第二章移动通信基础(信道传播)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,移动通信讲授内容,第1章 移动通信发展概述,第2章 移动通信基础,：,信道传播、多址接入、组网,第3章 移动通信系统,GSM,CDMA,WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA,第4章 第三代移动通信系统演进,移动通信,第2章,移动通信基础,第2章 无线通信基础,无线信道传播,抗摔落技术,多址接入技术,移动通信网络技术,4,2,.1.1,电磁波的基本知识,2,.1.2,无线电波的传播方式,2,.1.3,电磁波的极化,2,.1,无线信道传播,5,2.1.0,无线信道传播概述,有线信道特性是稳定的、可预测的。但铺设固定，不灵活。,无线信道特性是随机的、时变的、不可预测的。但取消连线，铺设灵活，适应各种地理环境。,近三十多年来，无线通信获得快速发展。,6,无线通信利用电磁波传播进行信息传输与信息交换。,掌握电磁波传播特性是无线通信系统研究与应用的基础。,电磁波有多种传播方式：地球表面波传播、空间波传播、对流层反射和电离层反射等。,不同传播方式具有不同的传播特性。,城市传播环境复杂，发射机和接收机之间基本上无视线（,LOS,）路径，多径传播普遍存在，高层建筑物引起的绕射损耗也非常大。,2.1.0,无线信道传播概述,7,城市传播环境示意图,8,多径传播会使接收信号产生多径衰落,(,小尺度衰落,),，接收信号电平急剧起伏，严重影响通信效果。,多径传播会产生时间色散现象，造成码间干扰。,多径传播是影响无线通信系统性能和通信效果的主要因素。,减小多径传播影响,的,技术措施,：分集接收（时间分集、空间分集、频率分集）、匹配滤波等。,2.1.0,无线信道传播概述,9,时间色散,10,掌握电磁波传播特性是理解无线通信协议设计背后原因的基础。,无线信道传播特性也是无线通信系统工程设计和研究频谱有效利用、系统电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的内容之一。,3G,长期演进技术的核心,MIMO,则是直接利用了多径传播特性。,电磁波的传播机制，总体上主要是反射、透射、散射和绕射（衍射）等。对这些传播机制的研究是掌握电磁波传播特性的基础。,4.1,无线信道传播概述,11,无线通信传播环境下，主要关心电磁波两个方面的传播特性,:,大尺度路径损耗：决定无线信号的最大传播距离，,是无线网络规划设计中的一个基本参数。,多径传播：,造成的小尺度衰落现象直接影响实时通信效果。,2.1.0,无线信道传播概述,12,图,4.1,小,尺度衰落同,大,尺度路径损耗比较,13,决定,Rx,与,Tx,相距一定距离时的平均接收信号电平。,大型地物障碍时形成阴影，产生阴影衰落。,在阴影区域，虽然,Rx,与,Tx,之间距离没有变化，但平均接收信号电平会发生变化。,气象因素也影响信号传播的衰减特性。,因阴影效应或气象因素产生的电平起伏一般随距离的变化比较缓慢，称为,慢衰落,或,大尺度衰落,。,大尺度路径损耗,14,受各种地形、地物阻挡会发生反射、散射、绕射等，使,Rx,收到的无线信号来自不同传播方向，经过不同的传播路径，这种现象称为,多径传播,。,经由不同传播路径到达接收天线的电磁波，会因传播距离不同而存在相位差。,多径电磁波在接收天线上合成的信号强度会出现比较大的起伏，往往达到几十个,dB,，这就是,多径衰落,(,小尺度衰落,),产生的原因。,多径传播,15,多径衰落现象对通信效果的影响非常大，当,Rx,天线处在深衰落位置点上时，甚至会造成通信中断。,固定无线通信系统布局需要避免深衰落点。,多径传播,16,2.1.1,电磁波的基本知识,任何辐射结构都能产生辐射电磁场。,变化的电磁场在,空间,的传播就形成了电磁波。,电基本振子是一段长为,l,的线型辐射体，可以将这样的线型辐射体看作是构成线天线的基本构成部分，即构成线天线的电流元。辐射体长度,l,，由于非常小，上面载有的传导电流,I,可以看成振幅均匀分布且相位处处相同。,17,图,2-3,分析点基本振子辐射的坐标系统,r,y,l O,z,E,=H,r,=H,=0,18,电基本振子辐射,电基本振子的电磁场分为三个不同区域：,感应场占主导的近场区。这一区域电磁场的分布与静电场相似，场强随距离的,3,次方成正比地快速衰减。并且感应场的电场和磁场相位相差,90,度，坡印廷矢量为虚数，没有能量向外辐射。,辐射场为主的远场区。这一区域电磁场强度随距离的增加成反比地衰减，表现出向外辐射的特性，电场与磁场矢量在空间上成垂直关系，相位相同，坡印廷矢量指向电磁波传播方向。,近区场与远场区之间的过渡区，称为中间区。中间区的感应场和辐射场相差不大。,19,电基本振子辐射,研究电磁波传播问题，只需要考虑天线辐射的远场区。,20,电磁波电场,E,、磁场,H,及传播方向关系,21,电磁波在自由空间的传播速度等于光速,c,。,在传播方向上，距离最近的电场（或磁场）强度相同的两点之间的距离，就是该电磁波的波长,。,电场（或磁场）强度方向每秒钟变化的次数就是该电磁波的频率,f,。,c,、,、,f,三者之间的关系满足,电基本振子辐射,22,电磁波谱,23,2.1.2,无线电波的传播方式,依据不同的频率，无线电波在空间的传播有三种基本方式：,地球表面波传播,天波传播,空间波传播。,24,1.,地球表面波传播,地球表面波也叫地面波是沿地球表面附近传播的无线电波，属于绕射传播。