无线通信技术2

1、无线通信技术2010-12-81无线电的传播大尺度路径损耗 自由空间传播模型 三种传播机制：反射、绕射和散射 链路预算小尺度衰落和多径效应 多径信道的冲激响应模型 小尺度衰落模型通信与信息工程学院21. 无线电传播介绍电磁波传播的三种机制：反射、绕射和散射。 大多数蜂窝系统 : 市区城区 传播模型的研究 A、距发射机一定距离处信号的平均场强； B、特定位置附近信号场强的变化；通信与信息工程学院大尺度路径损耗3对于A，预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机和接收机之间长距离（百米-千米）上的信号场强变化，称为大尺度传播模型。对于B，通常描述短距离（波长）或短时间（m

2、s-s）内接收信号场强的快速波动。这种模型称为小尺度衰落模型。大尺度路径损耗通信与信息工程学院4大尺度路径损耗2. 自由空间传播模型 作用：用于预测接收机和发射机之间完全无 阻挡的视距路径时接收信号的场强； 实例：卫星通信系统、微波视距无线链路等。 预测公式（Friis 公式）：通信与信息工程学院5大尺度路径损耗Pr-接收功率； Pt-发射功率；Gr-接收天线增益； Gt-发射天线增益； -波长（米）；d -接收机与发射机之间的距离（米）；L -系统损耗因子（L 1，与传播无关），通常归因于传输线损耗、滤波损耗等6大尺度路径损耗例题1：假设基站发送信号到移动台的场景。已知基站处天线增益为10d

3、B, 发射功率为10W, 移动台接收天线增益为3dB, 传输距离为10km, 工作频率为900MHz。求自由空间传播下的接收信号功率。通信与信息工程学院7大尺度路径损耗通信与信息工程学院路径损耗：表示信号衰减，定义为有效发射功率和接收功率的差，单位为dB(正值) -Friis自由空间模型有无适用条件？8大尺度路径损耗Friis自由空间模型的适用条件： （1）远场预测 Fraunhofer距离： 且 （2） 参考距离 且小于系统中所有接收机的距离。于是通信与信息工程学院9大尺度路径损耗例题2 求解最大尺寸为1m，工作频率为900MHz的天线的远场距离。例题3 如果发射机发射50W的功率，将其换算

4、成dBm和dBW。如果该发射机采用单位增益天线，载频为900MHz，求出在自由空间中距离天线100m处的接收功率，10km处呢？设接收天线为单位增益。 通信与信息工程学院10三种基本传播机制-反射、绕射和散射 大尺度传播模型（接收功率） 小尺度衰落模型（时间色散、相干带宽等） 反射：大尺寸物体（与波长相比） 绕射：边缘尖锐物体，依赖于物体的形状以及入射波的振幅、相位和极化情况 散射：介质中存在大量小粒子大尺度路径损耗11大尺度路径损耗反射 当无线电波入射到具有不同介电常数的两种介质交界处时，一部分被界面反射，一部分则通过界面。 对理想介质，能量无损耗； 理想导体，则全部反射； 反射波和透射波的

5、电场强度取决于入射波在介质中的菲涅尔（Fresnel）系数。12大尺度路径损耗菲涅尔（Fresnel）系数依赖于介质材料、入射波的极性、入射角、频率等；13大尺度路径损耗Brewster角：电磁波透射到介质界面上而不发生反射时的入射角。14大尺度路径损耗电场强度和功率之间的关系： 其中：E的单位：v/m P的单位：W15大尺度路径损耗双线地面反射模型自由空间模型的局限性 双线地面反射模型：直达径+地面反射路径 适用：预测km范围内的大尺度信号强度 城区视距内的微蜂窝环境16大尺度路径损耗双线地面反射模型两径模型17大尺度路径损耗计算路径差的方法18大尺度路径损耗例题4 移动台距离基站5km，使

