移动通信电波传播与传播预测模型.pptx

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2.1.1 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(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 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/s40Mb/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，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；可在白天地波传播为主，但受地面吸收衰减影响；可在E层被反射，但在层被反射，但在D层受到较强的吸收，传播距离层受到较强的吸收，传播距离不远；不远；n晚上服务范围比白天大，因为夜间晚上服务范围比白天大，因为夜间D层消失，吸收层消失，吸收减小，比白天增加了电离层传播；减小，比白天增加了电离层传播；n通信距离较远（几百公里）通信距离较远（几百公里）n应用用n无线电导航，语音调幅广播无线电导航，语音调幅广播八月八月 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40短波电波传播短波电波传播(1)n短波短波电波波传播机制（播机制（3MHz30MHz）n地波传播和天波传播，以天波传播为主。地波传播和天波传播，以天波传播为主。n传播特点播特点n传播距离远：几百传播距离远：几百几万几万km(一跳或多跳反射一跳或多跳反射)；n能以较小的功率实现远距离的传播；能以较小的功率实现远距离的传播；n白天和夜间要更换频率；白天和夜间要更换频率；n设备简单、成本低、便于移动。设备简单、成本低、便于移动。n缺点缺点n严重的衰落、信号不稳定；严重的衰落、信号不稳定；n电台过分拥挤并互相干扰。电台过分拥挤并互相干扰。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41短波电波传播短波电波传播(2)n应用用n各种距离的定点各种距离的定点通信通信n国际通信及广播国际通信及广播n船岸间的航海移船岸间的航海移动通信动通信n飞机地面间的航飞机地面间的航空移动通信空移动通信八月八月 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42图图2.27 宝丽宝丽2050短波电台短波电台卫星通信卫星通信(1)n卫星通信星通信：地球上的无：地球上的无线电通信站通信站间利用利用卫星作星作为中中继而而进行的空行的空间微波通信。微波通信。八月八月 2443图图2.28 卫星移动通信系统的基本网络结构卫星移动通信系统的基本网络结构PSTN/PLMN核心网核心网手持终端手持终端移动终端移动终端网络控制网络控制中心中心NCC卫星控制卫星控制中心中心SCC用户信息用户信息管理系统管理系统星际链路星际链路用户链路用户链路馈送链路馈送链路信关站信关站空间段空间段地面段地面段用户段用户段轨道高度：轨道高度：500几万公里几万公里卫星通信卫星通信(2)n适用适用频段：段：140GHzn传播特点播特点n覆盖面积大，通信距离远（几万公里）覆盖面积大，通信距离远（几万公里）n传输频带宽，通信容量大传输频带宽，通信容量大n通信稳定性好，质量高通信稳定性好，质量高n传播时延大传播时延大n路径损耗大路径损耗大n存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。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44无线电波传播方式小结无线电波传播方式小结地波传播地波传播：超长波、：超长波、长波、中波长波、中波视距传播视距传播：VHF及以上及以上大气波导传播大气波导传播：UHF,SHF对流层散射传播对流层散射传播：VHF,UHF,SHF天波传播天波传播：短波：短波星地通信星地通信：LKa电离层波导传播电离层波导传播：超长波、长波超长波、长波星际通信星际通信：Ka及以上及以上n本章研究重点本章研究重点陆地移地移动通信无通信无线电波波传播播n视距传播：视距范围之内的无线电波传播视距传播：视距范围之内的无线电波传播n频段：频段：30MHz10GHz陆地移动信道的电波传播机制陆地移动信道的电波传播机制八月八月 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46基站基站散射散射阴影衰落阴影衰落散射散射直射直射反射反射移动终端（手机）移动终端（手机）衍衍(绕绕)射射.直射波（最直射波（最强）反射波（次反射波（次强）绕射波（次射波（次强）散射波（最弱）散射波（最弱）图图2.29 陆地移动信道的电波传播机制陆地移动信道的电波传播机制陆地移动信道的电波传播机制陆地移动信道的电波传播机制n直射：直射：n是指视距范围内无遮挡的传播。直射波传播的信号最强。可是指视距范围内无遮挡的传播。直射波传播的信号最强。可按自由空间传播来考虑。按自由空间传播来考虑。n反射：反射：n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。反射波的信号强度仅次于直地球表面、建筑物和墙壁表面。反射波的信号强度仅次于直射波。射波。n绕射：射：n收发之间的传输路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，信号能收发之间的传输路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，信号能量绕过障碍物传播，绕射波信号强度与反射波相当。量绕过障碍物传播，绕射波信号强度与反射波相当。n散射：散射：n当电波传播遇到小于信号波长的障碍物或粗糙表面时引起的当电波传播遇到小于信号波长的障碍物或粗糙表面时引起的漫反射后到达接收点的传播机制，散射波信号强度最弱。漫反射后到达接收点的传播机制，散射波信号强度最弱。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47大尺度路径损耗和小尺度衰落大尺度路径损耗和小尺度衰落(1)n大尺度路径大尺度路径损耗耗n用于描述发射机与接收机之间的用于描述发射机与接收机之间的长距离长距离（几百或几（几百或几千米）上信号强度的变化。千米）上信号强度的变化。