无线通信基础2.pptx
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1、第1页 共102页 无线信道的损伤性 无线信道的复杂性1.多种损伤。加性的,乘性的;时间上的,频率上的;干扰,周围环境噪声;快变化的,慢变化的等等2.时变的信道 信道的特性随时间不同而发生变化。如何实现无线信道上的高质量通信,是一个具有挑战性的课题。如何实现无线信道上的高质量通信,是一个具有挑战性的课题。第1页/共102页第2页 共102页2.1 多径传播环境2.2 线性时变信道模型2.3 信道相关函数2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.5 小尺度多径衰落第2页/共102页第3页 共102页2.1 多径传播环境1、无线通信信号的传播方式2、接收信号中的四种效应3、衰落4、多径时延(时间色散)5
2、、多普勒频移(频率色散)2.1 多径传播环境(无线传播环境)第3页/共102页第4页 共102页2.1 多径传播环境1、无线通信信号的传播方式反射反射:当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射,反 射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射绕射:当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻 挡时将发生绕射。散射散射:当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体 积内阻挡体的个数非常巨大时,将发生散射。散射 发生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。直射直射:发射机信号无阻挡到达接收机。四种最基本传播方式:第4页/共102页第5页 共102页直射波直射波障碍物障碍物绕射波绕射波入射波入射波反射波反射
3、波电波的直射、反射和绕射发射天线发射天线接收天线接收天线2.1 多径传播环境一般情况下,相对于直射波,反射波、绕射波、散射波都比较弱。(射线跟踪法)第5页/共102页第6页 共102页2.1 多径传播环境2、接收信号中的四种效应(1)阴影效应阴影效应:由于大型建筑物和其它物体的阻挡,在电 波传播的接收区域中产生传播半盲区。第6页/共102页第7页 共102页2.1 多径传播环境远近效应远近效应:由于用户的随机移动性,发射机与接收机 之间的距离也是在随机变化。若发射机 发射信号功率一样,那么到达接收机时信 号的强弱将不同,离接收机近者信号强,离接收机远者信号弱。2、接收信号中的四种效应(2)第7
4、页/共102页第8页 共102页多普勒效应多普勒效应:由于用户处于高速移动(如车载通信)中,传播频率的扩散而引起的,其频 率扩散程度(多普勒频移)与用户运 动速度成正比。2.1 多径传播环境2、接收信号中的四种效应(3)多普勒频移XYdVS多普勒频率有正负吗?第8页/共102页第9页 共102页复习:1.无线通信信号的四种基本传播方式?2.什么是阴影效应?何谓半盲区?3.什么是多普勒效应?多普勒频移与用户运动速度之间的关系?第9页/共102页第10页 共102页2.1 多径传播环境2、接收信号中的四种效应(4)多径效应多径效应:l 由于接收者所处地理环境的复杂性,使得接收到的信号是多条从不同路
5、径过来的信号的合成。l 它们到达时的信号强度、信号相位、信号频率、信号方向都是不一样的。l 所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和。称这种自干扰现象为多径干扰或多径效应。第10页/共102页第11页 共102页2.1 多径传播环境2、接收信号中的四种效应(4)第11页/共102页第12页 共102页2.1 多径传播环境3、衰落(Fading)接收信号电平随距离或时间波动,这种现象称为衰落第12页/共102页第13页 共102页2.1 多径传播环境3、衰落(Fading)Distance inwavelengthSignalPowerT-R distanceTXRXRX大尺度路径损耗大尺度路径损
6、耗阴影损耗大尺度路径损耗阴影损耗小尺度衰落有损耗吗?有损耗吗?第13页/共102页第14页 共102页2.1 多径传播环境3、衰落(Fading)小尺度衰落例如GSM:fc=900MHz,0.55ns,d=16.7cm第14页/共102页第15页 共102页2.1 多径传播环境3、衰落(Fading)小尺度衰落两个矢量求和,则有接收信号:其中:固定无线通信与移动无线通信相比,是否存在小尺度衰落?第15页/共102页第16页 共102页微波暗室教室3、衰落(Fading)小尺度衰落实验第16页/共102页第17页 共102页2.1 多径传播环境第17页/共102页第18页 共102页2.1 多径
7、传播环境第18页/共102页第19页 共102页2.1 多径传播环境3、衰落(Fading)小尺度衰落衰落深度可达2040dB。电平幅度分布一般遵循:瑞利(Rayleigh)分布、莱斯(Rice)分布、纳卡伽米(Nakagami)分布等。变化速率快。具有选择性。即在不同频率、不同时间、不同空间,其衰落特性是不一样的。是无线移动通信中最难克服的衰落。第19页/共102页第20页 共102页2.1 多径传播环境3、衰落(Fading):小结三类不同层次的损耗1.大尺度路径损耗(Large-Scale Path Loss )2.阴影损耗(中尺度损耗)(Shadowing)3.小尺度衰落(Small-
