无线通信原理与移动网络教案.docx
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无线通信原理与移动网络教案
无线通信原理与移动网络教案
————————————————————————————————作者：
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《无线通信原理与移动网络》教案
授课教师：
钱良刘涛
授课班级:
09通信
电子信息与电气工程学院
二零一三年四月
电子信息与电气工程学院教案
第1次
第1章 无线通信系统导论
课时安排
2
授课时间
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）:
回顾无线通信系统的发展历史,从农耕时代的烽火狼烟到现代的蜂窝系统,卫星通信以及其它的无线网络。
还要讲述无线通信所面临的必须要战胜的挑战，以实现无线通信所规划的未来发展。
介绍当前的无线通信系统标准，包括应急系统与标准。
当前的无线系统现状与对于未来发展的巨大不同，暗示无线通信工作者，还有很多的探索工作需要完成。
教学内容（包括基本内容、重点、难点）：
1。
1无线通信的历史
1。
2无线通信系统的未来愿景
1.3无线通信领域的技术关键
1。
4无线通信系统
1.5无线频谱
1.6无线通信标准组织
1、无线通信系统的历史
1）最初的无线通信通过视距传输的方式传递信息;
2）电报系统与后来的电话系统;早期的广播系统传递模拟信号；
3）二十世纪七十年代，以太网的出现使许多商业公司放弃了无线广播，转而使用有线网络;
4）迄今为止，最成功的无线网络是蜂窝电话网络;
5）用于商业领域的卫星通信服务,是无线通信系统结构的另一个重要组成部分
2、无线通信系统的未来愿景
1）无线网络;
2）智能管家;
3）电话会议;
4）移动电视；
5）无线传感；
6）无线网络启用分布式控制系统.
3、 无线通信领域的技术关键
1）室内室外环境信道的测量与建模；
2）低功耗的手持式移动终端设备设计；
3）减少信道衰落,提高传输质量和频谱利用率的传输方式
4）更好的分配方式来实现有限频谱资源共享，以适应不同的无线网络应用;
5）路由和移动性管理，支持用户移动接收；
6）一种将各子网络连接在一起，并连接到有线核心网络的结构；
7）一个集成化且自适应的协议栈，以实现无线网络扩展到各个层次OSI模型的目的。
4、 无线通信系统
1）蜂窝电话系统（定义,主要特点,发展趋势,EDGE（GSM增强数据率演进），HSDPA）;
2）无绳电话；
3）无线局域网（IEEE802。
11,HIPERLAN）;
4）固定无线接入；
5）寻呼系统;
6）卫星通信网络;
7）蓝牙；
8）家庭通信网;
9）移动Adhoc网络（移动,多跳无线网络,自组织协议）;
10）超宽带（固有的安全性，高速度,本质上共存）;
11）无线城域网；
12）其他无线通信网络与应用.
