第2章無線通信基礎-2.ppt

1 提問 1 無線信道的傳播特征主要從哪兩個層面加以描述的 2 什么是大尺度衰落 什么是小尺度衰落 對通信系統(tǒng)有什么影響 3 在無線通信系統(tǒng)中 對接收信號影響比較嚴重的四種效應是什么 4 輻射體向空間輻射電磁場 依據(jù)其空間特性不同 可以將其劃分為哪三個不同的區(qū)域 5 依據(jù)不同的頻率 無線電波在空間有哪三種基本傳播方式 2 提問 平均信號強度 大尺度衰落 和小尺度衰落 大尺度衰落 反映信號的平均功率隨距離增大而產(chǎn)生的緩慢變化 包括大尺度路徑損耗和陰影衰落 主要影響通信距離或覆蓋范圍 慢衰落 小尺度衰落 主要表現(xiàn)為多徑衰落 反映數(shù)十個波長區(qū)間內信號功率的快變化 是影響接收信號質量的主要因素 快衰落 1 無線信道的傳播特征主要從哪兩個方面加以描述的 2 什么是大尺度衰落 什么是小尺度衰落 對通信系統(tǒng)有什么影響 3 地球表面波傳播 天波傳播和空間波傳播 三個不同的區(qū)域 近場區(qū) 中間區(qū)和遠場區(qū) 陰影效應 多徑效應 遠近效應 多普勒效應 3 在無線通信系統(tǒng)中 對接收信號影響比較嚴重的四種效應是什么 4 輻射體向空間輻射電磁場 依據(jù)其空間特性不同 可以將其劃分為哪三個不同的區(qū)域 5 依據(jù)不同的頻率 無線電波在空間有哪三種基本傳播方式 提問 4 2 2大尺度路徑損耗2 2 1概述電磁波傳播模型的研究重點 1 預測發(fā)射機在一定距離處的平均接收信號強度 或路徑損耗 預測平均信號強度描述的是發(fā)射機與接收機之間長距離上的信號強度變化 這種模型稱為大尺度傳播模型 用于估計無線信號覆蓋范圍的傳播模型 2 對特定位置附近信號強度變化進行分析 無線通信系統(tǒng)工作的地形多種多樣 所以 一種單一的傳播模型是無法準確描述收發(fā)機之間電波的傳播特性 需要根據(jù)不同的地域環(huán)境使用幾種不同的模型 5 為了建立比較貼合實際的大尺度損耗模型 需要將不同的地域環(huán)境根據(jù)地形起伏或地物高度 密度進行分類 1 根據(jù)地形起伏情況 分成中等起伏地形和不規(guī)則地形兩大類 中等起伏地形 指在無線傳播路徑的地形剖面圖上 地面起伏高度不超過20米 并且起伏緩慢 起伏地形最高點與最低點之間的水平距離大于它們之間的高度差 不規(guī)則地形 如水路混合地形 孤立的山岳 丘陵地等 通常以中等起伏地形作為研究基準 其他情況下的傳播模型則通過對基準情況模型進行修正得到 6 2 按服務區(qū)域的人口密度 建筑物密度及高度 經(jīng)濟發(fā)展水平及前景等情況進行分類 無線覆蓋區(qū)域可以劃分成如下類型 大城市 中等城市 小城鎮(zhèn)和農(nóng)村 建筑物的密度與高度對電波傳播會產(chǎn)生兩方面的影響 1 高大密集的建筑物對電波傳播會產(chǎn)生反射 散射 能量吸收等 這些因素綜合起來會加快電波傳播的大尺度損耗 2 高大建筑物還會造成電波陰影 陰影區(qū)的信號強度可能會非常弱 這些地域類型的具體描述如表2 2所示 7 表2 2無線覆蓋區(qū)域類型劃分 8 3 按照地物的密集程度不同可以分為三類地區(qū) 開闊地 在電波傳播的路徑上無高大樹木 建筑物等障礙物 呈開闊狀地面 如農(nóng)田 荒野 廣場 沙漠和戈壁灘等 郊區(qū) 在靠近移動臺近處有些障礙物但不稠密 如有少量的低層房屋或小樹林等市區(qū) 有較密集的建筑物和高層樓房 9 2 2 2自由空間傳播模型電波向周圍空間擴散傳播時 距離越遠 單位面積上所接收的能量就越少 這種電波擴散引起的衰耗稱為自由空間傳播損耗 自由空間傳播模型的作用 用于預測接收機和發(fā)射機之間完全無遮擋時的視線路徑接收信號強度 自由空間傳播的條件 理想的均勻介質 無阻擋 無反射 無繞射 無散射 無吸收 10 通?？