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1、Shanghai Jiao Tong University Antenna and propagation in wireless communication Chapter4:无线信道与电波传播 Assoc. Prof. Junping Geng Mordern Antenna Technology Institute, E.E. Dept., Shanghai Jiao Tong University 201410 主要内容主要内容 o 电波传播 o 信道 o 抗衰落 o 抗干扰 *2 电波的传播 o 传播特性 电波在传播的过程中，有如下几种情况：反射、衍射、散射、 绕射、折射 产生的结果
2、： 方向图变化、多径衰落 *3 电波的传播 电磁波遇到带电气体（如带电云层、电离层）、水体、导体、半导 体等，都会发生反射。 *4 电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、 地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收 天线的电磁波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多 径传输。 室外环境多径传输示意图 电波的多径传播 *5 室内环境多径传输示意图 *6 多径衰落曲线 *7 电磁波的反射 *8 电磁波的衍射 入射平面波 *9 球面波扩散示意图 （惠更斯原理） *10 电磁波的散射 入射平面波 *11 电磁波的散射 入射平面波 *12 一致性劈绕射 *13 电磁波的绕射 入射
3、平面波 *14 电磁波的折射 入射平面波 *15 H h R r1 r2 r1=(R2-(H-h)2)1/2 r2=(R2-(H+h)2)1/2 平坦地面的两径效应 （双射线模型 ） *16 接收机距离R变化引起的衰落 h=1.5m H=50m *17 接收机高度h变化引起的衰落 H=25m R=500m *18 发射机高度H变化引起的衰落 h=1.5m R=500m *19 Shanghai Jiao Tong University 信道 无线通信信道的分类 o 理想无线信道？非理想无线信道？ 理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间 传播。 o 固定无线信道？移动无线信道？ o 视距
4、无线信道？非视距无线信道？ 视距，如：地面视距、卫星。 非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。 o 有干扰无线信道？无干扰无线信道？ 干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰 、敌意干扰。 *21 无线通信信道的指标 o 传播衰减 衰减的平均值 衰减的最大值 衰减的统计特性 o 传播延时 延时的平均值 延时的最大值 延时的统计特性 n延时扩展 对信道色散效应的描 述 n多普勒扩展 对信道时变效应的描 述 n干扰 干扰的性质 干扰的强度 *22 无线传播信道的模型 o 信道响应为h(, t) ，可以表示色散和时变 o 假设：线性信道、加性干扰 h(, t) s(t) r(t) n(
5、t) *23 Shanghai Jiao Tong University 信道：自由空间传播 自由空间传播（1） o 什么叫自由空间？无任何衰减、无 任何阻挡、无任何多径的传播空间 。 o 无线电波在自由空间传播时，其单 位面积中的能量会因为扩散而减少 。这种减少，称为自由空间的传播 损耗。 o 如图所示，发射功率为PT，发射天 线为各向均匀辐射，则以发射源为 中心，d为半径的球面上单位面积 的功率为： S PT / 4 d2 o 球面上的功率流 PT d *25 自由空间传播（2） o 由于天线有方向性（设发射天线增益为GT），故在主波 束方向通过单位面积的功率为： S = GT PT /
6、4 d2 o 设接收天线的有效面积为A，则接收天线所截获的功率 为：Pr = S A = A GT PT / 4 d2 o 对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布 ，则天线的有效面积为： A = Gr 2 / 4 其中Gr为接收天线增益， 为自由空间波长 *26 自由空间传播（2） 代入Pr公式。得到： Pr = Gr GT PT ( / 4 d)2 令： Pr / PT = Gr GT / LS 其中LS定义为自由空间传播损耗。 则： LS = (4 d / )2= (4 f d / c )2 以分贝数表示： LS = 92.4 + 20 lg f(GHz) +20 lg d(km
7、) dB *27 Shanghai Jiao Tong University 信道：地面视距传播 简 介 o 地面微波通信属于视距传播。 o 视距传播的主要特点是收发天线都在视距范围内 o 视距传播要考虑大气效应和地面效应。 o 视距和天线高度的关系 由于地球是一个曲面，天线高度h1、h2和视距 d之间存在以下关系： d = 3.57( ) 其中h1、h2的单位是m，d的单位是km。 说明：此公式没有考虑大气及地面对传播的影响 ，所以只能用作大致的估计。*29 大气效应之一：吸收衰减 o 主要发生在高频段 水蒸汽的最大吸收峰 在23GHz(1.3cm)； 氧气的最大吸收峰在 60GHz(5mm
8、)； o 对于12GHz(2.5cm) 以下的频率，大气吸 收衰减小于： 0.015dB/km。 *30 大气效应之二：雨雾衰减 o 在10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只 有几dB。 o 在10GHz以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几 dB/km。 o 下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素 。 *31 大气效应之三：大气折射 o 引入等效地球半径的概念： *32 地面效应之一：费涅尔半径和余隙 o 利用波动光学的惠更斯 费涅尔原理，在遇到 障碍物时将产生附加损 耗。 o 障碍物到T，R连线的垂 直距离为hc，称为余隙 。一阶费涅尔半径为h1 ，定义hc/h1为相对余隙 。就可以
