2011 LX 移动通信_第二章_移动通信电波传播与传播预测模型 ver3.3 part1
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f = 1910MHz， D = 500 m 问：LdB=? PR=?
LdB = 32.45 + 20 lg 1910( MHz ) + 20 lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) = 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 15 = 78.07 (dB)
辐射场强Um所用的发射功率为Pt， 而均匀辐射的点源天线所需的功率 为P0，则 G Pt / P0
10
直射：
电波沿直线传播的传播方式 自由空间电波传播损耗
设： 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，
无反射、折射、绕射、散射和吸收现象 在接收天线方向，具有增益Gt 其单位面积中的能量会因扩散引起损耗 在发射天线方向，接收天线的增益为Gr
令第一菲涅尔区的半 径为F1，则根据第一 菲涅尔区半径的定义
d1
F d F d d
2 1 2 1 2 1 2 2
2
通常d1>>F1,d2>>F1，因此将上式作一级近似，可得
d
1
F / 2d1 d 2 F / 2d 2 d
2 1 2 1
2
d1d 2 d1d 2 1/ 2 F1 d d1 d2
移动通信
第二章
移动通信电波与传播预测模型
雷霞 通信抗干扰技术国家级重点实验室
主要内容
2.1概述
2.2自由空间的电波传播
2.3 3种基本电波传播机制
2.4阴影衰落的基本特性 2.5移动无线信道及特性参数
2.6电波传播损耗预测模型
2.1 概述
2.1. 概述
为什么研究无线信道的电波传播特性？
s
信道h
非理想自由空间的传输损耗 路径损耗指数： 实测表明，在发射功率，天线参数和工 作频率给定的条件下，平均路径损耗
d P (d ) 对于d d 0 d0
n
d0为靠近发端的参考点距发端的距离， 该处的损耗可以由实测获取 n为路径损耗指数，取决于传播环境
参考点也必须在天线的远场
LdB PT ,dBm - PR ,dBm PT ,dBm =10log(10mW)=10dBm
PR,dBm =10log(1 105 mW)=-50dBm
LdB PT ,dBm - PR,dBm 60dB
19
自由空间的路径损耗：L (4 d / )2 / (GT GR ) d 2
2.2 自由空间的电波传播
当Gt ，Gr 非1时，自由空间的传播损耗为
L (4 d / )2 /(GT GR )
得到，LdB 32.45 20lg f 20lg d 10lg GT 10lg GR
[举例] PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ；
2
用dB描述，LdB 10lg( L)
代入光速，c =3 108 (m / s)
所以，LdB 20 lg
将f 的单位改为MHz，d 的单位为改Km，取对数 4 1e 6 1e 3
3e 8 20 lg f 20 lg d 14
得到，LdB 32.45 20lg f 20lg d
29
F1 d1d2 / d
举例：工作频率为900MHz，收发间距离 为30Km，求收发之间中点处的第1菲涅尔 区半径 d1 d2 d / 2
1 d F1 d1d2 / d F1 d / 4d 2 c / f
2
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 900e6( Hz ) 2 1 1000 15.8(m) 2
W和dBm的转换
都是功率单位 折算为dB更利于计算
PdBm (dBm ) 10log( P ( mW ))
例：
1(W ) 30(dBm )
LdB PT ,dBm - PR ,dBm
18
2.2 自由空间的电波传播
[课堂练习],发射功率为PT =10mW ，接收灵 敏度为PR=10umW，求LdB
27
2.3.2 绕射
第n菲涅尔区：
恒时延椭圆轨迹边界：以收、发两点为
焦点的旋转椭球椭圆曲面 f (n) =ST+TR=SR+n l /2 f (n)和 f (n-1)曲面之间的区域称为第n菲 涅尔区
第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通 道
E 2E1
28
N1 R r1 F1 d2 d
R Re
j
sin z( , ) sin z( , )
f , , , 入射角； 介电常数； 波长
工作频率>150MHz(λ＜2m)时，θ＜1°
反射系数为-1
0 z( , ) R 1 0 z( , )
4.散射波(最弱)
7
