无线通信技术-第二章无线电的传播(一)

宽带无线通信技术上海大学通信与信息工程学院2012年10月第二章无线电传播前言无线电波可以通过多种方式从发射天线到接收天线。（1）自由空间波：直达波，外部空间通信，也可以表示陆上的视距传播（2）地波：沿地球表面附近的空间传播的无线电波叫地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障物，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波能绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大，长波可以很好地绕过它们。中波和中短波也能较好地绕过，短波和微波由于波长过短，绕过障碍物的本领就很差了。地球是个良导体，地球表面会因地波的传播引起感应电流，因而地波在传播过程中有能量损失。频率越高，损失的能量越多。所以长波、中波和中短波沿地球表面可以传播较远的距离，而短波和微波则不能。地波的传播比较稳定，不受昼夜变化的影响，而且能够沿着弯曲的地球表面达到地平线以外的地方。长波沿地面传播的距离要远得多，但发射长波的设备庞大，造价高，所长波很少用于无线电广播，多用于超远程无线电通信和导航等。地波是直达波传播、反射波传播和表面波传播的综合。2013年4月16日3前言无线电波可以通过多种方式从发射天线到接收天线。（3）对流层反射波传播：就是利用大气层对流层的不均匀性来散射电波，使电波到达视线以外的地方。对流层在地球上方约10英里处，是异类介质，反射系数随着高度的增加而减小。（4）电离层反射：电波波长小于1m时，电离层是反射体。陆地移动通信中，无线电传播主要是前两种的结合由于传输路径和地形的干扰，传播信号减小，这种信号强度的减小成为传播损耗。在无线传输过程中，需要考虑（1）随距离变化导致的路径损耗；（2）地形地貌导致的衰落；（3）相对移动导致的信号抖动；2013年4月16日4提要大尺度路径损耗（1）自由空间传播模型（2）三种传播机制：反射、绕射和散射（3）链路预算小尺度衰落和多径效应（1）多径信道的冲激响应模型（2）小尺度衰落模型2013年4月16日52.1大尺度路径损耗两种传播模型距发射机一定距离处信号的平均场强预测平均场强，用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于描述的是发射机和接收机之间长距离（~百米-~千米）大尺度的信号场强变化，称为大尺度传播模型。特定位置附近信号场强的变化通常描述短距离（~波长）或短时间（~ms-~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。当移动台在极小范围内移动时，由于来自不同方向、不同路径的多个相位随机变化的信号的叠加，可能会引起瞬时接收场强的快速波动。在小尺度衰落中，移动距离与波长相当时，接收信号功率可发生3到4个数量级的变化。当接收机逐渐远离发射机时，接收信号的平均功率逐渐减弱（由大尺度传播模型预测，5-40个波长取平均）2013年4月16日62.1大尺度路径损耗大尺度衰减与小尺度衰落2013年4月16日72.1.1自由空间传播模型2013年4月16日82.1.1自由空间传播模型2013年4月16日92.1.1自由空间传播模型例：已知基站处天线增益为10dB,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。解：基站天线增益1010,接收天线增益102;波长∗/∗，发射功率10，传播距离10根据自由空间传播模型，忽略系统损耗接收功率∗∗∗∗∗∗1.41∗102013年4月16日102.1.1自由空间传播模型路径损耗：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2013年4月16日1122(4)()10log10log,()()()()20log(*)32.44trtrrttrMHzkmPdLPLdBPGGPdBmPdBmGdBGdBfdπλ===++−−或者22,fDdDλ=为天线的最大物理尺寸；ffdDdλ和00dd（位于远场）2000()(),rrfdPdPddddd=2.1.1自由空间传播模型例1求解最大尺寸为1m，工作频率为900MHz的天线的远场距离。例2如果发射机发射50W的功率，将其换算成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2013年4月16日122.1.2电磁波传播的三种机制反射当电磁波遇到比其波长大得多的物体时，就会产生反射。反射发生于地球表面、建筑物面和墙壁表面。反射是产生多径衰落的主要因素。电磁波的反射发送生在不同介质交界处。理想介质表面上的反射没有能量损失。反射波与入射波的电场强度之比称为反射系数。反射系数与入射角、电磁波的极化方式和反射介质的特性有关。电磁波为极化波，空间传播时存在互相垂直的瞬时电场分量和瞬时磁场分量。