移动通信-第二章-移动通信电波传播与传播预测模.pptx

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第二章第二章胡胡苏苏通信抗干扰技术国家级重点实验室通信抗干扰技术国家级重点实验室移移动动通通信信移动通信电波与传播预测模型移动通信电波与传播预测模型主要内容主要内容2.1概述概述2.2自由空间的电波传播自由空间的电波传播2.33种基本电波传播机制种基本电波传播机制2.4阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性2.5移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数2.6电波传播损耗预测模型电波传播损耗预测模型2.1概述概述v为什么研究无线信道的电波传播特性？

为什么研究无线信道的电波传播特性？

2.1.2.1.概述概述信道信道hsrv白高斯噪声的定义和特点白高斯噪声的定义和特点定义：

定义：

u如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声高斯白噪声为什么叫为什么叫“白白”u由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性质被称作是质被称作是“白色的白色的”，此信号也因此被称作，此信号也因此被称作白噪声白噪声2.1.2.1.概述概述62.1.2.1.概述概述高斯信道高斯信道传输性能传输性能瑞利信道瑞利信道传输性能传输性能7dB25dB1e-31e-3无线电波传播特性无线电波传播特性v移动通信泛指采用移动通信泛指采用电磁波电磁波为传输媒介的无线通信为传输媒介的无线通信v频段划分频段划分7长波（LW，LongWave），是指频率低于300KHz的所有电磁波。

长波的特点是传输距离远，信号衰减小，由于频率低，所以携带信息量也小，故不适合传送信息量大的信号，该波段一般作为模拟（调幅）音频通信用。

无线电波传播特性无线电波传播特性v无线电波传播主要方式无线电波传播主要方式1.地波地波/地表面波传播地表面波传播2.天波传播天波传播3.空间波传播空间波传播4.散射波传播散射波传播8无线电波传播特性无线电波传播特性1，地波传播，地波传播电波沿着地球表面传播电波沿着地球表面传播v频率越低，地层的电导率越大，频率越低，地层的电导率越大，v波长越长，越适合地波传播波长越长，越适合地波传播长波和中波适于长波和中波适于地波地波f100mv地波不受气候影响，传播地波不受气候影响，传播比较稳定可靠。

比较稳定可靠。

v传播过程中，能量被大地不断吸收，因而传播距离不传播过程中，能量被大地不断吸收，因而传播距离不远。

远。

适宜较小范围里的通信和广播业务使用适宜较小范围里的通信和广播业务使用9地波传播地波传播无线电波传播特性无线电波传播特性2，天波传播，天波传播无线电波向天空辐射，由电离层反射无线电波向天空辐射，由电离层反射到接收点到接收点v电离层能反射电波，电离层能反射电波，也能吸收电波也能吸收电波频率越低，越易反射频率越低，越易反射频率越低，反射的高度越低频率越低，反射的高度越低频率越低，电离层的吸收越大频率越低，电离层的吸收越大v频率太高会穿透电离层而不能返回地面，频率太低会频率太高会穿透电离层而不能返回地面，频率太低会因为损耗太大而不能保证通信质量因为损耗太大而不能保证通信质量10电离层电离层天波传播天波传播无线电波传播特性无线电波传播特性v短波（即高频）是利用电离层反射传播的最佳短波（即高频）是利用电离层反射传播的最佳波段波段3MHzf10m无线电波传播特性无线电波传播特性3，空间波传播，空间波传播从发射点经空间直线传播到接收点从发射点经空间直线传播到接收点的无线电波叫空间波的无线电波叫空间波v空间波传播距离一般限于视距范围，因此又叫视距传空间波传播距离一般限于视距范围，因此又叫视距传播。