典型的移动信道电波传播方式
2.1. 概述
信道按是否存在视距分类
视距信道：
直射传播（LOS：Light-Of-Sight），如
卫星传播信道
非视距信道：
非直射传播（Non-LOS）：绕射、散射、
反射
8
2.2 自由空间的电波 传播
回顾
各向同性天线 没有体积、不存在损耗的点源辐射器。其方 向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强 度 天线增益 方向性天线在某方向的某位置达到
多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功
率
26
2.3.2 绕射
绕射(diffraction) ： 当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻
挡时，发生绕射。
惠更斯.菲涅尔原理
行进中的波前(面）上的每一点都可以作为产生次级
波的点源 绕射由次级波进入阴影 区域而形成 绕射波场强为围绕阻挡\ 物所有次级波的矢量和
反射波场强的幅度等于入射波场强的幅 23 度，而相差为180°
2.3.1 反射与多径信号
两径传播模型 L= PT/PR= (4d/)2/(GtGr)
Pr Pt Gr Gt 1 R e j 4 d
2 2
2l / ;(路位的相位差) l ( AC CB) AB;(路位的距离差)
20
2.2 自由空间的电波传播
典型环境的路径损耗指数
传播环境 自由空间 市区蜂窝通信 有传播阴影的市区蜂窝 通信 路径损耗指数，n 2 2.7-3.5 3-5
典型取值：4
21
2.3 3种基本电波传播机制
2.3.1 反射与多径信号
反射:
当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，
反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面 反射系数：
AB : Pr ,1,dBm Pt ,dBm L1,dB L1,dB 78dB
Pr ,1,dBm 68 dBm） （ ACB : Pr ,2,dBm Pt ,dBm L2,dB
L2,dB 79.6dB
2l / d 4 / 3
2 2
Pr ,2,dBm 69.6 dBm） （
SD Gt Save GT PT (W / m 2 ) 4 d 2
12
Frris自由空间模型(Friis H.T.,Proc. IRE,1946)
主波束方向通过单位面积的功率 接收天线有效面积AR : 抛物面天线，假定天线口面场具有
等相、等幅分布[1]
2
SD PT
GT (W / m2 ) 4 d 2
2 AR G（ m ) R 4
则接收天线所截获的功率为
PR SD AR
PR PT GT GR (W ) 4 d
2
13
[1] Dipak L. Sengupta Valdis，应用电磁学与电磁兼容
因为接收功率PR PT GT GR (w) 4 d
2.1. 概述
h (t )
1e-3 高斯信道 传输性能 7dB
h i exp ji
i 0
N
瑞利信道传输性能
1e-3 25dB
6
2.1. 概述
移动信道下的电波传播机制
视距信道 散射体
1.直射波(最强)
非视距信道
2.反射波(次强) 3.绕射波(次强)
2.2 自由空间的电波传播
(2)
PR 的计算
可得，PR PT / L 可得，L 10^ ( LdB /10)
L PT / PR
LdB 10 lg( L)
因此，PR PT / 10^(LdB / 10)
PR = PT / ( 10^(L_dB/10) ) = PT / ( 10^7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10^7.807 ) = 156 ( mμW )
Pr 69.25(dBm)
Pr Pt Gr Gt 1 R e j 4 AB
Baidu Nhomakorabea
Pr ,1,dBm
25
2.3.1 反射与多径信号
推广到多径情况
Pr Pt Gr Gt 1 Ri e j 4 i 1
2 N 1 2
16
10 lg GT 10 lg GR [课堂练习],发射功率为PT =10mW ，发射/接 收天线增益GR=GT=7dB ，工作频率f = 1910MHz（20log1910=65.5dB ，接收灵敏度 为PR=10umW，问接收机最远离发射机多远 能正常工作 LdB 10log( PT / PR ) 60dB
前提： 发射功率为Pt 发射天线远离地球，或没有阻挡物 接收天线与发射天线的距离为d
Gr
d
P , Gt t
(a)
(b)
(c )
11
发射天线为各向均匀辐射时， 以发射源为中心，d为半径的 球面上单位面积的功率为：
Save PT (W / m 2 ) 4 d 2
