移动通信电波传播与传播预测模型.pptx
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1、什么是无线通信信道(链路)?什么是无线通信信道(链路)?八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型1图图2.1 无线通信链路无线通信链路n无无线通信通信链路路:从:从发射机到接收机的整个通信路射机到接收机的整个通信路径径链路。路。移动无线信道的特点移动无线信道的特点(1)n移移动无无线信道是最信道是最为复复杂的一种无的一种无线信道信道n移移动无无线信道的特点信道的特点n传播的开放性传播的开放性n接收点地理环境的复杂性和多样性接收点地理环境的复杂性和多样性n通信用户的随机移动性通信用户的随机移动性n移移动通信系通信系统的性能主要受到移的性能主要受到移动信道的制信
2、道的制约n有效性有效性n可靠性可靠性n安全性安全性八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型2信道函数信道函数八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型3信道信道s(t)r(t)10-310-3不同无线信道下的性能不同无线信道下的性能高斯白噪声信高斯白噪声信道传输性能道传输性能慢瑞利衰落信慢瑞利衰落信道道传输性能传输性能7dB24dB第二章第二章 移动通信电波传播移动通信电波传播 与传播预测模型与传播预测模型李李强通信抗干通信抗干扰技技术国家国家级重点重点实验室室第二章内容第二章内容2.1 无无线电波波传播概述播概述2.2 自
3、由空自由空间的的电波波传播播2.3 三种基本三种基本电波波传播机制播机制2.4 路径路径损耗模型耗模型2.5 多径衰落信道及特性参数多径衰落信道及特性参数2.6 多径衰落信道的多径衰落信道的统计模型模型八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型62.1 无线电波传播概述无线电波传播概述2.1.1 电磁波的磁波的产生生2.1.2 无无线电波波频段划分段划分2.1.3 无无线电波波传播方式播方式八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型7参考书籍:参考书籍:移动通信无线电波传播移动通信无线电波传播 作者:吴志忠作者:吴志忠2.1.
4、1 电磁波的产生电磁波的产生(1)n电磁磁场n如果在空间某区域中有周期性变化的电场,那如果在空间某区域中有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场;这个变化的磁场又在它周围空间变化的磁场;这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场产生新的周期性变化的电场n变化的电场和变化的磁场是相互联系着的,形变化的电场和变化的磁场是相互联系着的,形成不可分割的统一体,这就是电磁场。成不可分割的统一体,这就是电磁场。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型82.1.1 电磁波的产生电磁波的产生(
5、2)n电磁波磁波n变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地传播。这种地传播。这种变化的电磁场变化的电磁场在空间以一定的速在空间以一定的速度向远处传播的过程叫做电磁波。度向远处传播的过程叫做电磁波。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型9图图2.2 变化的电磁场变化的电磁场2.1.2 无线电波频段划分无线电波频段划分10图图2.3 电磁波谱电磁波谱图图2.4 无线电波频段无线电波频段2.1.3 无线电波传播方式无线电波传播方式 n无无线电波波传播基本概念播基本概念n无无线电波波传播主要方式播主要方式n地波传播地波传播
6、n对流层电波传播对流层电波传播n天波传播天波传播n卫星通信卫星通信八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型11无线电波传播基本概念无线电波传播基本概念八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型12n无无线电波波传播播n发射源所发射的无线电波通过发射源所发射的无线电波通过自然条件下的媒自然条件下的媒质质到达接收天线的过程称为无线电波传播。到达接收天线的过程称为无线电波传播。图图2.5 无线电波传播无线电波传播n研究研究传播播过程中程中电磁波与媒磁波与媒质的相互作用的相互作用n传播机理、信道模式传播机理、信道模式n传播环境与建模
