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1、移动通信,第三讲,Mobile Communication,第2页,2023/1/15,目 录,第1章 概论(2)第2章 调制解调 第3章 移动信道的传播特性(3)第4章 抗衰落技术(1)第5章 组网技术(4)第6章 频分多址(FDMA)模拟蜂窝网 第7章 时分多址(TDMA)数字蜂窝网(4)第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统(一)(4)第9章 码分多址(CDMA)移动通信系统(二)(1)第10章移动通信的展望个人通信(1),第3页,2023/1/15,第三章 移动信道中的电波传播与分集接收,3.1 无线电波传播3.2 移动信道特征3.3 陆地移动信道的传输损耗,第4页,2023/1/1
2、5,3.1 电波传播特性,移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉、树叶等阻挡和反射。无线信道不象有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性和复杂性。,第5页,2023/1/15,3.1 电波传播特性,3.1.1 概述3.1.2 自由空间传播模型3.1.3 大气中的电波传播3.1.4 三种基本传播机制,第6页,2023/1/15,3.1.1 概 述,(1)电磁波的衰减 电磁波传播机理大致可分为:反射 绕射 散射 大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，因此存在：绕射损耗 多
3、径损耗 电磁波强度随传播距离增加衰减,第7页,2023/1/15,3.1.1 概 述,Signal propagation(Propagation Mechanisms)自由空间总是像光一样传播（直线传播）接收的功率与 1/d 成正比（d=发射机与接收机之间的距离）接收的功率受下列因素影响：衰减（取决于频率）大物体反射 折射（取决于介质的密度）阴影 小物体的散射 边沿绕射,reflection,scattering,diffraction,shadowing,refraction,第8页,2023/1/15,3.1.1 概 述,(2)传播模型的研究大多数传播模型是通过:分析+实验 相结合而获得
4、的。实验方法是通过场强测试，考虑了所有因素；模型只是在一定频率和环境下建立，适用性如何有待检验。传统上集中于给定范围内平均场强预测，和特定位置附近场强的变化。传播模型分类大尺度传播模型小尺度传播模型,第9页,2023/1/15,3.1.1 概 述,(2)传播模型的研究大尺度传播模型：用于预测平均场强并用于估计无线复盖范围的传播模型。由于描述的是发射机与接收机（T-R）之间长距离（几百米几千米）上的场强变化，所以被称作大尺度传播模型。小尺度衰减模型：描述短距离（几个波长），或短时间（秒级）内的接收场强快速波动的传播模型，称为小尺度衰减模型。频段从1GHz2GHz的蜂窝系统和PCS，相应的测量在1
5、m 10m范围。,第10页,2023/1/15,3.1.1 概 述,(2)传播模型的研究小尺度衰减模型产生机理：原因是接收信号由不同方向信号合成，并且由于相位变化的随机性，其信号变化范围很大，当接收机移动距离与波长相等时，接收场强可以产生4个数量级（30dB或40dB）的变化。大尺度和小尺度衰减例子：当移动台远离发射机时，当地平均接收场强逐渐减弱，该平均场强由大尺度传播模型预测。图3.1给出一个室内无线通信系统的小尺度衰减和大尺度变化的情况。,第11页,2023/1/15,3.1.1 概 述,(2)传播模型的研究,Flat Terrain Median SignalSlow Fading(lo
6、gnormal Shadowing)Fast Fading,20 Wavelengths,10,0,-10,-20,-30,Transmitter receiver Antennae distance,Received Signal level(RSL),图3.1 小尺度和大尺度衰减,第12页,2023/1/15,3.1.1 概 述,(2)传播模型的研究从图中看出：随着接收机的移动，信号衰落很快；但随距离的变化很慢。,第13页,2023/1/15,3.1.2 自由空间传播模型,Free Space Propagation Model(1)自由空间：无限大真空如将大气看成各向同性，无损且无限大空
7、间，则可看作是自由空间。卫星通信系统和微波视距无线链路，是典型的自由空间传播。,第14页,2023/1/15,3.1.2 自由空间传播模型,(2)自由空间场强计算 如果距辐射源 d 处的电场强度为E0：Pt发射天线辐射功率Gt发射天线增益,第15页,2023/1/15,3.1.2 自由空间传播模型,(2)自由空间场强计算磁场强度有效值为：单位面积上功率密度 S 为：,第16页,2023/1/15,3.1.2 自由空间传播模型,(2)自由空间场强计算距离发射机 d 处天线的接收功率：AR接收天线的有效面积其中 AR 与接收天线增益满足下面关系：GR 接收天线增益 各向同性天线的有效面积,第17页
