第2章无线通信基础-2.ppt

1 提问 1 无线信道的传播特征主要从哪两个层面加以描述的 2 什么是大尺度衰落 什么是小尺度衰落 对通信系统有什么影响 3 在无线通信系统中 对接收信号影响比较严重的四种效应是什么 4 辐射体向空间辐射电磁场 依据其空间特性不同 可以将其划分为哪三个不同的区域 5 依据不同的频率 无线电波在空间有哪三种基本传播方式 2 提问 平均信号强度 大尺度衰落 和小尺度衰落 大尺度衰落 反映信号的平均功率随距离增大而产生的缓慢变化 包括大尺度路径损耗和阴影衰落 主要影响通信距离或覆盖范围 慢衰落 小尺度衰落 主要表现为多径衰落 反映数十个波长区间内信号功率的快变化 是影响接收信号质量的主要因素 快衰落 1 无线信道的传播特征主要从哪两个方面加以描述的 2 什么是大尺度衰落 什么是小尺度衰落 对通信系统有什么影响 3 地球表面波传播 天波传播和空间波传播 三个不同的区域 近场区 中间区和远场区 阴影效应 多径效应 远近效应 多普勒效应 3 在无线通信系统中 对接收信号影响比较严重的四种效应是什么 4 辐射体向空间辐射电磁场 依据其空间特性不同 可以将其划分为哪三个不同的区域 5 依据不同的频率 无线电波在空间有哪三种基本传播方式 提问 4 2 2大尺度路径损耗2 2 1概述电磁波传播模型的研究重点 1 预测发射机在一定距离处的平均接收信号强度 或路径损耗 预测平均信号强度描述的是发射机与接收机之间长距离上的信号强度变化 这种模型称为大尺度传播模型 用于估计无线信号覆盖范围的传播模型 2 对特定位置附近信号强度变化进行分析 无线通信系统工作的地形多种多样 所以 一种单一的传播模型是无法准确描述收发机之间电波的传播特性 需要根据不同的地域环境使用几种不同的模型 5 为了建立比较贴合实际的大尺度损耗模型 需要将不同的地域环境根据地形起伏或地物高度 密度进行分类 1 根据地形起伏情况 分成中等起伏地形和不规则地形两大类 中等起伏地形 指在无线传播路径的地形剖面图上 地面起伏高度不超过20米 并且起伏缓慢 起伏地形最高点与最低点之间的水平距离大于它们之间的高度差 不规则地形 如水路混合地形 孤立的山岳 丘陵地等 通常以中等起伏地形作为研究基准 其他情况下的传播模型则通过对基准情况模型进行修正得到 6 2 按服务区域的人口密度 建筑物密度及高度 经济发展水平及前景等情况进行分类 无线覆盖区域可以划分成如下类型 大城市 中等城市 小城镇和农村 建筑物的密度与高度对电波传播会产生两方面的影响 1 高大密集的建筑物对电波传播会产生反射 散射 能量吸收等 这些因素综合起来会加快电波传播的大尺度损耗 2 高大建筑物还会造成电波阴影 阴影区的信号强度可能会非常弱 这些地域类型的具体描述如表2 2所示 7 表2 2无线覆盖区域类型划分 8 3 按照地物的密集程度不同可以分为三类地区 开阔地 在电波传播的路径上无高大树木 建筑物等障碍物 呈开阔状地面 如农田 荒野 广场 沙漠和戈壁滩等 郊区 在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密 如有少量的低层房屋或小树林等市区 有较密集的建筑物和高层楼房 9 2 2 2自由空间传播模型电波向周围空间扩散传播时 距离越远 单位面积上所接收的能量就越少 这种电波扩散引起的衰耗称为自由空间传播损耗 自由空间传播模型的作用 用于预测接收机和发射机之间完全无遮挡时的视线路径接收信号强度 自由空间传播的条件 理想的均匀介质 无阻挡 无反射 无绕射 无散射 无吸收 10 通常可以把满足以下条件的空间近似视为自由空间 a 地面上空大气层是各向同性的均匀介质b 无损耗的无限大空间 只有传播损耗 如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 直射波可近似按自由空间传播模型进行预测 是电磁波传播的最简单情况 Friis公式给出了在自由空间中 距发射机d处接收天线的接收功率 11 12 接收天线有效面积 Ae Gr 2 4 其中 