移动通信信道-1

1、上次课重点回顾q何谓移动通信？q移动通信有哪些主要特点？q常用的移动通信应用系统有哪几种？q无线电信号经历移动通信信道后会发生哪些变化？q产生这些变化的原因有哪些？q如何表征移动通信信道特性？本讲-第4讲要解决的主要问题2-4内容提要2.1 陆地无线电波传播特性2.2移动通信信道的多径传播特性2.3描述多径衰落信道的主要参数2.4 阴影衰落的基本特性2.5 电波传播损耗预测模型2.6 多径衰落信道的建模和仿真2.7 MIMO信道简介第一次课第二次课第三次课1)深入理解深入理解移动通信信移动通信信道特点；道特点；2)更好地理更好地理解经历信道解经历信道后的信号变后的信号变化机理。化机理。2-51

2、.1.发射机与接收机之间的传播路径非常复杂发射机与接收机之间的传播路径非常复杂 接收天线将接收从多条路径传来的信号 移动台的运动 周围环境的变化2 2. .传播特性直接关系到以下因素传播特性直接关系到以下因素n天线高度的确定n预测信号的覆盖范围n需采用何种抗衰落技术n2-6要求与重点1. 掌握移动通信中电波传播的主要方式，理解两径传播模型的合成场强计算方法。2. 掌握多径传播的基本特性，理解多径衰落对数字移动通信的影响。3. 理解描述多径信道的参数，了解小尺度衰落模型。4. 掌握电波传播损耗的预测。5. 了解移动通信信道的建模与仿真。n 自由空间传播损耗模型？n 电波传播的几种方式？自由空间传

3、播模型和两径传播模型的传播损耗如何计算？1.掌握掌握移动通信中电波传播的主要方式2.掌握掌握自由空间电波传播损耗规律3.理解理解两径传播模型的合成场强计算方法及传播损耗规律重点重点：典型传播方式及传播损耗规律难点难点：两径传播模型的合成场强计算2-81、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。移动通信信道是典型的无线变参信道。2-92、研究传播特性的基本方法 理论分析 即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种模型来描述移动信道

4、。 现场电波传播实测 即在不同的传播环境中，做电波传播试验。测试参数包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。 计算机模拟 利用计算机强大的计算能力，快速灵活地模拟各种移动环境。概述2-10缩写名称频率范围波长名称目前频率分配情况VLF基低频30kHz以下万米波(甚长波)(1020)kHz,主要用于无线电导航,海上移动通信和广播LF低频Low30kHz300kHz千米波(长波)(2003000)kHz,主要用于广播,无线电导航,海上移动通信,地对空通信MF 中频Medium300kHz3000kHz百米波(中波)HF高频High3MHz30MHz十米波(短波)主要用于定点通信,航海和航

5、空移动通信,广播,热带广播及业余无线电等VHF基高频Very30MHz300MHz米波(超短波)(301000)MHz,主要用于电视广播,陆上移动通信,航空移动通信,海上移动通信,定点通信,空间通信和雷达等UHF特高频Ultra300MHz3000MHz分米波(微波)SHF超高频Super3GHz30GHz厘米波(微波)1GHz-10GHz,主要用于无线电微波接力系统,其次是定点通信和移动通信业务EHF极高频Extremely30GHz300GHz毫米波(微波)10GHz以上,主要用于无线电中继接力通信,空间通信,雷达,导航,无线电天文学等2-113、目前典型移动通信使用频段（1）150 MH

6、z （VHF）（2）450 MHz （UHF）（3）900 MHz （UHF）（4）1800MHz （UHF）（5）2000MHz （UHF） （6）2600MHz （UHF） （7）5G将使用5.2GHz、毫米波频段.VHF/UHF频段电波传播有哪些特性呢？频段电波传播有哪些特性呢？2-122.1.1 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2-13n VHF与UHF频段，典型传播方式1、直射2、反射3、散射4、绕射问题情境：附近GSM基站发射的电波信号如何到达本教室？2-142.1.1 电波传播方式2.