n小尺度衰落小尺度衰落n用于描述发射机与接收机之间的短距离（用于描述发射机与接收机之间的短距离（几个波长几个波长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。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48移动台运动移动台运动的小区域的小区域基站基站小尺度衰落小尺度衰落r0(t)大尺度路径损耗大尺度路径损耗m(t)图图2.30 衰减区域衰减区域八月八月 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49大尺度路径损耗和小尺度衰落大尺度路径损耗和小尺度衰落(2)lg(d)接收功率接收功率(dBm)自由空间传播损耗自由空间传播损耗大尺度路径损耗大尺度路径损耗大尺度路径损耗大尺度路径损耗+小尺度衰落小尺度衰落图图2.31 大尺度路径损耗和小尺度衰落大尺度路径损耗和小尺度衰落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50大尺度路大尺度路径损耗径损耗小尺度小尺度衰落衰落2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播n基本概念基本概念n自由空间：自由空间：n充满均匀、线性、各向同性理想机制的无限大空间。充满均匀、线性、各向同性理想机制的无限大空间。n电波直线传播电波直线传播n自由空间传播损耗自由空间传播损耗：电波通过自由空间介质传播时：电波通过自由空间介质传播时所生的损耗所生的损耗n理想传播条件，电波在自由空间传播时，不存在电理想传播条件，电波在自由空间传播时，不存在电波的反射、折射、绕射、吸收等现象。波的反射、折射、绕射、吸收等现象。n其单位面积中的能量会因为扩散而减少，而接收天其单位面积中的能量会因为扩散而减少，而接收天线只能接收到部分面积上的能量。线只能接收到部分面积上的能量。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51前提条件前提条件n前提：前提：n发射天线远离地球，或没有阻挡物发射天线远离地球，或没有阻挡物八月八月 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52(a a)(b b)(c c)图图2.32 近似于自由空间传播的传播机制近似于自由空间传播的传播机制天线基础知识天线基础知识(1)n各向同性各向同性辐射射：没有体没有体积、不存在、不存在损耗耗的点源均匀的点源均匀辐射器。其方向射器。其方向图为球体，球体，在各个方向具有相同的在各个方向具有相同的辐射射强度。度。n天天线增益增益：方向性天方向性天线在某方向的某位在某方向的某位置达到置达到辐射射场强 所用的所用的发射功率射功率为 ，而各向同性，而各向同性辐射的点源天射的点源天线所需的功所需的功率率为 ，则天天线增益增益为n有效有效辐射射：相相对于各向同于各向同性性辐射器的有效射器的有效辐射功率射功率八月八月 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53EIRP：Effective Isotropic Radiated Power图图2.33 各向同性与有效辐射各向同性与有效辐射天线基础知识天线基础知识(2)n天天线增益增益G与天与天线有效面有效面积Ae的关系：的关系：n抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布1八月八月 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541 天线天线：（美）克劳斯，（美）马赫夫克（美）克劳斯，（美）马赫夫克EIRP例例2.1 各向同性各向同性辐射器和方向性天射器和方向性天线的的EIRP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55图图2.34 两种方式下获得的相同两种方式下获得的相同EIRP收发参数收发参数n参数参数n发射天线增益：发射天线增益：n接收天线增益：接收天线增益：n发射功率：发射功率：n接收功率：接收功率：n收发距离：收发距离：n天线的有效面积天线的有效面积：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56图图2.35 各向同性辐射接收各向同性辐射接收接收功率密度接收功率密度n各向同性各向同性辐射射接收功率密度接收功率密度n发射天线为各向均匀辐射发射天线为各向均匀辐射时时，以发射源为中心，以发射源为中心，d为半径为半径的球面上单位面积的功率为的球面上单位面积的功率为八月八月 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57n方向性天方向性天线下的接收功率下的接收功率 密度密度n如天线具有方向性（发射天线增益为如天线具有方向性（发射天线增益为 ），），在主波束方向通过单位面积的功率为：在主波束方向通过单位面积的功率为：图图2.36 接收功率接收功率接收功率接收功率(1)n接收天接收天线所截取的功率所截取的功率八月八月 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58Ls：自由空间传播损耗：自由空间传播损耗接收功率接收功率(2)n自由空自由空间传播模型适合播模型适合远场条件条件n选择一个参考距离选择一个参考距离d0作为接收功率的参考点。作为接收功率的参考点。n选择依据：在远场，同时小于通信距离。选择依据：在远场，同时小于通信距离。n宏蜂窝：选择宏蜂窝：选择d0 为为1kmn微蜂窝：选择微蜂窝：选择d0 为为100m或或1m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59d0：参考距离：参考距离，D：天线的最大尺寸：天线的最大尺寸自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗八月八月 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60n自由空自由空间的的传播播损耗耗 Lsn用用dB描述：描述：n代入代入c：n将将f 的的单位改位改为MHz，d 的的单位位为改改km，取，取对数数链路损耗链路损耗(1)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61图图2.37 链路损耗链路损耗Lt：发端线路损耗：发端线路损耗Lr：收端线路损耗：收端线路损耗链路损耗链路损耗(2)n不考不考虑收收发线路路损耗耗时（Lt=Lr=0dB）n用对数表示：用对数表示：n考考虑收收发线路路损耗，耗，总链路路损耗耗为：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链路损耗链路损耗(3)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63n功率的功率的转换n都是功率单位都是功率单位n折算成折算成dB更利于计算更利于计算n例：例：例题例题例例2.2 Pt=10W=40dBm；Gr=Gt=7dBi；f=1910MHz，d=500m，问：Ls(dB)=?Pr=?