Gr为接收天线增益 为信号波长 2 2 2 13 工程上常用的dB为单位 正值表示衰减 则式 2 2 3 可写成式 2 2 4 说明 对于自由空间的电磁波传播 距离增加一倍时 传播衰减增加6dB 20lg2dB 传播距离增加到10倍时 衰减增加20dB 2 2 4 接收功率衰减与距离的关系为20dB 十倍程 14 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 定义 远场区为接收天线与发射天线的距离df满足下列条件的区域 df D和df 15 d0必须满足远场区条件 Pr d0 可以用式 2 2 2 预测得到 2 2 5 16 以dBm为单位表示时 式 2 2 5 变为式中 Pr d0 的单位为mW 2 2 6 在实际常用的移动通信系统中 频率在1 2GHz附近 室内环境参考距离典型值取1m 室外环境取100m或1km 这样选取参考距离后 式 2 2 5 和式 2 2 6 中的分子就是10的倍数 这使得以dB为单位的传播损耗计算很容易 17 明确几个常用单位 单位dB 0dBm 10lg 1mW 0dBW 10lg 1W 是个相对值 表示两个量的相对大小关系 表示功率绝对值的单位 0dBW 10lg 1W 10lg 1000mW 30dBm 30dBm 0dBm 30dB 18 例子1 假设发射机和接收机为单位增益天线 发射机的发射功率为50W A 将其换算成dBm B 将其换算成dBW C 如果d0 100m的接收功率为0 0035mW 请问10km处的接收功率是多少 19 解 A Pt W 50W Pt dBm 10lg Pt mW 1mW Pt dBm 10lg 50 1000 Pt dBm 47dBmB Pt dBW 10lg Pt W 1W Pt dBW 10lg 50 Pt dBW 17dBW 20 C Pr d Pr d0 d0 d 2将已知量代入公式可得 Pr 10km Pr 100m 100m 10km 2Pr 10km 0 0035mW 10 4 Pr 10km 3 5x10 10WPr 10km dBm 10lg 3 5x10 10W 1mW 10lg 3 5x10 7 64 5dBm 21 22 解 100m处的接收功率为 10km处的接收功率为 23 例2 2一个发射机通过天线发射出去的功率为1W 载波频率为2 4GHz 如果收发天线的增益均为1 6 收发天线之间的距离为1 6km 请问 1 接收天线的接收功率是多少 dBm 2 路径损耗为多少 3 传播时延为多少 解 已知Pt 1W Gt Gr 1 6 f 2 4GHz d 1 6km 1 以dBm表示发射功率为 24 取参考距离为100m 利用式 2 2 4 求得参考点的功率为 根据式 2 2 6 接收天线在1 6km处的接收功率为 电磁波波长为 25 2 以dBm为单位时 根据式 2 2 4 路径损耗为 3 传播时延为 也可直接计算 26 2 2 3辐射电场与功率的关系1 辐射电场与接收功率的关系远区辐射场的电场与磁场方向相互垂直 电场幅度与磁场幅度之比称为电磁波的波阻抗 用 表示 为自由空间固有阻抗 磁导率 介电常数 27 则自由空间中的能流密度为 即天线在该点处的辐射功率密度 则距离发射天线d处的接收天线的接收功率为式 2 2 8 就把接收点的辐射电强与接收功率联系起来了 能流密度指单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量 28 2 接收机输入电压与接收功率之间的关系 Vant 天线的感应电势Rant 接收天线的等效内阻Rin 接收机的输入电阻Vin 接收机的输入电压显然 Vin Vant 图2 12接收机的等效电路 2 2 9 当接收机与天线匹配连接时 Rin Rant 接收机功率最大 式 2 2 9 给出了接收机输入电压与天线接收功率之间的关系注意 无负载时 Vin Vant 29 例2 3假设发射机在自由空间以50W功率发射 载频为900MHz Gt 