播。

v超短波和微波不能被电离层反射，主要是在空间直接超短波和微波不能被电离层反射，主要是在空间直接传播。

传播。

其传播距离很近，一般的传输距离也不过其传播距离很近，一般的传输距离也不过50公里左右公里左右中继传播中继传播12无线电波传播特性无线电波传播特性4，散射波传播，散射波传播v在无法建立微波接力的地区，如沙漠、海疆、岛屿之间在无法建立微波接力的地区，如沙漠、海疆、岛屿之间的通信，可以利用散射波的通信，可以利用散射波传递信息。

传递信息。

v电离层和比电离层低的对流层电离层和比电离层低的对流层等，都能散射微波和超短波无等，都能散射微波和超短波无线电波，实现超视距通信。

线电波，实现超视距通信。

v散射信号一般很弱，进行散射散射信号一般很弱，进行散射通信要求使用大功率发射机，通信要求使用大功率发射机，高灵敏度接收机和方向性天线高灵敏度接收机和方向性天线13不均匀不均匀大气大气无线电波传播特性无线电波传播特性蜂窝移动通信系统主要使用超高频蜂窝移动通信系统主要使用超高频UHF（300MHz3GHz）的主要原因：

的主要原因：

1.UHF频段主要采用空间波传输，其覆盖方式频段主要采用空间波传输，其覆盖方式适合于蜂窝移动通信系统适合于蜂窝移动通信系统2.UHF频段所需要的天线较短便于移动频段所需要的天线较短便于移动3.UHF频段受天气的影响较小频段受天气的影响较小1415散射体散射体典型的移动信道电波传播方式典型的移动信道电波传播方式1.直射波直射波（最强最强）3.绕射波绕射波（次强次强）2.反射波反射波（次强次强）4.散射波散射波（最弱最弱）2.1.2.1.概述概述视距信道v移动信道下的电波传播机制移动信道下的电波传播机制162.1.2.1.概述概述v信道按是否存在视距分类信道按是否存在视距分类视距信道：

视距信道：

u直射传播（直射传播（LOSLOS：

Light-Of-SightLight-Of-Sight），如），如卫星传播信道卫星传播信道非视距信道：

非视距信道：

u非直射传播（非直射传播（Non-LOSNon-LOS）：

绕射、散）：

绕射、散射、反射射、反射本本节内容小结节内容小结v无线电波传播主要方式无线电波传播主要方式1.地波地波/地表面波传播地表面波传播2.天波传播天波传播3.空间波传播空间波传播4.散射波传播散射波传播v蜂窝移动通信系统主要使用超高频蜂窝移动通信系统主要使用超高频UHF（300MHz3GHz）的主要原因：

的主要原因：

1.UHF频段主要采用空间波传输，其覆盖方式适合于频段主要采用空间波传输，其覆盖方式适合于蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统2.UHF频段所需要的天线较短便于移动频段所需要的天线较短便于移动3.UHF频段受天气的影响较小频段受天气的影响较小1718本节内容小结本节内容小结v移动信道下的电波传播机制移动信道下的电波传播机制直射波直射波反射波反射波绕射波绕射波散射波散射波2.2自由空间的电波自由空间的电波传播传播20回顾回顾v各向同性天线各向同性天线没有体积、不存在损耗的点源辐射器。

其方没有体积、不存在损耗的点源辐射器。

其方向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强度度v天线增益天线增益方向性天线在某方向的某位置达到方向性天线在某方向的某位置达到辐射场强辐射场强UmUm所用的发射功率为所用的发射功率为PtPt，而均匀辐射的点源天线所需的功率而均匀辐射的点源天线所需的功率为为P0P0，则，则21v直射：

直射：

电波沿直线传播的传播方式电波沿直线传播的传播方式自由空间电波传播损耗自由空间电波传播损耗u在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，无反射、折射、绕射、散射和吸收现象无反射、折射、绕射、散射和吸收现象u其单位面积中的能量会因扩散引起损耗其单位面积中的能量会因扩散引起损耗前提：

