第10章2無線通信技術(shù)無線電波傳播部分

1、無線通信中心第10章 無線通信技術(shù)無線電波部分1無線通信中心電波 主要內(nèi)容天線及其基本概念電波的自由空間電波多徑電波的幾何模型和的模型» Hata模型通信鏈路預(yù)算2無線通信中心天線基本知識 天線的方向性 波瓣寬度 天線增益 天線極化3無線通信中心天線天線是無線電波輻射、接收的設(shè)備天線輻射或接收的信號強(qiáng)度與空間的方位角有關(guān)系，這種關(guān)系通常用天線的來表示。根據(jù)天線的和定向天線可以將天線分成：全向天線 全向天線：均勻輻射的天線 定向天線：輻射在一些上弱一些更強(qiáng)、另外一些方向4無線通信中心天線zqPtyfx5無線通信中心天線的功率密度為U (q ,f )，如果天設(shè)某個線無損耗且理想匹配，則總

2、功率Pt將由天線輻射出去，即2pp()Pt= ò0òU q ,f sinq dq dfq =0平均功率密度為Pt4p12ppU (q ,f )sinq dq df4p ò0òq =0=Uave6無線通信中心天線 定義天線的增益為G (q ,f ) = h U (q ,f )Uave是天線效率，決定天線的損失。 其中hG (q ,f )稱為天線的功率。7無線通信中心天線增益G (q ,f ) 的最大值，即為天線增益天線8旁瓣波瓣寬度主瓣3dB無線通信中心相對全向天線增益dBi 如果式U (q ,f ) UaveG (q ,f )G (q ,f ) = h=

3、 1Uave 中，則的最大值，即為相對均勻點(diǎn)源全向天線的增益，用dBi表示 iisotropic dBd（ddipole），相差2.15dB9無線通信中心天線的方向性 理想點(diǎn)源天線（全向天線）電磁波輻射強(qiáng)度各向均勻（三維） 定向天線水平、垂直方向輻射波束具有一定的寬度10無線通信中心天線的極化 天線輻射時(shí)形成的電場強(qiáng)度方向 當(dāng)電場方向垂直于地面時(shí)，稱為垂直極化 當(dāng)電場方向水平于地面時(shí)，稱為水平極化11無線通信中心電波的自由空間ö2ö2l24plææPc= t×= Pt ç= Pt ç÷ø÷Pr&

4、#232; 4pd øè 4pdf4pd 2Pt4pd 2RPd()LdB =10lgtSPrP= 92.4 + 20lgd (km) + 20lg f (GHz)tT距離、頻率、增益12無線通信中心d最大視距h1h2R02R ( h +h )d = (R) - R + (R +h ) - R = 2R h +h222222R h +h2 »+h+0100200 110 2201213無線通信中心大氣折射和等效地球半徑 大氣的不均勻?qū)е码姴◤澢?。從電波的角度看，似乎是地球的曲率發(fā)生了變化 典型等效地球半徑系數(shù)K4/3 等效地球半徑Re = KR014無線通信中心電

5、波的反射RDr = r- r212h hDr »12 dd >> h1 , h2Ad15r1Th2h1r2P無線通信中心地面反射的影響r地面反射波的反射系數(shù)為n 接收信號的電場強(qiáng)度為Er = Et a (r1 ) - a (r2 )re- jf4plDrl× h1 h2f = 2p»d) » l a (r ) » a (rr » r» d124pd1216無線通信中心地面反射的影響22» æ l öL = PrEr21 - re- jf= L × Lç÷

6、4pd0rPEèøttö 2l4 p dæ=ç÷L 0èø= (1+ r2 + 2r cosf)= (1- r)2 + 4rsin2 f = (1- r)2 + 4rsin2 p × Dr2L = 1- re-jfrl217無線通信中心地面反射的影響當(dāng)行程差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長（例如天線較低、或者 距離很大、或者頻率低）時(shí)æ p × Dr ö2ö2æ 2ph h()()1 - r2+ 4rç1 - r2+ 4rçèL»

7、87;× 12 ÷÷rllèødøæ l(1 - r )ö2ìü22l æ 2ph2 h2æ öïö ïh h ()í 1 - r2+ 4rçè+ rL » ç×ý = ç÷12d÷ø÷12è 4pd øl4pdd 4èøïîïþ18無線通