梢园褲M足以下條件的空間近似視為自由空間 a 地面上空大氣層是各向同性的均勻介質b 無損耗的無限大空間 只有傳播損耗 如衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距無線鏈路是典型的自由空間傳播 直射波可近似按自由空間傳播模型進行預測 是電磁波傳播的最簡單情況 Friis公式給出了在自由空間中 距發(fā)射機d處接收天線的接收功率 11 12 接收天線有效面積 Ae Gr 2 4 其中 Gr為接收天線增益 為信號波長 2 2 2 13 工程上常用的dB為單位 正值表示衰減 則式 2 2 3 可寫成式 2 2 4 說明 對于自由空間的電磁波傳播 距離增加一倍時 傳播衰減增加6dB 20lg2dB 傳播距離增加到10倍時 衰減增加20dB 2 2 4 接收功率衰減與距離的關系為20dB 十倍程 14 Friis公式 2 適用范圍 Friis自由空間傳播模型僅適用于天線遠場區(qū) 定義 遠場區(qū)為接收天線與發(fā)射天線的距離df滿足下列條件的區(qū)域 df D和df 15 d0必須滿足遠場區(qū)條件 Pr d0 可以用式 2 2 2 預測得到 2 2 5 16 以dBm為單位表示時 式 2 2 5 變?yōu)槭街?Pr d0 的單位為mW 2 2 6 在實際常用的移動通信系統(tǒng)中 頻率在1 2GHz附近 室內環(huán)境參考距離典型值取1m 室外環(huán)境取100m或1km 這樣選取參考距離后 式 2 2 5 和式 2 2 6 中的分子就是10的倍數(shù) 這使得以dB為單位的傳播損耗計算很容易 17 明確幾個常用單位 單位dB 0dBm 10lg 1mW 0dBW 10lg 1W 是個相對值 表示兩個量的相對大小關系 表示功率絕對值的單位 0dBW 10lg 1W 10lg 1000mW 30dBm 30dBm 0dBm 30dB 18 例子1 假設發(fā)射機和接收機為單位增益天線 發(fā)射機的發(fā)射功率為50W A 將其換算成dBm B 將其換算成dBW C 如果d0 100m的接收功率為0 0035mW 請問10km處的接收功率是多少 19 解 A Pt W 50W Pt dBm 10lg Pt mW 1mW Pt dBm 10lg 50 1000 Pt dBm 47dBmB Pt dBW 10lg Pt W 1W Pt dBW 10lg 50 Pt dBW 17dBW 20 C Pr d Pr d0 d0 d 2將已知量代入公式可得 Pr 10km Pr 100m 100m 10km 2Pr 10km 0 0035mW 10 4 Pr 10km 3 5x10 10WPr 10km dBm 10lg 3 5x10 10W 1mW 10lg 3 5x10 7 64 5dBm 21 22 解 100m處的接收功率為 10km處的接收功率為 23 例2 2一個發(fā)射機通過天線發(fā)射出去的功率為1W 載波頻率為2 4GHz 如果收發(fā)天線的增益均為1 6 收發(fā)天線之間的距離為1 6km 請問 1 接收天線的接收功率是多少 dBm 2 路徑損耗為多少 3 傳播時延為多少 解 已知Pt 1W Gt Gr 1 6 f 2 4GHz d 1 6km 1 以dBm表示發(fā)射功率為 24 取參考距離為100m 利用式 2 2 4 求得參考點的功率為 根據(jù)式 2 2 6 接收天線在1 6km處的接收功率為 電磁波波長為 25 2 以dBm為單位時 根據(jù)式 2 2 4 路徑損耗為 3 傳播時延為 也可直接計算 26 2 2 3輻射電場與功率的關系1 輻射電場與接收功率的關系遠區(qū)輻射場的電場與磁場方向相互垂直 電場幅度與磁場幅度之比稱為電磁波的波阻抗 用 表示 為自由空間固有阻抗 磁導率 介電常數(shù) 27 則自由空間中的能流密度為 即天線在該點處的輻射功率密度 則距離發(fā)射天線d處的接收天線的接收功率為式 2 2 8 就把接收點的輻射電強與接收功率聯(lián)系起來了 能流密度指單位時間內通過與傳播方向垂直的單位面積的能量 28 2 接收機輸入電壓與接收功率之間的關系 Vant 天線的感應電勢Rant 接收天線的等效內阻Rin 接收機的輸入電阻Vin 接收機的輸入電壓顯然 Vin Vant 圖2 12接收機的等效電路 2 2 9 當接收機與天線匹配連接時 Rin Rant 接收機功率最大 式 2 2 9 給出了接收機輸入電壓與天線接收功率之間的關系注意 無負載時 Vin Vant 29 例2 3假設發(fā)射機在自由空間以50W功率發(fā)射 