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1、无线通信技术,翟旭平 ,2012-3-25,第一章 无线通信概述,无线通信的技术原理 无线通信系统的组成,上海大学通信与信息工程学院,第1页,第一章 无线通信概述,无线通信的技术原理 无线通信的特点 无线电波传播情况复杂 电磁干扰严重 无线通信常用术语 信道 大区 小区 漫游 切换,上海大学通信与信息工程学院,第2页,第一章 无线通信概述,无线通信的技术原理 无线通信的起源 赫兹与无线电波（1886年） 波波夫与天线（1896） 马可尼与无线通信（1896） 无线通信系统的分类 陆地蜂窝移动通信系统 固定宽带无线接入系统 微波中继通信系统 卫星通信系统,上海大学通信与信息工程学院,第3页,第一
2、章 无线通信概述,无线通信的技术原理 蜂窝移动通信系统的发展 第一代蜂窝移动通信系统（1978年） 第二代蜂窝移动通信系统（1992年） GSM和IS-95 第三代蜂窝移动通信系统（2000年-） WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA 后三代蜂窝移动通信系统,上海大学通信与信息工程学院,第4页,第二章 无线电的传播,从发射机的天线到接收机的天线，各种传播媒介形成了无线与移动通信的信道。 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。 无线电波在空间中传播的途径是非常复杂的：从简单的视距传播，到遇到各种复杂的地形物，如建筑物、山脉和树叶等。 无线信道的特征:极度的随机性。,上海大学通信
3、与信息工程学院,第1页,本章内容概要,大尺度路径损耗 自由空间传播模型 三种传播机制：反射、绕射和散射 链路预算 小尺度衰落和多径效应 多径信道的冲激响应模型 小尺度衰落模型,上海大学通信与信息工程学院,第2页,电磁波传播的三种机制：反射、绕射和散射 大多数蜂窝系统 : 市区城区 传播模型的研究 A、距发射机一定距离处信号的平均场强 B、特定位置附近信号场强的变化,上海大学通信与信息工程学院,第3页,1、无线电波传播介绍,对于A，预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机和接收机之间长距离（百米-千米）上的信号场强变化，称为大尺度传播模型。 对于B，通常描述短距离（波
4、长）或短时间（ms-s）内接收信号场强的快速波动。这种模型称为小尺度衰落模型。,上海大学通信与信息工程学院,第4页,1、无线电波传播介绍,当移动台在极小范围内移动时，可能会引起瞬时接收场强的快速波动（小尺度衰落）。 原因：不同方向、不同路径的多个信号的合成，相位随机变化。 在小尺度衰落中，移动距离与波长相当时，接收信号功率可发生3到4个数量级的变化。 当接收机逐渐远离发射机时，接收信号的平均功率逐渐减弱（由大尺度传播模型预测，5-40个波长取平均）,上海大学通信与信息工程学院,第5页,1、无线电波传播介绍,上海大学通信与信息工程学院,第6页,1、无线电波传播介绍,作用：用于预测接收机和发射机之
5、间完全无阻挡的视距路径时接收信号的场强； 内容：自由空间模型预测的接收功率是T-R距离的函数 预测公式（Friis 公式）： 实例：卫星通信系统 微波视距无线链路等,上海大学通信与信息工程学院,第7页,2、自由空间传播模型,上海大学通信与信息工程学院,第8页,2、自由空间传播模型,电场和功率的关系： 例题1：已知基站处天线增益为10dB, 发射功率为10W, 移动台接收天线增益为3dB, 传输距离为10km, 工作频率为900MHz。求自由空间传播下的接收信号功率。,上海大学通信与信息工程学院,第9页,2、自由空间传播模型,路径损耗：表示信号衰减，定义为有效发射功率和接收功率的差，单位为dB(
6、正值) -Friis自由空间模型 有无适用条件？,上海大学通信与信息工程学院,第10页,2、自由空间传播模型,Friis自由空间模型的适用条件： （1）远场预测 Fraunhofer距离： 且 （2） 参考距离 且小于系统中所有接收机的距离。于是,上海大学通信与信息工程学院,第11页,2、自由空间传播模型,例题2 求解最大尺寸为1m，工作频率为900MHz的天线的远场距离。 例题3 如果发射机发射50W的功率，将其换算成dBm和dBW。如果该发射机采用单位增益天线，载频为900MHz，求出在自由空间中距离天线100m处的接收功率，10km处呢？设接收天线为单位增益,上海大学通信与信息工程学院,
7、第12页,2、自由空间传播模型,三种基本传播机制-反射、绕射和散射 反射：当电磁波遇到比其波长大得多的物体时，就会产生反射。反射发生于地球表面、建筑物面和墙壁表面。反射是产生多径衰落的主要因素。,上海大学通信与信息工程学院,第13页,3、三种基本传播机制,绕射：当发射机和接收机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时就会发生绕射。由阻挡边缘产生的二次波分布于整个空间，甚至绕射至阻挡体的背面。依赖于物体的形状以及入射波的振幅、相位 和极化情况。 散射：若电磁波在小于其波长的大量物体（比如树叶）中穿行，则会发生散射。散射产生于粗糙表面、小物体和不规则物体。在实际移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引