8、Scale Fading )l 电磁波在空间传播所产生的损耗l 千米量级l 由传播阻挡的阴影效应所产生的损耗l 数百波长量级l 反映小范围接收电平平均值的起伏变化趋势l 数十波长以下量级第20页/共102页第21页 共102页2.1 多径传播环境4、多径时延(时间色散)同一发射信号通过不同路径到达接收端,它到达的时间先后和强度会有不同。到达信号之间不同的时间差,称为存在多径时延。多径时延对数字移动通信有极其重要的影响。第21页/共102页第22页 共102页2.1 多径传播环境4、多径时延(时间色散)基站(BS)移动台(MS)路径1路径2路径3多径时延大于脉冲宽度第22页/共102页第23页
9、共102页2.1 多径传播环境4、多径时延(时间色散)基站(BS)移动台(MS)路径1路径2路径3多径时延小于脉冲宽度第23页/共102页第24页 共102页2.1 多径传播环境4、多径时延(时间色散)多径时延小于脉冲宽度多径时延大于脉冲宽度第24页/共102页第25页 共102页2.1 多径传播环境5、多普勒频移(频率色散)当发射机与接收机之间有相对运动时,收到的电波将发生频率的变化,此变化称为多普勒频移。XYdVS第25页/共102页第26页 共102页复习:1.什么是大尺度路径损耗?什么是阴影损耗?2.什么是小尺度衰落?3.什么是多径时延?第26页/共102页第27页 共102页u 无线
10、信道是一个完全开放式信道,其传播损耗从宏观的大范围看,主要决定于传播的环境。2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落u 传播损耗不仅决定于传播距离,而且还与传播中的地形、地貌、传播的载波频率,以及发、收天线高度等密切相关。u 从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难。一般在工程上多采用一些模型与经验公式,它对于工程技术人员而言已基本上能满足工程上的估算要求。2.4 大尺度路径损耗(Large-scale path loss)与阴影衰落(Shadowing)第27页/共102页第28页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 自由空间传播模型(教材2.4.1)2.4.2 光滑平面上的电波传
11、播(教材2.4.2)2.4.3 带有阴影的对数距离路径损耗 (教材2.4.3,2.4.6)2.4.4 室外/室内传播模型(教材2.4.4/2.4.5)第28页/共102页第29页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落p 什么是理想无线信道?无阻挡、无吸收、无时变、无干扰,自由空间传播。2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型自由空间传播模型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功率p 无线电波在自由空间传播时,其单位面积中的能 量会因为扩散而减少。这种减少,称为自由空间 的传播损耗。第29页/共102页第30页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰
12、落Ptdn 发射功率为Pt,发射天线为各向均匀辐射,则以发射源为中心,d为半径的球面上单位面积功率为:S Pt/4 d2n 发射天线增益:Gtn 接收天线有效面积:A=Gr 2/4,其中Gr为接收天线增益,为信号波长。则有:接收天线输出的功率Pr为上述三者的乘积。一、一、Friis公式(1):定义2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型第30页/共102页第31页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落自由空间中距发射机d处天线的接收功率为:其中:Pt为发射功率;Gt是发射天线增益 Pr为接收功率;Gr是接收天线增益 d是T-R间距离,单位为m;为波长,单位为m;一、一、F
13、riis公式(1):定义2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型第31页/共102页第32页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落通常直接定义 是自由空间路径损耗:注意:距离每增加一倍或发射频率每增加一倍,自由空间损耗就增加6dB一、一、Friis公式(1):定义2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型路径损耗dB表示:接收功率衰减与距离的关系为20dB/十倍程第32页/共102页第33页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落一、一、Friis公式(2):适用范围2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型I.Friis自由空间传播模型仅
