第2章 路径损耗和阴影衰落
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
现代无线通信技术
Modern Wireless Communication Technologies
第2章 路径损耗和阴影衰落
福州大学 物理与信息工程学院 郑绍华 2010
1
引言
路径损耗：由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造 成的；引起长距离100－1000m接收功率的变化，故 也称大尺度传播效应；
PR
R Ae
PT
4 R2
Ae
一个天线的物理区域A和其有效区域Ae与天线效率有关，
天线效率定义为：= Ae
A 对于抛物线天线，典型效率45%-75%；
对于喇叭天线，典型效率50%-80%；
11
2.3 自由空间路径损耗
一个全向天线在任意方向上的有效面积为：
Aiso
2 4
为辐射波长, 可得全向天线发射功率和接收功率之间
9
2.3 自由空间路径损耗
一、全向辐射
1）全向天线：所有方向等发射的天线； 考虑一个全向辐射源，它在所有方向上的发射功率 均为PT (W)，则每单位面积的功率或功率通量密度为：
R 4PTR2（W/m2）
10
2.3 自由空间路径损耗
接收天线的功率PR由相对于接收机的天线大小或方位 决定，若天线的有效区域Ae，则接收机功率PR为：
13
2.3 自由空间路径损耗
接收功率也可以表示为dBm的形式：
PrdBm PtdBm 10 log10 (Gl ) 20 log10 () 20 log10 (4 ) 20 log10 (d )
因此，自由空间路径损耗定义为自由空间模型下的路径损耗：
PLdB
10
log
Pt Pr
10
log10
Re
Gl e j 2 d /
4 d
u(t)e j2
fct
其中: 波长，Gl 视距方向上发射与接收天线的增益积，
e j2d / 由视距传播距离d引起的相移；
设发射信号s(t)的功率为Pt ,则有接收功率和发射功率之比：
2
Pr
Gl
, 与距离d的平方成反比；也与波长有关，因
Pt 4 d
接收天线的有效面积与波长有关；
6
2.2 发送和接收信号模型
为了便于分析，常把实的发送和接收信号表示成一个 复信号的实部，这就是带通信号的等效基带表示；
通信系统中通常把带通信号作为发送和接收信号的模型； 数字带通调制的基本原理是用载波信号携带信息比特流在信道
中传输。一般来说，已调制信号通过幅度 (t)、频率f (t)、或者 相位 (t)来携带信息，可以表示为：
称u(t)为s(t)的复包络或等效基带信号，u(t)振幅就是s(t)的振幅，
u(t)相位包括了载波的相位移。
8
2.2 发送和接收信号模型
接收信号的表示与发送信号类似，只是叠加了噪声：
r(t) Re v(t)e2 fct n(t),
其中：v(t) u(t) *c(t) c(t)是等效基带信道的冲激响应。
通常，接收信号是许多传播模型的组合； 发射信号会通过多个路径到达接收机，会相互干扰，产
生多径效应； 另外：噪声和干扰；
5
2.2 发送和接收信号模型
主要研究频率范围：0.3G～3GHz的UHF频段和 3G～30GHz的SHF频段，传播特性良好，天线也较 小，适合无线通信；
调制器中的振荡器产生的是实正弦信号，不是复数信号； 所以发送和接收的信号均为实信号；虽然为了简化分析， 经常采用复数信道建模，但信道实际上只是改变了发送 信号在不同频率处的幅度和相位，因此接收信号也是实 信号；
Gl 4 d
2
相应的自由空间增益为：
PG
PL
10 log10
Gl
4 d
2
14
2.3 自由空间路径损耗
例2.1 有一室内无线局域网，载波频率fc 900MHz,小区 半径10m, 使用全向天线。在自由空间路径损耗模型下， 如果要求小区内所有终端的最小功率为10uW ,问接入点 的发射功率应该是多大？如果工作频率变成5GHz，相应 的发射功率又为多少？
解：
Pt
Pr
4 d
Gl
2
Gl 1(全向天线)， c / fc 0.33m, d 10m, Pr 10uW
