无线通信第三章

第三章 无线电波传播与小尺度衰落
例：有一室内无线局域网，载波频率900MHz，小区 半径10m，使用单位增益天线。在自由空间路径损耗 模型下，若要求小区内所有终端的最小接收功率为 10µ W，则发射功率应该是多大？若工作频率换为 5GHz，相应的所需发射功率又为多少？
c 解： Gt Gr 1, 0.33 m, d 10 m, Pr 10 W. fc 4 d Friis：Pt Pr 1.45W 1.61 dBW. Gt Gr
TX RX RX
Signal Power 大尺度路径损耗 大尺度路径损耗＋阴影损耗 大尺度路径损耗＋阴影损耗＋小尺度衰落
Distance in wavelength
T-R distance
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
大尺度传播模型预测距离＞＞λ 的电波传播行为
距离和主要环境特征的函数，粗略认为与频率无关 当距离减小到一定程度时，模型就不成立了 用于无线覆盖和粗略的容量规划建模
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
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1
signal1
1
signal1
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
主要内容
无线电波传播概述 大尺度Hale Waihona Puke Baidu落
•自由空间传播、室内外传播模型
小尺度衰落
•多径衰落、多普勒频移、相干带宽、瑞利和莱斯分布
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
基本传播机制
直射 反射：产生多径衰落的主要因素 绕射 散射
直射
直射是无线电波在自由空间传播的方式。自由空间是一 个理想的无限大的空间，它的各向同性（沿各个轴特性一 样）且同类（均匀结构），是为了简化问题的研究而提出 的一种科学的抽象。在自由空间的传播衰落不考虑其他衰 落因素，仅考虑由能量扩散而引起的损耗
预测城区信号时应用最广泛的模型，在日本已 经成为系统规划的标准 适用频率范围150MHz-1920MHz（可扩展到 3000MHz），距离1-100km，天线高度30-1000m 由奥村等人，在日本东京，使用不同的频率， 不同的天线高度，选择不同的距离进行一系列测 试，最后绘成经验曲线构成的模型
1.1 无线通信技术原理
散射（Scattering）
当信号遇到比波长更小的物体（树 叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱 的散射信号
1.1 无线通信技术原理
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
传播途径：无线电波通过多种方式从发射天 线传播到接收天线
直达波或自由空间波 地波或表面波(蜂窝移动通信系统) 对流层反射波 电离层波
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
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第三章 无线电波传播与小尺度衰落
空间传播损耗：由于用户的随机移动性，发射机与 接收机之间的距离也是在随机变化。若发射机发 射信号功率一样，那么到达接收机时信号的强弱 将不同，离接收机近者信号强，离接收机远者信 号弱。
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
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第三章 无线电波传播与小尺度衰落
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
地形地物修正因子
街道走向修正因子 纵向街道的损耗中值明显小于横行街道的损耗中值。
郊区的修正因子 郊区的建筑物一般是分散的、低矮的，故电波传播条 件优于市区。郊区场强中值大于市区场强中值。 开阔地、准开阔地的修正因子 开阔地、准开阔地（开阔地与郊区间的过渡区）传播 条件优于市区 水陆混合路径修正因子
2 Re ht
d1
2 Re hr
取标准大气压下的经验值
d d1 d2 2Re ( ht hr ) 4.12( ht hr )(km
两个天线之间直线传播最大距离是：4.12

ht hr (km)

