无线通信基础教学.ppt

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1、第二章 无线信道的特性主讲人：张主讲人：张 炜炜电子科学与工程学院 军事通信工程系第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性 无线信道的损伤性 无线信道的复杂性1.多种损伤。加性的，乘性的；加性的，乘性的；2.2.时间上的，频率上的；时间上的，频率上的；3.3.干扰，周围环境噪声；干扰，周围环境噪声；4.4.快变化的，慢变化的等快变化的，慢变化的等等等2.时变的信道 信道的特性随时间不同而发生变化。信道的特性随时间不同而发生变化。如何实现无线信道上的高质量通信，是一个具有如何实现无线信道上的高质量通信，是一个具有如何实现无线信道上的高质量通信，是一个具有如何实现无线信道上的高质量通信，是一个具

2、有挑战性的课题。挑战性的课题。挑战性的课题。挑战性的课题。2第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境2.2 线性时变信道模型2.3 信道相关函数2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.5 小尺度多径衰落3第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境1、无线通信信号的传播方式2、接收信号中的四种效应3、衰落4、多径时延（时间色散）5、多普勒频移（频率色散）2.1 多径传播环境（无线传播环境）4第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境1 1、无线通信信号的传播方式无线通信信号的传播方式反射反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反：

3、当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反 射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻 挡时将发生绕射。挡时将发生绕射。散射散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体 积内阻挡体的个数非常巨大时，将发生散射。散射积内阻挡体的个数非常巨大时，将发生散射。散射 发生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。发生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。直射直射：发射机信号无阻挡到达接收机。发射机信号无阻挡到达接收机。四种最基本

4、传播方式：5第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性直射波直射波直射波直射波障碍物障碍物障碍物障碍物绕射波绕射波绕射波绕射波入射波入射波入射波入射波反射波反射波反射波反射波电波的直射、反射和绕射发射天线发射天线发射天线发射天线接收天线接收天线接收天线接收天线2.1 多径传播环境一般情况下，相对于直射波，反射波、绕射波、散射波都比较弱。（射线跟踪法）6第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境2 2、接收信号中的四种效应（1）阴影效应阴影效应：由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电 波传播的接收区域中产生传播半盲区。波传播的接收区域中产生传

5、播半盲区。7第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境远近效应远近效应：由于用户的随机移动性，发射机与接收机：由于用户的随机移动性，发射机与接收机 之间的距离也是在随机变化。若发射机之间的距离也是在随机变化。若发射机 发射信号功率一样，那么到达接收机时信发射信号功率一样，那么到达接收机时信 号的强弱将不同，离接收机近者信号强，号的强弱将不同，离接收机近者信号强，离接收机远者信号弱。离接收机远者信号弱。2 2、接收信号中的四种效应（2）8第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性多普勒效应多普勒效应：由于用户处于高速移动（如车载通信）由于用户处于高速移动（如车载通信）中，传播

6、频率的扩散而引起的，其频中，传播频率的扩散而引起的，其频 率扩散程度（多普勒频移）与用户运率扩散程度（多普勒频移）与用户运 动速度成正比。动速度成正比。2.1 多径传播环境2 2、接收信号中的四种效应（3）多普勒频移多普勒频移XYdVS多普勒频率有正负吗？多普勒频率有正负吗？9第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性复习：复习：1.无线通信信号的四种基本传播方式？无线通信信号的四种基本传播方式？2.什么是阴影效应？何谓半盲区？什么是阴影效应？何谓半盲区？3.什么是多普勒效应？多普勒频移与用户运动速什么是多普勒效应？多普勒频移与用户运动速度之间的关系？度之间的关系？10第二章第二章 无线信道的

7、特性无线信道的特性2.1 多径传播环境2 2、接收信号中的四种效应（4）多径效应多径效应：l 由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号是多条从不同路径过来的信号的合成。的信号是多条从不同路径过来的信号的合成。l 它们到达时的它们到达时的信号强度、信号相位、信号频率、信号强度、信号相位、信号频率、信号方向都是不一样信号方向都是不一样的。的。l 所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和。称这种自干扰现象为称这种自干扰现象为多径干扰多径干扰或或多径效应多径效应。11第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1

8、 多径传播环境2 2、接收信号中的四种效应（4）12第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境3 3、衰落（Fading）接收信号电平随距离或时间波动，这种现象称为衰落接收信号电平随距离或时间波动，这种现象称为衰落13第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境3 3、衰落（Fading）Distance inwavelengthSignalPowerT-R distanceTXRXRX大尺度路径损耗大尺度路径损耗阴影损耗大尺度路径损耗阴影损耗小尺度衰落有损耗吗？有损耗吗？有损耗吗？有损耗吗？14第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环

