移动通信技术-Ch2

100/20=5 W
2 无线电波传输
2.2

无线信道
电磁波传播的基本特性
2 无线电波传输
2.2

无线信道
信道分类
2 无线电波传输
2.2

无线信道
衰落特性
2 无线电波传输
2.2

无线信道
自由空间电磁波传播
2 无线电波传输
2.2


无线信道
无线信道特征
信道强度随时间和频率变化，可以粗略划分两类 衰落




市区中的基站由于站距小，应当采用垂直波瓣宽度较小的 天线，以利于控制基站覆盖区域。
2 无线电波传输
2.1


天线及其基本特性
天线的方向和增益：
天线方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比， 即为F/B，
前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。



前后比的计算：F/B=10lg(前向功率密度/后向功率密度)
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径衰落－衰落信道模型－Jakes仿真
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径衰落－衰落信道模型－Jakes仿真
2 无线电波传输
2.2

无线信道
自由空间，发射和接收天线固定 在远场的任何位置，相应于发射的正弦波 cos2πft，t 时刻电场的表达式为：
第三章 移动通信技术
2 无线电波传输

2.1 天线及其基本特性

天线是无线电波辐射、接收的设备。


天线的基本特性：
输入阻抗 回波损耗 驻波比 极化和方向性 增益


2 无线电波传输
2.1


天线及其基本特性
天线的基本特性：
输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比 值 天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是 纯电阻且等于馈线的特性阻抗 天线匹配的优劣一般用四个参数来衡量：
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多普勒频移
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多普勒频移
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径主要参数
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径主要参数－时间色散
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径主要参数－时间色散
2 无线电波传输
2.2

无线信道
大尺度衰落——小区规划（数米范围内的平均值） 小尺度衰落——设计可靠有效的通信系统（在波长量级范 围内的测量值）



影响接受信号强度的两个因素
距离——路径衰减 多径——相位差
2 无线电波传输
2.2



无线信道
无线信道特征
多径产生原因
自由空间传播 反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长的障碍 物时发生反射——导体与绝缘体材料（折射） 散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物或小平 面（facet）时发生散射——相对波长较小时产生“混乱”
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径统计分析－瑞利分布
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径统计分析－瑞利分布－场强分量
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径统计分析－瑞利分布－接收信号分布
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径统计分析－莱斯分布
2 无线电波传输
2.2

无线信道
2.1


天线及其基本特性
天线的方向和增益：
天线功率方向图常以辐射强度很弱的地方作为分 界线，将方向图分为若干部分，称为波瓣
主瓣——最大的辐射功率的波瓣


副瓣——其余波瓣称为副瓣

波瓣宽度也称半功率角，是指天线辐射图中低于 最大辐射方向3dB所成的夹角
2 无线电波传输
2.1


天线及其基本特性
2 无线电波传输
2.1



天线及其基本特性
天线的增益：
表征天线增益的参数有dBd和dBi
dBi——相对于点源天线的增益，在各个方向的辐射是均匀 的

dBd——相对于对称阵子天线的增益
dBi=dBd+2.15

如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要 100W的输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定 向天线作为发射天线时，输入功率只需要
2 无线电波传输
2.2


无线信道
反射墙面，固定天线
这就意味着来自墙面的反射波与距离等于发射天线到 墙面加上再回到接收天线距离，即2d − r，的自由空 间波强度相等。

接收信号为两个频率均为f 的波的叠加，两个波的相 位差为：
2 无线电波传输
2.2


无线信道
反射墙面，固定天线－续
当相位差是2 π的整数倍时，两个波相加，使接收信 号变强；当相位差是π的奇数整数倍时，两个波相减， 接收信号变弱；作为r 的函数，从波峰到波谷的距离 称为相关距离：

2 无线电波传输
2.1


天线及其基本特性
天线的增益：
天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天 线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信 号的功率密度之比。
定量地描述天线把输入功率集中辐射的程度
用来衡量天线朝一个特定方向收发信号能力的指标 是选择天线重要的参数之一



增益与天线方向图有密切关系，一般来讲方向图 主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。
天线的辐射特性与空间坐标间的函数图形表明了 在任一方向上天线辐射功率的分布
一般情况下，辐射方向图在远场区确定，并表示 为方向坐标的函数

2 无线电波传输
2.1


天线及其基本特性
天线的极化和方向性：
设某个方向上的功率密度为U(q, f)，如果天线无损 耗且理想匹配，则总功率Pt将由天线辐射出去，即
2 无线电波传输
2.2


无线信道
自由空间，运动天线
假设接收天线位于用u(t) = ((r(t), θ, ψ) 移 动点，其中r(t) = r0 + vt ：

注意：式中把f (t − r0/c − vt/c) 改写成了f (1 − v/c)t − fr0/c，因此频率为f 的正弦波变成了 频率为f (1 − v/c) 的正弦波，存在多普勒频移− fv/c，这是由于观测点运动造成的。


式中(r, θ, ψ) 表示测量电场的空间点u，r 为发射天线 到点u 的距离，( θ, ψ) 分别表示天线到点u 的垂直和 水平夹角； 常数c 为光速， αs ( θ, ψ, f ) 是发射天线在频率f、 方向( θ, ψ) 的辐射图案，其中也包含了天线损耗的标 量因子。

场的相位随fr/c 而变，对应于辐射以光速传播所 经历



天线及其基本特性
天线的极化和方向性：
天线的极化是天线辐射时形成的电池强度方向
当电场方向垂直于地面时，称为垂直极化 当电场方向水平于地面时，成为水平极化

在移动通信系统中，一般采用垂直极化的传播方 式
2 无线电波传输
2.1


天线及其基本特性
天线的极化和方向性：
多径统计分析－莱斯分布－环境条件
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径统计分析－莱斯分布－概率密度函数
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径统计分析－Nakagami-m分布
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径信道衰落
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径信道衰落－平坦衰落和频率选择衰落
多径主要参数－由时延说明带宽
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径主要参数－由包络相关性导出相关带宽
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径主要参数－衰落分类
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径主要参数－频率色散
2 无线电波传输
2.2

无线信道
多径主要参数－频率色散－多普勒扩展
2 无线电波传输
天线的方向和增益：
波瓣宽度是定向天线的重要指标，分为水平波瓣 宽度和垂直波瓣宽度
水平波瓣宽度越大，在小区交界处的覆盖越好，但天线角 度改变时也容易形成越区覆盖。 水平波瓣宽度较小时，在小区交界处的覆盖较差，但容易 实现对指定区域的精确覆盖，不容易带来对其它小区的越 区覆盖。 垂直平面的波瓣宽度越小，就越容易通过调整天线倾角的 方式准确控制覆盖范围。
式中λ:= c/f 为发射正弦波波长。


从波峰移到波谷，信道的时延扩展为两条路径的传播 时间差：
若频率依1/Td 量级改变，则接收信号强度会有显著变化。 此参数为信道的相关带宽。

2 无线电波传输
2.2


无线信道
反射墙面，移动天线
假设接收天线以速度v 移动，当其通过两个波产 生的建设的和破坏的干扰辐射图案时，接收信号 强度将增加和减小，此现象即为多径衰落。从波 峰移动到波谷所花费的时间为c/(4fv)：此为发生 衰落的时间刻度，称为信道的相干时间。