移动通信_第二章_移动通信电波传播与传播预测模型_2011_TWB

2020年2月26日星期三NCL,UESTC第二章移动通信电波与传播预测模型授课教师：唐万斌电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室NationalKeyLaboratoryofCommunications,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina2011年9月《移动通信》第二章移动通信电波与传播预测模型2学习重点和要求理解电波传播的基本特性了解3种电波传播的机制掌握自由空间和阴影衰落概念掌握多径信道模型的原理和多径信道的参数理解无线信道中信号经历多径衰落的基本特性，掌握多径传播与快衰落、阴影衰落、时延扩展与相干带宽的关系掌握描述信道衰落特性的特征量第二章移动通信电波与传播预测模型3参考书籍杨大成等编著，移动通信传播环境：理论基础、分析方法和建模技术，机械工业出版社，2003年8月第1版；T.S.Rappaport,WirelessCommunicationsPrinciplesandPractice,2ndEdition,PrenticeHall,2001.G.L.Stüber,PrinciplesofMobileCommunication,2ndEdition,KluwerAcademciPubblishers,2000.郭梯云、杨家玮、李建东，数字移动通信，人民邮电出版社，1996年3月。第二章移动通信电波与传播预测模型4主要内容2.1概述电波传播的基本特性电波传播特性的研究2.2自由空间的电波传播2.33种基本电波传播机制反射与多径信号绕射散射第二章移动通信电波与传播预测模型52.4阴影衰落的基本特性2.5移动无线信道及特性参数多径衰落的基本特性多普勒频移多径信道的信道模型描述无线信道的主要参数多径信道的统计分析多径信道的分类衰落特性的特征量衰落信道的建模与仿真主要内容第二章移动通信电波与传播预测模型6主要内容2.6电波传播损耗预测模型室外传播模型室内传播模型传播模型校正第二章移动通信电波与传播预测模型72.1概述2.2自由空间的电波传播2.33种基本电波传播机制2.4阴影衰落的基本特性2.5移动无线信道及特性参数2.6电波传播损耗预测模型主要内容第二章移动通信电波与传播预测模型82.1概述主要内容第二章移动通信电波与传播预测模型9电波传播特性的研究研究开发移动通信系统某个特定频段和特定环境中的传播机制大尺度衰落（路径损耗）小尺度衰落（幅度、相位、功率分布等）如何研究无线移动通信信道？理论分析：用数学模型描述现场电波实测：实验测量、验证、校正2.1概述第二章移动通信电波与传播预测模型102.1概述某个特定频段和特定环境中的传播机制极低频：典型应用为对潜通信，地下通信，地下遥感，电离层与磁层研究。超低频：典型应用为地质结构（包括孕震效应）探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。甚低频：典型应用为Omega(美)、α（俄）超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。第二章移动通信电波与传播预测模型112.1概述低频：典型应用为LoranC（美）及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。中频：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）。采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-空通信。特高频（分米波）：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信。超高频（厘米波）：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。极高频（毫米波）：用于短距离通信，雷达，卫星遥感。此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展。第二章移动通信电波与传播预测模型122.1概述第二章移动通信电波与传播预测模型132.1概述2.1.1电波传播的基本特性按视距分类视距信道：直射传播（LOS：Light-Of-Sight），如卫星传播信道非视距信道：非直射传播（Non-LOS）：绕射、散射、反射按不同距离内信号强度变化的快慢分类大尺度衰落小尺度衰落按信号与信道变化快慢程度的比较分类长期慢衰落短期快衰落第二章移动通信电波与传播预测模型142.1概述直射传播：在自由空间中,电波沿直线传播而不被吸收,也不发生反射、折射和散射等现象而直接到达接收点的传播方式。直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗:32.4520lg()20lg()bsLdkmfMHzdB其中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。(a)(b)(c)第二章移动通信电波与传播预测模型152.1概述反射(reflection)：当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。散射(scattering)：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，发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。绕射(diffraction)：当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。第二章移动通信电波与传播预测模型16图2-1典型的移动信道电波传播方式1.直射波(最强)3.绕射波(次强)2.反射波(次强)4.散射波(最弱)散射体2.1概述第二章移动通信电波与传播预测模型172.1概述大尺度衰落：用于描述发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米）或长时间上信号强度的变化，又叫做长期慢衰落。小尺度衰落：用于描述发射机与接收机之间的短距离（几个波长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化，又叫做短期快衰落。