9、从右图求出附 加损耗。 *33 地面效应之二：地面反射 o 这是产生电平衰落的主 要原因之一。 o 设：反射系数为m，反 射相位为1800，自由空 间衰减系数为，就可 以求出接收点的场强： *34 平衰落 o 当衰落较严重时，接收点的场强接近瑞利分布 o 接收点场强小于某个值的概率 n通用公式 n例： B1, C3.5 A=1.4108 Q=1 *35 频率选择性衰落 o 根据W.D.Rummler提出的伪三径模型，得到频率选择 性衰落的频率响应函数，如下图所示。 *36 Shanghai Jiao Tong University 信道：地面超视距传播 对流层散射传播 o 在地球表面1012
10、km处为对流层，存在 大量随机运动的不均匀介质，能对电波产 生折射、散射和反射。 o 散射通信是利用部分散射体内介质的前向 散射信号。这是典型的多径信道。 o 通信距离可达几百上千公里。 *38 对流层散射传播 n散射信道不存在电波的直射分量，是典型的瑞 利衰落信道。 n根据测试结果，接收电平小于其均方根值 10dB, 20dB, 30dB的概率分别为10，1， 0.1%。 n快衰落服从瑞利分布。 n慢衰落服从对数正态分布。 n克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收 技术。 *39 电离层反射传播 o 在地球上空60km以上是电离层，可以分为D层、E层、F 层。D层能吸收电波，E层能反射电波
11、，然而在晚上都会消 失。对电波起良好反射作用的是F层，并且能够在昼夜都保 持一定的通信功能。 *40 电离层反射传播（续） o 存在严重的多径效应，最大传播延时差可达毫秒量级 。 o 存在严重的时变性，电离层的特性随时变化，并且很 难准确预测 o 存在最高可用频率，为了实现较好的传输质量，工作 频率应尽可能接近最高可用频率。这些频率都在短波 波段（230MHz）。 *41 电离层反射传播（续） n存在多种附加损耗。如：吸收损耗（625dB），地面 反射损耗（20dB），系统额外损耗（1518dB） n存在严重的干扰，这是短波通信的一大特点。包括：大 气噪声、工业干扰、天电干扰、其它电台的干扰。
12、 n技术措施：自适应均衡、自动线路建立、分集。 *42 流星余迹传播 o 据统计，每昼夜有数百亿的流星进入大气层，和空气碰 撞产生电离。在地面80120km处形成电离气体带， 这就是流星余迹。 o 利用流星余迹的散射和反射进行通信。 o 工作频率3080MHz，传输距离2002000km，传 输速率低，用于突发通信。 *43 卫星传播 o 静止卫星 o 信道稳定，可以按照 自由空间传播损耗计 算 o 长延时，要考虑对话 音质量和通信协议的 影响 n移动卫星 n要考虑地面的影响， 包括多径和遮蔽 n接收信号电平服从莱 斯分布 n要考虑多普勒频移 *44 Shanghai Jiao Tong Un
13、iversity 移动传播 说 明 o 移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环 境。 o 首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样 。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射 、绕射、反射、散射。 o 其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变 化，引起接收场强的快速波动。 o 为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型 。 *46 四种传播机制 o 直射：自由空间传播 o 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生 反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。 o 绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的 边缘阻挡时，发生绕射。 o 散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体 、并且单位
14、体积内这种障碍物体的数目非常巨大时 ，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它 不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。 *47 二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型 *48 大尺度路径损耗传播模型 描述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 小尺度多径衰落传播模型 描述移动台在极小范围内移动时，短距离或短 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。 二种传播模型（续） *49 对数距离路径衰减规律 根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信 号功率随距离的对数衰减，其路径损耗指数如下表所示： *50 多径扩散和相干
15、带宽的关系 多径扩散和相干带宽 *51 多普勒扩散和相干时间的关系 多普勒扩散和相干时间 *52 基于多径时延扩散 平衰落 1.信号带宽符号周期 基于多普勒扩散 快衰落 1.多普勒频移大 2.相干时间符号周期 3.信道变化慢于基带信号的变化 衰落信道的分类 *53 大尺度模型：室外模型 o Longley-Rice模型 l适用频率范围：40MHz-10GHz 。 不同种类地形的点对点系统。 l利用路径几何学及对流层绕射 性，预测大尺度中值传播损耗 。 l有计算机程序，根据输入的路 径参数，进行点对点预测或区 域预测。 l缺点：不能提供对环境因素的 修正，没有考虑多径效应 nDurkin模型 l描述不规则地形场强预测的 计算机仿真器。 l已被联合无线电委员会用于 进行有效移动无线覆盖区的 研究。 l主要用于大尺度路径损耗的 预测。 l缺点：不能精确预测由于树 叶、建筑物、其它人造结构 引起的传播效应，不能计算 除地面反射以外的多径传播 。 *54 大尺度模型：室外模型（续） o Okumura模型 l适用频率范围150MHz-3GHz ， 距离1100km，天线高度 301000m。 l预测城区信号时使用最广泛 的模型，在日本已经成为系 统规划的标准。 l开发了一套在特定条件下自 由空间中值损耗