載頻為900MHz Gt 1 Gr 2 接收天線阻抗為50 的純電阻 假設無線通信系統(tǒng)處于最佳接收狀態(tài) 并且接收機與接收天線理想匹配 試求 1 10km處接收機收到的功率 2 接收天線的感應電場幅度 3 接收機的輸入電壓 30 解 已知Pt 50W fc 900MHz Gt 1 Gr 2 接收天線的50 純實數(shù)阻抗與接收機匹配 1 先計算電磁波的波長 所以10km處的接收功率為 用dBW或dBm為單位表示則有 Pr d 10lg 7 036 10 10 91 5dBW 61 5dBm 31 2 用式 2 2 8 計算接收電場幅度 3 用式 2 2 9 計算接收機輸入電壓為 2 2 9 32 33 2 2 4電磁波基本傳播機制自由空間傳播是電磁波傳播的最簡單情況 實際情況下 電磁波傳播路徑上一般存在不同的障礙物 發(fā)生反射 透射 繞射 也叫衍射 和散射等 34 1 電磁波的反射和透射反射的條件 當電波傳播中遇到兩種不同介質的光滑界面時 如果界面的尺寸遠大于電波的波長時 產(chǎn)生反射 假設平面波入射到兩種電介質的交界面 會發(fā)生反射和透射 a 若第二介質為理想導體 則僅有反射 無透射 無損耗 b 若是非理想電介質 則有能量損耗 反射波與傳輸波的電場強度取決于反射系數(shù)R和透射系數(shù) 反射系數(shù)與介質的屬性有關 并且與電波的極化方式 入射角 頻率有關 35 2 地面反射和傳播環(huán)境對功率衰減的影響 地面反射雙線模型 在移動無線信道中 MS和BS之間很少存在單一LOS傳播 所以只考慮了直射波的自由空間模型在很多情況下不能正確地預測大尺度衰減情況 在存在直射波的情況下 無線通信的雙線模型能夠準確地預測幾千米通信范圍的大尺度信號衰落 適用于農(nóng)村和城郊等比較平坦 開闊的傳播環(huán)境 并且對城區(qū)微蜂窩環(huán)境下的LOS鏈路也比較準確 該模型以幾何光學為基礎 考慮了直射 反射路徑 并且認為地面發(fā)生全反射 反射前后信號相位相差180 反射系數(shù)R 1 36 假設發(fā)射機和接收機均處于地平線上 其中間是平坦的地面 電磁波的傳播路徑有兩條 1 與自由空間傳播相同的LOS 視線路徑 2 經(jīng)地面反射后到達接收機的路徑 這兩條路徑的傳播距離是不相同的 使得同時到達接收機的兩路信號之間存在相位差 從而對傳播衰減產(chǎn)生影響 圖2 14無線傳播環(huán)境下的雙線模型 37 直線傳播距離 反射路徑傳播距離 雙線模型 38 則d1與d2的路徑差 d為 2 2 16 39 并參考式 2 2 5 中引入?yún)⒖键c距離d0的思想 可以導出經(jīng)直射路徑到達接收機的信號電場強度為式中 k 2 為自由空間波數(shù) E0為距發(fā)射機參考距離d0處的電場強度 40 則經(jīng)反射路徑到達接收機的信號電場強度可以表示為由于反射系數(shù)R 1 因此接收信號總的場強為 2 2 14 在全反射的情況下 由于d1和d2相差不大 和的差別對信號幅度的影響就可以忽略 可以認為但是 對于處在相位項上的d1和d2可能產(chǎn)生對信號幅度有很大影響的相位差 故其距離差不能忽略 41 將d2 d1 d代入式 2 2 14 得到 式中 k d為兩個到達信號之間的相位差 2 2 15 由路徑差 d的表達式可以得到 42 根據(jù)式 2 2 15 可以得到接收信號電場強度的包絡為 2 2 17 考慮到相位差 接收信號功率為 其中 43 2 2 19 距離d處接收機的接收功率為 以dB為單位表示的路徑損耗計算公式為PL d 40lgd 10lgGt 10lgGr 20lght 20lghr 40dB 10倍程 44 2 4大尺度路徑損耗與陰影衰落 雙線模型幾個重要結論 1 發(fā)射機與接收機之間的距離d很大時 接收功率隨距離的4次方成反比衰減 這表明其接收功率衰減比自由空間 2次方衰減 要快的多 顯示了發(fā)射天線和接收天線的高度對路徑損耗的明顯影響 路徑損耗與信號頻率無關 PL d 40lgd 10lgGt 10lgGr 20lght 20lghr 45 2 4大尺度路徑損耗與陰影衰落 第一費涅爾區(qū)距離 2 工程上一般認為 小于第一費涅爾區(qū)