無線通信基礎(chǔ)

無線通信基礎(chǔ)1第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五提問平均信號(hào)強(qiáng)度(大尺度衰落)和小尺度衰落

大尺度衰落：反映信號(hào)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?！ヂ?/p>

小尺度衰落：主要表現(xiàn)為多徑衰落，反映數(shù)十個(gè)波長區(qū)間內(nèi)信號(hào)功率的快變化，是影響接收信號(hào)質(zhì)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(gè)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(duì)通信系統(tǒng)有什么影響？2第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五地球表面波傳播、天波傳播和空間波傳播。三個(gè)不同的區(qū)域：近場區(qū)、中間區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)。陰影效應(yīng)；多徑效應(yīng)；遠(yuǎn)近效應(yīng)；多普勒效應(yīng)。3、在無線通信系統(tǒng)中，對(duì)接收信號(hào)影響比較嚴(yán)重的四種效應(yīng)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(gè)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3第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

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(diǎn)：

1、預(yù)測發(fā)射機(jī)在一定距離處的平均接收信號(hào)強(qiáng)度(或路徑損耗)；

預(yù)測平均信號(hào)強(qiáng)度描述的是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間長距離上的信號(hào)強(qiáng)度變化，這種模型稱為大尺度傳播模型。用于估計(jì)無線信號(hào)覆蓋范圍的傳播模型。

2、對(duì)特定位置附近信號(hào)強(qiáng)度變化進(jìn)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(zhǔn)確描述收發(fā)機(jī)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。4第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五為了建立比較貼合實(shí)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(jìn)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(diǎn)與最低點(diǎn)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(zhǔn)，其他情況下的傳播模型則通過對(duì)基準(zhǔn)情況模型進(jìn)行修正得到。5第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

2、按服務(wù)區(qū)域的人口密度、建筑物密度及高度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及前景等情況進(jìn)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(duì)電波傳播會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響：

1、高大密集的建筑物對(duì)電波傳播會(huì)產(chǎn)生反射、散射、能量吸收等，這些因素綜合起來會(huì)加快電波傳播的大尺度損耗；

2、高大建筑物還會(huì)造成電波陰影，陰影區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)非常弱。

這些地域類型的具體描述如表2-2所示。6第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五表2-2無線覆蓋區(qū)域類型劃分7第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3.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(dòng)臺(tái)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8第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.2.2自由空間傳播模型

電波向周圍空間擴(kuò)散傳播時(shí)，距離越遠(yuǎn)，單位面積

上所接收的能量就越少，這種電波擴(kuò)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(yù)測接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間完全無遮擋時(shí)的視線路徑接收信號(hào)強(qiáng)度。

自由空間傳播的條件：理想的均勻介質(zhì)；無阻擋、無反射、無繞射、無散射，無吸收。

9第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

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(zhì)

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(jìn)行預(yù)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(jī)d處接收天線的接收功率。

10第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五Ptd發(fā)射天線為全向均勻輻射，發(fā)射功率為Pt，則以發(fā)射源為中心，d為半徑的球面上單位面積功率為：

S＝Pt/4d2

發(fā)射天線增益：Gt發(fā)射天線在距離d處的輻射功率密度為Friis公式（1）：定義信號(hào)強(qiáng)度隨著距離的平方成反比衰減。（2-2-1）11第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

接收天線有效面積：Ae=Gr2/4

其中：Gr為接收天線增益，為信號(hào)波長。自由空間中距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率為：其中：Pt為發(fā)射功率；Gt是發(fā)射天線增益

Pr為接收功率；Gr是接收天線增益

d是T-R間距離，單位為m；為波長，單位為m；（2-2-2）12第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五工程上常用的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(duì)于自由空間的電磁波傳播，距離增加一倍時(shí)，傳播衰減增加6dB(20lg2dB)；傳播距離增加到10倍時(shí)，衰減增加20dB。（2-2-4）（2-2-3）自由空間的傳播衰減為接收功率衰減與距離的關(guān)系為20dB/十倍程13第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五Friis公式（2）：適用范圍Friis自由空間傳播模型僅適用于天線遠(yuǎn)場區(qū)。【定義】遠(yuǎn)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>>λ遠(yuǎn)場距離df計(jì)算公式：（D為天線的最大物理線性尺寸）14第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五參考距離T-R以距離d0作為接收功率的參考點(diǎn)。得到距離為d處的接收功率Pr與距離為d0的接收功率Pr(d0)的關(guān)系：d0必須滿足遠(yuǎn)場區(qū)條件。Pr(d0)可以用式（2-2-2）預(yù)測得到（2-2-5）15第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五以dBm為單位表示時(shí)，式（2-2-5）變?yōu)?/p>

式中，Pr（d0）的單位為mW。（2-2-6）在實(shí)際常用的移動(dòng)通信系統(tǒng)中（頻率在1～2GHz附近），室內(nèi)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(jì)算很容易。16第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五明確幾個(gè)常用單位：單位dB：dBW表示大于或小于1瓦的分貝數(shù)：dBmW（dBm）表示大于或小于1毫瓦的分貝數(shù)：0dBm=10lg(1mW)0dBW=10lg(1W)(是個(gè)相對(duì)值，表示兩個(gè)量的相對(duì)大小關(guān)系)(表示功率絕對(duì)值的單位)0dBW=10lg(1W)=10lg(1000mW)=30dBm30dBm-0dBm=30dB17第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五例子1

假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)為單位增益天線，發(fā)射機(jī)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(qǐng)問10km處的接收功率是多少？18第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五解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)=17dBW19第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五C)

Pr(d)=Pr(d0)(d0/d)2將已知量代入公式可得：Pr(10km)=Pr(100m)