8、,2023/1/15,3.1.2 自由空间传播模型,(2)自由空间场强计算接收天线获取的功率：可以看出 接收功率随 TR 距离的平方衰减。,第18页,2023/1/15,3.1.2 自由空间传播模型,(3)自由空间传播损耗 自由空间传播损耗：发射功率和接收功率的比值。可以看出：Lfs d2,1,第19页,2023/1/15,3.1.2 自由空间传播模型,(3)自由空间传播损耗 用分贝表示传播损耗：,第20页,2023/1/15,3.1.3 大气中的电波传播,(1)视线传播距离 视线传播距离可由右图计算天线高度分别为 ht 和 hr：则：视线传播的极限距离 d 为：式中，ht、hr的单位是m，d
9、 的单位是Km,图3.2 视线传播极限距离d,第21页,2023/1/15,3.1.3 大气中的电波传播,(2)大气折射及对 d 值的修正实际系统中，考虑大气的不均匀性对电波传输的影响，将会产生折射现象，折射引起电波在传播方向上发生弯曲。工程上,通常用“地球等效半径”来等效。如下式：式中，k 为地球等效半径系数，为地球实际半径，Re是等效半径。,第22页,2023/1/15,3.1.3 大气中的电波传播,(2)大气折射及对 d 值的修正在标准大气压条件下，k=4/3Re=63704/3=8500 Km视线传播距离修正为：式中，ht、hr的单位是m，d 的单位是Km,第23页,2023/1/15
10、,3.1.4 三种基本传播机制,在地面移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为：反 射 散 射 绕 射 接收功率是基于反射、散射和绕射的大尺度传播模型预测的的最重要的参数；这三种传播机制也描述了小尺度衰落和多径传播。,第24页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,反射：电磁波在不同性质的介质交接处会有一部分产生反射（发生于地球表面，建筑物，墙壁表面）。绕射：接收机与发射机之间的无线路径被光利的边缘阻挡时产生绕射（如：山峰，建筑物）。散射：当波传播的介质中存在小于波长的物体，并且单位体积内障碍物的个数非常多时产生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体、或其他不规则物体（在实际通信系
11、统中，街道标志和灯柱等）。,第25页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(1)反射,图3.5 反射波与直射波,第26页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(1)反射什么情况下发生反射？当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比波长大的多时，就会产生镜面反射。反射系数：考虑平面波入射情况，不同界面的反射特性用反射系数 R 表征：,由图3.5，接收机处的场强：,第27页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(1)反射当 dht，dhR 时，很小，R1,接收场强（干涉公式）：,由地面反射引起的变化,参见无线通信原理与应用美Theodore
12、S.Rappaport,第28页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(1)反射当 sin时，0.3弧度即：由此：接收电场近似为：,第29页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(1)反射如果 E0 为距发射机 d0 处电场，则对于 d d0：,较小时,第30页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(1)反射d 处的接收功率表示为：当距离 d 很大时，接收功率随距离成4 次方衰减，比自由空间损耗快得多；但与工作频率 f 无关。路径损耗用dB可表示为:,第31页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念
13、及区别 dB（分贝）：描述（功率）相对比值的单位。dB=10lg(功率比)dB是相对单位，不能表示功率的绝对电平值。,第32页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及区别 dBm（分贝毫瓦）：描述功率绝对值的单位。dBm=10lg(功率值/1mw)dBm是相对于 1mw功率电平的绝对值。1mw=0 dBm 20mw=13 dBm 40mw=16 dBm,第33页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及区别 dBw（分贝瓦）：描述功率绝对值的单位。dBw=10lg(功率值/1w)dBw