5、无线频谱资源
1）1）频谱分配方法。
（大多数国家的政府机构，负责分配和控制使用无线电频谱，美国FCC的频谱分配用于商业用途，频谱管理办公室（OSM）的频谱分配用于军事;,可以通过拍卖获得频谱.优势：
以市场为基础，频谱的利用率高。
缺点：
限制竞争，延缓投资于基础设施的能力，对终端用户的初始收费较高。
免费带：
为了鼓励创新和低成本的实现;ITU-T）;
2）对现有系统的频谱分配。
6、无线通信标准组织
1）IEEE-电气和电子工程师协会
2）ETSI—欧洲电信标准化协会
讨论:
参考资料
1。
《现代通信技术
（2）》,纪越峰等编著，北邮出版社
2。
《无线通信与网络》，WilliamStallings编,清华大学出版社
3。
《无线通信技术》布雷克编，科学出版社
4.《无线移动通信网络》，SamiTabbane编，电子工业出版社
教学过程设计:
复习分钟，授新课分钟，安排讨论分钟，
布置作业分钟，其他分钟
授课类型（请打√）：
理论课√讨论课□实验课□练习课□上机□其他□
教学方式（请打√）:
讲授√讨论√示教□指导□其他□
教学资源（请打√）：
多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□
填表说明：
1、各栏目填写内容较多时,可附页；2、教学内容与讨论、思考题、作业部分可合二为一。
电子信息与电气工程学院教案
第2次
第2章路径损耗和阴影效应
课时安排
授课时间
教学目的、要求：
介绍接收信号功率由于路径损耗和阴影的变化特点。
给出最简单的信号传播模型:
自由空间路径损耗.此外,描述射线跟踪传播模型，提出一些简单的参数,这些参数经常用于实际分析。
教学内容（包括基本内容、重点、难点）：
2。
1无线电波传播
2。
2发送与接收信号模型
2。
3自由空间衰落
2。
4光线追踪
2.5简化的路径损耗模型
2。
6实证路径损耗模型
2.7阴影衰落
2。
8结合路径损耗和阴影
2.9路径损耗和阴影情况下的中断通信概率
2。
10小区覆盖
1、 无线电波传播
A:
概念--大规模的传播效应或当地平均衰减；路径损耗和阴影效应；小规模传播效应，多径衰落。
都导致接收信号的功率随距离的变化呈现出多样性变化,光线追踪模型，简化的路径损耗模型,实证路径损耗模型,组合路径损耗和阴影；统计模型的多径信道模型,窄带衰落模型;宽带衰落模型；MIMO信道模型单向传播模型,双向传播模型
B：
举例；
C:
研究话题--室内室外环境信道的测量与建模;消除信道损耗，提高接收质量和频谱利用率的技术方法
2、发送与接收信号模型
A:
最优CSI--信道容量，中断概率，误码性能
B:
非最优CSI（信道估计）——资源分配,信道容量,中断概率，误码性能.
C:
相关研究话题--根据给定的分集组合技术，与是否为最完善CSI进行接收SNR的分配;多天线系统中的信道自相关性研究;信道参数对信道容量和其他性能的影响；为了使信道容量最大化，信息符号与训练符号序列的最佳分配方案。
电波在不同性质的介质交界处,会有一部分发生反射，一部分通过。
如果平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能量进入第二个介质中,一部分能量反射回第一介质，无能量损耗。
反射波和传输波的电场强度取决于菲涅尔反射系数。
反射系数为材料的函数，并与极性、入射角和频率有关。
一边来说,电磁波为极化波即在空间相互垂直的方向上同时存在电厂成分.极化波在数学上可以表示为两个空间相互垂直的成分的和,例如水平和垂直，左手环和右手环计划成分等。
对于一定的极性,可以通过叠加计算反射场。
地面反射双线模型
在移动无线信道中，基站和移动台之间的单一直接路径很少是传播的唯一物理方式，因此单独使用自由空间传播模型，在多数情况下是不准确的.图2。
3所示的双线地面反射模型是基于几何光学的非常有用的传播模型，不仅考虑了直接路径，而且考虑了发射机和接收机之间的地面反射路径。
该模型在预测几千范围大尺度信号强度时是非常准确的，同时对城区视距内的微蜂窝环境也是非常准确的。
图2.3双线地面模型
在大多数移动通信系统中,最大的T—R距离最多为几千米，这样地球可假设为屏幕。
总得接收电场为直接视距成分和地面反射成分的合成结果。
参考上图,E0为距离发射机d0处的电场，对于d〉d0，自由空间电场为
两个波传播到达接收机,直射波：
地面反射的电场为：
绕射
绕射使得无线信号绕地球曲线表面传播，能够传播到阻挡提后面。
尽管接收机移动到阻挡提的阴影区时，接收场强衰减非常迅速,但绕射场依然存在并常常具有足够的强度。