前提：

u发射天线远离地球，或没有阻挡物发射天线远离地球，或没有阻挡物（a）（b）（c）22v发射天线为各向均匀辐射发射天线为各向均匀辐射时时，以发射源为中心，以发射源为中心，d为半径的为半径的球面上单位面积的功率为：

球面上单位面积的功率为：

v如天线具有方向性（发射天线如天线具有方向性（发射天线增益为增益为GGTT），在主波束方向通），在主波束方向通过单位面积的功率为：

过单位面积的功率为：

Frris自由空间模型自由空间模型（FriisH.T.,Proc.IRE,1946）v设：

设：

1,1,接收天线增益接收天线增益Gr;2,;2,发射天线增益为发射天线增益为Gt3,3,发射功率为发射功率为PtPt,4,4接收天线与发射天线的距离为接收天线与发射天线的距离为dd23v主波束方向通过单位面积的功率主波束方向通过单位面积的功率v接收天线有效面积接收天线有效面积AARR:

抛物面天线，假定天线口面场具有抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布等相、等幅分布1212v则接收天线所截获的功率为则接收天线所截获的功率为1DipakL.SenguptaValdis，应用电磁学与电磁兼容，应用电磁学与电磁兼容2http:

/3,发射功率为发射功率为Pt,4接收天线与发射天线的距离为接收天线与发射天线的距离为d24v传播损耗，也称为路径损耗传播损耗，也称为路径损耗当当Gt=Gr=1时，自由空间的传播损耗为时，自由空间的传播损耗为将将f的单位改为的单位改为MHz，d的单位为改的单位为改Km，取对数，取对数25当当GtGt，GrGr非非11时，自由空间的传播损耗为时，自由空间的传播损耗为举例举例PT=10W=40dBmw；GR=GT=7（dBi）；f=1910MHz，D=500m问：

问：

LdB=?

PR=?

uLdB=32.45+20lg1910（MHz）+20lg0.5（km）-GR（dB）-GT（dB）=32.45+65.62-6-7-7=78.07（dB）2.22.2自由空间的电波传播自由空间的电波传播26u

（2）PR的计算的计算PR=PT/（10（L_dB/10）=PT/（107.807）=10（W）/（107.807）=156（nW）举例举例PT=10W=40dBmw；GR=GT=7（dBi）；f=1910MHz，D=500m,LdB=78.07（dB）27uW和和dBm的转换的转换都是功率单位都是功率单位折算为折算为dB更利于计算更利于计算u例：

例：

2.22.2自由空间的电波传播自由空间的电波传播28课堂练习课堂练习,发射功率为发射功率为PT=10mW，接收灵，接收灵敏度为敏度为PR=10nW，求，求LdB2.22.2自由空间的电波传播自由空间的电波传播29课堂练习课堂练习,发射功率为发射功率为PT=10mW，发射，发射/接接收天线增益收天线增益GR=GT=7dB，工作频率，工作频率f=1910MHz（20log1910=65.5dB，接收灵敏度，接收灵敏度为为PR=10nW，问接收机最远离发射机多远能，问接收机最远离发射机多远能正常工作正常工作30v非理想自由空间的传输损耗非理想自由空间的传输损耗路径损耗指数：

路径损耗指数：

u实测表明，在发射功率，天线参数和工实测表明，在发射功率，天线参数和工作频率给定的条件下，平均路径损耗作频率给定的条件下，平均路径损耗d0为靠近发端的参考点距发端的距离，为靠近发端的参考点距发端的距离，该处的损耗可以由实测获取该处的损耗可以由实测获取n为路径损耗指数，取决于传播环境为路径损耗指数，取决于传播环境参考点也必须在天线的远场参考点也必须在天线的远场31v典型环境的路径损耗指数典型环境的路径损耗指数典型取值：