7、传播环境与建模n传播效应传播效应传输媒质对电磁波的影响传输媒质对电磁波的影响八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型13图图2.6 传输媒质对电磁波的影响传输媒质对电磁波的影响n传输媒媒质对电磁波的影响磁波的影响无线电波传播无线电波传播地波传播地波传播n地波地波传播播电波沿着地球表面波沿着地球表面传播播八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型14图图2.7 地波传播地波传播n特点特点n优点:信号稳定,不受气象条件、昼夜及季节变化优点:信号稳定,不受气象条件、昼夜及季节变化的影响;的影响;n缺点:地面对电波吸收严重,衰减随着
8、频率的升高缺点:地面对电波吸收严重,衰减随着频率的升高而增大。而增大。n用途:地波用途:地波导航、航、标时台、台、远程通信、广播程通信、广播n出出现情况:情况:n天线低架于地面上;天线低架于地面上;n最大辐射方向沿地球表面;最大辐射方向沿地球表面;n频率:中、长波以下的频频率:中、长波以下的频率。率。传播特性传播特性n地面波的地面波的传播特性播特性n地表具有半导电特性,电波被吸收。地层电导地表具有半导电特性,电波被吸收。地层电导率越大,频率越低,地面对电波的吸收越小。率越大,频率越低,地面对电波的吸收越小。n在不平坦地面的绕射传播条件在不平坦地面的绕射传播条件n只有当波长超过障碍物或与障碍物相
9、当时,才只有当波长超过障碍物或与障碍物相当时,才具有绕射作用。具有绕射作用。n地波地波传播方式适合播方式适合长波、超波、超长波波段,沿海面波波段,沿海面传播比路面要播比路面要远。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型15典型应用典型应用(1)n低低频地波地波导航系航系统n罗兰罗兰C导航系统导航系统(Loran-Long Range Navigation)n一种远程一种远程脉冲脉冲-相位相位双曲线无线电导航系统双曲线无线电导航系统(100kHz,可实现,可实现2000km导航),陆、海、导航),陆、海、空导航定位系统空导航定位系统八月八月 24第二章第二章
10、移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型16PF2F1发射台发射台2发射台发射台1F3发射台发射台3图图2.8 罗兰罗兰C导航仪导航仪典型应用典型应用(2)n高高频(HF)地波超地波超视距雷达距雷达n海洋监测技术,频率:海洋监测技术,频率:330MHz,作用距离,作用距离可达可达300km。n可跟踪、监视舰船等。可跟踪、监视舰船等。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型17图图2.9 高频地波超视距雷达高频地波超视距雷达高频地波雷达系统高频地波雷达系统八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型18图图2.10 美国
11、雷声公司制作的高频地波雷达系统美国雷声公司制作的高频地波雷达系统无线电波传播无线电波传播对流层电波传播对流层电波传播n对流流层电波波传播影响因素播影响因素n对流流层的弯曲的弯曲传播播n对流流层电波波传播机制播机制八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型19对流层电波传播基本概念对流层电波传播基本概念八月八月 2420n对流流层电波波传播播无无线电波在波在对流流层的的传播播对对流流层层图图2.11 大气层的分布大气层的分布90%90%水汽质量水汽质量75%75%大气质量大气质量对流层电波传播影响因素对流层电波传播影响因素n对流流层电波波传播播影响因素影响因素n
12、气体分子与水气体分子与水汽凝聚物汽凝聚物n具有吸收作用具有吸收作用n云、雾、雨等云、雾、雨等对电波的散射对电波的散射n大气折射率大气折射率n电波折射,电电波折射,电波弯曲传播波弯曲传播八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型21f=22GHzf=60GHz图图2.12 大气吸收衰减大气吸收衰减弯曲传播弯曲传播n对流流层的弯曲的弯曲传播播n大气折射率大气折射率n随着海拔高度增高而减小随着海拔高度增高而减小八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型22图图2.13 电磁波在对流层的弯曲传播电磁波在对流层的弯曲传播大气折射指数大气
