移动通信理论与实战第2章 无线电波传播与天馈系统PPT课件
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精品课件-移动通信技术(余晓玫-第2章 移动信道电波传播理论
因此，电波传播的损耗L为 ［L］ = ［Lfs］+16.5 = 116.0dB
2.2 移动无线信道的多径传播衰落特性 2.1.1 移动信道的时变特性
· 移动信道是一种时变信道。 · 无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的 衰减损害。
· 按收信号功率可表示为
(2.21)
式中， d 表示移动台与基站的距离。 · 式（2.21）是信道对传输信号作用的一般表示式。
· 发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称 系统损耗。
· 经推导可得出传输损耗Ls的表达式为
（2.3a）
Gt和Gr为发射和接收天线增益（dB）
· 损耗常用分贝表示。 · 式（ 2.3a ）也可表示成
（ 2.3b）
d的单位是Km，频率f 的单位是MHz
自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为 （2.4）
图2.3 反射波与直射波
通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即 电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用 反射系数R表示。它可以用以下公式表示：
(2.5)
R R e j
反射波与直射波的路径差为
(2.6) d d
1
ht
hr
2
1
ht
hr
2
d
d
式中， d=d1+d2。
解：自由空间传播的损耗Lfs为
［Lfs］ = 32.45+ 20lg150 +20lg(5+10) = 99.5dB
第一菲涅尔区半径x1为
x1
d1d2
d1 d2
2 5 103 10 103 15 103
81.7m
式中，λ=c/f, c为光速，f为频率。
2.2 移动无线信道的多径传播衰落特性 2.1.1 移动信道的时变特性
· 移动信道是一种时变信道。 · 无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的 衰减损害。
· 按收信号功率可表示为
(2.21)
式中， d 表示移动台与基站的距离。 · 式（2.21）是信道对传输信号作用的一般表示式。
· 发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称 系统损耗。
· 经推导可得出传输损耗Ls的表达式为
（2.3a）
Gt和Gr为发射和接收天线增益（dB）
· 损耗常用分贝表示。 · 式（ 2.3a ）也可表示成
（ 2.3b）
d的单位是Km，频率f 的单位是MHz
自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为 （2.4）
图2.3 反射波与直射波
通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即 电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用 反射系数R表示。它可以用以下公式表示：
(2.5)
R R e j
反射波与直射波的路径差为
(2.6) d d
1
ht
hr
2
1
ht
hr
2
d
d
式中， d=d1+d2。
解：自由空间传播的损耗Lfs为
［Lfs］ = 32.45+ 20lg150 +20lg(5+10) = 99.5dB
第一菲涅尔区半径x1为
x1
d1d2
d1 d2
2 5 103 10 103 15 103
81.7m
式中，λ=c/f, c为光速，f为频率。
无线通信基本原理PPT课件
室内非视距
4～6
16
无线传播环境－传播损耗
25 dB/dec
30 dB/dec
20 dB/dec
40 ..50 dB/dec
path loss
17
无线传播环境－传播损耗
电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播 环境直接决定无线传播方式。影响无线电波传播方式 的主要因素有：
• 自然地形（高山、丘陵、平原、水域） • 人工建筑的数量、分布、材料特性 • 植被特征 • 天气状况
无线通信基本原理
1.无线电波传播的基础理论 2.移动通信基本原理
1
1.无线电波传播的基础理论
2
无线传播基本原理－电波传播方式：
• Free- space propagation
Signal strength decreases exponentially with distance
D
• Reflection
• 在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时地连续不断地发射 • FDMA通常是窄带系统，TACS为代表，每信道25kHz带宽 • FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小
• FDMA需要精确的RF滤波器，需要双工器（单天线）
• 非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交 调频率（IM），产生额外的RF辐射
• 在典型的蜂窝移动通信环境中，移动台一般比基站天 线矮很多，接收机与发射机之间的直达路径往往被建 筑物或其他物体所阻碍。所以，在蜂窝基站与移动台 之间的通信不一定是通过直达路径，而是通过许多其 他路径完成的。