14、是相对于 1w功率电平的绝对值。1w=0 dBw=30dBm 2w=3 dBw=33dBm 40w=16 dBw=46dBm,第34页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及区别 dBi（分贝增益）：描述与全方向性天线相对增益的单位。dBd（分贝增益）：描述与偶极子天线相对增益的单位。一般认为，表示同一个增益时，用dBi表示比用dBd表示要大2.15。即：0dBd=2.15 dBi,第35页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(2)散射(Scattering)实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强。这是
15、因为当电波遇到粗糙表面时(例如像灯柱和树)，反射能量由于散射而散布于所有方向，这样给接收机提供了额外的能量。,第36页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(2)散射(Scattering)粗糙地面的反射:i入射角 hc表面平整度参考高度 如果平面上最大的凸起高度 hhc，则认为表明是光滑的，反之则为粗糙的。,表面平整度：,（瑞利准则）,第37页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(2)散射(Scattering)雷达有效截面模型：当较大的、远距离的物体（例如墙壁、广告牌等）引起散射时，该物体的位置对准确预测散射信号强度非常有用。散射体的雷达有效截面（RCS）定义
16、为：在接收机方向上散射信号的功率密度与入射波功率密度的比值。,第38页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(2)散射(Scattering)对城区移动无线系统，下面双静态雷达公式描述了波在自由空间中遇到较远散射体时的传播情况，在接收方向上的再反射为：,第39页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(2)散射(Scattering)公式对预测大物体（如建筑物，广告牌）散射接收功率非常有用。对欧洲一些大城市测试，得到几个建筑物的雷达有效截面RCS值,位于510km 处的中等和大建筑物的RCS值在：(14.155.7）dB m2的范围,第40页,2023/1/15,3.
17、1.4 三种基本传播机制,(3)绕射(Diffraction)绕射使无线电信号绕地球弯曲表面传播,能够绕到障碍物后面。尽管接收机移动到阴影区时,接收场强衰减非常迅速,但绕射场依然存在，并且具有足够的强度。估计电波经过山或建筑物绕射引起的信号衰减是预测场强的关键。,第41页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(3)绕射(Diffraction)绕射现象可以由Hungens原理解释。它说明波前上所有的点可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。绕射由次级波的传播进入阴影区形成，阴影区绕射波场强度为绕射波围绕障碍物所有的次级波的矢量和。,第42页,2023/1
18、/15,3.1.4 三种基本传播机制,(3)绕射(Diffraction)费涅尔区：表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距路径长度大n/2 的连续区域（n=1,2,）。,位于发射机到接收机之间的透明平面费涅尔区示意图,第43页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(3)绕射(Diffraction)第一费涅尔区：n=1的费涅尔区称为第一费涅尔区（是椭球面包围的空间区域）。费涅尔余隙x：障碍物顶 点P到直射线TR的距离：负余隙：阻挡时。正余隙：无阻挡时。,图 3.3 障碍物与余隙,(a)负余隙,(b)正余隙,第44页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(3)绕
19、射,由障碍物引起的绕射损耗与费涅尔余隙的关系：,图 3.4 绕射损耗与余隙关系,第一费涅尔半径：,第45页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,由图可见:当 x/x10.5 时，绕射损耗为 0 dB;当 x/x10 时，绕射损耗急剧增加。,(3)绕射(Diffraction)在移动通信系统中，对次级波的阻挡会产生绕射损耗。,P97 例3-1,第46页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(3)绕射(Diffraction)多重刃形绕射 在很多情况下，特别是山区，传播路径上不光一个阻挡体，而所有障碍物引起的绕射损失都必须计算。布灵顿(Bullington)提出用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体，就可以使用单刃绕射模型计算路径损耗。,第47页,2023/1/15,3.1.4 三种基本传播机制,(3)绕射(Diffraction)多重刃形绕射,单等效刃形,等效于单个刃形的布灵顿 Bullington 结构,这种双峰模型极大地简化了计算，并给出了比较好的接收信号强度的估计。,R,T,阻挡体#1,阻挡体#2,
