第10章2无线通信技术无线电波传播部分

1、无线通信中心第10章 无线通信技术无线电波部分1无线通信中心电波 主要内容天线及其基本概念电波的自由空间电波多径电波的几何模型和的模型» Hata模型通信链路预算2无线通信中心天线基本知识 天线的方向性 波瓣宽度 天线增益 天线极化3无线通信中心天线天线是无线电波辐射、接收的设备天线辐射或接收的信号强度与空间的方位角有关系，这种关系通常用天线的来表示。根据天线的和定向天线可以将天线分成：全向天线 全向天线：均匀辐射的天线 定向天线：辐射在一些上弱一些更强、另外一些方向4无线通信中心天线zqPtyfx5无线通信中心天线的功率密度为U (q ,f )，如果天设某个线无损耗且理想匹配，则总

2、功率Pt将由天线辐射出去，即2pp()Pt= ò0òU q ,f sinq dq dfq =0平均功率密度为Pt4p12ppU (q ,f )sinq dq df4p ò0òq =0=Uave6无线通信中心天线 定义天线的增益为G (q ,f ) = h U (q ,f )Uave是天线效率，决定天线的损失。 其中hG (q ,f )称为天线的功率。7无线通信中心天线增益G (q ,f ) 的最大值，即为天线增益天线8旁瓣波瓣宽度主瓣3dB无线通信中心相对全向天线增益dBi 如果式U (q ,f ) UaveG (q ,f )G (q ,f ) = h=

3、 1Uave 中，则的最大值，即为相对均匀点源全向天线的增益，用dBi表示 iisotropic dBd（ddipole），相差2.15dB9无线通信中心天线的方向性 理想点源天线（全向天线）电磁波辐射强度各向均匀（三维） 定向天线水平、垂直方向辐射波束具有一定的宽度10无线通信中心天线的极化 天线辐射时形成的电场强度方向 当电场方向垂直于地面时，称为垂直极化 当电场方向水平于地面时，称为水平极化11无线通信中心电波的自由空间ö2ö2l24plææPc= t×= Pt ç= Pt ç÷ø÷Pr&

4、#232; 4pd øè 4pdf4pd 2Pt4pd 2RPd()LdB =10lgtSPrP= 92.4 + 20lgd (km) + 20lg f (GHz)tT距离、频率、增益12无线通信中心d最大视距h1h2R02R ( h +h )d = (R) - R + (R +h ) - R = 2R h +h222222R h +h2 »+h+0100200 110 2201213无线通信中心大气折射和等效地球半径 大气的不均匀导致电波弯曲。从电波的角度看，似乎是地球的曲率发生了变化 典型等效地球半径系数K4/3 等效地球半径Re = KR014无线通信中心电

5、波的反射RDr = r- r212h hDr »12 dd >> h1 , h2Ad15r1Th2h1r2P无线通信中心地面反射的影响r地面反射波的反射系数为n 接收信号的电场强度为Er = Et a (r1 ) - a (r2 )re- jf4plDrl× h1 h2f = 2p»d) » l a (r ) » a (rr » r» d124pd1216无线通信中心地面反射的影响22» æ l öL = PrEr21 - re- jf= L × Lç÷

6、4pd0rPEèøttö 2l4 p dæ=ç÷L 0èø= (1+ r2 + 2r cosf)= (1- r)2 + 4rsin2 f = (1- r)2 + 4rsin2 p × Dr2L = 1- re-jfrl217无线通信中心地面反射的影响当行程差远远小于波长（例如天线较低、或者 距离很大、或者频率低）时æ p × Dr ö2ö2æ 2ph h()()1 - r2+ 4rç1 - r2+ 4rçèL»

7、87;× 12 ÷÷rllèødøæ l(1 - r )ö2ìü22l æ 2ph2 h2æ öïö ïh h ()í 1 - r2+ 4rçè+ rL » ç×ý = ç÷12d÷ø÷12è 4pd øl4pdd 4èøïîïþ18无线通

8、信中心地面反射的影响æ lö 2r = 0L = ç÷è 4pd øh2 h2r = 1L = 12 d 419无线通信中心地面反射的影响 平面大地模型r = 1L(dB) = 120 + 40lg d (km) - 20lg h1 (m) - 20lg h2 (m) 水平极化和垂直极化的影响不同20无线通信中心电波的绕射（遮挡引起）当TR之间出现刃形物时，它有可能对电波产生阻挡作用。阻挡引起的损耗与余隙的大 小有关h0 = 0 .577 F1TRhc21路径余隙无线通信中心遮挡引起的损耗 遮挡并不一定引起电波的损耗，视余隙大小而定。

9、 当余隙 > 第一菲涅尔区半径时，遮挡引起的损耗很小，反之损耗将随余隙的减小而急剧下降。（书图10.4）22无线通信中心菲涅尔区的概念满足以下条件的所有点Q的集合称为第n菲涅尔区：(TQ + QR)- TR £ nl2QTRFnPd1d2d23无线通信中心第n菲涅尔区半径第n菲涅尔区边界上的某个点P到TR连线的距Fn离叫第n菲涅尔区半径æö2 ö1 æ F+ F 2 » d ç1 +÷çn ÷TP =d 21 ç÷1n2dè1 øè

10、8;nld1d2æö2 ö1 æ FF =nF+ F 2 » d ç1 +÷çn ÷PR =d 22 ç d÷n12 ç÷2ndèøèø2(TQ + QR)- TR = nl224无线通信中心电波的路径损耗模型路径损耗模型的重要性 系统设计时的重要依据 天线架设点的重要参考路径损耗模型的建立 通常通过实际测量，然后通过拟合的方式得到经验 公式 目前存在许多经验公式，如Hata模型、Lee模型等，是不同的环境得到的经验模型。使用