7
无线传播基本原理－传播途径（多径）
发射信号
接收信号 强度
时间 8
无线传播环境－信号衰落
移动通信天馈系统原理
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移动通信天馈系统原理
小结
l 本章介绍了无线电波和超短波的基本知识，其中主要包 括的内容有：无线电波的概念、无线电波的极化、天线 的概念、天线的极化、圆极化波、极化损失、极化隔离、 超短波和微波的视距传播、电波的多径传播、电波的绕 射传播等方面的内容。
l 通过对本章的学习，应该对无线电波和超短波的特性有 一定的了解，掌握这部分和天线相关的知识。同时，通 过课后习题的学习，可以对这部分的知识加以巩固。
位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波
在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不
一样。
•波长
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移动通信天馈系统原理
第一章 无线电波和超短波的基本知识
１.２ 无线电波的极化 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而
变化的，这种现象称为无线电波的极化。
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移动通信天馈系统原理
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2020/11/24
移动通信天馈系统原理
引入
移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅 速的领域之一，天线是用户终端与基站控制设备间 通信的桥梁，广泛应用于移动通信和无线接入通信 系统中,它的迅猛发展产生了巨大的推动力，推动 了天线概念的变革和技术的创新。能否对移动通信 中天线方面的知识有深入的了解、全面掌握天线相 关的知识，无论是对产品的安装和维护、网络规划 工作的顺利开展，都有着十分重要的意义。
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移动通信天馈系统原理
第一章 无线电波和超短波的基本知识
直视距离和发射天线以及接收天线的 高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。 由简单的几何关系式可知
AB＝3.57( HT 1/2 +HR 1/2 )(公里)
第2章 移动通信信道的电波传播.ppt
2、天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使 用 的无线较短便于移动。
3、抗干扰能力强：VHF/UHF频段，可以使用较小的发射功 率获得及爱好的信噪比。
2.1.2 VHF、UHF频段的电波传播特性
移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等
传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频到率达的接增收天高线而的增大，
30PTGT (V/m) d
H0 =
30PTGT (A/m) 120πd
S
=
PTGT 4πd 2
(W/m2 )
（2-4） （2-5） （2-6）
接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接 收天线的有效面积，即
PR = S×AR （2-7）
式中，AR为接收天线的有效面积，它与接收天线增益GR满
第2章 移动通信信道的电波传播
引言：
移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通 信电波传播特性对移动通信无线传输技术的研究、开发和移动 通信的系统设计具有十分重要的意义。
对移动无线电波传播特性的研究就是对移动信道特性的研究。 移动信道的基本特性就是衰落特性,包括大尺度衰落和小尺度衰 落。这种衰落特性取决于无线电波的传播环境，不同的传播环 境，其传播特性也不尽相同。而传播环境的复杂，就导致了移 动信道特性十分复杂。
合成电场强度与各射线电场的相位有密切关系，当它们同相 位时，合成场强最大；当它们反相时，合成场强最小。所以当 接收点不同时，合成场强也是变化的。
5.绕射现象
电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为 绕射。由于平面波有一定的绕射能力，所以能够绕过高低不平 的地面或有一定高度的障碍物，然后到达接收点。这也就是在 障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因。电波的绕射能力 与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，则 绕射能力越弱。
3、抗干扰能力强：VHF/UHF频段，可以使用较小的发射功 率获得及爱好的信噪比。
2.1.2 VHF、UHF频段的电波传播特性
移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等
传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频到率达的接增收天高线而的增大，
30PTGT (V/m) d
H0 =