8、信中心地面反射的影響æ lö 2r = 0L = ç÷è 4pd øh2 h2r = 1L = 12 d 419無線通信中心地面反射的影響 平面大地模型r = 1L(dB) = 120 + 40lg d (km) - 20lg h1 (m) - 20lg h2 (m) 水平極化和垂直極化的影響不同20無線通信中心電波的繞射（遮擋引起）當(dāng)TR之間出現(xiàn)刃形物時(shí)，它有可能對電波產(chǎn)生阻擋作用。阻擋引起的損耗與余隙的大 小有關(guān)h0 = 0 .577 F1TRhc21路徑余隙無線通信中心遮擋引起的損耗 遮擋并不一定引起電波的損耗，視余隙大小而定。

9、 當(dāng)余隙 > 第一菲涅爾區(qū)半徑時(shí)，遮擋引起的損耗很小，反之損耗將隨余隙的減小而急劇下降。（書圖10.4）22無線通信中心菲涅爾區(qū)的概念滿足以下條件的所有點(diǎn)Q的集合稱為第n菲涅爾區(qū)：(TQ + QR)- TR £ nl2QTRFnPd1d2d23無線通信中心第n菲涅爾區(qū)半徑第n菲涅爾區(qū)邊界上的某個點(diǎn)P到TR連線的距Fn離叫第n菲涅爾區(qū)半徑æö2 ö1 æ F+ F 2 » d ç1 +÷çn ÷TP =d 21 ç÷1n2dè1 øè

10、8;nld1d2æö2 ö1 æ FF =nF+ F 2 » d ç1 +÷çn ÷PR =d 22 ç d÷n12 ç÷2ndèøèø2(TQ + QR)- TR = nl224無線通信中心電波的路徑損耗模型路徑損耗模型的重要性 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的重要依據(jù) 天線架設(shè)點(diǎn)的重要參考路徑損耗模型的建立 通常通過實(shí)際測量，然后通過擬合的方式得到經(jīng)驗(yàn) 公式 目前存在許多經(jīng)驗(yàn)公式，如Hata模型、Lee模型等，是不同的環(huán)境得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。使?/p>

11、不同模型時(shí)應(yīng)注意其適用的范圍和條件25無線通信中心Hata模型 移動通信測模型。使用的一種路徑損耗預(yù) 適用于宏蜂窩（小區(qū)半徑大于1km；或收發(fā)天線距離d>1km）系統(tǒng)的路徑損耗。26無線通信中心Hata模型 1501500MHz=69.55+26.16lg f -13.82lg(hte ) -a(hre ) +éë44.9-6.55lg(hte )ùûlgdLs 1500Mhz2000MHz（COST-231）Ls =46.3+33.9lg f -13.82lghte -a(hre ) +(44.9-6.55lghte )lgd +CMCM為城市中

12、心修正因子，市中心3dB，中等城市或郊區(qū)027無線通信中心多徑和 信道隨時(shí)間推移，接收信號強(qiáng)度的起伏稱為信道信道的：信道參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化，如的移動、周圍環(huán)境的隨時(shí)間變化等信道»可分成長期和短期快期隨時(shí)間變化慢，也稱為長期慢大尺度（Large-Scale Fading）» 長期慢» 長期慢的在于地形地物變化引起呈現(xiàn)隨機(jī)起伏的特點(diǎn)28無線通信中心信道快r0(t)長期m(t)29無線通信中心長期(Large-Scale Fading)長期電波又稱陰影和慢，長期一般表示為距離的平均損耗（dB）加一個正態(tài)對數(shù)分量。之間的距離為r時(shí)，移動用戶和路徑損耗和長期可以表示為PL(

13、r) = PL(r) + Xs式中Xs表示一個方差為s2、均值為0的量。 s的量，其隨典型值是810dB。可以被理解為對數(shù)正態(tài)隨2- Xs1概率密度函數(shù)為：p(X ) =2s 2es2ps30無線通信中心長期(Large-Scale Fading)速率與工作頻率關(guān)系不大與周圍地形、地物的分布和高度等有關(guān)和物體的移動速度有關(guān)»物»發(fā)射機(jī)»其他變化因素，例如天氣31無線通信中心(Small-Scale Fading)短期多徑時(shí)變效應(yīng)（時(shí)變主要因?yàn)橐苿樱┥蠄D中，每徑也是經(jīng)由多條路徑接收而得，稱 之為不可分多徑32可分多徑不可分徑無線通信中心多徑遠(yuǎn)端散射體本地散射體可分本