7、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2-151、传播模型 自由空间传播模型（1）几点讨论n 自由空间传播模型的定义 均匀无损耗的无限大空间 各向同性 电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1。2-16n自由空间传播模型的特性- 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Cn自由空间传播损耗的本质 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。 接收天线的有效截面积一定，故接收天线所捕获的信号功率减小。dPTPR2-17（2）模型适用范围 接收机和发射机之间是完全无

8、阻隔的视距路径 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，这种情况下，电波可视作在自由空间传播。2-182、接收功率计算公式、接收功率计算公式距发射机距发射机d 处天线处天线的接收功率： 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 (3108 m/s) d = 发射机和接收机之间的距离(m) 22( )44TTRRP GP dGddPTPR单位面积上的电波功率密度接收天线的有效面积2-19 距发射机d处天线的

9、接收功率: 物理意义与d2成反比距离越远，衰减越大。与2成正比（与f2成反比）频率越高，衰减越大。综合损耗L(L=1)通常归因于传输线衰减、滤波损耗和天线损耗，L1则表明系统硬件中无损耗。LdGGPdP222RTTR)4()(2-203、自由空间传播损耗计算n 自由空间传播损耗的定义：(不考虑天线增益)n 以dB计，得到：n 或前提条件：天线增益为1，综合损耗=1，单位以dB计。()32.4420lg ()20lg()fsLdBd kmf MHz24TfsRPdLP24()10lgfsdLdB2-21自由空间传播损耗： 只与工作频率和传输距离有关 当距离或频率增加一倍，路径损耗增加约6dB()

10、32.4420lg20lgfsLdBf MHzd km自由空间传播损耗示例：工作频率工作频率(MHz)150450900150450900传输距离传输距离(km)151515303030自由空间自由空间Lfs(dB)99.48109.03115.05105.50115.05121.07 思考题：已知近地距离d0点接收功率Pr(d0)，如何求解实际距离d的接收功率Pr(d) ？200)()(dddPdPrr2-232.1.1 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 散射波四、大气中的电波传播1、出现折射现象的原因p

11、 在实际移动信道中，电波在低层大气中传播。p 地球上的空气处于重力场中，且大气的气压和温度随着高度分布不均，其密度随高度而变化。p 大气折射率随密度减小而减小。 思考：电磁波在大气中传播时，会发生什么现象？电磁波在传播过程中，通过一层层密度不同的大气，在各层的分界面处会发生折射，使电波射束发生弯曲。四、大气中的电波传播2、折射现象示意图 p 电磁波从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象叫做折射。 3、折射对电波传播的影响 有利：存在折射，可使极限视线传播的距离增大 不利：吸收等因素会消耗电磁波能量rt四、大气中的电波传播4、介质折射率 与电波传播速度 间的关系p 介质折射率大气的相

12、对介电系数 与温度、湿度和气压有关大气的高度不同，相对介电常数不同p 电波传播速度与介质折射率成反比rnrcvnnv四、大气中的电波传播5、超视距传输p 大气折射的弯曲程度取决于大气折射率n的垂直梯度p 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。0011eRkdnRRdh等效半径地球等效半径系数实际半径四、大气中的电波传播5、超视距传输p 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。p 思考：等效半径变大意味着什么？p 大气折射的结果是传播距离比极

13、限视距更远了，即所谓的超视距传播。四、大气中的电波传播6、视线传播极限距离的计算122etrdddRhh4.12()trdhhkm2212()22eteettetdRhRR hhR h2222()22ereerrerdRhRR hhR h8500eRkm2-302.1.1 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 散射波五、障碍物的影响与绕射损耗1、绕射现象 p 绕射：电磁波能够绕过长度不大于波长的障碍物传播 p 绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后面 思考：哪个波段的电磁波绕射能力最强？TRObstruction

14、障碍物 频率越低，传播损耗越小，绕射能力越强！五、障碍物的影响与绕射损耗2、绕射产生机理p 绕射可用惠更斯原理解释波前上的所有点均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。当电波到达阻挡物的边缘时，由次级波的传播进入阴影区。五、障碍物的影响与绕射损耗p 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，障碍物会带来的一定的传播损耗，这种附加传播损耗称为绕射损耗。 3、绕射对电波传播的影响五、障碍物的影响与绕射损耗3、绕射对电波传播的影响p绕射损耗与菲涅尔余隙有关。p菲涅尔余隙x：障碍物顶点至直射线TR的距离。 阻挡时余隙为负无阻挡时余隙为正五、障碍物的影响与绕射损耗4、计算绕射损耗的计算p 绕射损耗由第一费涅尔半径 x1决定：21211ddddxx1有什么用处？五、障碍物的影响与绕射损耗p x/x10.5时,附加损耗约为0dB。p x 反射模型。小于波长的粗糙表面 散射模型。 对于陆地移动通信，树叶、街道标志和灯柱等会引发散射。2-50 无线电波传播机制 典型有直射、反射、绕射和散射等。 自由空间（无阻挡物）：直射，视距传播 存在阻挡物（多条路径）： 反射：当电波在不同性质的介质交界