30PTGT (A/m) 120πd
S
=
PTGT 4πd 2
(W/m2 )
（2-4） （2-5） （2-6）
接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接 收天线的有效面积，即
PR = S×AR （2-7）
式中，AR为接收天线的有效面积，它与接收天线增益GR满
第2章 移动通信信道的电波传播
引言：
移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通 信电波传播特性对移动通信无线传输技术的研究、开发和移动 通信的系统设计具有十分重要的意义。
对移动无线电波传播特性的研究就是对移动信道特性的研究。 移动信道的基本特性就是衰落特性,包括大尺度衰落和小尺度衰 落。这种衰落特性取决于无线电波的传播环境，不同的传播环 境，其传播特性也不尽相同。而传播环境的复杂，就导致了移 动信道特性十分复杂。
合成电场强度与各射线电场的相位有密切关系，当它们同相 位时，合成场强最大；当它们反相时，合成场强最小。所以当 接收点不同时，合成场强也是变化的。
5.绕射现象
电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为 绕射。由于平面波有一定的绕射能力，所以能够绕过高低不平 的地面或有一定高度的障碍物，然后到达接收点。这也就是在 障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因。电波的绕射能力 与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，则 绕射能力越弱。
《移动通信系统原理》课件
移动网络的安全配置
了解如何配置移动网络以保护 用户数据和网络安全。
移动网络的加密算法
介绍移动网络中常用的加密算 法，以确保数据的机密性。
第五章：移动通信标准
移动通信标准的发 展历程
追溯移动通信标准的历史， 了解其发展演变的重要阶段。
移动通信标准的分 类
介绍移动通信标准按照不同 标准制定机构的分类方式。
手机信号发送原理
解析手机是如何发送信号 和数据以与其他设备进行 通信的。
第二章：移动通信网络
1
移动通信网络组成和结构
了解移动通信网络的不同组成部分及其在整个系统中的作用。
2
移动通信网络的接入技术
探索移动通信网络中用于接入的各种技术和协议。
3
移动通信网络的分布式拓扑结构
介绍移动通信网络采用的分布式拓扑结构，以确保可靠和高效的通信。
第三章：无线传输技术
1 无线传输原理和分
类
深入了解无线传输的基 本原理和不同的分类方 式。
2 无线传输的调制和
解调技术
探索无线信号的调制和 解调技术，以确保数据 的可靠传输。
3 无线信号的调制方
式
介绍不同的无线信号调 制方式，并讨论其特点 和应用。
第四章：移动网络安全性
移动网络的安全问题
探讨移动网络面临的安全挑战 以及保护用户隐私的重要性。
移动通信标准的国 际组织
介绍负责制定和推动移动通 信标准的国际组织。
第六章：移动通信技术的未来
1
移动通信技术的发展趋势
展望移动通信技术未来的发展方向和趋势。
2
移动通信技术的应用场景
探索未来移动通信技术在不同应用领域中的应用场景。
3
移动通信技术的创新应用示例
(完整)第二章 移动通信信道精品PPT资料精品PPT资料
2.2 大尺度传播模型
何为传播模型？
电波传播损Leabharlann 预测模型作用——预测接收信号的中值场强(信号覆盖范围) 影响因素
地形环境特征（地形地貌、建筑物高度和密度、街道分布） 信号传播参数（信号频率、天线高度等）
2.2 大尺度传播模型
传播模型类型
自由空间传播模型（视距传播—直射波， 介电系数为1的均匀无吸收媒质）
落
由地形或人造障碍引起
多径衰落
来自不同方向不同长度路径信号引起的干扰
信号包络在几个波长间距内的变化幅度可达30dB
移动信道中无线传播分类
大尺度路径损耗 自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight)
—与λ2成正比（与f2成反比）→频率越高，衰减越大。
描述收发信机之间长距离上的场强变化，其传 —与λ2成正比（与f2成反比）→频率越高，衰减越大。
益；d是T-R间距离；L是与传播无关的系统损耗因子；λ为波长。
2. 2 大尺度传播模型 –自由空间
自由空间传播模型
– 距发射机d处天线的接收功率
物理意义
→ —与d2成反比 距离越远，衰减越大。
→ —与λ2成正比（与f2成反比） 频率越高，衰减越大。
—综合损耗L(L>=1)通常归因于传输线衰减、滤波损耗和
第二章 移动通信信道
2.1 概述 2.2 大尺度传播特性 2.3 小尺度传播特性
2.1 概述
无线电波的传播机制
自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight) 存在阻挡物（多条路径）:
反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反射 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，
地面反射模型（双线或两径传播模型）：
第2章天馈系统
馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波
输入阻抗与天线的结构和工作波长有关
– 一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω
32
6.天线的其他指标