14、地散射體離徑不可分離徑33TX無線通信中心多徑效應(yīng)（不可分徑）若有N個多徑信道，它們彼此相互且沒有一個信道的信號占支配地位；沒有直射波信號，僅有許多反射波信號，接收到的信號包絡(luò)的(Rayleigh)分布變化服從但是，當(dāng)接收到較強(qiáng)的直射波信號且它占有支配地(Rician)位時(shí)，接收信號包絡(luò)的分布變化服從34無線通信中心多徑效應(yīng)（頻率選擇性） 以兩條路徑且衰減恒定為例V0f(t)V0f(t-t0)+V0f(t-t0-)V0cos(wt )2- jw tH (w )= 2VH (w ) = V e- jw t(1+ e)0002V0- jw t2 (ejw t- jw t2 )jw t0 e-= V

15、 e+ e20- jw twt- jw t0= V0e´ 2 cos(fe)2 2 1 2t 3 2t 5 2t035延遲t0+延遲t0無線通信中心(Doppler)頻移n 當(dāng)移動體在x軸上以速度n 移動時(shí)引起率漂移。（Doppler）頻效應(yīng)引起的頻移表示為= v cosaflDa式中，n為移動速度l為波長a入射波與移動臺移動方向之間的夾角vn= f為最大Doppler頻移lmn當(dāng)?shù)趎個入射波的入射角是時(shí)an時(shí)，wn= b × v ×cosan= 2p l cosan36第n個入射波無線通信中心表征時(shí)變多徑信道的參數(shù) 時(shí)延擴(kuò)展 引起碼間干擾，導(dǎo)致頻率選擇性1.1表

16、多徑環(huán)境下主要時(shí)間延遲擴(kuò)展參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)值 頻移 引起時(shí)變，接收信號強(qiáng)度隨時(shí)間起伏 兩者并存39參數(shù) 市區(qū) 郊區(qū) 最大延遲時(shí)間（ -30d B ） 延遲擴(kuò)展范圍 平均延遲擴(kuò)展 最大有效延遲擴(kuò)展 5.012.0us1.03.0us 1.3us3.5us0.37.0us0.22.0us 0.5us2.0us無線通信中心小節(jié) 電波中受到如下的影響：與距離有損耗反射、折射、繞射、散射的影響多徑的影響時(shí)變的影響 電波影響接收的信號強(qiáng)度，因此對信號的干擾為乘性干擾。 熱噪聲 干擾40無線通信中心通信鏈路預(yù)算 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)、接收信噪比、傳輸損耗、覆蓋范圍等參數(shù)的設(shè)計(jì) 不同系統(tǒng)有不同的通信鏈路預(yù)算，主

17、要考慮如下一些因素：路徑損耗余量，與中斷（outage）概率有關(guān)接收信噪比（問題的）41無線通信中心同步通信鏈路計(jì)算鏈路42基帶處理中頻調(diào)制中頻濾波下變頻低噪放大功率放大上變頻中頻濾波中頻調(diào)制基帶處理無線通信中心同步通信鏈路計(jì)算Pr = PT +GT +Gr -Lp -La -Lta -Lra dBWPTGT GR LPLa LtaLra發(fā)射天線增益接收天線增益路徑損耗大氣損耗與發(fā)射天線有與接收天線有損耗損耗43無線通信中心同步通信鏈路計(jì)算 有效全向輻射功率（EIRP, Effective Isotropic Radiated Power）EIRPPTGT 接收端噪聲N=10log(KTB)&

18、#187; K=1.38e-23玻爾茲曼常數(shù)» T為輸入端等效噪聲溫度» B為信號帶寬 EIPR ->為dBi為dBd (換算時(shí)數(shù)量上比前者小2.15dB)ERP ->44無線通信中心同步 接收端載噪比通信鏈路計(jì)算C =EIRP +G -L -L -L -T -B + 228.6dBRptarasNn 接收系統(tǒng)G/T值（性能因數(shù)）G = G/ TRsT C = EIRP + - L - LTG - L - B + 228.6dBptaraN45無線通信中心例： 設(shè)同步軌道為36000公里，發(fā)射功率為18dBW，天線增益16dB，地面站天線增益40dB，等效噪聲溫工作在度29 K，其他損耗2 dB，4GHz，發(fā)射信號帶寬為36MHz，問地面站接收端的載噪比？46無線通信中心 路徑損耗Lp = 92.4 + 20lg