《移动通信理论与实战》课件第2章 无线电波传播与天馈系统.ppt

1、第第2 2章章 无线电波传播与天馈系无线电波传播与天馈系统统课程内容课程内容无线电波的传播特性无线电波的传播特性无线信道的损耗与效应无线信道的损耗与效应信道传播模型信道传播模型天馈系统天馈系统移动无线信道移动无线信道n为什么研究无线信道的电波传播特性？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关系到无线通信系统的通信能力和服务质量n需要研究无线信道的哪些特性呢需要研究无线信道的哪些特性呢？在在某个特定的频段和特定的环境下，电波传播和信号衰

2、落的特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点是什么？无线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布是如何变化的？移动无线信道移动无线信道n如何研究如何研究无线无线通信信道？通信信道？理论分析：用数学模型描述；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；现场电波实测：实验测量、验证、校正；n无线信道的研究成果会有哪些呢？无线信道的研究成果会有哪些呢？预测传播模型预测传播模型

3、 无线网络规划与设计；无线网络规划与设计；信道仿真信道仿真传输技术及网络性能优化的研究和开发传输技术及网络性能优化的研究和开发无线电波的传播方式无线电波的传播方式n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可分为直射传播和非直射传播 n直射波直射波24110lg10lg32.4520lg20lg10lg()ttrrtrPdLdfGGPGG f L，则Gt、Gr可以补偿这些损耗；移动无线信道移动无线信道n多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达

4、接收点的传播信号，其信号强度次之。播信号，其信号强度次之。n透射透射波（折射波）：波（折射波）：当电磁波到达两种不同介质界面时，部分能当电磁波到达两种不同介质界面时，部分能量透射到第二种介质中（即透射波或折射波）。量透射到第二种介质中（即透射波或折射波）。n绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。其强度与反射波相当。n散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢反射后到达接散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。收点的传播信号，其信号强度最弱。无线信道中的

5、电磁波就是上述信号的叠加。一般来说，直射信号最无线信道中的电磁波就是上述信号的叠加。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。强，反射、透射信号次之，绕射信号再次之，散射信号最弱。课程内容课程内容无线电波的传播特性无线电波的传播特性无线信道的损耗与效应无线信道的损耗与效应信道传播模型信道传播模型天馈系统天馈系统多径效应多径效应基站天线3421 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，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

6、弱。散射信号最弱。多径效应多径效应两径传播的叠加（加强和减弱）两径传播的叠加（加强和减弱）解决方案：时域均衡、OFDM、Rake接收 由于多径现象引起的干扰称为多径干扰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。或多径效应，产生的衰落称为多径衰落。阴影效应阴影效应n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障碍物对电波路径的阻挡而形成的接收区域的半盲区半盲区/盲区盲区补盲室内分布系统远近效应远近效应n用户设备和基站间距离不同，则信号就具有不同的衰耗。用户设备和基站间距

7、离不同，则信号就具有不同的衰耗。n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“淹没淹没”在其它用户设备信号中；在其它用户设备信号中；n远近效应极易导致边缘小区的掉话！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！多普勒效应多普勒效应n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效应n多普勒频移：多普勒频移：cosdvfmvf当移动台运动方向与入射波一致时，最大多普勒频移：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

8、频移是多少？在多径信道中，一个单频信号在多径信道中，一个单频信号f扩展为扩展为ffd，导致频谱扩展，导致频谱扩展，影影响接收机的误码性能；响接收机的误码性能；解决：信道估计解决：信道估计&补偿；补偿；三种损耗三种损耗路径传播损耗（衰耗）路径传播损耗（衰耗）电磁波在宏观大范围（即公里级）空间传播所产生的损耗，它反映了传播在空间距离的接收信号电平的变化趋势。大尺度衰落损耗大尺度衰落损耗 由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗。一般遵从对数正态对数正态分布。分布。小尺度衰落损耗小尺度衰落损耗 主要

9、是由于多径传播而产生的衰落。它反映微观小范围内微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗。一般遵一般遵从瑞利或莱斯分布从瑞利或莱斯分布，其变化率比慢衰耗快所以称为小尺度衰落。小尺度衰落小尺度衰落&大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-快衰落课程内容课程内容无线电波的传播特性无线电波的传播特性无线信道的损耗与效应无线信道的损耗与效应信道传播模型信道传播模型天馈系统天馈系统路径损耗的经验模型路径损耗的经验模型n无线信道存在着随机性，工程实践中大量使用统计模型工程实践中大量使用统计模型，统计模型一般只需知道