两种衰落并非独立，同时存在与无线信道中大尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多径）描述长距离上信号强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动原因信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和地点的变化影响业务覆盖区域信号传输质量第二章移动通信电波与传播预测模型182.1概述无线移动通信信道的基本概念r(t)=m(t)×r0(t)长期慢衰落：m(t)路径损耗：自由空间损耗由信道路径上的固定障碍物的阴影产生，∝d-n短期快衰落：r0(t)由移动台的运动和环境变化产生01()iLjtilrtte第二章移动通信电波与传播预测模型192.1概述长期慢衰落和短期快衰落移动台相对位移（距离）移动台运动的小区域基站发射天线实线：短期快衰落虚线：长期慢衰落r0(t)m(t)电波传播特性的研究基本方法•理论分析方法（如射线跟踪法）•现场测试方法（如冲激响应法）应用成果•传播预测模型的建立•为实现信道仿真提供基础考虑问题•衰落的物理机制•功率的路径损耗•接收信号的变化和分布特性2.1概述第二章移动通信电波与传播预测模型212.2自由空间的电波传播第二章移动通信电波与传播预测模型222.2自由空间的无线电传播自由空间电波传播在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，无反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散引起的传播损耗预备知识天线的方向性天线的方向性功率增益天线的有效面积与功率增益的关系第二章移动通信电波与传播预测模型232.2自由空间的无线电传播前提：发射天线远离地球，或没有阻挡物；设：在接收天线方向，具有增益Gt;在发射天线方向，接收天线的增益为Gr;发射功率为Pt；接收天线与发射天线的距离为d；第二章移动通信电波与传播预测模型242.2自由空间的无线电传播接收天线接收到的信号功率Frris自由空间模型(FriisH.T.,Proc.IRE,1946)Ar=l2Gt/(4p为天线接收的有效面积。传播损耗为L=Pt/Pr24rtrtPPGGdlp第二章移动通信电波与传播预测模型252.2自由空间的无线电传播传播损耗，也称为路径损耗当Gt=Gr=1时，自由空间的传播损耗为L=(4pd/l)2L(dB)=32.45+20lgf+20lgd注意：1)f的单位为MHz，d的单位为Km;2)d需要满足dD(D为天线最大物理直线尺寸)和dl;第二章移动通信电波与传播预测模型262.33种基本电波传播机制第二章移动通信电波与传播预测模型272.33种基本电波传播机制2.3.1反射与多径信号反射sinsinzRz200200coscos60zzjl(垂直极化)(水平极化)l介电常数；电导率；波长发射系数：第二章移动通信电波与传播预测模型28典型介质的介电常数和电导率2.33种基本电波传播机制第二章移动通信电波与传播预测模型29ABdhbbhmxChthrlxx’两径传播模型L=PT/PR=(4dp/l)2/(GtGr)221e4jrtrtPPGGRlp2/;(();(llACCBABpl路径的相位差)路径的距离差)R是地面反射系数取决于介电常数和波长d4trhhdpl2.33种基本电波传播机制第二章移动通信电波与传播预测模型302.33种基本电波传播机制推广到多径情况多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功率两径传播模型适用于开阔地区移动信道22111e4NjrtrtiiPPGGRlp第二章移动通信电波与传播预测模型312.33种基本电波传播机制2.3.2绕射惠更斯.菲涅尔原理空间A处有一球面波源，为了讨论它的辐射场的大小，根据惠更斯-菲涅尔原理，可以做一个与之同心、半径为R的球面，P点与A点相距d=R+r0，为了计算方便起见，我们将球面S分成许多环形带Nn(n=1,2,3,:)，并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长（物理学上称这种环带为菲涅尔带（FesnelZone））r1RRRRr2r0PAN1N2N3N4(a)(b)S第二章移动通信电波与传播预测模型322.33种基本电波传播机制1020022()2()2nRrRrRrRrRrRrnlll在这种情况下，相邻两带的对应部分的惠更斯源在P点的辐射将有λ/2的波程差，因而具有180°的相位差，起着互相削弱的作用。可以证明，当r0λ时，各带的面积大致相等。设第n个菲涅尔半波带在P点产生的场强振幅为En(n=1,2,3,:)，由于每个菲涅尔半波带的辐射路径不一样，因此有以下的关系式1231nnEEEEE第二章移动通信电波与传播预测模型33从平均角度而言，相邻两带对P点的贡献反相，于是P点的合成场振幅为1234EEEEE如果将上式的奇数项拆成两部分，即En=En/2+En/2，可以重新写为3355711246()()()2222222EEEEEEEEEEE2.33种基本电波传播机制第二章移动通信电波与传播预测模型342.33种基本电波传播机制如果总带数足够大，利用上式的结论，可以认为上式给我们一个重要的启示，尽管在自由空间从波源A辐射到观察点P的电波，从波动光学的观点看,可以认为是通过许多菲涅尔区传播的，但起最重要作用的是第一菲涅尔区。作为粗略近似，只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡，就能得到自由空间传播时的场强。所以在实际的通信系统设计中，对第一菲涅尔区的尺寸非常关注，下面我们就来求出第一菲涅尔区半径。12EE第二章移动通信电波与传播预测模型352.33种基本电波传播机制令第一菲涅尔区的半径为F1，则根据第一菲涅尔区半径的定义通常d1F1,d2F1，因此将上式作一级近似，可得1212112ddddFdddllRr1F1N1d1d2d第二章移动通信电波与传播预测模型36显然，该半径在路径的中央d1=d2=d/2处达到最大值实际上，划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此当球面半径R变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化，但是它们的