域而形成。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,86,圖2.41 繞射,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,

39、87,惠更斯.菲涅耳原理,惠更斯.菲涅耳原理 行進(jìn)中的波前（面）上的每一點(diǎn)，都可作為產(chǎn)生次級(jí)波的點(diǎn)源 空間任一點(diǎn)的場(chǎng)等于（包圍波源的任一封閉面上）各次級(jí)波源在該點(diǎn)所產(chǎn)生場(chǎng)的疊加。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,87,次級(jí)波前,擴(kuò)展波前,圖2.42 惠更斯-菲涅耳原理,第一菲涅耳區(qū),路徑長(zhǎng)度為(d+ /2)的內(nèi)圓,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,88,菲涅耳區(qū),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,88,圖2.43 菲涅耳半徑,由于路徑相差半波長(zhǎng) 奇數(shù)項(xiàng)拆成兩項(xiàng),電波主要通過(guò)第一菲涅耳區(qū)傳播至觀察點(diǎn),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,89,第一菲涅耳半徑

40、,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,89,第一菲涅耳半徑,圖2.44 第一菲涅耳半徑,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,90,繞射損耗(1),對(duì)次級(jí)波的阻擋產(chǎn)生了繞射損耗。 障礙物不阻擋第一菲涅耳區(qū)，繞射損耗最小。 經(jīng)驗(yàn)表明，只要 55的第一費(fèi)涅爾區(qū)無(wú)阻擋，其它費(fèi)涅爾區(qū)的情況基本不影響繞射損耗。 第一菲涅耳區(qū)繞射功率損耗：與自由空間相比低5 至25dB。 頻率越低，繞射能力越強(qiáng)。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,90,圖2.45 繞射模型,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,91,繞射損耗(2),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,9

41、1,5,0,-5,-10,-15,-20,-25,-30,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,圖2.46 刃形繞射增益,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,92,例題,例2.3假設(shè)=1/3m，d1=1km，d2=1km和(a)h=25m,(b)h=0m,(c)h=-25m。對(duì)每一種情況，求解阻擋體頂部所在的菲涅耳區(qū)。 解：設(shè)直射與繞射路徑之差為，則 (a)當(dāng)h=25m時(shí),2021年4月,92,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,93,例題,(b)當(dāng)h=0時(shí)，障礙物頂部位于第一個(gè)菲涅耳區(qū)中間。衰減約6dB。 (c)當(dāng)h=-25m時(shí)，為負(fù)值，阻擋體低于視距高度，繞射損耗可忽略不計(jì)。,2021年4月,

42、第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,93,當(dāng)h=25m時(shí)，完全阻擋了前3個(gè)菲涅耳區(qū)，損耗約22dB。,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,94,2.3.3 散射,當(dāng)波穿行的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常巨大時(shí)，發(fā)生散射，方向無(wú)規(guī)則的改變。 散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或不規(guī)則物體； 樹(shù)葉、街道標(biāo)志和燈柱等會(huì)引發(fā)散射； 若平面上的最大突起高度h小于hc，則認(rèn)為表面光滑，反之則認(rèn)為粗糙。 粗糙表面的反射系數(shù)修正：,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,94,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,95,小結(jié)自由空間的電波傳播,自由空間： 充滿均勻、線性、各向同性理

43、想機(jī)制的無(wú)限大空間。 自由空間傳播損耗： 電波通過(guò)自由空間介質(zhì)傳播時(shí)所生的損耗,95,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,96,小結(jié)反射,反射波成分,直射波 成分,雙線地面反射模型,96,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,97,小結(jié)繞射,繞射(diffraction) 波長(zhǎng)越大，繞射能力越強(qiáng) 電波主要通過(guò)第一菲涅耳區(qū)傳播至觀察點(diǎn),h：障礙物頂?shù)街鄙渎窂降木嚯x,97,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,98,第二章內(nèi)容,2.1 無(wú)線電波傳播概述 2.2 自由空間的電波傳播 2.3 三種基本電波傳播機(jī)制 2.4 路徑損耗模型 2.5 多徑衰落信道及特性參數(shù) 2.6 多徑衰落信道的統(tǒng)計(jì)模型,2021年4月,第