10、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根据统计模型预测的结果在实际应用中必须进行修正修正。n室外：室外：Okumura模型Hata模型COST231模型(COST 231-Walfisch/Ikegami模型)ITU传播模型n室内：室内：ITU-R室内传输模型Keenan-Motley模型传播模型传播模型覆盖半径覆盖半径频率频率(MHz)天线高度（天线高度（m）特性特性Okumura-Hata模型宏蜂窝(1km)1501500（可扩展到3000）基站：30200（经 扩 展 可 至1000）移动

11、台：110计算时间短，但忽略了一些环境因素，且不考虑散射和阴影，不适合微蜂窝；COST-231 Hata模型宏蜂窝(1km)15002300基站：30200移动台：110适用于基站密集地区；SPM模型宏蜂窝为主0.25km1503500基 站：4 5 0（可扩展）移动台：13具有普遍适应性，适合于各种地域；LEE宏蜂窝微蜂窝4502000基站：30200移动台：110基于信号的衰减及传播路径上建筑群的长度相关性提出，在主干道预测误差较大；路径损耗的经验模型路径损耗的经验模型课程内容课程内容无线电波的传播特性无线电波的传播特性无线信道的损耗与效应无线信道的损耗与效应信道传播模型信道传播模型天馈系

12、统天馈系统复习：什么是天线？复习：什么是天线？B B l la a h h b la hb l a hb la h用来辐射和接收用来辐射和接收电波的装置称为天线。电波的装置称为天线。天线组成天线组成n通信系统天线一般由振子、馈电网络、外罩这三部分组成。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；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；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外罩用来保护天线内部器件，兼有一定的美化作用；天天线线参参数数解解析析在板状定向天线的参数里有在板状定向天线的参

13、数里有垂直波束宽度：垂直波束宽度：7 7度度 水平波束宽度：水平波束宽度：9090度度 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。903dB 水平波束宽度水平波束宽度 Peak-3dB7Peak-3dB3dB 垂直波束宽度垂直波束宽度 天线参数天线参数方向图方向图&波瓣宽度波瓣宽度天线参数解析天线参数天线参数方向图方向图&前后比前后比天线参数解析n前后抑制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。天线方向图中，前后瓣最大值之比称为

14、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。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，其典型值为移动通信系统对天线的前后比有一定要求，其典型值为1830dB，特，特殊情况下则要求达到殊情况下则要求达到3540dB。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一般把天线的最大辐射方向上的场强一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想多向同性与理想多向同性天线（理想点源）均匀辐射场强天线（理想点源）均匀辐射场强E相比，以功率密度增相比，以功率密度增强的倍数定义

15、为增益。增益越高，天线波束的范围就强的倍数定义为增益。增益越高，天线波束的范围就越小。越小。增益单位：增益单位：dBi室内微蜂窝：室内微蜂窝：08dBi室外基站：全向天线室外基站：全向天线9dBi，定向天线，定向天线18dBi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。天线基础知识天线基础知识天线增益天线增益天线性能指标10lgPGP实际天线基准天线关于关于dBn天线功率增益单位天线功率增益单位dBi&dBddBi参考基准是全向天线；参考基准是全向天线；dBd参考基准是偶极子参考基准是偶极子dBi=2.15+dBdn功率比值功率比值dB

16、&dBm&dBWdB：功率相对比值：功率相对比值：10log(甲功率甲功率/乙功率乙功率)dBm：功率绝对比值：功率绝对比值：10log(甲功率甲功率/1mW)dBW：功率绝对比值：功率绝对比值：10log(甲功率甲功率/1W)天线基础知识天线基础知识倾角倾角n天线的倾角是指天线的倾角是指电波的倾角电波的倾角，是无线系统中用于将天线方向，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。号电平，减小对其它小区干扰的手段。天线参数解析/tan()LH机械下倾；机械下倾；电调下倾；电调