端口隔离度：对多端口天线，如双极化天线、 双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔 离度应大于30dB
功率容量：
– 天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所 承受的功率是有限的
– 在上行方向，赋形增益最大可达到9dBi（=10lg8），一般可达 到5~8dBi
– 在下行方向，赋形增益同上行接近，理论值最大为9dBi，实际 可达到5~8dBi 在下行方向，天线阵列增益9dB（由8个单天线发射阵元组成）
– 两个增益叠加，理论最大值可达到18dBi，一般可达到14~17dBi。
36
7.天线的机械性能
天线尺寸和重量 风载荷：要求天线在36m/s 时正常工作，在
55m/s 时不破坏 工作温度和湿度：
–环境温度为-40℃～+65℃ –环境相对湿度0 ～ 100%
雷电防护：基站天线所有射频输入端口均要求 直流直接接地
三防能力：防潮、防盐雾、防霉菌
–对于基站全向天线必须允许天线倒置安装
一级标准为安全区，指在该环境电磁波强度下长 期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任 何有害影响的区域 一级标准为：10μw/cm2
二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长 期居住、工作、生活的一切人群可能引起潜在性 不良反应的区域 二级标准为：40μw/cm2
24
（1）天线基本增益
概念：在相同输入功率下，天线在最大辐射方 向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天 线替代后在同一点的辐射功率密度之比
表征天线增益的参数有dBd和dBi两种
–若参考天线为全方向性天线----dBi –若参考天线为半波对称振子天线----dBd – dBd和dBi表示时的转换关系为：0dBd=2.14dBi –相同条件下，增益越高，电波传播距离越远
输入阻抗与天线的结构和工作波长有关
– 一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω
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6.天线的其他指标
端口隔离度：对多端口天线，如双极化天线、 双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔 离度应大于30dB
功率容量：
– 天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所 承受的功率是有限的
– 在上行方向，赋形增益最大可达到9dBi（=10lg8），一般可达 到5~8dBi
– 在下行方向，赋形增益同上行接近，理论值最大为9dBi，实际 可达到5~8dBi 在下行方向，天线阵列增益9dB（由8个单天线发射阵元组成）
– 两个增益叠加，理论最大值可达到18dBi，一般可达到14~17dBi。
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7.天线的机械性能
天线尺寸和重量 风载荷：要求天线在36m/s 时正常工作，在
55m/s 时不破坏 工作温度和湿度：
–环境温度为-40℃～+65℃ –环境相对湿度0 ～ 100%
雷电防护：基站天线所有射频输入端口均要求 直流直接接地
三防能力：防潮、防盐雾、防霉菌
–对于基站全向天线必须允许天线倒置安装
一级标准为安全区，指在该环境电磁波强度下长 期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任 何有害影响的区域 一级标准为：10μw/cm2
二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长 期居住、工作、生活的一切人群可能引起潜在性 不良反应的区域 二级标准为：40μw/cm2
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（1）天线基本增益
概念：在相同输入功率下，天线在最大辐射方 向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天 线替代后在同一点的辐射功率密度之比
表征天线增益的参数有dBd和dBi两种
–若参考天线为全方向性天线----dBi –若参考天线为半波对称振子天线----dBd – dBd和dBi表示时的转换关系为：0dBd=2.14dBi –相同条件下，增益越高，电波传播距离越远
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多径效应
两径传播的叠加（加强和减弱）
由于多径现象引起的干扰称为多径干扰 或多径效应，产生的衰落称为多径衰落。
解决方案： 时域均衡、OFDM、Rake接收
阴影效应
由移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它 障碍物对电波路径的阻挡而形成的接收区域的半盲区/盲区
补盲——室内分布系统
远近效应
无线电波的传播方式
由于高大建筑物或远处高山等阻挡物的存在，电磁波传播路径
可分为直射传播和非直射传播
直射波
L 1 0 l g P P r t 1 0 l g 4 d 2 G t 1 G r 3 2 .4 5 2 0 l g d 2 0 l g f 1 0 l g ( G tG r )
课程内容
无线电波的传播特性 无线信道的损耗与效应 信道传播模型 天馈系统
路径损耗的经验模型