44、二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,98,大尺度路徑損耗,小尺度衰落,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,99,2.4 路徑損耗模型,2.4.1 對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型 2.4.2 室外傳播模型 2.4.3 室內(nèi)傳播模型,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,99,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,100,2.4.1 對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型,平均接收信號(hào)功率隨距離的對(duì)數(shù)衰減 自由空間的電波傳播 遠(yuǎn)場(chǎng)雙線地面反射,d0：參考距離,100,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,101,對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型,n：路徑損耗指數(shù)，與傳播環(huán)境有關(guān)。d0：參考距離,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳

45、播與傳播預(yù)測(cè)模型,101,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,102,對(duì)數(shù)距離路徑損耗修正模型大尺度路徑損耗通用模型(1),實(shí)際上，上式代表的是平均路徑損耗 對(duì)任意的d值，特定位置的路徑損耗為隨機(jī)對(duì)數(shù)正態(tài)分布，均值為 ，標(biāo)準(zhǔn)差為 (dB) 。 主要參數(shù): 參考距離d0, 路徑損耗指數(shù)n, 標(biāo)準(zhǔn)差, 為0均值，標(biāo)準(zhǔn)差為 dB的高斯分布隨機(jī)變量，單位為dB。,102,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,103,對(duì)數(shù)距離路徑損耗修正模型大尺度路徑損耗通用模型(2),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,103, 為0均值，標(biāo)準(zhǔn)差為 dB的高斯分布隨機(jī)變量，單位為dB。,圖2.47 對(duì)數(shù)距離

46、路徑損耗,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,104,陰影衰落,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,104,什么是陰影衰落？ 由移動(dòng)無(wú)線通信信道傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其它障礙物對(duì)電波路徑的阻擋而形成的電磁場(chǎng)陰影效應(yīng)。,陰影衰落導(dǎo)致接收信號(hào)較小,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,105,典型環(huán)境的路徑損耗指數(shù),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,105,LOS：Line-Of-Sight,表2.4 路徑損耗指數(shù),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,106,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,106,表2.5 對(duì)數(shù)損耗的標(biāo)準(zhǔn)偏差dB,注：h

47、為地形波動(dòng)高度,典型環(huán)境的路徑損耗標(biāo)準(zhǔn)差,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,107,2.4.2 室外傳播模型,常用的室外傳播模型 Okumura-Hata模型 COST-231 Hata模型 CCIR模型 LEE模型 COST 231 WI模型 主要影響參數(shù)： 頻率、收發(fā)距離、天線有效高度、傳播環(huán)境修正值，建筑物密度,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,107,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,108,2.4.3 室內(nèi)傳播模型,室內(nèi)無(wú)線信道特點(diǎn) 覆蓋距離更小 環(huán)境的變動(dòng)更大 距離短，更接近“近場(chǎng)” 門的開(kāi)關(guān)和天線安裝等對(duì)室內(nèi)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的影響非常大 室內(nèi)路徑損耗 同樓層的分隔損耗

48、樓層間的分隔損耗,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,108,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,109,主要室內(nèi)傳播模型,對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型 衰減因子模型（穿過(guò)多個(gè) 樓層的傳播）,FAF：Floor Attenuation Factor，樓層衰減因子,：同樓層平均路徑損耗指數(shù)，測(cè)試典型值：1.63.3,：多樓層平均路徑損耗指數(shù)，測(cè)試典型值：4.15.3,109,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,110,60GHz室內(nèi)傳播測(cè)量,路徑損耗指數(shù)小于自由空間傳播（ 2）。 與傳播環(huán)境與天線配置有關(guān)。,圖2.48 60GHz信號(hào)室內(nèi)傳播測(cè)量,110,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,11

49、1,第二章內(nèi)容,2.1 無(wú)線電波傳播概述 2.2 自由空間的電波傳播 2.3 三種基本電波傳播機(jī)制 2.4 路徑損耗模型 2.5 多徑衰落信道及特性參數(shù) 2.6 多徑衰落信道的統(tǒng)計(jì)模型,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,111,大尺度路徑損耗,小尺度衰落,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,112,大尺度路徑損耗和小尺度衰落(1),大尺度路徑損耗 用于描述發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的長(zhǎng)距離（幾百或幾千米）上信號(hào)強(qiáng)度的變化。 小尺度衰落 用于描述發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的短距離（幾個(gè)波長(zhǎng)）或短時(shí)間（秒級(jí)）內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的快速變化。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,112,

