西电复试——无线通信05级课本第4章

移动无线信道（I）大尺度路径损耗（第4章）主要内容天线概述大尺度与小尺度模型电波传播方式概述自由空间的电波传播存在平坦地面时的电波传播对数距离路径损耗模型和对数正态阴影小区覆盖问题（仅噪声受限）和衰落容限链路预算奥村（Okumura）模型和Hata模型天线概述1）理想化各向同性天线（点源）2）方向性天线的方向图（波瓣图）3）天线的增益（G）4）天线的有效面积（口径，Ae）5）Friis传输公式1）理想化各向同性天线（isotropicantenna）没有体积、不存在损耗的点源辐射器。其（三维）方向图为球体，即在空间各个方向具有相同的辐射强度——无方向性。2r4PS其中，P为辐射功率，r为传播距离（位于天线远场）。r2）方向性天线的方向图（波瓣图）3）天线的增益（G）若某（无耗）方向性向天线在其最大辐射方向上某一位置处可以达到的辐射强度为Um，而发射功率为Pt，则要在同一位置达到同样的辐射强度，理想化点源的发射功率为PtG。我们称G为该方向性天线的增益。PtPtG理想化点源，G＝1；方向性天线，G1。EIRP工程应用上，常把PtG称作等效各向同性辐射功率（EffectiveIsotropicallyRadiatedPower），简记作EIRP。此时，G(dB)=10lgG，为明确起见，采用dBi标记这个分贝值。i：isotropical。理想偶极子（dipole）：一种理想化定向天线，G＝1.5，G(dBi)=1.76。半波偶极子：常用的参考天线，G＝1.64，G(dBi)=2.15。G(dBd)=10lgG－2.15ERP（等效辐射功率）ERP＝PtG／Gλ/2,dipoleλ／2偶极子的方向图：全向天线（偶极子）4）天线的有效面积（口径，Ae）天线的有效面积Ae：4DA2e其中，D为天线的方向因子，对于无损耗天线，G＝D。则，2eA4G5）Friis传输公式Friis公式：22erettrdAAPP其中，Pr为接收功率，Pt为发射功率，λ为电磁波波长。AetAerPr与Pt的关系推导：任何方向性发射天线的功率密度S为：2tt2d4GPd4EIRPS(W／m2)则，接收天线处的可用接收功率等于：2ertterrd4AGPSAP(W)22rttr2rer)d4(GGPP4GA自由空间电波传播的基本公式远场条件天线远场区指离天线足够远的区域。在远场处，球面波看上去像平面波。之所以发生这种“局部平面波行为”是因为：此时，球面波曲率半径是如此之大，在局部区域的相位波前近似为平面。满足条件时，可以将电磁波的传播看作像光线那样的射线传播。具体的条件由远场距离（rff）确定为：2ffD2r，其中D为天线长度。基站天线基站天线方向图与小区覆盖基站天线下倾天线方向图水平方向图特性：描述对方位的覆盖垂直方向图特性：体现对距离的覆盖方位覆盖：如全向天线（水平方向图为圆）的圆形覆盖或120°扇区覆盖。距离覆盖：天线波束应适当下倾，以保证最大辐射方向指向小区边缘。半功率束宽：理论分析和设计实践表明，要实现120°方位覆盖，并且在±60°上功率下降10dB，该天线的水平半功率波束宽度约为65°；如果在±60°上功率下降6dB，该天线的半功率波束宽度约为90°半功率束宽为65°的天线的水平方向图（虚线）半功率束宽为65°的天线的水平方向图（实线）波束下倾和波束赋形（1）波束下倾：实际应用中，会对天线的垂直方向图作适当的下倾，下倾角度最好使得最大辐射方向指向本小区边缘。这样，随着小区内传播距离的增加，天线方向图的强度也同步增加，以弥补距离损耗的的增加，使得小区内信号覆盖电平尽量均匀。实际的垂直方向图（1）…波束下倾角一定时，垂直波束宽度越小，覆盖距离越小。（2）波束赋形：上侧副瓣方向的辐射对距离覆盖而言是无用的，应该加以抑制；同时，下侧方向图零点可能导致覆盖盲点，应该加以填充，保证一定的辐射场强。