14、适用于天线远场区。【定义】天线远场区(Fraunhofer区)为超过远场 距离df 的地区,即:ddf远场距离df 定义为:(D为天线的最大物理线性尺寸)第33页/共102页第34页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落一、一、Friis公式(2):适用范围2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型II.参考距离 T-R距离d0作为接收功率的参考点。得到距离为d处的接收功率Pr与距离为d0的接收功率Pr(d0)的关系:第34页/共102页第35页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型明确几个常用单位:损耗单位dB
15、:dBW表示大于或小于1瓦的分贝数:dBmW(dBm)表示大于或小于1毫瓦的分贝数:第35页/共102页第36页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型 例题1:发射机和接收机均为单位增益天线,发射机的功率为50W,载频为900MHz。1)发射功率换算成dBW和dBm;2)求自由空间中距离天线100m和10Km处的接收功率为多少dBm?解:第36页/共102页第37页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型 例题2:有一室内无线局域网,载波频率900MHz,小区半径10m,使
16、用单位增益天线。在自由空间路径损耗模型下,若要求小区内所有终端的最小接收功率为10W,则发射功率应该是多大?若工作频率换为5GHz,相应的所需发射功率又为多少?解:第37页/共102页第38页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型大气效应(1):吸收衰减主要发生在高频段水蒸汽的最大吸收峰在23GHz(1.3cm);氧气的最大吸收峰在60GHz(5mm);对于12GHz(2.5cm)以下的频率,大气吸收衰减小于:0.015dB/km。第38页/共102页第39页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 2.4.1 自由空
17、间传播模型自由空间传播模型大气效应(2):雨雾衰减在10GHz以下频段,雨雾衰减并不严重,一般只有几dB。在10GHz以上频段,雨雾衰减大大增加,达到几dB/km。下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。第39页/共102页第40页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型大气效应(3):大气折射当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时,会产生弯曲。这种影响通常等效为地球半径发生了变化。对于超短波波段,折射现象尤为突出它会影响到视距的极限传播距离。低折射率区高折射率区入射方向折射方向第40页/共102页第41页 共102页2.4 大
18、尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 2.4.1 自由空间传播模型自由空间传播模型两个天线之间直线传播最大距离是:其中ht,hr(m)是两个天线的高度视距(LOS)的极限传播距离Re:等效 地球半径取标准大气压下的经验值第41页/共102页第42页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落作业:2.17第42页/共102页第43页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.2 2.4.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播l 反射的条件:当电波传播中遇到两种不同介质的光滑可反射平面(如地球的表面或水面)时,如果界面的尺寸远大于电波的波长时,产生反射。l 反射的表现:反射角入射角地面
19、反射模型(双线模型、两径模型)接收功率一定增强吗?接收功率一定增强吗?第43页/共102页第44页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.2 2.4.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播直线传播距离:反射路径传播距离:u 双线模型第44页/共102页第45页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.2 2.4.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播第45页/共102页第46页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.2 2.4.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播即有:即有:考虑到相位差,且反射无损耗,接收信号功率为:第46页/共102页第