如天线具有方向性（发射天线 增益为GT），在主波束方向通 过单位面积的功率为：
d
R是地面反射系数 取决于介电常数，波长和入 射角
24
举例 LdB 32.45 20lg f 20lg d 10lg GT 10lg GR
Pt =10dBm,AB=0.5(km), l 0.1(km)
Gr GT 7(dB), f 1910(MHz), R 0.5( 光滑地面)
2
传播损耗，也称为路径损耗
定义，L PT / PR
所以，L (4 d / )2 /(GT GR )
因为， c / f
2
当Gt = Gr=1时，自由空间的传播损耗为
L= (4 d / )2
所以，L (4 df / c ) (4 / c ) d f
2 2
30
F1 d1d2 / d
课堂练习1：如果工作频率调整为300MHz， 收发间距离为30Km，求收发之间中点处 的第1菲涅尔区半径 波长越长，F1
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 300e6( Hz ) 2 1 3000 27.38(m) 2
L PT / PR
LdB 32.45 20 lg f 20 lg d
20lg d LdB - 32.45 20lg f 10lg GT 10lg GR
20 lg d 23.95
d 10^ ( 23.95 / 20) 63.4( m )
17
2.2 自由空间的电波传播
r
n是白高斯噪声
r hs n
h (t ) H=1
r s+n
h i exp ji
i 0
N
r ?
2.1. 概述
白高斯噪声的定义和特点 定义：
如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，
而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为 高斯白噪声 为什么叫“白” 由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合 而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性 质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作 白噪声
越大，绕射能力 越强。
31
F1 d1d2 / d
课堂练习2：如果工作频率还是900MHz，收发 间距离为30Km，求距离发端10Km处的第1菲涅 尔区半径 d1 d / 3; d2 2d / 3 2 F1 d1d2 / d F1 d F1在中点处
LdB = 32.45 + 20 lg 1910( MHz ) + 20 lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) = 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 15 = 78.07 (dB)
辐射场强Um所用的发射功率为Pt， 而均匀辐射的点源天线所需的功率 为P0，则 G Pt / P0
10
直射：
电波沿直线传播的传播方式 自由空间电波传播损耗
设： 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，
无反射、折射、绕射、散射和吸收现象 在接收天线方向，具有增益Gt 其单位面积中的能量会因扩散引起损耗 在发射天线方向，接收天线的增益为Gr
令第一菲涅尔区的半 径为F1，则根据第一 菲涅尔区半径的定义
d1
F d F d d
2 1 2 1 2 1 2 2
2
通常d1>>F1,d2>>F1，因此将上式作一级近似，可得
d
1
F / 2d1 d 2 F / 2d 2 d
2 1 2 1
2
d1d 2 d1d 2 1/ 2 F1 d d1 d2
移动通信
第二章
移动通信电波与传播预测模型
雷霞 通信抗干扰技术国家级重点实验室
主要内容
2.1概述
2.2自由空间的电波传播
2.3 3种基本电波传播机制
2.4阴影衰落的基本特性 2.5移动无线信道及特性参数
2.6电波传播损耗预测模型
2.1 概述
2.1. 概述
为什么研究无线信道的电波传播特性？
s
信道h
非理想自由空间的传输损耗 路径损耗指数： 实测表明，在发射功率，天线参数和工 作频率给定的条件下，平均路径损耗
d P (d ) 对于d d 0 d0
n
d0为靠近发端的参考点距发端的距离， 该处的损耗可以由实测获取 n为路径损耗指数，取决于传播环境
参考点也必须在天线的远场
LdB PT ,dBm - PR ,dBm PT ,dBm =10log(10mW)=10dBm
PR,dBm =10log(1 105 mW)=-50dBm
LdB PT ,dBm - PR,dBm 60dB
19
自由空间的路径损耗：L (4 d / )2 / (GT GR ) d 2