,地球表面波传播的频率一般限制在,2MHz,以下。,25,地球表面波传播是超视距传播。,优点：,1,）可用来在地球上两点之间建立长距离通信；,2,）传播比较稳定，基本不受大气条件影响。,缺点：,1,）地球表面波传播只适合较低频率的电磁波。地球是良导体，会因地球表面波的传播引起感应电流，从而产生电阻损耗和介质损耗，电磁波不断衰减，频率越高衰减越严重。,2,）发射设备体积大，造价高，天线架设困难。,3,）只能是窄带系统，不能实现宽带通信。,1.,地球表面波传播,26,2.,空间波传播,电磁波在靠近地面的低空大气层中的传播，是无线通信中电磁波的主要传播方式。,频率在,30 MHz,以上的调频广播、电视信号发射、以及陆地移动通信波段的电磁波传播都属于空间波传播方式。,一般将电磁波在低空大气层中的传播当作视距,(horizon),传播。在分析传播距离时，需要考虑地球低空大气层的特点。,27,发射天线 直射（,LOS,）路径 接收天线,h,t,h,r,d,图,2-7,空间波的视距传播,R,e,28,地球大气不均匀，介电常数随高度增加逐渐减小，大气折射率也随高度增加而减小并趋于,1,。,将大气层分成许多平行于地球面的薄层，可认为薄层折射率,n,均匀，各薄层折射率随高度增加逐渐减小。,电磁波从低层射向高层时，即从光密媒质射向光疏媒质，穿过每一薄层的波都会向着离开法线的方向偏折，每穿过一个薄层就偏折一次。,传播路径是一条不断向地面偏折的曲线，实际传播距离大于视距传播的直线距离。,2.,空间波传播,折射定理：,入射角与折射角的正弦之比，等于两种媒质的,折射率之反比。,1,：入射角,2,：折射角,n,1,：媒质,1,的折射率,n,2,：媒质,2,的折射率。,n,2,n,1,30,4,3,2,1,n,1,n,2,n,3,n,4,图,2-8,大气层对电磁波的折射,31,保持传播圆弧线上每一点至地面的距离不变，把射线拉直，得到一个半径为,R,e,的等效地球面。,R,e,=8450km,。,用等效半径代替地球的实际半径，视距传播距离计算公式为,2.,空间波传播,32,3.,天波传播,天波是天线发射后射向太空的电磁波，天波依靠电离层反射实现地球通信。,大气中有一层电离层，电磁波遇到电离层会发生反射。,电离层反射是电磁波在电离层中连续折射的结果。,地面上空,50km,到几百,km,的范围内，气体分子受太阳光照射发生电离，形成厚度为几百,km,的电离层。,电离层中电子密度呈现不均匀分布，先是随高度增加密度增大，在,300km,高空附近达到最大值，而后随高度增加密度减小。,33,相对介电常数与媒质中自由电子密度,N,e,的关系为,r,=1-80.8,N,e,/,f,2,。,媒质折射率为,上式中，,N,e,0,，因此,n,1,。,折射率先是随着高度的增加而减小，然后又随高度的增加而增大。,3.,天波传播,34,电磁波在电离层中传播时，先是从光密媒质射向光疏媒质，电磁波的传播方向将因连续的折射而不断地向着地面的方向偏折。,当传播到某个高度时，就会有一部分电磁波由原来的向太空方向转为向地面方向传播。,转向地面传播的电磁波变成由光疏媒质射向光密媒质，传播方向将连续地向着靠近法线的方向偏折，而这时靠近法线的方向即是靠近地面的方向。,这部分电磁波重回地面。,3.,天波传播,3.,天波传播,天波传播用于长距离通信,37,波长短于,10m,的微波能穿过电离层，波长超过,3000km,的长波，几乎会被电离层全部吸收。,短波最适宜以天波的形式传播，它可以被电离层反射到几千,km,以外，从而可用于长距离通信。,电离层的物理特性不稳定，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低，因此夜间对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。,收音机夜晚能收听到许多远地的中波或中短波电台。,3.,天波传播,38,2.1.3,电磁波的极化,电磁波的,极化,：,顺着电磁波传播方向看去，,电场矢量末端在空间变化的规律，也就是电场矢量末端随时间变化时在空间描绘出的轨迹,，称为电磁波的极化,。,电场矢量末端轨迹为直线时称为线极化，末端轨迹为圆时为圆极化，末端轨迹为椭圆时为椭圆极化。,电磁波极化特性具有重要的应用,：,无线电系统发射天线与接收天线的极化状态相匹配时具有最佳的接收效果，,这就是为什么也可以通过控制天线的极化状态来控制接收效果的原因。,线极化、圆极化和椭圆极化是三种比较简单也是重要的电磁波极化方式。,2.1.3,电磁波的极化,40,沿,z,轴方向传播的均匀平面电磁波，其电场矢量在,x,轴和,y,轴方向的分量为,2.1.3,电磁波的极化,总的电场矢量为两个分量之和,41,令,x,=0,，,得到,2.1.3,电磁波的极化,左旋,右旋,x,y,42,2.1.3,电磁波的极化,旋转方向,旋转方向,x,y,x,y,(a),左旋圆极化,(b),右旋圆极化,（图中,z,轴的方向是指向读者的）,43,2.1.3,电磁波的极化,x,=0,或,时,x,E,y,E,ym,E,xm,E,x,y,E,xm,E,ym,a.,=0,时的线极化,b.,=,时的线极化,44,两个线极化波可以合成任意其它的极化方式。反之，任意极化的电磁波也可以分解为两个线极化的电磁波。,一个线极化波也可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波。,2.1.3,电磁波的极化,本节结束,