垂直极化与水平极化：以地球表面为参考面P偏振与S偏振：以入射面为参考面P偏振：电场平行于入射面S偏振：电场垂直于入射面2013年4月16日132.1.2电磁波传播的三种机制反射S偏振：电场垂直于入射面；P偏振：电场平行于入射面S偏振P偏振上述两种情况下，对于理想导体界面有：S偏振：反射电场与入射电场大小相等，相位连续。P偏振：反射电场与入射电场大小相等，相位相差半个波长。2013年4月16日142.1.2电磁波传播的三种机制2013年4月16日152.1.2电磁波传播的三种机制2013年4月16日162.1.2电磁波传播的三种机制2013年4月16日172.1.2电磁波传播的三种机制绕射在实际情况中，直射波常常会被各种障碍物阻挡，由障碍物阻挡引起的附件传播损耗称为绕射损耗。实际上很难精确计算绕射损耗，为了便于估算，人们常常利用一些经典的绕射模型来进行估算，例如刀刃绕射模型和多重刀刃绕射模型等两种刀刃绕射传播方式：正高度模式负高度模式2013年4月16日182.1.2电磁波传播的三种机制绕射图中x表示障碍物顶点到直射线的距离，称为菲涅耳余隙。在负高度模式下，x为负值，正高度模式下，x为正值。障碍物引起的附加损耗与菲涅耳余隙的关系如下：x0表示第一菲涅耳区半径2013年4月16日192.1.2电磁波传播的三种机制绕射（1）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的经验修正的方法。（2）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。（3）利用经验公式或图解来计算绕射损耗。2013年4月16日202.1.2电磁波传播的三种机制散射若电磁波在介质中传播时遇到小于其波长的障碍，且单位体积中障碍物个数非常多时，就会发生散射。粗糙的表面、树叶、街上的各种标志、路灯等物体，在所有方向散射能量。在实际移动通信系统中，接收信号的能量比上述反射模型和绕射模型预测的场强要大，就是因为散射给接收机提供了额外的能量。散射很难定量计算。2013年4月16日212.1.3链路预算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：特定频率、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。2013年4月16日222.1.3链路预算对数距离路径损耗模型传播模型的获得：分析+实验测量数据接收信号的平均功率随距离呈指数衰减！平均大尺度路径损耗可表示为或者其中：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10ndB/十倍程的直线。2013年4月16日230()ndPLdd∝00()()10logdPLdBPLdnd=+2.1.3链路预算对数距离路径损耗模型参考距离选择：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：2013年4月16日242.1.3链路预算对数距离路径损耗模型对数正态阴影相同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（*）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。2013年4月16日25例题大尺度路径损耗测试数据如下表。在d0=100m处，求（1）路径损耗指数n的最小均方误差估计（MMSE）（2）计算标准偏差（3）运用结果模型估计2km处的接收功率解答：设为处的接收功率，为使用路径损耗模型对的估计值。那么测量与估计值的均方差之和为∑,使该值最小。（1）利用（*）式计算：=10nlog/=0,=-3n,=-10n,=-14.77n∑=6525-2887.8n+327.15n22013年4月16日26例题∑=6525-2887.8n+327.15n2654.32887.8令0，得到n=4.4（2）当n=4.4时，均方差为.38.096.17dB（有偏估计）（3）d=2km处接收功率的估计值为=0-10*4.4log(2000/100)=-57.24dB可以加上一个零均值和6.17dB的高斯随机变量来仿真d=2km处的随机阴影效应。2013年4月16日27作业作业题1：假设一个接收机位于一个50W发射机的10km距离处，载波频率为6GHz，假定为自由空间传播，同时Gt=Gr=1.求：1）接收机处的信号功率；2）如果将载波频率降为3GHZ，接收信号功率能否增大？增大多少？作业题2：确定路径损耗模型的参数你的任务是测量一个新的无线产品的信道路径损耗参数。你进行了测量并搜集到以下数据：参考距离0处的路径损耗：00路径损耗测量值：距离处的路径损耗：，i=1，…,N使用对数路径损耗模型，求路径损耗指数n的合适表达式，要求使测量值和模型计算值的均方误差最小。2013年4月16日28TheEnd