2.2 自由空间的电波传播
当Gt ，Gr 非1时，自由空间的传播损耗为
L (4 d / )2 /(GT GR )
得到，LdB 32.45 20lg f 20lg d 10lg GT 10lg GR
[举例] PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ；
2
用dB描述，LdB 10lg( L)
代入光速，c =3 108 (m / s)
所以，LdB 20 lg
将f 的单位改为MHz，d 的单位为改Km，取对数 4 1e 6 1e 3
3e 8 20 lg f 20 lg d 14
得到，LdB 32.45 20lg f 20lg d
29
F1 d1d2 / d
举例：工作频率为900MHz，收发间距离 为30Km，求收发之间中点处的第1菲涅尔 区半径 d1 d2 d / 2
1 d F1 d1d2 / d F1 d / 4d 2 c / f
2
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 900e6( Hz ) 2 1 1000 15.8(m) 2
W和dBm的转换
都是功率单位 折算为dB更利于计算
PdBm (dBm ) 10log( P ( mW ))
例：
1(W ) 30(dBm )
LdB PT ,dBm - PR ,dBm
18
2.2 自由空间的电波传播
[课堂练习],发射功率为PT =10mW ，接收灵 敏度为PR=10umW，求LdB
27
2.3.2 绕射
第n菲涅尔区：
恒时延椭圆轨迹边界：以收、发两点为
焦点的旋转椭球椭圆曲面 f (n) =ST+TR=SR+n l /2 f (n)和 f (n-1)曲面之间的区域称为第n菲 涅尔区
第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通 道
E 2E1
28
N1 R r1 F1 d2 d
R Re
j
sin z( , ) sin z( , )
f , , , 入射角； 介电常数； 波长
工作频率>150MHz(λ＜2m)时，θ＜1°
反射系数为-1
0 z( , ) R 1 0 z( , )
4.散射波(最弱)
7
典型的移动信道电波传播方式
2.1. 概述
信道按是否存在视距分类
视距信道：
直射传播（LOS：Light-Of-Sight），如
卫星传播信道
非视距信道：
非直射传播（Non-LOS）：绕射、散射、
反射
8
2.2 自由空间的电波 传播
回顾
各向同性天线 没有体积、不存在损耗的点源辐射器。其方 向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强 度 天线增益 方向性天线在某方向的某位置达到
多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功
率
26
2.3.2 绕射
绕射(diffraction) ： 当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻
挡时，发生绕射。
惠更斯.菲涅尔原理
行进中的波前(面）上的每一点都可以作为产生次级
波的点源 绕射由次级波进入阴影 区域而形成 绕射波场强为围绕阻挡\ 物所有次级波的矢量和
反射波场强的幅度等于入射波场强的幅 23 度，而相差为180°
2.3.1 反射与多径信号
两径传播模型 L= PT/PR= (4d/)2/(GtGr)
Pr Pt Gr Gt 1 R e j 4 d
2 2
2l / ;(路位的相位差) l ( AC CB) AB;(路位的距离差)
20
2.2 自由空间的电波传播
典型环境的路径损耗指数
传播环境 自由空间 市区蜂窝通信 有传播阴影的市区蜂窝 通信 路径损耗指数，n 2 2.7-3.5 3-5
典型取值：4
21
2.3 3种基本电波传播机制
2.3.1 反射与多径信号
反射:
当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，
反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面 反射系数：
AB : Pr ,1,dBm Pt ,dBm L1,dB L1,dB 78dB
Pr ,1,dBm 68 dBm） （ ACB : Pr ,2,dBm Pt ,dBm L2,dB
L2,dB 79.6dB
2l / d 4 / 3
2 2
Pr ,2,dBm 69.6 dBm） （
SD Gt Save GT PT (W / m 2 ) 4 d 2
12
Frris自由空间模型(Friis H.T.,Proc. IRE,1946)
主波束方向通过单位面积的功率 接收天线有效面积AR : 抛物面天线，假定天线口面场具有