典型取值：

42.22.2自由空间的电波传播自由空间的电波传播传播环境传播环境路径损耗指数，路径损耗指数，n自由空间自由空间2市区蜂窝通信市区蜂窝通信2.7-3.5有传播阴影的市区蜂窝有传播阴影的市区蜂窝通信通信3-5路径损耗指数的最小值为路径损耗指数的最小值为2？

v室内传播的路径损耗指数室内传播的路径损耗指数多条传播路径经过反射或多条传播路径经过反射或绕射到达同一个接收点绕射到达同一个接收点该接收点接收信号的功率该接收点接收信号的功率增加增加路径损耗指数小于自由空路径损耗指数小于自由空间传播（间传播

（2）与传播环境与天线配置有与传播环境与天线配置有关关32/4260GHz信号室内传播测量2.33种基本电波传播机制种基本电波传播机制342.332.33种基本电波传播机制种基本电波传播机制v反射反射（reflection）（reflection）：

阻挡体比传输波长大得多的物体阻挡体比传输波长大得多的物体产生多径衰落的主要因素产生多径衰落的主要因素352.3.22.3.2绕射绕射v绕射绕射（diffraction）（diffraction）：

当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射挡时，发生绕射u惠更斯惠更斯.菲涅尔原理菲涅尔原理阻挡体具有尖锐边缘阻挡体具有尖锐边缘频率越低，绕射能力越强频率越低，绕射能力越强l11时，莱斯分布将向高斯分布趋近，时，莱斯分布将向高斯分布趋近，衰落越轻。

衰落越轻。

概率密度函数概率密度函数概率分布函数概率分布函数上节内容上节内容v无线信道的衰落无线信道的衰落:

r（t）=m（t）r0（t）v无无线线信道的信道的两两大效大效应应：

多多径径效效应应多普勒效多普勒效应应v多径信道冲激响应函数多径信道冲激响应函数不存在直射径，瑞利不存在直射径，瑞利（Rayleigh）衰落衰落存在直射径，莱斯衰落存在直射径，莱斯衰落652.5.42.5.4多径信道主要参数多径信道主要参数&2.5.6&2.5.6多径衰落信道分类多径衰落信道分类11，时间色散参数和相关带宽，时间色散参数和相关带宽22，频率色散系数和相干时间，频率色散系数和相干时间33，角度色散参数和相关距离，角度色散参数和相关距离661,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽v时域上分析时域上分析时延扩展时延扩展u最大传输时延和最小传输时延的差值最大传输时延和最小传输时延的差值u最后一个可分辨的时延信号与最早的时延最后一个可分辨的时延信号与最早的时延信号到达时间的差值；信号到达时间的差值；发送脉冲信号发送脉冲信号接收多个脉冲信号接收多个脉冲信号671,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽平均时延：

归一化时延谱曲线平均时延：

归一化时延谱曲线的数学期望的数学期望均方值时延扩展均方值时延扩展p（t）Tm功率延迟分布示意图功率延迟分布示意图68v举例，两径信道举例，两径信道（0,0+T），每径功率，每径功率（2/3P,1/3P），求平均附加时延和求平均附加时延和rms时延扩展时延扩展P（）00+T2/3P1/3P691,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽v频率选择性衰落与平坦衰落频率选择性衰落与平坦衰落发送信号的码元周期发送信号的码元周期TTSS与信道时延扩展与信道时延扩展信号带宽信号带宽BBSS和相干带宽和相干带宽BBCC平坦衰落信道（非弥散信道）平坦衰落信道（非弥散信道）BS701,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽频率选择性衰落频率选择性衰落u信号中不同频率分量通过多径信道后，信号中不同频率分量通过多径信道后，所受衰落是否相同所受衰落是否相同,依赖于信号带宽与相依赖于信号带宽与相干带宽干带宽BSBC并且并且TS71v相关带宽相关带宽两径模型两径模型为分析简便为分析简便u第一径的信号为第一径的信号为Si（t）u第二径的信号为第二径的信号为rSi（t）ej（t），r为常数为常数等效网络的传递函数等效网络的传递函数72v信道的幅频特性为信道的幅频特性为731,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽v实际系统中实际系统中多径数目较多多径数目较多信道参数随时间随机变化信道参数随时间随机变化很难准确给出相关带宽大小很难准确给出相关带宽大小v工程近似工程近似RMS时延扩展基于时延扩展基于时延扩展1.信号带宽信号带宽时延扩展时延扩展1.信号带宽信号带宽信道相干带宽信道相干带宽2.信号符号周期信号符号周期时延扩展时延扩展平坦衰落平坦衰落频率选择性衰落频率选择性衰落时域上分析（频率选择性衰落）1,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽75v频域上分析频域上分析移动台的相对运动造成的多普勒扩展现象移动台的相对运动造成的多普勒扩展现象v时间选择性衰落：