50、小尺度衰落r0(t),大尺度路徑損耗m(t),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,113,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,113,大尺度路徑損耗和小尺度衰落(2),自由空間傳播損耗,大尺度路徑損耗,大尺度路徑損耗+小尺度衰落,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,114,2.5 多徑衰落信道及特性參數(shù),2.5.1 多徑衰落的基本特性 2.5.2 多普勒頻移 2.5.3 多徑信道的信道模型 2.5.4 描述多徑信道的主要參數(shù) 2.5.5 多徑衰落信道的分類 2.5.6 多徑信道的統(tǒng)計(jì)分析 2.5.7 多徑衰落信道建模與仿真,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,1

51、14,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,115,2.5.1 多徑衰落的基本特性,是一種小尺度衰落： 反映了微觀小范圍內(nèi)（波長(zhǎng)量級(jí)）接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗。 產(chǎn)生原因： 發(fā)射的電波經(jīng)歷了不同路徑，導(dǎo)致傳播時(shí)間和相位均不相同 合成的接收信號(hào)幅度在較短時(shí)間內(nèi)急劇變化，產(chǎn)生了衰落,2021年4月,115,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,116,多徑衰落現(xiàn)象,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,116,116,圖2.49 多徑衰落現(xiàn)象,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,117,2.5.2 多普勒頻移,由于接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起接收信號(hào)頻率與發(fā)送頻率不同，產(chǎn)生了偏移。

52、v：移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度 （米/秒） ：入射波與移動(dòng)臺(tái) 移動(dòng)方向的夾角； d：運(yùn)動(dòng)距離； 假設(shè)發(fā)送源S與移動(dòng)臺(tái)距離 很遠(yuǎn)，即在一小段d內(nèi)， 可假設(shè)X與Y處的相同,圖2.50 多普勒頻移示意圖,117,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,118,多普勒頻移,由于移動(dòng)帶來(lái)的電磁波路徑差： 路徑差帶來(lái)的相位差： 該相位差對(duì)應(yīng)了頻率的變化 （多普勒頻移）： 最大多普勒頻移-,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,118,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,119,多普勒效應(yīng)特點(diǎn),當(dāng)移動(dòng)臺(tái)朝向入射波方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻移為正。 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)背向入射波方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻移為負(fù)。 信號(hào)經(jīng)過(guò)不同方向傳播，

53、每個(gè)多徑分量與入射波的夾角不同，其多普勒頻移不同，造成接收信號(hào)的多普勒擴(kuò)展，因而增加了信號(hào)帶寬。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,119,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,120,例題,例2.4若載波頻率為800MHz，移動(dòng)臺(tái)速度為60km/h，移動(dòng)臺(tái)沿電波傳播方向運(yùn)動(dòng)，求1)最大多譜勒頻移；2）夾角為60度時(shí)的多普勒頻移。 解：1）最大多普勒頻移為： 2）夾角為60度時(shí)的多普勒頻移為：,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,120,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,121,2.5.3 多徑信道的信道模型,原理： 將信道看成作用于信號(hào)上的濾波器，可以通過(guò)分

54、析濾波器的沖激響應(yīng)和傳遞函數(shù)得到多徑信道的特性,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,121,s(t),r(t),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,122,多徑信道的信道模型,只考慮多徑的影響 設(shè)基帶發(fā)射信號(hào)復(fù)包絡(luò)為s(t)，則射頻發(fā)射信號(hào)為： 經(jīng)過(guò)多徑信道，設(shè)每條徑的路徑長(zhǎng)度為xi(t)，衰落系數(shù)為i(t) ，則收到的信號(hào)為：,fc為載頻,可分辨多徑數(shù)目,每徑衰落系數(shù),每徑時(shí)延,122,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,123,再考慮多普勒效應(yīng) 設(shè)第i徑信道信號(hào)與運(yùn)動(dòng)方向夾角為，速度為v，則路徑的變化量為,123,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,124,124,移動(dòng)通信電波傳播

55、與傳播預(yù)測(cè)模型,125,125,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,126,多徑無(wú)線信道的時(shí)變離散沖激響應(yīng)函數(shù),126,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,127,2.5.4 描述多徑信道的主要參數(shù),時(shí)間色散參數(shù)和相干帶寬 頻率色散系數(shù)和相干時(shí)間 角度色散參數(shù)和相干距離,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,127,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,128,時(shí)間色散參數(shù)和相干帶寬,功率延遲分布 在某一時(shí)刻，瞬時(shí)接收功率是時(shí)延的函數(shù) 對(duì)一小段時(shí)間的瞬時(shí)功率延遲分布求平均，得到功率延遲分布：,圖2.51 功率延遲分布示意圖,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,129,時(shí)間色散,2021年4月,