13、折射指数八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型23n大气折射率大气折射率n:n对流流层中中 r 非常接近于非常接近于1,例如靠近地球表面,例如靠近地球表面处n定定义大气折射指数大气折射指数N:N 单位位p为大气总压强,为大气总压强,e是水汽压强,是水汽压强,T为绝对温度为绝对温度(K)。大气折射特点:大气折射特点:h增大,增大,N 减小。减小。:干燥空气压强:干燥空气压强对流层电波传播机制对流层电波传播机制n对流流层电波波传播机制播机制n对流层视距传播对流层视距传播n直射波传播直射波传播n对流层散射传播对流层散射传播n米波与分米波的超地平通信米波与分米波的
14、超地平通信n大气波导传播大气波导传播n米波、厘米波米波、厘米波n大气折射率梯度满足一定条件大气折射率梯度满足一定条件八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型24对流层视距传播对流层视距传播n对流流层视距距传播播n处于对流层内直射波的传播方式处于对流层内直射波的传播方式n射线传播方向与水平线几乎平行射线传播方向与水平线几乎平行n频段:段:30MHz40GHzn地波衰减大地波衰减大n天波不被反射天波不被反射n视距距传播的特点播的特点n距离短(距离短(50km)n传播效播效应n折射、吸收、衰落折射、吸收、衰落 反射、散射等反射、散射等八月八月 24第二章第二章 移
15、移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型25图图2.16 微波接力通信微波接力通信对流层散射传播对流层散射传播n散射散射n当电磁波的传播路径当电磁波的传播路径上存在小于波长的物上存在小于波长的物体,并且单位体积内体,并且单位体积内这种障碍物体的数目这种障碍物体的数目非常巨大时,发生散非常巨大时,发生散射(乱反射)。射(乱反射)。n对流流层散射散射传播播n利用大气层的不均匀利用大气层的不均匀性对无线电波的散射性对无线电波的散射作用而实现作用而实现超视距传超视距传播播。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型26图图2.17 对流层散射的超视距传播对流层散
16、射的超视距传播不均匀不均匀大气大气对流层散射传播特点对流层散射传播特点n频率:率:30MHz10GHzn对流层适应此频段,对其他频段散射作用弱。对流层适应此频段,对其他频段散射作用弱。n优点:点:n不受电离层的影响(与短波天波通信相比)不用经不受电离层的影响(与短波天波通信相比)不用经常变换频率常变换频率n所需中继站少(与微波接力通信相比)(距离所需中继站少(与微波接力通信相比)(距离100500公里)公里)n传输容量大传输容量大n不怕高山、湖海和沙漠等自然不怕高山、湖海和沙漠等自然 障碍。障碍。n缺点缺点n传输损耗大、衰落较剧烈传输损耗大、衰落较剧烈八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信
17、电波波传播与播与传播播预测模型模型27对流层散射通信应用对流层散射通信应用八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型28地面类型地面类型AR/TRC-170S-575自适应自适应调制解调器调制解调器TM-20新型调制新型调制解调器解调器V2(重型重型)V3(轻型轻型)研制时间研制时间1980年试验成功年试验成功1984年投入使用年投入使用1994年年2006年年工作频段工作频段C频段频段(4.45GHz)C频段频段(4.45GHz)C频段频段(4.45GHz)Ku频段频段(14.315.3GHz)最大可靠最大可靠数据率数据率4Mb/s2Mb/s8Mb/s40M
18、b/s最大计划最大计划工作距离工作距离240km160km240km100km左右左右表表2.3 美军典型数字对流层散射机调制解调器参数表美军典型数字对流层散射机调制解调器参数表大气波导传播大气波导传播(1)n概念:概念:n在一定气象条件下,由在一定气象条件下,由于大气折射率梯度的变于大气折射率梯度的变化,使在近地层传播的化,使在近地层传播的电磁波的轨迹弯向地面,电磁波的轨迹弯向地面,射线的真实曲率大于地射线的真实曲率大于地球曲率球曲率时,电磁波被部时,电磁波被部分陷获在一定厚度的大分陷获在一定厚度的大气层内,无线电波能量气层内,无线电波能量好像被限制在最大弯曲好像被限制在最大弯曲高度和地球表
19、面之间或高度和地球表面之间或由它们组成的波导中传由它们组成的波导中传播。又称大气波导传播。播。又称大气波导传播。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型29K=K=1K=4/3K1图图2.18 大气波导传播大气波导传播大气波导传播大气波导传播(2)n原因原因n大气层存在逆温大气层存在逆温n湿度随高度锐减湿度随高度锐减n易于出易于出现大气波大气波导现象的天气象的天气现象象n海平面海水的蒸发海平面海水的蒸发n陆地上的夜间辐射陆地上的夜间辐射nn频段段n300MHz30GHzn特点特点n超视距超视距n不是时时可用不是时时可用八月八月 24第二章第二章 移移动通信通