11、不同模型时应注意其适用的范围和条件25无线通信中心Hata模型 移动通信测模型。使用的一种路径损耗预 适用于宏蜂窝（小区半径大于1km；或收发天线距离d>1km）系统的路径损耗。26无线通信中心Hata模型 1501500MHz=69.55+26.16lg f -13.82lg(hte ) -a(hre ) +éë44.9-6.55lg(hte )ùûlgdLs 1500Mhz2000MHz（COST-231）Ls =46.3+33.9lg f -13.82lghte -a(hre ) +(44.9-6.55lghte )lgd +CMCM为城市中

12、心修正因子，市中心3dB，中等城市或郊区027无线通信中心多径和 信道随时间推移，接收信号强度的起伏称为信道信道的：信道参数随时间发生变化，如的移动、周围环境的随时间变化等信道»可分成长期和短期快期随时间变化慢，也称为长期慢大尺度（Large-Scale Fading）» 长期慢» 长期慢的在于地形地物变化引起呈现随机起伏的特点28无线通信中心信道快r0(t)长期m(t)29无线通信中心长期(Large-Scale Fading)长期电波又称阴影和慢，长期一般表示为距离的平均损耗（dB）加一个正态对数分量。之间的距离为r时，移动用户和路径损耗和长期可以表示为PL(

13、r) = PL(r) + Xs式中Xs表示一个方差为s2、均值为0的量。 s的量，其随典型值是810dB。可以被理解为对数正态随2- Xs1概率密度函数为：p(X ) =2s 2es2ps30无线通信中心长期(Large-Scale Fading)速率与工作频率关系不大与周围地形、地物的分布和高度等有关和物体的移动速度有关»物»发射机»其他变化因素，例如天气31无线通信中心(Small-Scale Fading)短期多径时变效应（时变主要因为移动）上图中，每径也是经由多条路径接收而得，称 之为不可分多径32可分多径不可分径无线通信中心多径远端散射体本地散射体可分本

14、地散射体离径不可分离径33TX无线通信中心多径效应（不可分径）若有N个多径信道，它们彼此相互且没有一个信道的信号占支配地位；没有直射波信号，仅有许多反射波信号，接收到的信号包络的(Rayleigh)分布变化服从但是，当接收到较强的直射波信号且它占有支配地(Rician)位时，接收信号包络的分布变化服从34无线通信中心多径效应（频率选择性） 以两条路径且衰减恒定为例V0f(t)V0f(t-t0)+V0f(t-t0-)V0cos(wt )2- jw tH (w )= 2VH (w ) = V e- jw t(1+ e)0002V0- jw t2 (ejw t- jw t2 )jw t0 e-= V

15、 e+ e20- jw twt- jw t0= V0e´ 2 cos(fe)2 2 1 2t 3 2t 5 2t035延迟t0+延迟t0无线通信中心(Doppler)频移n 当移动体在x轴上以速度n 移动时引起率漂移。（Doppler）频效应引起的频移表示为= v cosaflDa式中，n为移动速度l为波长a入射波与移动台移动方向之间的夹角vn= f为最大Doppler频移lmn当第n个入射波的入射角是时an时，wn= b × v ×cosan= 2p l cosan36第n个入射波无线通信中心表征时变多径信道的参数 时延扩展 引起码间干扰，导致频率选择性1.1表

16、多径环境下主要时间延迟扩展参数的统计数值 频移 引起时变，接收信号强度随时间起伏 两者并存39参数 市区 郊区 最大延迟时间（ -30d B ） 延迟扩展范围 平均延迟扩展 最大有效延迟扩展 5.012.0us1.03.0us 1.3us3.5us0.37.0us0.22.0us 0.5us2.0us无线通信中心小节 电波中受到如下的影响：与距离有损耗反射、折射、绕射、散射的影响多径的影响时变的影响 电波影响接收的信号强度，因此对信号的干扰为乘性干扰。 热噪声 干扰40无线通信中心通信链路预算 通信系统设计的重要环节、接收信噪比、传输损耗、覆盖范围等参数的设计 不同系统有不同的通信链路预算，主

17、要考虑如下一些因素：路径损耗余量，与中断（outage）概率有关接收信噪比（问题的）41无线通信中心同步通信链路计算链路42基带处理中频调制中频滤波下变频低噪放大功率放大上变频中频滤波中频调制基带处理无线通信中心同步通信链路计算Pr = PT +GT +Gr -Lp -La -Lta -Lra dBWPTGT GR LPLa LtaLra发射天线增益接收天线增益路径损耗大气损耗与发射天线有与接收天线有损耗损耗43无线通信中心同步通信链路计算 有效全向辐射功率（EIRP, Effective Isotropic Radiated Power）EIRPPTGT 接收端噪声N=10log(KTB)&

18、#187; K=1.38e-23玻尔兹曼常数» T为输入端等效噪声温度» B为信号带宽 EIPR ->为dBi为dBd (换算时数量上比前者小2.15dB)ERP ->44无线通信中心同步 接收端载噪比通信链路计算C =EIRP +G -L -L -L -T -B + 228.6dBRptarasNn 接收系统G/T值（性能因数）G = G/ TRsT C = EIRP + - L - LTG - L - B + 228.6dBptaraN45无线通信中心例： 设同步轨道为36000公里，发射功率为18dBW，天线增益16dB，地面站天线增益40dB，等效噪声温工作在度29 K，其他损耗2 dB，4GHz，发射信号带宽为36MHz，问地面站接收端的载噪比？46无线通信中心 路径损耗Lp = 92.4 + 20lg