通过优化设计，使天线垂直方向图的形状更有利于实现良好的距离覆盖。称这种对垂直方向图形状的改进为波束赋形。天线下倾：有两方面的目的，（1）实现良好的距离覆盖；（2）减小同频干扰。天线下倾的实现方式有机械下倾和电调下倾。无线信道研究的两个方面：无线信道的研究方法往往是基于理论分析和实测结果来形成特定的统计模型。一个方面，人们通过建立传播模型来描述信号经长距离（几百米到几十公里）传播后场强的变化，这类模型称为大尺度（Large-Scale）传播模型；另一方面，在电波传播过程中，微观上，信号场强在短距（几个信号波长）或短时（秒级）上呈现出快速波动的状况，我们称之为小尺度衰落，相应的模型称为小尺度（Small-Scale）衰落模型。小尺度上瞬时接收功率的变化大尺度上平均接收功率的变化室内，接收机移动，2GHz实测电波传播方式概述1.VHF、微波频段电波的传播特点2.无线电视距的计算公式3.三种基本传播机制4.惠更斯原理（绕射现象的物理解释）1.VHF、微波频段电波的传播特点VHF，超短波：载频30MHz～300MHz，波长1m～10m；微波：载频300MHz～300GHz，波长1mm～1m。主要空间波形式传播。既存在视距传播又存在非视距传播。视距（LOS，LineOfSight）传播的基本模式是收发点之间的直射波传播。2.无线电视距：指收发天线间的电波传播路径完全没有任何阻挡，电波射线可以直达的距离。TxRx直射波R最大无线电视距的计算：假定发射天线的地面高度为ht，接收天线的地面高度为hr，地球等效半径为Re，则可以计算得到最大视距为：)hh(R2drteMax,LOS标准大气情况下，Re=8500km，此时有：)hh(12.4drtMax,LOS其中，ht、hr单位为m，d的单位为km。习题：试推导最大无线电视距的计算公式（注意：Reht，Rehr）。3.三种基本传播机制：实际的电波传播空间往往存在各种各样的反射面、阻挡物等等，不一定存在直射波（视距或LOS传播路径）。对于无线移动通信所使用的工作频段，就电波的非视距（NLOS）传播而言，主要有：反射、绕射和散射三种基本的传播机制。它们发生的条件分别为：1）反射：当电波所投射到的表面尺寸远大于电波波长，并且该表面比较光滑，将发生电波的反射；2）绕射：当电波传播过程中遇到与电波波长具有可比性的阻挡物时，电波会绕过阻挡物而传播到它的背面去；3）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，将发生散射。可以理解为“乱”反射。比如：在电波穿越树林时，夏秋季节茂密的树叶会对其形成散射。注意：与一般意义上电波的对流层散射区分开。关于反射的结论1：假定入射空间为真空，反射面为无限大理想导体，当电场垂直于入射波平面时，0tririEEE此时，反射系数Γ＝－1。结论2：当介质1为自由空间，介质2为电介质，不论εr2等于多少，当入射角θi接近于0°时，且电场垂直于入射平面时，反射系数等于－1——入射电场和反射电场振幅相同，相位相反，不存在折射波。这说明，当电波掠地入射时，可以将地面建模为理想导体反射面。绕（衍）射传播：电磁波绕过障碍物（例如山峰或地球曲面）的传播称为绕射。当传播路径上障碍物的尺寸与电波波长相比，差别较小时，绕射现象最为显著，而当障碍物尺寸远大于及远小于电波波长时，将相应地以反射和散射现象为主。惠更斯（Huggens）原理：17世纪末，荷兰物理学家惠更斯在应用波动光学理论讨论光的直线传播时提出：由波源激起的任一波阵面上的每一点，都可看做次级球面波的波源，下一个波阵面上任一点的波动，将是前一个波阵面所有次级点源贡献之和。惠更斯原理简明地说明了“一浪推一浪”的物理机制，成功地应用于对波传播起主要作用的所谓主区和波的绕射等问题的讨论。