1 Gr 2 接收天线阻抗为50 的纯电阻 假设无线通信系统处于最佳接收状态 并且接收机与接收天线理想匹配 试求 1 10km处接收机收到的功率 2 接收天线的感应电场幅度 3 接收机的输入电压 30 解 已知Pt 50W fc 900MHz Gt 1 Gr 2 接收天线的50 纯实数阻抗与接收机匹配 1 先计算电磁波的波长 所以10km处的接收功率为 用dBW或dBm为单位表示则有 Pr d 10lg 7 036 10 10 91 5dBW 61 5dBm 31 2 用式 2 2 8 计算接收电场幅度 3 用式 2 2 9 计算接收机输入电压为 2 2 9 32 33 2 2 4电磁波基本传播机制自由空间传播是电磁波传播的最简单情况 实际情况下 电磁波传播路径上一般存在不同的障碍物 发生反射 透射 绕射 也叫衍射 和散射等 34 1 电磁波的反射和透射反射的条件 当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时 如果界面的尺寸远大于电波的波长时 产生反射 假设平面波入射到两种电介质的交界面 会发生反射和透射 a 若第二介质为理想导体 则仅有反射 无透射 无损耗 b 若是非理想电介质 则有能量损耗 反射波与传输波的电场强度取决于反射系数R和透射系数 反射系数与介质的属性有关 并且与电波的极化方式 入射角 频率有关 35 2 地面反射和传播环境对功率衰减的影响 地面反射双线模型 在移动无线信道中 MS和BS之间很少存在单一LOS传播 所以只考虑了直射波的自由空间模型在很多情况下不能正确地预测大尺度衰减情况 在存在直射波的情况下 无线通信的双线模型能够准确地预测几千米通信范围的大尺度信号衰落 适用于农村和城郊等比较平坦 开阔的传播环境 并且对城区微蜂窝环境下的LOS链路也比较准确 该模型以几何光学为基础 考虑了直射 反射路径 并且认为地面发生全反射 反射前后信号相位相差180 反射系数R 1 36 假设发射机和接收机均处于地平线上 其中间是平坦的地面 电磁波的传播路径有两条 1 与自由空间传播相同的LOS 视线路径 2 经地面反射后到达接收机的路径 这两条路径的传播距离是不相同的 使得同时到达接收机的两路信号之间存在相位差 从而对传播衰减产生影响 图2 14无线传播环境下的双线模型 37 直线传播距离 反射路径传播距离 双线模型 38 则d1与d2的路径差 d为 2 2 16 39 并参考式 2 2 5 中引入参考点距离d0的思想 可以导出经直射路径到达接收机的信号电场强度为式中 k 2 为自由空间波数 E0为距发射机参考距离d0处的电场强度 40 则经反射路径到达接收机的信号电场强度可以表示为由于反射系数R 1 因此接收信号总的场强为 2 2 14 在全反射的情况下 由于d1和d2相差不大 和的差别对信号幅度的影响就可以忽略 可以认为但是 对于处在相位项上的d1和d2可能产生对信号幅度有很大影响的相位差 故其距离差不能忽略 41 将d2 d1 d代入式 2 2 14 得到 式中 k d为两个到达信号之间的相位差 2 2 15 由路径差 d的表达式可以得到 42 根据式 2 2 15 可以得到接收信号电场强度的包络为 2 2 17 考虑到相位差 接收信号功率为 其中 43 2 2 19 距离d处接收机的接收功率为 以dB为单位表示的路径损耗计算公式为PL d 40lgd 10lgGt 10lgGr 20lght 20lghr 40dB 10倍程 44 2 4大尺度路径损耗与阴影衰落 双线模型几个重要结论 1 发射机与接收机之间的距离d很大时 接收功率随距离的4次方成反比衰减 这表明其接收功率衰减比自由空间 2次方衰减 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 路径损耗与信号频率无关 PL d 40lgd 10lgGt 10lgGr 20lght 20lghr 45 2 4大尺度路径损耗与阴影衰落 第一费涅尔区距离 2 工程上一般认为 小于第一费涅尔区