17、下倾；天线基础知识天线基础知识倾角类型倾角类型不下倾电下倾机械下倾无无下倾下倾机械下倾机械下倾固定电子下倾固定电子下倾可调电子下倾可调电子下倾遥控可调电子下倾遥控可调电子下倾机械电调可组合使用机械电调可组合使用倾角类型倾角类型天线参数解析覆盖正前方出现明显覆盖正前方出现明显凹坑，引起天线正前凹坑，引起天线正前方覆盖不足且对两边方覆盖不足且对两边基站的干扰加剧基站的干扰加剧无下倾无下倾各单元相位一样各单元相位一样电下倾电下倾各单元各单元 有线性相位差有线性相位差可调移相器可调移相器天线基础知识天线基础知识倾角调整倾角调整n机械调整天线指的是通过调整夹具的方法实现下倾角度的调整；机械调整天线指的是

18、通过调整夹具的方法实现下倾角度的调整；n电调天线调整指的是通过拉杆的调节控制天线内置的调节装置调整电调天线调整指的是通过拉杆的调节控制天线内置的调节装置调整天线下倾角度；天线下倾角度；机械调整电调天线参数解析天线基础知识天线基础知识输入阻抗输入阻抗&天馈匹配天馈匹配天线参数解析n输入阻抗输入阻抗输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。与天线的结构与工作波长有关。与天线的结构与工作波长有关。通常移动通信天线的输入阻抗为通常移动通信天线的输入阻抗为50，可以方便的和，可以方便的和50的的同轴电缆进行匹配同轴电缆进行匹配。n天天馈匹配馈匹配 朝前：

19、朝前：10W反射：反射：0.5W50809.5W回波损耗；回波损耗；驻波比；驻波比；天线基础知识天线基础知识工作频段工作频段n天线的工作频段有两种不同的定义：天线的工作频段有两种不同的定义：在驻波比在驻波比VSWR1.5的条件下，天线的工作频带宽度；的条件下，天线的工作频带宽度；天线增益下降天线增益下降3dB范围内的频带宽度；范围内的频带宽度；工作在中心频率时，天线所能传输的功率最大，而偏离中心频率时，它所工作在中心频率时，天线所能传输的功率最大，而偏离中心频率时，它所输送的功率将减小输送的功率将减小。即。即在工作频带宽度内的各个频点上，天线的性能是有在工作频带宽度内的各个频点上，天线的性能是

20、有所差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。所差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。天线基础知识天线基础知识极化方式极化方式n天线辐射时电磁波的电场矢量所指向的方向。天线辐射时电磁波的电场矢量所指向的方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波为垂直极化波当电场强度方向垂直于地面时，此电波为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波为水平极化波当电场强度方向平行于地面时，此电波为水平极化波；垂直极化垂直极化波波水平水平极化极化波波 发射方和接收方的极化方式必须一致，即垂直极化波要用具有垂直极发射方和接收方的极化方式必须一致，即垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，才会有好的

21、接收效果。化特性的天线来接收，才会有好的接收效果。如果极化方式不一致，则会有如果极化方式不一致，则会有1020dB的损失，称为极化损失。当接的损失，称为极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，天线就完全收不到来波收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，天线就完全收不到来波的能量，此时极化损失最大，称为极化完全隔离。的能量，此时极化损失最大，称为极化完全隔离。工程天线工程天线双极化天线双极化天线n双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的，采用双线极化天线，可以大大减少天线数目，简化天线工程安的，采

22、用双线极化天线，可以大大减少天线数目，简化天线工程安装，降低成本，减少了天线占地空间。在双极化天线中，通常使用装，降低成本，减少了天线占地空间。在双极化天线中，通常使用+45和和-45正交双线极化。正交双线极化。V/H(垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜(+/-45)郊区、农郊区、农村使用村使用城区，高城区，高楼遮档多楼遮档多n单极化天线多采用垂直线极化单极化天线多采用垂直线极化n双极化天线多采用双极化天线多采用 45 双线极化双线极化双极化天线单极化天线单极化天线天线参数解析工程天线工程天线双极化天线双极化天线工程天线工程天线定向定向/全向天线全向天线n定向天线定向天线水平方向图上表现为一定角度范

23、围辐射水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方，也就是平常所说的有方向性；向性；垂直方向图上表现为有一定宽度的波束垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大；小，增益越大；水平面方向图水平面方向图垂直垂直面方向图面方向图工程天线工程天线定向定向/全向天线全向天线n全向天线全向天线在水平方向图上表现为在水平方向图上表现为360360都均匀辐射都均匀辐射，也就是平常所说，也就是平常所说的无方向性；的无方向性；在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大；瓣宽度越小，增益越大；水平面方向图水平面方向图垂直垂直面方向图面方向图工程天线工程天线馈线系统馈线系统