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64课堂练习课堂练习课堂堂练习 发射功率射功率为Pt=10mW，发射射/接收天接收天线增增益益Gr=Gt=9dBi，工作，工作频率率f =1910MHz(20log1910=65.62dB)，接收灵敏度，接收灵敏度为Pr=10-7mW，问：接收机距离：接收机距离发射机最射机最远多多远时能正常工作？此能正常工作？此时的的链路路损耗耗为多少？多少？接收信号功率必接收信号功率必须大于等于接收灵敏度大于等于接收灵敏度时才能正常工才能正常工作，当等于接收灵敏度作，当等于接收灵敏度时的通信距离的通信距离为最最远距离。距离。1)链路路损耗耗 L：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65课堂练习课堂练习2)最最远传输距离距离d：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66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67大尺度路大尺度路径损耗径损耗小尺度小尺度衰落衰落2.3 三种基本电波传播机制三种基本电波传播机制2.3.1 反射反射2.3.2 绕射射2.3.3 散射散射八月八月 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682.3.1 反射反射n反射反射(reflection)n当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反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。射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。n反射系数反射系数n反射波与入射波振幅的比值反射波与入射波振幅的比值n当当 1很小很小时，n反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为为180八月八月 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69图图2.38 平滑表面的反射平滑表面的反射 1:掠角；掠角；:相对复介电常数相对复介电常数双线地面反射模型双线地面反射模型(1)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70图图2.39 双线地面反射模型双线地面反射模型ht:发天线高度发天线高度hr:收天线高度收天线高度d:直射路径距直射路径距离离d :反射路径反射路径距离距离d:收发距离收发距离R:地面反射系数地面反射系数反射反射成分成分双线地面反射模型双线地面反射模型(2)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71图图2.40 路径差的映像方法路径差的映像方法泰勒级数展开泰勒级数展开八月八月 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72双线地面反射模型双线地面反射模型(3)n假定地面全反射，假定地面全反射，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73双线地面反射模型双线地面反射模型(4)n自由空自由空间传播播损耗耗n双双线地面反射路径地面反射路径损耗耗八月八月 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742.3.2 绕射绕射n绕射射(diffraction)n当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。挡时，发生绕射。n次级波进入阴影区域而形成。次级波进入阴影区域而形成。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75图图2.41 绕射绕射惠更斯惠更斯.菲涅耳原理菲涅耳原理n惠更斯惠更斯.菲涅耳原理菲涅耳原理n行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级波的点源波的点源n空间任一点的场等于（包围波源的任一封闭面上）各空间任一点的场等于（包围波源的任一封闭面上）各次级波源在该点所产生场的叠加。次级波源在该点所产生场的叠加。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76次级波前次级波前扩展波前扩展波前图图2.42 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理第一菲涅耳区第一菲涅耳区路径长度为路径长度为(d+/2)的内圆的内圆绕射损耗绕射损耗n对次次级波的阻波的阻挡产生了生了绕射射损耗。耗。n障碍物不阻障碍物不阻挡第一菲涅第一菲涅耳区，耳区，绕射射损耗最小。耗最小。n经验表明，只要表明，只要 55的的第一第一费涅涅尔区无阻区无阻挡，其它其它费涅涅尔区的情况基区的情况基本不影响本不影响绕射射损耗。耗。n第一菲涅耳区第一菲涅耳区绕射功率射功率损耗：与自由空耗：与自由空间相比相比低低5 至至25dB。n频率越低，率越低，绕射能力越射能力越强。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77图图2.45 绕射模型绕射模型2.3.3 散射散射n当波穿行的介当波穿行的介质中存在小于波中存在小于波长的物体并且的物体并且单位体位体积内阻内阻挡体的个数非常巨大体的个数非常巨大时，发生散射，生散射，方向无方向无规则的改的改变。n散射波产生于粗糙表面、小物体或不规则物体；散射波产生于粗糙表面、小物体或不规则物体；n树叶、街道标志