无线信道存在着随机性，工程实践中大量使用统计模型，统 计模型一般只需知道地理环境的统计数据和信息，由大量实 验测试数据拟合出经验公式或半经验半理论公式，也可以是 经验曲线。根据统计模型预测的结果在实际应用中必须进行 修正。
▪ f ↑→L↑，则Gt↑、Gr↑可以补偿这些损耗；
课程内容
无线电波的传播特性 无线信道的损耗与效应 信道传播模型 天馈系统
多径效应
基站天线
3 1
4
2
➢ 接收端接收到的信号是来自直射、反射、折射、绕射、散射等多条 不同路径传播过来的信号的矢量之和。
➢ 一般来说，直射信号最强，反射、透射信号次之，绕射信号再次之， 散射信号最弱。
天线性能指标
天线基础知识——天线增益
天线增益的定义：天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向集中 辐射的能力
切记：天线本身不增加所辐射信号的能量，它只是通过天线 振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一个方向。
一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想多向同性
天线（理想点源）均匀辐射场强E相比，以功率密度增
天线参数解析
天线参数——方向图&波瓣宽度
在板状定向天线的参数里有 垂直波束宽度：7度 水平波束宽度：90度
定义为:在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密 度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽 度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰 能力越强。
第2章 无线电波传播与天馈系统
课程内容
无线电波的传播特性 无线信道的损耗与效应 信道传播模型 天馈系统
移动无线信道
为什么研究无线信道的电波传播特性？
无线信道与有线信道的根本区别 决定了无线通信可能采用的无线传输技术 关系到无线通信系统的通信能力和服务质量
需要研究无线信道的哪些特性呢？
在某个特定的频段和特定的环境下，电波传播和信号衰落的 特点是什么？
无线信号在空间中传播的过程中，功率上的路径损耗是多大 ？
最终接收到的信号幅度、相位、多径分量的到达时间和功率 分布是如何变化的？
移动无线信道
如何研究无线通信信道？
理论分析：用数学模型描述； 现场电波实测：实验测量、验证、校正；
无线信道的研究成果会有哪些呢？
预测传播模型 无线网络规划与设计； 信道仿真传输技术及网络性能优化的研究和开发
复习：什么是天线？
用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。
Blah blah blah blah
天线组成
通信系统天线一般由振子、馈电网络、外罩这三部分组成。
振子向空间发射电磁波； 馈电网络连接收发信机与天线振子，实现能量的分配； 外罩用来保护天线内部器件，兼有一定的美化作用；
天 线 参 数 解 析
室外：
►Okumura模型 ►Hata模型 ►COST231模型(COST 231-Walfisch/Ikegami模型) ►ITU传播模型
室内：
►ITU-R室内传输模型 ►Keenan-Motley模型
路径损耗的经验模型
课程内容
无线电波的传播特性 无线信道的损耗与效应 信道传播模型 天馈系统
cos
当移动台运动方向与入射波一致时，
最大多普勒频移：fmv
若载波频率为2100MHz，移动终端以30km/h的速度运动时，其 最大多普勒频移是多少？
在多径信道中，一个单频信号f扩展为f＋fd，导致频谱扩展，影 响接收机的误码性能； 解决：信道估计&补偿；
小尺度衰落&大尺度衰落
场强变化的平均值随距离增加而衰减 场强特性曲线的中值呈慢速变化---慢衰落 场强特性曲线的瞬时值呈快速变化---快衰落
3dB 水平波束宽度
90°
Peak - 3dB
3dB 垂直波束宽度
Peak - 3dB
7°
天线参数解析
天线参数——方向图&前后比
前后抑制比
天线方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比。
选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换 关系混乱，产生掉话。
移动通信系统对天线的前后比有一定要求，其典型值为18~30dB，特 殊情况下则要求达到35~40dB。
用户设备和基站间距离不同，则信号就具有不同的衰耗。 若用户以同一功率发射，则距离基站远的用户设备信号很容易
“淹没”在其它用户设备信号中； 远近效应极易导致边缘小区的掉话！
克服远近效应——功率控制！
多普勒效应
由于移动台的高速移动而产生的传播信号频率的扩散，称 为多普勒效应
多普勒频移：
fd
v
LH/tan()
强的倍数定义为增益。增益越高，天线波束的范围就
越小。
G 10lg P实际天线 P基准天线增益单位：dBi室内微蜂窝：0~8dBi
室外基站：全向天线9dBi，定向天线18dBi
天线功率增益单位dBi&dBd
dBi——参考基准是全向天线； dBd——参考基准是偶极子 dBi=2.15+dBd
功率比值dB&dBm&dBW
dB：功率相对比值：10log(甲功率/乙功率) dBm：功率绝对比值：10log(甲功率/1mW) dBW：功率绝对比值：10log(甲功率/1W))
关于dB
天线参数解析
天线基础知识——倾角
天线的倾角是指电波的倾角，是无线系统中用于将天线方向 图的主瓣调低于水平面的一种手段，常用于增强主服务区信 号电平，减小对其它小区干扰的手段。