8、起散射。,上海大学通信与信息工程学院,第14页,3、三种基本传播机制,上海大学通信与信息工程学院,第15页,3、三种基本传播机制之反射,上海大学通信与信息工程学院,第16页,3、三种基本传播机制之反射,一般情况下，电磁波是极化波，即在空间互相垂直的方向上同时存在电场分量。极化波可以表示成两个在空间上互相垂直的分量的和，例如水平和垂直、左手环和右手环极化分量等，然后通过叠加来计算反射场。 移动传播环境是复杂的，由于众多反射波的存在，在接收端是大量反射信号的叠加。为了使问题简化，首先考虑简单的两径传播模型。,上海大学通信与信息工程学院,第17页,3、三种基本传播机制之反射,上海大学通信与信息工程学
9、院,第18页,3、三种基本传播机制之反射,绕射 可传播到阻挡物的后面 惠更斯原理解释：波前上的所有点都可以作为产生次级波的点源。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。,上海大学通信与信息工程学院,第19页,3、三种基本传播机制之绕射,上海大学通信与信息工程学院,第20页,3、三种基本传播机制之绕射,上海大学通信与信息工程学院,第21页,3、三种基本传播机制之绕射,传播路径中障碍物的绕射损耗 在实际情况中，直射波常常会被各种障碍物阻挡，由障碍物阻挡引起的附件传播损耗称为绕射损耗。 实际上很难精确计算绕射损耗，为了便于估算，人们常常利用一些经典的绕射模型来进行估算，例如刀刃绕射模型和多重刀刃绕射模型
10、等 两种刀刃绕射传播方式： 正高度模式 负高度模式 见下图,上海大学通信与信息工程学院,第22页,3、三种基本传播机制之绕射,图中x表示障碍物顶点到直射线的距离，称为菲涅耳余隙。在负高度模式下，x为负值，正高度模式下，x为正值。障碍物引起的附加损耗与菲涅耳余隙的关系如下：,上海大学通信与信息工程学院,第23页,3、三种基本传播机制之绕射,横坐标中的x0表示第一菲涅耳区半径。,上海大学通信与信息工程学院,第24页,3、三种基本传播机制之绕射,一般情况下，精确预测绕射损耗是不可能的，通常在预测中采用理论近似加上必要的经验修正的方法。 刀刃绕射模型：阻挡体为单个物体，例如山峰，通过把阻挡体看作绕射刀
11、形边缘来估计绕射损耗。 利用经验公式或图解来计算绕射损耗。,上海大学通信与信息工程学院,第25页,3、三种基本传播机制之绕射,对多个阻挡体的情况，可等效为单个阻挡体，采用刀刃绕射模型来估计。,上海大学通信与信息工程学院,第26页,3、三种基本传播机制之绕射,散射 在实际的无线环境中，接收的信号通常比单独绕射和反射模型预测的要强一些。 这是因为当电磁波在传播中遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，像灯柱、树叶等这样的物体都会在所有方向上散射能量，这就给接收机提供了额外的能量。,上海大学通信与信息工程学院,第27页,3、三种基本传播机制之散射,路径损耗估计与链路预算设计 传播模型的建立
12、：分析与实验方法结合产生 实验方法：基于测量数据进行曲线拟合 优点：考虑了所有已知和未知的因素 局限：特定频率、特定环境下得到的 本节课来学习实际中采用的路径损耗估计方法。,上海大学通信与信息工程学院,第28页,4、链路预算,对数距离路径损耗模型 传播模型的获得：分析+实验 测量数据 接收信号的平均功率随距离呈指数衰减！ 平均大尺度路径损耗可表示为,上海大学通信与信息工程学院,第29页,4、链路预算,或者 其中： n-路径损耗指数，表明路径损耗随距离的增长速率，取决于传播环境； d0 -参考距离，由测试决定； d-T-R的距离； 上划线表示给定d的所有可能路径损耗的平均,上海大学通信与信息工程
13、学院,第30页,4、链路预算,坐标系为对数-对数坐标系，这样路径损耗就可表示为斜率是10n dB/十倍程的直线。 参考距离选择：天线的远场区 参考距离处的路径损耗：可通过测试获得，也可以采用自由空间路径损耗公式计算得出 不同无线环境下的路径损耗指数：,上海大学通信与信息工程学院,第31页,4、链路预算,上海大学通信与信息工程学院,第32页,4、链路预算,对数正态阴影 相同T-R距离d时，不同位置的周围环境差别非常大，导致实际测量结果与平均值有很大差异。 测试表明，对任意的d值，特定位置的路径损耗PL(d)为随机的对数正态分布，即,上海大学通信与信息工程学院,第33页,4、链路预算,上海大学通信
14、与信息工程学院,第34页,4、链路预算,对数正态分布描述了在传播路径上具有相同T-R距离时，不同的随机阴影效果。这种现象就称为对数正态阴影。 对数正态阴影的含义：在特定的T-R距离d处测得的路径损耗，是一个随机数，它符合正态分布，其均值为 ，方差为 。 例题4：接收功率的测量值见下表，根据对数距离路径损耗模型，试确定：（a）路径损耗指数n的最小均方误差估计；（b）标准偏差；（c）运用模型计算2Km处的接收功率；（d）预测2Km处电平大于-60dBm的概率,上海大学通信与信息工程学院,第35页,4、链路预算,作业题1：假设一个接收机位于一个50W发射机的10km距离处，载波频率为6GHZ，假定为自由空间传播，同时Gt=Gr=1. 求： 1）接收机处的信号功率； 2）接收天线处的电场强度； 3）如果将载波频率降为3GHZ，接收信号功率能否增大？增大多少？ 作业题2：课后阅读参考书和相关文献，指出常见的室外传播路径损耗模型有哪些，分别指出它们的特点和适用范围。,上海大学通信与信息工程学院,第36页,作业题：,