菲涅尔（Fresnel）带域212n1n21d,d2nddddddTxRxdd1d2几何问题求解：,n=1,2,3,…。求rn。rndn1dn22121ddddnrn推导：2222212nddrdrnn22222121,drddrdnnnn由二项式定理：22222221221221112111drdrdrdrnnnn，由于d1rn，由于d2rn2112212nddrn即：dddnddddnrn212121菲涅尔带域：对于给定的n值，所有满足dn1＋dn2－d＝nλ/2的点在三维空间构成以Tx和Rx为焦点的旋转椭球面。不同的n对应于不同的椭球面（焦点不变）。我们称这些椭球体为菲涅尔区。这些椭球在竖直方向的剖面将呈现出一层又一层的圆形带域，我们称之为菲涅尔带域。第一菲涅尔带域：n＝1时对应的圆面称作第一菲涅尔带域。显然其半径r1为：当d1=d2=d/2时有，传播主区：相邻两个菲涅尔带域上的次级源在接收端（Rx）处对电磁波场的贡献是反相的。理论分析表明，要在Rx处达到自由空间的场强，不一定需要许多的菲涅尔区，也不一定需要全部的第一菲涅尔区，只要第一菲涅尔区截面积的1／3就可以获得自由空间场强。这样，最小菲涅尔半径为：。dddddddr2121211dr21max1110577.031rrr（续）要保证电波的有效传播（获得与自由空间相当的接收场强），在这个最小菲涅尔椭球的范围内应该不存在阻挡物，否则将造成严重衰减。这个衰减就是由阻挡引起的绕射衰减。参pp884.7.2标题之上一段倒数第三行。例：工作频率为900MHz，收发间距离为30km，求收发之间中点处的第一菲涅尔区半径及最小菲涅尔半径。［解］由于λ＝1／3m，d=30km，进而，r0=0.577r1=28.85m。dr21max1mr50max1习题：若工作频率为300MHz，收发中点处的第一菲涅尔区半径为多少？又若900MHz时，距发射点1／3收发距离处的第一菲涅尔区半径为多少？与前例对照，这些结果说明了什么？刃形绕射的不同情况绕射参数ν＝h/r12绕射增益（相对于自由空间）ν＝0时，Gd=－6dB，即损耗为6dB。自由空间的电波传播自由空间、方向性天线，我们已经得到：则，路径传播损耗（PathLoss）为：22rttr)d4(GGPP2rt2rtGGd4PPPL若假设收、发均为各向同性天线即Gt＝Gr＝1，此时可以得到以下路径损耗（分贝值）计算公式：。其中，f为工作载频，d为收发之间的距离。计算时，f以MHz为单位代入数值，d以km为单位代入数值。dlg20flg2044.32)dB(PL习题：f=900MHz，d=10km，计算PL(dB)；f=2.4GHz，d=100m，计算PL(dB)；存在平坦地面时的电波传播存在地面反射的双线模型双线模型下所得的结论：422dhhGGPPrtrttr也就是说，在存在地面反射的情况下，由于直射波场强和反射波场强的共同作用下，随着距离(d)的延伸，接收功率按距离的四次方衰减。这种情况下，衰减的程度要比自由空间（只有直射波）的情形要大得多。并且，这个公式与电波频率（或波长）无关。小结：［自由空间］［存在地面反射时］22)4(dGGPPrttr422dhhGGPPrtrttr2dPPPLrt＝即，4dPPPLrt＝即，路径损耗指数n：实测表明，在发射功率、天线参数和高度、电波频率等给定的情况下，平均路径损耗随传播距离（T-R距离）d的变化规律为：其中，d0为靠近发端的参考点距发端的距离。该参考点处的路径损耗一般可以通过实测获得。n为路径损耗指数，具体取值依赖于传播环境。应该指出，参考点也应位于发天线的远场。LP00,)(dddddLPn对于对数距离路径损耗模型：000,)()(dddddLPdLPn对