等相、等幅分布[1]
2
SD PT
GT (W / m2 ) 4 d 2
2 AR G（ m ) R 4
则接收天线所截获的功率为
PR SD AR
PR PT GT GR (W ) 4 d
2
13
[1] Dipak L. Sengupta Valdis，应用电磁学与电磁兼容
因为接收功率PR PT GT GR (w) 4 d
2.1. 概述
h (t )
1e-3 高斯信道 传输性能 7dB
h i exp ji
i 0
N
瑞利信道传输性能
1e-3 25dB
6
2.1. 概述
移动信道下的电波传播机制
视距信道 散射体
1.直射波(最强)
非视距信道
2.反射波(次强) 3.绕射波(次强)
2.2 自由空间的电波传播
(2)
PR 的计算
可得，PR PT / L 可得，L 10^ ( LdB /10)
L PT / PR
LdB 10 lg( L)
因此，PR PT / 10^(LdB / 10)
PR = PT / ( 10^(L_dB/10) ) = PT / ( 10^7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10^7.807 ) = 156 ( mμW )
Pr 69.25(dBm)
Pr Pt Gr Gt 1 R e j 4 AB
Baidu Nhomakorabea
Pr ,1,dBm
25
2.3.1 反射与多径信号
推广到多径情况
Pr Pt Gr Gt 1 Ri e j 4 i 1
2 N 1 2
16
10 lg GT 10 lg GR [课堂练习],发射功率为PT =10mW ，发射/接 收天线增益GR=GT=7dB ，工作频率f = 1910MHz（20log1910=65.5dB ，接收灵敏度 为PR=10umW，问接收机最远离发射机多远 能正常工作 LdB 10log( PT / PR ) 60dB
前提： 发射功率为Pt 发射天线远离地球，或没有阻挡物 接收天线与发射天线的距离为d
Gr
d
P , Gt t
(a)
(b)
(c )
11
发射天线为各向均匀辐射时， 以发射源为中心，d为半径的 球面上单位面积的功率为：
Save PT (W / m 2 ) 4 d 2
如天线具有方向性（发射天线 增益为GT），在主波束方向通 过单位面积的功率为：
d
R是地面反射系数 取决于介电常数，波长和入 射角
24
举例 LdB 32.45 20lg f 20lg d 10lg GT 10lg GR
Pt =10dBm,AB=0.5(km), l 0.1(km)
Gr GT 7(dB), f 1910(MHz), R 0.5( 光滑地面)
2
传播损耗，也称为路径损耗
定义，L PT / PR
所以，L (4 d / )2 /(GT GR )
因为， c / f
2
当Gt = Gr=1时，自由空间的传播损耗为
L= (4 d / )2
所以，L (4 df / c ) (4 / c ) d f
2 2
30
F1 d1d2 / d
课堂练习1：如果工作频率调整为300MHz， 收发间距离为30Km，求收发之间中点处 的第1菲涅尔区半径 波长越长，F1
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 300e6( Hz ) 2 1 3000 27.38(m) 2
L PT / PR
LdB 32.45 20 lg f 20 lg d
20lg d LdB - 32.45 20lg f 10lg GT 10lg GR
20 lg d 23.95
d 10^ ( 23.95 / 20) 63.4( m )
17
2.2 自由空间的电波传播
r
n是白高斯噪声
r hs n
h (t ) H=1
r s+n
h i exp ji
i 0
N
r ?
2.1. 概述
白高斯噪声的定义和特点 定义：
如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，
而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为 高斯白噪声 为什么叫“白” 由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合 而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性 质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作 白噪声
越大，绕射能力 越强。
31
F1 d1d2 / d
课堂练习2：如果工作频率还是900MHz，收发 间距离为30Km，求距离发端10Km处的第1菲涅 尔区半径 d1 d / 3; d2 2d / 3 2 F1 d1d2 / d F1 d F1在中点处