第3章-oy移动信道的传播特性-1-无线电波传播特性

2-1,DigitalMobileCommunication,数字移动通信,2-2,数字移动通信,第3章移动信道的传播特性,2-3,第3章,讲述内容3.1无线电波传播特性3.2移动通信信道的多径传播特性描述多径衰落信道的主要参数3.3陆地移动信道的传输损耗,第一次课,第二次课,第三次课,2-4,第3章,通过本章学习，着重解决以下问题：大尺度传播特性大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之间(T-R)长距离(几千米、数百波长量级)上的场强变化。小尺度传播特性小尺度传播模型:描述短距离(数十波长以下量级)内的接收场强的传播模型。统计特性主要参数建模与仿真,1)对移动信道有一个全面深入的理解2)更好地理解经历信道后的信号变化机理,本次课解决的问题,自由空间传播损耗模型？电波传播的几种方式？自由空间传播模型和两径传播模型的传播损耗如何计算？1、掌握移动通信中电波传播的主要方式2、掌握自由空间电波传播损耗规律3、理解两径传播模型的合成场强计算方法及传播损耗规律,2-5,重点：典型传播方式及传播损耗规律难点：两径传播模型的合成场强计算,3.1无线电波传播特性,2-6,概述,信道分类按传输媒质分有线信道无线信道根据信道特性参数随时间变化的快慢恒参信道：传输特性随时间变化速度极慢，或者说在足够长的时间内，其参数基本不变。变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动通信信道典型的无线变参信道。,概述,2-7,2-8,概述,目前典型移动通信使用频段：1、150MHz（VHF）2、450MHz（UHF）3、900MHz（UHF）4、1800MHz（UHF）第三代移动通信IMT-2000也将使用1.8-2.2GHz频段（UHF）。,2-9,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式2.1.2直射波2.1.3大气中的电波传播2.1.4障碍物的影响与绕射损耗2.1.5反射波2.1.6散射波,2-10,3.1.1电波传播方式,VHF与UHF频段，典型传播方式1、直射2、反射3、散射4、绕射,2-11,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式3.1.2直射波3.1.3大气中的电波传播3.1.4障碍物的影响与绕射损耗3.1.5反射波3.1.6散射波,2-12,3.1.2直射波,采用模型自由空间传播模型自由空间模型的定义天线周围是均匀无损耗的无限大空间大气层是各向同性的均匀媒质电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1自由空间特性不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，电波的传播速率等于真空中光速C，但由于辐射能量的扩散，使得能量在传播过程中会受到衰减。,2-13,模型适用范围,传播媒体的近似实际情况中，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对磁导率为1，传播路径上没有障碍物的阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，这样情况下，电波可视作在自由空间传播。,2-14,自由空间损耗,自由空间损耗的本质球面波在传播过程中，随着传播距离增大，球面单位面积上的能量减小了，而接收天线的有效截面积是一定的，故而接收天线所捕获的信号功率是减小了，这是自由空间损耗的本质。,2-15,接收功率计算公式,自由空间的接收功率：PT=发射功率(W)GT=发射天线增益GR=接收天线增益=c/f波长(m)，c=光速(3108m/s)d=发射机和接收机之间的距离(m),2-16,自由空间传播损耗,自由空间传播损耗可以定义为：(不考虑天线增益)以dB计，得到：或可见，自由空间电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。,2-17,17,功率单位,无线信号的相对强度用分贝（db）来衡量.分贝是一个用10为底的对数表示的比值的单位，设P为系统中某一点的功率，为参考点的功率，则用db表示的功率比值由来计算.由于1db是一个比值或相对单位，db值本身并不确定测量参数的绝对值，而db的导出单位则可表示绝对值。有分贝瓦（dBW，相对于1W的分贝数）和分贝毫瓦（dBm，相对于1mW的分贝数）两个常用单位例如：GSM手机的最大发射功率2W换成分贝值为33dBm；手机接收到的信号强度40dBm为0.0001mW，70dBm为0.0000001mW,18,例：如果发射机发射50瓦的功率，将其换算成(a)dBm和(b)dBW；如果该发射机为单位增益天线,并且载频为900MHz,求出在自由空间中距天线100m处接受功率为多少dBm。10km处Pr为多少？假定接收天线为单位增益。解：已知：发射功率，Pt=50W载频，fc=900MHz，则发射功率(a)(b)100m处接受功率为：则,19,10km处功率为：使用近地距离公式确定10km处的接收功率（dBm），其中=100m,d=10km,2-20,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式3.1.2直射波3.1.3大气中的电波传播3.1.4障碍物的影响与绕射损耗3.1.5反射波3.1.6散射波,2-21,3.1.3大气中的电波传播,实际移动信道在低层大气中。低层大气并不是均匀介质，对电波传播的影响：有利：可使极限视线传播的距离增大。不利：产生折射和吸收等现象。