其中ht，hr (m) 是两个天线的高度
例：ht 30m, hr 2m LOS极限传播距离为28.4km
小尺度衰落传播模型
描述移动台在极小范围内移动时，短距离或者短时间 上接收场强的快速变化，用于确定移动通信系统应该 采取的技术措施 瑞利衰落、莱斯衰落
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
经典模型是科学家通过CW测试数据逐步拟合出来的
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大尺度模型-室外模型
Okumura模型
中尺度传播模型（阴影损耗）预测距离数百波长的 电波传播行为
由传播阻挡的阴影效应所产生的损耗 数百波长量级
小尺度（衰落）模型描述信号在λ 尺度内的变化
多径效应（ 相位抵消）为主，路径损耗（大尺度） 可以认为为常数 与载波频率和信号带宽有关 着眼于“衰落”建模：在短距离或数个波长范围内信 号的快速变化
1.1 无线通信技术原理
反射（ Reflection ）
当信号遇到表面远大于信号波长的 障碍物（地球表面、高建筑物、大 型墙面）导致信号的相位发生漂移
1.1 无线通信技术原理
绕射（衍射，Diffraction）
当信号遇到大于波长的不可穿透物 的边缘（如无线电波中途遇到的尖 锐不规则的边缘物），发生绕射
包括天线增益时
不包括天线增益时
传播距离越远，路径损耗越大 电波的频率越高，路径损耗越大
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富莱斯自由空间模型仅当d为发射天线远场值 时适用 远场距离（Fraunhofer距离）
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例： 工作频段850M的一个室外基站天线，假 设天线的最大尺寸为2m，求其远场距离
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Okumura （奥村）模型
Okumura表征了多种因素综合作用的结果
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
Okumura 模型的特点与不足：
Okumura 模型对地形、地物进行分类，使用完全 客观的实验数据使其能在相应的环境下获得较准确 的预测，因此得到广泛的应用。 完全基于测试数据，不提供任何分析解释。 许多情况通过外推曲线来获得测试范围以外的值， 尽管这种外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑 性。 模型本身也有不足，如对地形的定性划分不可避免 地导致对通信环境的主观判断。
At 5 GHz, 0.06 m. So P t 43.9 W 16.42 dBW.
2
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d2
d1
hr
视距（LOS）的极限传播距离
ht
d2
R e：等效 2 2 地球半径 ( Re ht ) Re 2 Re ht ht 2
Re Re Re
Pt (mW) 解： 1) P 47 dBm. t (dBm) 10log10 1 mW Gt Gr 2 3 2) Pr P 3.5 10 mW. Pr (dBm) 10log10 Pr 24.5 dBm 2 2 t (4 ) d
100 3) Pr (10km) Pr (100m) 20log10 64.5 dBm. 10000
第三章 无线电波传播与小尺度衰落 明确几个常用单位：
损耗单位dB： 10log

1 W
dBW表示大于或小于1瓦的分贝数：10 log
dBmW（dBm）表示大于或小于1毫瓦的分贝数：
10 log 1 mW
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例：发射机和接收机均为单位增益天线，发射机的功率 为50W，载频为900MHz。 1）发射功率换算成dBW和dBm； 2）求自由空间中距离天线100m和10Km处的接收功率 为多少dBm？
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
阴影效应：由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在 电波传播的接收区域中产生传播半盲区。
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多径效应： 由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号是 多条从不同路径过来的信号的合成。 它们到达时的信号强度、信号相位、信号频率、信号方向 都是不一样的。 所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和。 称这种自干扰现象为多径干扰或多径效应。
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
自由空间电波传播
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
自由空间电波传播
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
自由空间电波传播
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自由空间电波传播
第三章 无线电波传播与小尺度衰落 路径损耗
表示信号衰减，单位为分贝的正值，定义为有效发射 功率和接受功率之间的差值，可以包括也可以不包括 天线增益
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
无线电波传播模型
第三章 无线电波传播与小尺度衰落 自由空间电波传播
是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传 播条件 是无线电工程的一个基本参数，可以提供一个有用的比 较标准，用来评价传输路径的性能 只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，其相对 介电常数和相对磁导率都等于1，传播路径上没有障碍物 阻挡，到达接受天线的地面反射信号场强也可以忽略不计， 在这种情况下，电波可以视作在自由空间传播 无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量因为 扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗

第三章 无线电波传播与小尺度衰落
多普勒效应：由于 用户处于高速移动 （如车载通信）中， 传播频率的扩散而 引起的，其频率扩 散程度（多普勒频 移）与用户运动速 度成正比。
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衰落（Fading）
接收信号电平随距离或时间波动，这种现象称为衰落
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0 -1
0 -1
0
5 time (milliseconds)
10
15
0
5 time (milliseconds)
10
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signal2
1
signal2
0 -1
0 -1
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5 time (milliseconds)
10
15
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5 time (milliseconds)
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2
r(t)
2
r(t)
0 -2
0 -2
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地面传播方程
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
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第三章 无线电波传播与小尺度衰落
定义绕射参数
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
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大尺度传播模型
描述了发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化， 用于预测平均场强并估计无线覆盖范围 主要的模型代表有：Okumura模型、Hata模型、 COST231-Hata模型、Walfish和Bertoni模型、室内传 播模型等等
0
5 time (milliseconds)
10
15
0
5 time (milliseconds)
10
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多普勒频移：当发射机与接收机之间有相对运 动时，收到的电波将发生频率的变化，此变化 称为多普勒频移
l d cos (t ) V t cos (t ) 2l 2 V t 相位变化： cos (t )
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大尺度模型-室外模型
Okumura模型
思路： 将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中 值。 对于郊区，开阔区的场强中值，则以城市场强 中值为基础进行修正 对于“不规划地形”给出相应的修正因子 该模型给出的修正因子较多，可以在掌握详细 地形、地物的情况下，得到更加准确的预测结果 缺点：对城区和郊区快速变化的反应较慢
对城区和郊区快速变化的反应较慢。
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
第三章 无线电波传播与小尺度衰落
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