第3讲 GSM-R通信系统--电波传播特性课件

1、第3讲 移动通信信道的电波传播主讲：谭传武 通信与信号学院课前回顾n手机右上角偶尔显示G/E/H/3G/4G，代表什么含义1 1、无线电波、无线电波2 2、移动通信信道特征、移动通信信道特征3 3、移动信道电波传播特性、移动信道电波传播特性内容简介问题：问题：宇航员通过什么与地面控制宇航员通过什么与地面控制中心取得联系？中心取得联系？ 实验实验1：奥斯特实验奥斯特实验证明：通电导线周围存在磁场证明：通电导线周围存在磁场 。即：电能产生磁。即：电能产生磁。实验实验2：闭合的线圈在磁场中做切割磁感线运动。闭合的线圈在磁场中做切割磁感线运动。证明：磁也能产生电。证明：磁也能产生电。n 电和磁的转换并

2、辐射形成无线信道无线电波按频率从低到高排列的顺序是：长波、中波、短波、微波。无线电波与声波一样也有不同的频率，不同的频率对应不同的波长，频率越高，波长越短，反之，频率越低，波长越长。无线电频段划分波段名波段名称称波长范围波长范围频率范围频率范围频段名称频段名称传播媒质传播媒质用途用途长波长波103104M30 300kHzLF低频低频地面波地面波电报电报 导航导航 长距离通信长距离通信中波中波2102103M3001500kHzMF中频中频天波、地面波天波、地面波无线电波广播、导航、海上无线电波广播、导航、海上移动通信、地对空通信移动通信、地对空通信中短波中短波502102M166MHzIF天

3、波为主天波为主广播中长距离通信广播中长距离通信短波短波1050M6 30MHzHF高频高频电离层反射波电离层反射波无线电广播通信、中长距离无线电广播通信、中长距离通信通信超短波超短波110M30300 MHzVHF甚高频甚高频天波天波雷达、电视、短距离通信雷达、电视、短距离通信分米波分米波110dm3003000 MHzUHF超高频超高频天波、空间波天波、空间波短距离通信、电视通信短距离通信、电视通信厘米波厘米波110cm330GHzSHF特高频特高频天波、外球层传播天波、外球层传播中继通信、无线电通信中继通信、无线电通信毫米波毫米波110mm30300GHzEHF极高频极高频雷达通信雷达通信

4、亚毫米波亚毫米波1mm以下以下300GHz以上以上超极高频超极高频光纤光纤光通信光通信（1）与光的传播相同。（2）无线电波也具有能量。（3）频率越高，传递信息就越多。（4）波长越长，能绕过障碍物的本领越大。（5）微波遇到障碍物会发生反射，还能穿过电离层。无线电波传播的特点：无线电波传播的特点：无线电波的传播速度n传播速度和传播媒质有关q真空中的传播速度等于光速(3108ms )q空气中的传播速度略小于光速（通常认为它等于光速 ）n无线电波的波长、频率和传播速度的关系： /q为速度(m/s)；为频率(Hz)；为波长(m)q不同介质中传播速度不同、波长不同 什么是移动通信信道？n基站天线、移动台天

5、线之间的传播路径空中接口相比有线信道它是相比有线信道它是开放性信道开放性信道 接收地理环境的复杂性与多样性接收地理环境的复杂性与多样性一、移动通信信道特征q电波易受因素影响电波易受因素影响n天气、干扰等天气、干扰等q电波传播方向具有一定范围电波传播方向具有一定范围q容易泄密容易泄密1 开放性信道容易受很多参数影响敌方雷达所辐射的电磁波接收点地理环境的复杂性与多样性接收点地理环境的复杂性与多样性地形分类地形分类 中等起伏地形中等起伏地形 不规则地形不规则地形2 接收点地理环境的复杂性与多样性丘陵、孤立山岳、斜坡中等起伏地形水陆混合接收点地理环境的复杂性与多样性接收点地理环境的复杂性与多样性地物分

6、类地物分类2 接收点地理环境的复杂性与多样性郊区郊区市区市区开阔地开阔地3 通信用户的随机性移动影响信道通信用户的随机性移动影响信道慢速步行时的通信高速车载时的不间断通信覆盖范围既要面状覆盖又要链状覆盖；覆盖范围既要面状覆盖又要链状覆盖；4 铁路移动通信铁路移动通信的信道特征的信道特征 铁路沿线地形复杂；铁路沿线地形复杂； 无线电传播环境恶劣；无线电传播环境恶劣； 列车的快速移动。列车的快速移动。4 铁路移动通信的信道特征铁路移动通信的信道特征用户密度不均匀。用户密度不均匀。4 铁路移动通信的信道特征铁路移动通信的信道特征车站线路电波传播特性主要包含以下四种传播损耗多径效应阴影效应多普勒频移二