阴影效应：由发射机和接收机之间的障碍物造成的，这 些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号 功率，严重时甚至会阻断信号；引起障碍物尺度距离上 （室外环境10－100m，室内更小）功率的变化；也 成小尺度传播效应；
2
路径损耗、阴影及多径与距离的关系
Pr (dB) Pt
仅路径损耗 阴影及路径损耗 多径、阴影及路径损耗
其中：sI (t)和sQ (t)是带宽B
f百度文库
的实低通(基带)信号；
c
sI (t)是s(t)的同相分量，sQ (t)是s(t)的正交分量；
定义复信号：u(t) sI (t) jsQ (t),于是u(t)是一个带宽为B的
复基带信号，则sI (t) Reu(t), sQ (t) Imu(t);
因此：s(t) Reu(t)cos(2 fct) Imu(t)sin(2 fct) Re u(t)e j2 fct ,
的关系为：PR
PT
4 R2
Aiso
PT
4 R2
2 4
PT
(4 R / )2
PT Lp
上式定义了路径损耗Lp （4 R / )2，表示两个全向天线
之间的自由空间损耗；
12
2.3 自由空间路径损耗
视距信道(LOS, line of sight)：使接收信号相对于发送信号
引入了一个复数因子：r(t
)
s(t) (t) cos2 ( fc f (t))t (t) 0 (t) cos(2 fct (t) 0)
其中：(t) 2 f (t)t (t)
7
2.2 发送和接收信号模型
s(t) (t) cos((t) 0 ) cos(2 fct) (t) sin((t) 0) sin(2 fct) 可定义载频为fc的带通信号s(t) sI (t) cos(2 fct) sQ (t) sin(2 fct)
log(d )
3
2.1 无线电波传播
1）自由空间或视距传输（直射）； 2）反射：当无线电波遇到碰到几何尺寸比电磁波波长大
得多的物体，发生反射，如建筑物、山脉和过往车辆等； 3）绕射：当无线电波被尖利边缘阻挡时会发生绕射；
4
2.1 无线电波传播
4）散射：当无线电波遇到尺寸小于波长的大数量障碍物 会发生散射，如粗糙表面、树叶、雨点等等；
Modern Wireless Communication Technologies
第2章 路径损耗和阴影衰落
福州大学 物理与信息工程学院 郑绍华 2010
1
引言
路径损耗：由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造 成的；引起长距离100－1000m接收功率的变化，故 也称大尺度传播效应；
PR
R Ae
PT
4 R2
Ae
一个天线的物理区域A和其有效区域Ae与天线效率有关，
天线效率定义为：= Ae
A 对于抛物线天线，典型效率45%-75%；
对于喇叭天线，典型效率50%-80%；
11
2.3 自由空间路径损耗
一个全向天线在任意方向上的有效面积为：
Aiso
2 4
为辐射波长, 可得全向天线发射功率和接收功率之间
9
2.3 自由空间路径损耗
一、全向辐射
1）全向天线：所有方向等发射的天线； 考虑一个全向辐射源，它在所有方向上的发射功率 均为PT (W)，则每单位面积的功率或功率通量密度为：
R 4PTR2（W/m2）
10
2.3 自由空间路径损耗
接收天线的功率PR由相对于接收机的天线大小或方位 决定，若天线的有效区域Ae，则接收机功率PR为：
13
2.3 自由空间路径损耗
接收功率也可以表示为dBm的形式：
PrdBm PtdBm 10 log10 (Gl ) 20 log10 () 20 log10 (4 ) 20 log10 (d )
因此，自由空间路径损耗定义为自由空间模型下的路径损耗：
PLdB
10
log
Pt Pr
10
log10
Re
Gl e j 2 d /
4 d
u(t)e j2
fct
其中: 波长，Gl 视距方向上发射与接收天线的增益积，
e j2d / 由视距传播距离d引起的相移；
设发射信号s(t)的功率为Pt ,则有接收功率和发射功率之比：
2
Pr
Gl
, 与距离d的平方成反比；也与波长有关，因
Pt 4 d
接收天线的有效面积与波长有关；