时间选择性衰落：

信号在不同的时间衰落特性不一样。

多普勒扩展现象多普勒扩展现象相关时间相关时间Tc2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间762.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间v典型多普勒扩展典型多普勒扩展如果在如果在0,2pi0,2pi内的入射内的入射角均匀分布角均匀分布ClarkeClarke模型模型多普勒功率谱表达式多普勒功率谱表达式推导过程中，注意公式（2.46）772.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间v相干时间相干时间相干时间间隔内，信道相干时间间隔内，信道特性不发生明显的变化特性不发生明显的变化反映了信道衰落的时间反映了信道衰落的时间节拍节拍通过分析接收信号包通过分析接收信号包络的时域相关系数得络的时域相关系数得到到工程近似工程近似相干时间长相干时间短78/42基于多普勒扩展基于多普勒扩展多普勒频移低多普勒频移低1.信号符号周期信号符号周期信道变化信道变化多普勒频移高多普勒频移高1.信号符号周期信号符号周期信道相干时间信道相干时间2.基带信号变化基带信号变化信道变化信道变化非时间选择性衰落（慢衰落）非时间选择性衰落（慢衰落）时间选择性衰落（快衰落）时间选择性衰落（快衰落）2.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间792.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间v举例举例系统带宽系统带宽100KHz，符号周期，符号周期10us，经，经过均方时延为过均方时延为5us，最大多普勒频移为，最大多普勒频移为1Hz的信道，请估计信道衰落的特点的信道，请估计信道衰落的特点信道对信号的衰落特征是频率非选择性、信道对信号的衰落特征是频率非选择性、时域非选择性衰落时域非选择性衰落802.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间v课堂练习课堂练习系统带宽系统带宽100KHz100KHz2MHz2MHz，符号周期，符号周期10us10us0.5us0.5us，经过最大多径时延为，经过最大多径时延为5us5us，最大多普勒频移为最大多普勒频移为1Hz1Hz的信道，请估计的信道，请估计信道衰落的特点信道衰落的特点信道对信号的衰落特征是频率选择性、信道对信号的衰落特征是频率选择性、时域非选择性衰落时域非选择性衰落8133，角度色散参数和相关距离，角度色散参数和相关距离（1/3）（1/3）基于角度扩展基于角度扩展低空间角度扩展低空间角度扩展高角度扩展高角度扩展空间非选择性衰落空间非选择性衰落空间选择性衰落空间选择性衰落v空域上分析（空间选择性衰落）空域上分析（空间选择性衰落）8233，角度色散参数和相关距离，角度色散参数和相关距离（2/3）（2/3）v空间选择性衰落：

空间选择性衰落：

由角度色散即空间相关性产生（多天线情况下存由角度色散即空间相关性产生（多天线情况下存在）在）v角度扩展与传播环境中的散射体分布有关。

角度扩展与传播环境中的散射体分布有关。

散射体越多，角度扩展越大散射体越多，角度扩展越大；散射体越少，角度扩展越小散射体越少，角度扩展越小。

信道独立信道独立同时出现深同时出现深衰落的概率衰落的概率降低降低8333，角度色散参数和相关距离，角度色散参数和相关距离（3/3）（3/3）v相关距离：