20、47页 共102页1.上式显示随着发射机与接收机之间距离的增大,路径损耗会交替出现最小点和最大点;2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.2 2.4.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播相应的路径损耗为:2.一般的,路径损耗随着距离的增大而增大;第47页/共102页第48页 共102页复习:1.在自由空间传播模型中,若频率增加一倍,路径增加为十倍,路径损耗增加多少dB?2.发射天线高9米,接收天线高4米,LOS极限传播距离为多少公里?3.发射天线高30米,接收天线高2米,一般情况下,能够应用双线模型的最小距离为多少?第48页/共102页第49页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰
21、落2.4.2 2.4.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播当 时,有:即有d处的接收功率为:双线模型几个重要结论 路径损耗呈现4次幂衰减,这表明其接收功率衰减比自由空间(2次幂衰减)要快的多。显示了发射天线和接收天线的高度对路径损耗的明显影响。路径损耗与频率无关。第49页/共102页第50页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.2 2.4.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播第一费涅尔区距离:双线模型几个重要结论工程上一般认为:小于第一费涅尔区距离,路径损耗2次幂衰减;大于第一费涅尔区距离,路径损耗4次幂衰减。第50页/共102页第51页 共102页2.4 大尺度
22、路径损耗与阴影衰落2.4.2 2.4.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播双线模型几个重要结论 地面反射模型是应用射线跟踪法的一个简单且非常有用的模型。1.该模型在预测几千米范围(使用较高天线塔)内的大尺度信号强度时是非常准确的。2.对于小区视距内的微蜂窝环境的预测也是非常准确的。3.对于由直射波和强地面反射波为主导的无线信道的预测是很有效的。第51页/共102页第52页 共102页 例题3:应用双线模型分析一个郊区的蜂窝系统。1、已知室外参数,ht=10 m,hr=3 m,载波频率 fc=2 GHz。求第一费涅尔区距离dc?此处的功率损耗?单位增益天线 2、已知室内参数,ht=3 m
23、,hr=2 m,载波频率 fc=2 GHz。求第一费涅尔区距离dc?此处的功率损耗?单位增益天线2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落与自由空间损耗相比,如何?3km处双线模型与自由空间传播模型相比,如何?第52页/共102页第53页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落作业:B1、(a)在路径损耗分析中,分析双线模型的优点和缺点。(b)在下列情况下,双线模型是否可以应用,解释原因。1)ht=35m,hr=3m,d=250m 2)ht=30m,hr=1.5m,d=450mB2、比较双线地面反射模型中精确公式(2.4.12)与近似公式的 路径损耗差异。假定发射机高度为40m,接收机高度为3m,频
24、率为1800MHz,依据这两个公式分别求距离为1km,3km,5km时的路径损耗,并计算第一费涅尔区距离。第53页/共102页第54页 共102页 现场实验研究的经验证明,虽然发射机附近的平均功率服从2次幂衰减的规律,但远距离处的平均功率却随着距离的增大呈指数衰减。2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.3 2.4.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗l实际应用环境非常复杂。实际应用的模型大多都是通过理论分析和实际测量相结合来获得。理论分析针对应用环境,找出主要的影响因素,建立模型,通过仿真或计算得出传播模型。实际测量根据大量实验所得测量数据,绘出传播损耗的曲线或拟合成解析
25、式,再抽象出传播模型。第54页/共102页第55页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.3 2.4.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗 对于实际路径损耗估计,我们可以利用统计方法来研究传播特性,此时传播特性是以一般环境类型(如城市、郊区和农村)为基础的经验近似。实际路径损耗估计分为两部分:l 代表均值变化的:对数距离路径损耗l 代表局部变化的:对数正态阴影第55页/共102页第56页 共102页2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.3 2.4.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗一、对数距离路径损耗(1)基于理论和测试的传播模型指出,无
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