6
2.2 发送和接收信号模型
为了便于分析，常把实的发送和接收信号表示成一个 复信号的实部，这就是带通信号的等效基带表示；
通信系统中通常把带通信号作为发送和接收信号的模型； 数字带通调制的基本原理是用载波信号携带信息比特流在信道
中传输。一般来说，已调制信号通过幅度 (t)、频率f (t)、或者 相位 (t)来携带信息，可以表示为：
称u(t)为s(t)的复包络或等效基带信号，u(t)振幅就是s(t)的振幅，
u(t)相位包括了载波的相位移。
8
2.2 发送和接收信号模型
接收信号的表示与发送信号类似，只是叠加了噪声：
r(t) Re v(t)e2 fct n(t),
其中：v(t) u(t) *c(t) c(t)是等效基带信道的冲激响应。
通常，接收信号是许多传播模型的组合； 发射信号会通过多个路径到达接收机，会相互干扰，产
生多径效应； 另外：噪声和干扰；
5
2.2 发送和接收信号模型
主要研究频率范围：0.3G～3GHz的UHF频段和 3G～30GHz的SHF频段，传播特性良好，天线也较 小，适合无线通信；
调制器中的振荡器产生的是实正弦信号，不是复数信号； 所以发送和接收的信号均为实信号；虽然为了简化分析， 经常采用复数信道建模，但信道实际上只是改变了发送 信号在不同频率处的幅度和相位，因此接收信号也是实 信号；
Gl 4 d
2
相应的自由空间增益为：
PG
PL
10 log10
Gl
4 d
2
14
2.3 自由空间路径损耗
例2.1 有一室内无线局域网，载波频率fc 900MHz,小区 半径10m, 使用全向天线。在自由空间路径损耗模型下， 如果要求小区内所有终端的最小功率为10uW ,问接入点 的发射功率应该是多大？如果工作频率变成5GHz，相应 的发射功率又为多少？
解：
Pt
Pr
4 d
Gl
2
Gl 1(全向天线)， c / fc 0.33m, d 10m, Pr 10uW
阴影效应：由发射机和接收机之间的障碍物造成的，这 些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号 功率，严重时甚至会阻断信号；引起障碍物尺度距离上 （室外环境10－100m，室内更小）功率的变化；也 成小尺度传播效应；
2
路径损耗、阴影及多径与距离的关系
Pr (dB) Pt
仅路径损耗 阴影及路径损耗 多径、阴影及路径损耗
其中：sI (t)和sQ (t)是带宽B
f百度文库
的实低通(基带)信号；
c
sI (t)是s(t)的同相分量，sQ (t)是s(t)的正交分量；
定义复信号：u(t) sI (t) jsQ (t),于是u(t)是一个带宽为B的
复基带信号，则sI (t) Reu(t), sQ (t) Imu(t);
因此：s(t) Reu(t)cos(2 fct) Imu(t)sin(2 fct) Re u(t)e j2 fct ,
的关系为：PR
PT
4 R2
Aiso
PT
4 R2
2 4
PT
(4 R / )2
PT Lp
上式定义了路径损耗Lp （4 R / )2，表示两个全向天线
之间的自由空间损耗；
12
2.3 自由空间路径损耗
视距信道(LOS, line of sight)：使接收信号相对于发送信号
引入了一个复数因子：r(t
)
s(t) (t) cos2 ( fc f (t))t (t) 0 (t) cos(2 fct (t) 0)
其中：(t) 2 f (t)t (t)
7
2.2 发送和接收信号模型
s(t) (t) cos((t) 0 ) cos(2 fct) (t) sin((t) 0) sin(2 fct) 可定义载频为fc的带通信号s(t) sI (t) cos(2 fct) sQ (t) sin(2 fct)
log(d )
3
2.1 无线电波传播
1）自由空间或视距传输（直射）； 2）反射：当无线电波遇到碰到几何尺寸比电磁波波长大
得多的物体，发生反射，如建筑物、山脉和过往车辆等； 3）绕射：当无线电波被尖利边缘阻挡时会发生绕射；
4
2.1 无线电波传播
4）散射：当无线电波遇到尺寸小于波长的大数量障碍物 会发生散射，如粗糙表面、树叶、雨点等等；