*(100m/10km)2

Pr(10km)=0.0035mW*(10-4)

Pr(10km)=3.5x10-10WPr(10km)[dBm]=10lg(3.5x10-10W/1mW)

=10lg(3.5x10-7)

=-64.5dBm20第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

例題2：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均為單位增益天線，發(fā)射機(jī)的功率為50W，載頻為900MHz。求自由空間中距離天線100m和10Km處的接收功率為多少dBm？21第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

例題2：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均為單位增益天線，發(fā)射機(jī)的功率為50W，載頻為900MHz。求自由空間中距離天線100m和10Km處的接收功率為多少dBm？解：100m處的接收功率為10km處的接收功率為22第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

例2-2

一個(gè)發(fā)射機(jī)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(qǐng)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(shí)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

23第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

取參考距離為100m，利用式（2-2-4）求得參考點(diǎn)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24第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五（2）以dBm為單位時(shí)，根據(jù)式（2-2-4），路徑損耗為

（3）傳播時(shí)延為

也可直接計(jì)算25第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.2.3輻射電場與功率的關(guān)系

1、輻射電場與接收功率的關(guān)系

遠(yuǎn)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η表示:為自由空間固有阻抗磁導(dǎo)率介電常數(shù)26第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五則自由空間中的能流密度為(即天線在該點(diǎn)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(diǎn)的輻射電強(qiáng)與接收功率聯(lián)系起來了。能流密度指單位時(shí)間內(nèi)通過與傳播方向垂直的單位面積的能量。

（2-2-7）(W/m2)（2-2-8）(W)27第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2、接收機(jī)輸入電壓與接收功率之間的關(guān)系Vant－天線的感應(yīng)電勢Rant－接收天線的等效內(nèi)阻Rin－接收機(jī)的輸入電阻Vin－接收機(jī)的輸入電壓顯然，Vin≠Vant圖2-12接收機(jī)的等效電路（2-2-9）當(dāng)接收機(jī)與天線匹配連接時(shí)，Rin=Rant，接收機(jī)功率最大

式（2-2-9）給出了接收機(jī)輸入電壓與天線接收功率之間的關(guān)系注意：無負(fù)載時(shí)，Vin=Vant28第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

例2-3

假設(shè)發(fā)射機(jī)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50Ω的純電阻。假設(shè)無線通信系統(tǒng)處于最佳接收狀態(tài)，并且接收機(jī)與接收天線理想匹配。試求：

（1）10km處接收機(jī)收到的功率；

（2）接收天線的感應(yīng)電場幅度；

（3）接收機(jī)的輸入電壓。29第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

解：已知Pt=50W,fc=900MHz,Gt=1,Gr=2，接收天線的50Ω純實(shí)數(shù)阻抗與接收機(jī)匹配。

（1）先計(jì)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=－61.5dBm30第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五(2)用式（2-2-8）計(jì)算接收電場幅度:

(3)用式（2-2-9）計(jì)算接收機(jī)輸入電壓為:（2-2-8）(W)（2-2-9）31第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五作業(yè)：有一室內(nèi)無線局域網(wǎng)，載波頻率900MHz，小區(qū)半徑10m，使用單位增益天線。在自由空間路徑損耗模型下，若要求小區(qū)內(nèi)所有終端的最小接收功率為10μW，則發(fā)射功率應(yīng)該是多大？若工作頻率換為5GHz，相應(yīng)的所需發(fā)射功率又為多少？

P73-742-7、2-832第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.2.4電磁波基本傳播機(jī)制

自由空間傳播是電磁波傳播的最簡單情況。

實(shí)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。33第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

1.電磁波的反射和透射

反射的條件：當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時(shí)，如果界面的尺寸遠(yuǎn)大于電波的波長時(shí)，產(chǎn)生反射。

假設(shè)平面波入射到兩種電介質(zhì)的交界面，會(huì)發(fā)生反射和透射：

a)若第二介質(zhì)為理想導(dǎo)體，則僅有反射，無透射，無損耗；

b)若是非理想電介質(zhì)，則有能量損耗。

反射波與傳輸波的電場強(qiáng)度取決于反射系數(shù)R和透射系數(shù)Γ；反射系數(shù)與介質(zhì)的屬性有關(guān)，并且與電波的極化方式、入射角、頻率有關(guān)。34第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2.地面反射和傳播環(huán)境對(duì)功率衰減的影響（地面反射雙線模型）

在移動(dòng)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(yù)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(zhǔn)確地預(yù)測幾千米通信范圍的大尺度信號(hào)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(duì)城區(qū)微蜂窩環(huán)境下的LOS鏈路也比較準(zhǔn)確。該模型以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)，考慮了直射、反射路徑。并且認(rèn)為地面發(fā)生全反射，反射前后信號(hào)相位相差180°，反射系數(shù)R=-1。35第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(dá)接收機(jī)的路徑。

這兩條路徑的傳播距離是不相同的，使得同時(shí)到達(dá)接收機(jī)的兩路信號(hào)之間存在相位差，從而對(duì)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36第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五直線傳播距離：反射路徑傳播距離：

雙線模型37第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五則d1與d2的路徑差Δd為（2-2-16）38第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五并參考式（2-2-5）中引入?yún)⒖键c(diǎn)距離d0的思想，可以導(dǎo)出經(jīng)直射路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)電場強(qiáng)度為

式中，k=2π/λ，為自由空間波數(shù)；E0為距發(fā)射機(jī)參考距離d0處的電場強(qiáng)度。（2-1-1）遠(yuǎn)場區(qū)輻射電場表達(dá)式39第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五則經(jīng)反射路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)電場強(qiáng)度可