6、用垂直的/4单极天线，增益为2.55dB，距离发射机1km处的场强为0.001v/m，载频为900Mhz。（a）求接收机天线的长度；（b）使用地面反射模型求解接收功率，假定发射机天线距离地面高度50m，接收机天线距离地面高度1.5m.19大尺度路径损耗绕射 可传播到阻挡物的后面 惠更斯原理解释：波前上的所有点都可以作为产生次级波的点源。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。20大尺度路径损耗绕射的两种情况： 情况A：21大尺度路径损耗情况B：22大尺度路径损耗等效图： 假设：h23大尺度路径损耗传播路径增大量为：相位差：当 很小时，24大尺度路径损耗绕射时，路径损耗是路径差的函数，这种损耗可以用

7、菲涅尔区来解释。费涅尔区： 费涅尔区半径25大尺度路径损耗在移动通信系统中，对次级波的阻挡产生了绕射损耗，仅有一部分能量能绕过阻挡体。也就是说，阻挡体使一些菲涅尔区发出的次级波被阻挡。 根据阻挡体的几何特征，接收能量为非阻挡菲涅尔区所贡献的能量的矢量和。如果第一费涅尔区的2/3没有被阻挡，那么可以认为该链路是“Line-of-sight(LOS)”26大尺度路径损耗例题5: 考虑GSM通信系统，一个通信链路其长度为2km，在链路正中间有一个高障碍物。若要不对该通信链路造成明显的影响，这个障碍物能够有多大？27大尺度路径损耗一般情况下，精确预测绕射损耗是不可能的，通常在预测中采用理论近似加上必要

8、的经验修正的方法。 刀刃绕射模型：阻挡体为单个物体，例如山峰，通过把阻挡体看作绕射刀形边缘来估计绕射损耗。 利用经验公式或图解来计算绕射损耗。28大尺度路径损耗图解：29大尺度路径损耗对多个阻挡体的情况，可等效为单个阻挡体，采用刀刃绕射模型来估计。30大尺度路径损耗散射 在实际的无线环境中，接收的信号通常比单独绕射和反射模型预测的要强一些。 这是因为当电磁波在传播中遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，像灯柱、树叶等这样的物体都会在所有方向上散射能量，这就给接收机提供了额外的能量。31大尺度路径损耗路径损耗估计与链路预算设计 传播模型的建立：分析与实验方法结合产生 实验方法：基于测

9、量数据进行曲线拟合 优点：考虑了所有已知和未知的因素 局限：特点频率、特定环境下得到的 本节课来学习实际中采用的路径损耗估计方法。32大尺度路径损耗对数距离路径损耗模型 理论和测量数据 室内和室外 接收信号的平均功率随距离呈对数衰减！ 平均大尺度路径损耗可表示为 33大尺度路径损耗或者其中： n-路径损耗指数，表明路径损耗随距离的增长速率，取决于传播环境；d0 -参考距离，由测试决定；d-T-R的距离；上划线表示给定d的所有可能路径损耗的平均34大尺度路径损耗坐标系为对数-对数坐标系，这样路径损耗就可表示为斜率是10n dB/十倍程的直线。参考距离选择：天线的远场区参考距离处的路径损耗：可通过

10、测试获得，也可以采用自由空间路径损耗公式计算得出不同无线环境下的路径损耗指数：35大尺度路径损耗36大尺度路径损耗对数正态阴影 上一小节仅讨论了接收信号的平均功率 相同T-R距离d时，不同位置的周围环境差别非常大，导致实际测量结果与平均值有很大差异。 测试表明，对任意的d值，特定位置的路径损耗PL(d)为随机的对数正态分布，即37大尺度路径损耗参考距离d0、路径损耗指数n和标准方差 ，系统地描述了具有特定T-R距离的位置的路径损耗模型。该模型可用于无线系统设计和和分析过程，从而对任意位置的接收功率进行计算机仿真。 实际中，n和 是根据测量数据计算出来：使测量值和估计值的均方误差最小。38大尺度路径损耗确定覆盖率 由于随机阴影的影响，覆盖区内一些位置的接收电平会低于设定的门限。计算覆盖百分率是非常有用的。 有效服务区域百分比39大尺度路径损耗40大尺度路径损耗作业题1：假设一个接收机位于一个