20、信电波波传播与播与传播播预测模型模型30无线电波传播无线电波传播天波传播天波传播n电离离层概况概况n电离层的成分电离层的成分n电离层的分层电离层的分层n电离层的吸收电离层的吸收n电离层的反射电离层的反射n无无线电波在波在电离离层中的中的传播播n长波和超长波长波和超长波n中波中波n短波短波八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型31天波传播天波传播n天波天波传播播无无线电波向天空波向天空辐射,由射,由电离离层反射到接收点。反射到接收点。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型32电离层电离层图图2.19 天波传播天波传播电离
21、层概况电离层概况电电离离层层2%2%大气质量大气质量33电离层的成分电离层的成分n电离离层:n60km到到1000km的区域的区域n自自由由电电子子、正正离离子子、负负离离子子、中中性性分分子子和和原原子子等组成的等离子体。等组成的等离子体。n电离源电离源n太阳辐射的紫外线、太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流射线、高能带电微粒流n为数众多的微流星为数众多的微流星n其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等n只只占占全全部部大大气气质质量量的的2左左右右,但但因因存存在在大大量量带电粒子,所以对电波传播有极大影响带电粒子,所以对电波传播有极大影响n具有多变特性。具
22、有多变特性。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型34电离层的分层电离层的分层八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型35图图2.20 电离层中典型的电子浓度高度分布电离层中典型的电子浓度高度分布吸收层吸收层反射层反射层电离层的吸收损耗电离层的吸收损耗n吸收的原因吸收的原因n受受电电场场作作用用的的电电子子与与其其它它粒粒子子相相碰碰撞撞时时,就就将将从从电电波波得得到到的的动动能能传传递递给给中中性性分分子子或或离离子子,转转化化为为热热能能,这种现象称为电离层对电波的吸收。这种现象称为电离层对电波的吸收。n电离离层吸
23、收基本吸收基本规律律n与气体密度、电离层电子密度和电波频率有关与气体密度、电离层电子密度和电波频率有关n吸收主要集中在吸收主要集中在D层层n气体密度越大,吸收越大气体密度越大,吸收越大n电子密度越大,吸收越大电子密度越大,吸收越大n电波频率越低,吸收越大电波频率越低,吸收越大n所所以以短短波波天天波波工工作作时时,在在能能反反射射回回来来的的前前提提下下,尽尽量选择较高的工作频率。量选择较高的工作频率。八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型36电离层的反射特点电离层的反射特点n在入射角一定的情况下:在入射角一定的情况下:n电波频率越低,越易反射电波频率越低
24、,越易反射n电波频率越低,反射的位置越低电波频率越低,反射的位置越低八月八月 2437图图2.22 电磁波在电离层中的弯曲传播电磁波在电离层中的弯曲传播无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型38图图2.26 长、中、短波从不同高度反射长、中、短波从不同高度反射超长波和长波的电波传播超长波和长波的电波传播n超超长波和波和长波波传播机制播机制(300kHz)n地波传播和地地波传播和地电离层波导传播。电离层波导传播。n传播特点播特点n频率低,可被电离层频率低,可被电离层D层下边界层下边界反射。不穿透电离反射。不穿透
25、电离层,地面和电离层的吸收损耗很小。层,地面和电离层的吸收损耗很小。n对于超长波,通常认为在地面对于超长波,通常认为在地面电离层组成的波导电离层组成的波导中传播。中传播。n远距离通信(几千公里)。远距离通信(几千公里)。n缺点缺点n频率低,信息容量小,天线很难布置。频率低,信息容量小,天线很难布置。n应用:用:n远距离导航远距离导航八月八月 24第二章第二章 移移动通信通信电波波传播与播与传播播预测模型模型39中波电波传播中波电波传播n中波中波电波波传播机制(播机制(300kHz3MHz)n地波传播和天波传播。地波传播和天波传播。n传播特点播特点n白天地波传播为主,但受地面吸收衰减影响;可在白
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