绕射现象可由Huygens原理解释,它说明波前上的所有点可作为产生次级波的电源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。
绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。
阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。
发射机和接收机之间的情况见图2。
4，具有无线宽度,有效高度为h的阻挡物放在距发射机d1处，距接收机d2处。
很明显,波从发射机经阻挡屏的顶端到接收机传播的距离比直接视距传播距离要长。
假设h<〈d1、d2，并且h〉>λ，则直射和绕射路径差，称为附加路径长度。
相应的相位差：
当角度x很小的时候，可以近似：
图2.4绕射模型
由上述公式课件，直接视距路径和绕射路径的相位差，为阻挡物高度和位置的函数,也是发射机和接收机位置的函数。
作为路径差函数的绕射损耗可用菲涅尔区解释。
菲涅尔区表示从发射机到接收机次级路径长度比总的视距路径长度大nλ/2的连续区域。
在移动通信系统中，对次级波的阻挡产生了绕射损耗，即仅有一部分能量能绕过阻挡体.即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，接受能量为非阻挡菲涅尔区所贡献能量的矢量和。
图2。
5同心圆定义了连续菲涅尔区的边界
参见图2.5，障碍物阻挡传播路径，在发射机和接收机之间的附加路径延迟为半波长的整数倍的所有点构成一族椭球，椭球代表菲涅尔区。
注意菲涅尔区是以发射机和接收机为焦点的椭球。
图中显示了不同刃形绕射的情况。
一般来说当阻挡体不阻挡第一菲涅尔区，则绕射损失最小，绕射影响可忽略不计。
事实上,根据经验用于视距微博链路设计只要55%的第一菲涅尔区保持无阻挡，其他菲涅尔区的情况基本不影响绕射损耗.
图2。
6作为菲涅尔绕射参数v函数的刃形绕射增益
散射
实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强。
这是因为当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向。
像灯柱和树这样的物体在所有的方向上散射能量，这就给接收机提供了额外的能量。
远大于波长的平滑表面可建模成反射面。
表面的粗糙程度经常产生不同的传播效果。
使用瑞利原则测试表面粗糙程度，其中定义了给定入射角θ的表面平整度的参考高度h为
如果平面上最大的突起高度h小于这个值，就认为表面是光滑的，反之则认为是粗糙的。
对于粗糙表面,反射系数需乘以一个散射损耗系数ρ,以代表减弱的反射场。
雷达有效截面模型
当较大的,远距离的物体引起散射时，该物体的位置对准确预测散射信号强度时非常有用的。
散射体的雷达有效截面积（RCS）定义为在接收机方向上散射信号的功率密度与入射波功率密度的比值.可用绕射集合理论和物理光学分析散射场强。
对城区移动无线系统，基于双静态雷达公式的模型可用于计算远地散射的接收场强。
双静态雷达公式模型描述了波在自由空间中遇到较远散射物体时的传播情况。
在接收方向上的在再反射为:
其中
和
为散射物体分别到发射机和接收机的距离.在上公式中，散射物体假设在发射机和接收机的远场出。
变量RCS单位为dB·m^2,可由散射体表面面积近似得到。
对数距离损耗模型
基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外信道，平均接收信号功率随距离的对数衰减.这种模型已被广泛地使用。
对任意T—R距离，平均大尺度路径损耗表示为：
或
其中,n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；d0为近地参考距离，由测试决定。
D为T-R距离。
选择自由空间的参考距离是非常重要的,在宏蜂窝系统中，经常使用1km的参考距离。
而在微蜂窝系统中使用较小的距离（如100m或1m）。
参考距离应永远在天线的远场处。
以避免远近效应对参考路径损耗的影响。
由公式给出的自由空间路径损耗共识或通过测试给出参考路径损耗.表2。
1列出不用无线环境下，路径损耗指数。
表2。
1不同环境下路径损耗指数
室外传播模型
在无线通信系统中,电波传播经常在不规则地区。
在估计路径损耗时，要考虑特定地区的地形地貌。
地形从简单的曲线形状地形到多山区地形.同时也要考虑树木、建筑物和其他阻挡物等、大量的传播模型可用来预测不规则地区的路径损
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