56、第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,129,接收多個(gè)脈沖信號(hào),發(fā)送脈沖信號(hào),圖2.52 時(shí)間色散示意圖,t,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,130,從時(shí)域分析衰落，用時(shí)延擴(kuò)展來(lái)描述時(shí)間色散 最大附加時(shí)延擴(kuò)展Tm：多條不同傳播路徑的信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間不同，最后一個(gè)可分辨的時(shí)延信號(hào)與最早的時(shí)延信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差值 。 平均附加時(shí)延 ：功率延遲分布的一階矩,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,130,時(shí)間色散參數(shù)(1),移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,131,時(shí)間色散參數(shù)(2),均方根(RMS)時(shí)延擴(kuò)展 ：功率延遲分布的標(biāo)準(zhǔn)差 最為常用的時(shí)延擴(kuò)展參數(shù),2021年4月,第二章

57、移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,131,RMS-root mean square,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,132,典型的時(shí)延擴(kuò)展,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,132,表2.6 典型的時(shí)延擴(kuò)展,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,133,相干帶寬,信道相干帶寬Bc指的是在一特定頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。 相關(guān)系數(shù)為0.9時(shí)， Bc 近似為： 相關(guān)系數(shù)為0.5時(shí)， Bc 近似為：,傅氏變換,133,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,134,平坦衰落和頻率選擇性衰落(1),主要參數(shù) 信號(hào)碼元周期Ts和信道RMS時(shí)延擴(kuò)展 信號(hào)的帶寬Bs 和信道

58、相干帶寬Bc 平坦衰落（頻率非選擇性衰落）,134,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,135,平坦衰落和頻率選擇性衰落(2),頻率選擇性衰落,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,135,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,136,例題,例2.5計(jì)算下圖所給出的多徑分布的RMS時(shí)延擴(kuò)展，設(shè)信道相干帶寬的相關(guān)系數(shù)取50%，若信號(hào)帶寬為200kHz，若沒(méi)有均衡器，該系統(tǒng)能否正常工作？ 解：求出時(shí)延擴(kuò)展：,136,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,137,得RMS時(shí)延擴(kuò)展： 計(jì)算相關(guān)系數(shù)為0.5時(shí)的信道相干帶寬 屬于頻率選擇性衰落信道，不使用均衡器系統(tǒng)無(wú)法正常工作。,2021年4月,第二章

59、 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,137,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,138,頻率色散系數(shù)和相干時(shí)間,從頻域分析衰落，用多普勒擴(kuò)展來(lái)描述頻率色散 移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象 典型多普勒擴(kuò)展 如果在0,2 內(nèi)的入射角均勻分布 多普勒功率譜（Jakes）,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,138,頻譜展寬,傅氏變換,138,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,139,相干時(shí)間(1),表征時(shí)變信道影響信號(hào)衰落的衰落節(jié)拍，信道隨這個(gè)節(jié)拍在時(shí)域上對(duì)信號(hào)有不同的選擇性。 相干時(shí)間間隔內(nèi)，信道特性不發(fā)生明顯的變化。 通過(guò)分析接收信號(hào)包絡(luò)的時(shí)域相關(guān)系數(shù)得到。 時(shí)間相關(guān)系數(shù)0.5

60、時(shí)， Tc近似為： 工程常用：,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,139,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,140,相干時(shí)間(2),以速度v行進(jìn)/2所需要的時(shí)間T0： 信道相干時(shí)間 運(yùn)動(dòng)距離每發(fā)生/2的改變，就會(huì)發(fā)生時(shí)間上的衰落。Tc反映了信道衰落的時(shí)間節(jié)拍。,2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,140,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,141,相干時(shí)間(3),2021年4月,第二章 移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,141,圖2.53 信號(hào)衰落變化,移動(dòng)通信電波傳播與傳播預(yù)測(cè)模型,142,時(shí)間非選擇性衰落,主要參數(shù) 信號(hào)碼元周期Ts和信道相干時(shí)間Tc 信號(hào)