,2-22,3.1.3大气中的电波传播,折射产生机理大气折射率是变化的，当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为折射。,2-23,大气折射,其弯曲程度取决于大气折射率n的垂直梯度：大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，也就是认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径变成了等效半径。,2-24,大气折射,标准大气情况下，等效地球半径系数k=4/3。地球实际半径是6370km,地球等效半径为8500km。大气折射的结果是传播距离比极限视距更远了，即所谓的超视距传播。,2-25,大气折射,假设A点架设一部发信机，天线的架高是H1，AB是和地球相切的一条射线。若要接收到来波，天线的架高必须超出这条切线，如果天线的高度不够高，为了接收到来波，天线应该向哪个方向移动?,C,C1,H2,C2,2-26,视线传播极限距离,2-27,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式3.1.2直射波3.1.3大气中的电波传播3.1.4障碍物的影响与绕射损耗3.1.5反射波3.1.6散射波,2-28,3.1.4障碍物的影响与绕射损耗,原理波理论。绕射可以用惠更斯原理解释。惠更斯原理：波前的所有点可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。,2-29,绕射损耗,绕射损耗：在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗。x表示障碍物顶点至直射线的距离，称为菲涅尔余隙。,2-30,菲涅尔区,如下图所示，自由空间Q点是波源，P点是接收点，以Q、P为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为空间菲涅尔区。图中S1是空间的一点，其所在与直线QP垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆C1，该圆半径为：其中d为Q、P点间的距离，d1、d2分别是Q点和P点到圆C1圆心的距离，这个圆所在的菲涅尔区域称为第一菲涅尔区。,2-31,菲涅尔区,在自由空间，从波源Q点辐射到P点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件。为保证系统正常通信，收发天线架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的20，否则电磁波多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。,由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图,x=0，TR直射波从障碍物顶点擦过，附加损耗约为6dB。x0，直射波低于障碍物顶点，损耗急剧增加x/x10.5，附加损耗约为0dB，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔区余隙x/x10.5,2-33,例3-1设图3-3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解先由式(3-13)求出自由空间传播的损耗Lfs为,Lfs=32.44+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB,由式(3-21)求第一菲涅尔区半径x1为,式中，=c/f,c为光速，f为频率。,由图3-4查得附加损耗(x/x1-1)为16.5dB,因此电波传播的损耗L为L=Lfs+16.5=116.0dB,2-34,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式3.1.2直射波3.1.3大气中的电波传播3.1.4障碍物的影响与绕射损耗3.1.5反射波3.1.6散射波,2-35,3.1.5反射,反射波：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射。此时接收信号为直射波与反射波的合成信号。,不同界面的反射特性用反射系数R表征，为反射波场强与入射波场强的比值R可表示为|R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比代表反射波相对于入射波的相移。,3.1.5反射,考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。当工作频率高于150MHz(2m)，1时，反射波场强幅度等于入射波场强幅度，相差为180，|R|=1。直射波与反射波的路径差为由路径差d引起的附加相移为,3.1.5反射,接收场强E（直射波与反射波合成信号场强）表示为附加衰耗可见：合成场强随相位差的变化而变化，有时会相加，有时会抵消，造成衰落现象；|R|越接近1，衰落越严重。考虑反射波时的接收功率近似为：,3.1.5反射,2-39,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式3.1.2直射波3.1.3大气中的电波传播3.1.4障碍物的影响与绕射损耗3.1.5反射波3.1.6散射波,2-40,3.1.6散射,产生粗糙的表面会向所有方向散射电磁波。影响散射造成实际中接收信号强度比单独考虑绕射和反射模型时预测的要强。散射与反射：依赖于表面的光滑程度和物体大小与波长的比较。远大于波长的平滑表面反射模型。小于波长的粗糙表面散射模型。,2-41,3.1.6散射,实际移动环境中，有时接收信号比单独绕射和反射模型预测的