7、、移动信道电波传播特性移动无线信道的特点电磁传播的主要方式：电磁传播的主要方式： 多普勒多普勒扩展效应扩展效应 开放性开放性 扩散性扩散性 损耗损耗散射波散射波直射波直射波多径反射波多径反射波绕射波绕射波n电磁波传播机制：直射、反射、绕射和散射。q传播损耗用来衡量电磁波在传播过程中产生的能量衰减的大小。q电波在自由空间中以直射波方式进行传播（电波从发射天线直接传播到接收天线），其能量既不会被障碍物所吸收，也不会被反射或散射。1 传播损耗传播损耗自由空间传播损耗特性传播距离越远，自由空间传播损耗越大；工作频率越高，自由空间传播损耗越大。不仅有自由空间的路径损耗，还有附加传播路径的损耗（反射、散射

8、、绕射、屏蔽、阻挡、吸收等引起）。传播损耗与小区的覆盖范围是密切相关的。电波传播方式直 射 波反 射 波绕 射 波散 射 波电波传播分析n1) 直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物, 直接到达接收端的电波, 称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。n2) 反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时, 会在物体表面发生反射, 形成反射波。 反射常发生于地表、 建筑物的墙壁表面等。 n3) 绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时, 会由阻挡表面产生二次波, 二次波能够散布于空间, 甚至到达阻挡体的背面, 那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。 由于地球表面的弯曲性和

9、地表物体的密集性, 使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。 n4) 散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时, 会在其表面发生散射, 形成散射波。 散射波可能散布于许多方向, 因而电波的能量也被分散于多个方向。 什么是多径传播：什么是多径传播：到达接收点的电磁波存在多条不同的路径，这种现象叫做多径传播。2 多径效应多径效应一是多径衰落一是多径衰落 电波通过各个路径的距离不同，从各条路径来的反射波电波通过各个路径的距离不同，从各条路径来的反射波到达的时间不同，相位不同，使得直射波和反射波有时到达的时间不同，相位不同，使得直射波和反射波有时候同相相加，有时候反相抵消，产生

10、了衰落。候同相相加，有时候反相抵消，产生了衰落。多径效应给电波传播带来什么影响？由于这种衰落导致接收信号的快速起伏，故也称为由于这种衰落导致接收信号的快速起伏，故也称为快衰落快衰落。二是多径时延二是多径时延 因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时延因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时延。多径效应给电波传播带来什么影响？思考题：n电磁波有哪三种传播机制？n什么是快衰落？3 阴影效应 什么是阴影效应？ 当电波在传播路径上遇到障碍物阻挡时，在障碍物的后面就会形成信号场强较弱的阴影区，这称为阴影效应。 由阴影效应引起的衰落称为阴影衰落。这种衰落使接收信号场强中值随着所处位置改变而呈现较慢

11、变动，故又称为慢衰落。阴影效应产生阴影衰落-慢衰落 当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。 表示移动速度；表示波长；表示入射波与移动台移动方向之间的夹角。4 多普勒频移多普勒频移cosdf 平坦衰落和频率选择性衰落 当移动无线信道的带宽大于发送信号的带宽，接收信号经历的就是平坦衰落。平坦衰落会使时域信号产生模糊和扩展，产生码间干扰。 当移动无线信道的带宽小于发送信号的带宽时，产生频率选择性衰落。信号频谱会在某些频率上产生幅度和相位的变化，在时域信号也会发生严重畸变。衰落的分类

12、衰落的分类 大尺度衰落和小尺度衰落 大尺度衰落是由周围环境和地物的差别而导致的阴影区引起的，表现为长时间内长距离内幅度的变化。 小尺度衰落是移动台的移动距离只有几个波长时，幅度的波动深度和速度的表征。它是由移动台附近物体复杂的散射引起的。 距离（m） -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 5010150200250300350400450500 场强 (dBm) 短期衰落 长期衰落 /2 衰落的分类衰落的分类思考题：n什么是多普勒频移？n什么是慢衰落？ 为了无缝覆盖和不重复覆盖，专家们只能根据传播损耗时的场强变换来建立数学模型。无线信道的传播特性给设计者带来了挑战n 为了确定网络的覆盖，常用的电波传播损耗预测模型有Okumura模型、Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型、对数阴影模型、CCIR模型、LEE模型以及COST-231 Walfisch-Ikegami模型。nOkumura-HataOkumu