9、境3 3、衰落（Fading）小尺度衰落例如GSM：fc=900MHz,0.55ns，d=16.7cm15第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境3 3、衰落（Fading）小尺度衰落两个矢量求和，则有接收信号：其中：固定无线通信与移动无线通信相比，是否存在小尺度衰落？16第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性微波暗室教室3 3、衰落（Fading）小尺度衰落实验17第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境18第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境19第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境3 3、衰

10、落（Fading）小尺度衰落衰落深度可达衰落深度可达202040dB40dB。电平幅度分布一般遵循：瑞利（电平幅度分布一般遵循：瑞利（RayleighRayleigh）分布、）分布、莱斯（莱斯（RiceRice）分布、纳卡伽米（）分布、纳卡伽米（NakagamiNakagami）分布等。）分布等。变化速率快。变化速率快。具有选择性。即在不同频率、不同时间、不同具有选择性。即在不同频率、不同时间、不同空间，其衰落特性是不一样的。空间，其衰落特性是不一样的。是无线移动通信中最难克服的衰落。是无线移动通信中最难克服的衰落。20第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境3 3、衰落

11、（Fading）：小结三类不同层次的损耗1.大尺度路径损耗（Large-Scale Path Loss ）2.阴影损耗（中尺度损耗）（Shadowing）3.小尺度衰落（Small-Scale Fading ）l 电磁波在空间传播所产生的损耗电磁波在空间传播所产生的损耗l 千米量级千米量级l 由传播阻挡的阴影效应所产生的损耗由传播阻挡的阴影效应所产生的损耗l 数百波长量级数百波长量级l 反映小范围接收电平平均值的起伏变化趋势反映小范围接收电平平均值的起伏变化趋势l 数十波长以下量级数十波长以下量级21第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境4 4、多径时延（多径时延（时间

12、色散时间色散）同一发射信号通过不同路径到达接收端，它到同一发射信号通过不同路径到达接收端，它到达的时间先后和强度会有不同。到达信号之间不同达的时间先后和强度会有不同。到达信号之间不同的时间差，称为存在多径时延。的时间差，称为存在多径时延。多径时延对数字移动通信多径时延对数字移动通信有极其重要的影响。有极其重要的影响。22第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境4 4、多径时延（多径时延（时间色散时间色散）基站基站(BS)移动台移动台(MS)路径路径1路径路径2路径路径3多径时延大于脉冲宽度多径时延大于脉冲宽度23第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环

13、境4 4、多径时延（多径时延（时间色散时间色散）基站基站(BS)移动台移动台(MS)路径路径1路径路径2路径路径3多径时延小于脉冲宽度多径时延小于脉冲宽度24第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境4 4、多径时延（多径时延（时间色散时间色散）多径时延小于脉冲宽度多径时延小于脉冲宽度多径时延大于脉冲宽度多径时延大于脉冲宽度25第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.1 多径传播环境5 5、多多普勒频移（频率色散）普勒频移（频率色散）当发射机与接收机之间有相对运动时，收到的当发射机与接收机之间有相对运动时，收到的电波将发生频率的变化，此变化称为多普勒频移。电波将发生频

14、率的变化，此变化称为多普勒频移。XYdVS26第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性复习：复习：1.什么是大尺度路径损耗？什么是阴影损耗？什么是大尺度路径损耗？什么是阴影损耗？2.什么是小尺度衰落？什么是小尺度衰落？3.什么是多径时延？什么是多径时延？27第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性u 无线信道是一个完全开放式信道，其传播损耗从无线信道是一个完全开放式信道，其传播损耗从宏观的大范围看，主要决定于宏观的大范围看，主要决定于传播的环境传播的环境。2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落u 传播损耗不仅决定于传播损耗不仅决定于传播距离传播距离，而且还与传播中，而且还与传播中的的地形、地貌、

15、传播的载波频率地形、地貌、传播的载波频率，以及，以及发、收天线高发、收天线高度度等密切相关。等密切相关。u 从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难。从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难。一般在工程上多采用一些一般在工程上多采用一些模型与经验公式模型与经验公式，它对于工，它对于工程技术人员而言已基本上能满足工程上的程技术人员而言已基本上能满足工程上的估算估算要求。要求。2.4 大尺度路径损耗(Large-scale path loss)与阴影衰落(Shadowing)28第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.4.1 自由空间传播模型（教材2.4.1）

16、2.4.2 光滑平面上的电波传播（教材2.4.2）2.4.3 带有阴影的对数距离路径损耗 （教材2.4.3，2.4.6 ）2.4.4 室外/室内传播模型（教材2.4.4/2.4.5）29第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落p 什么是理想无线信道？什么是理想无线信道？无阻挡、无吸收、无时变、无干扰，自由空间传播。无阻挡、无吸收、无时变、无干扰，自由空间传播。2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径时接收信号的功率完全无阻挡的视距路径时接收信号

17、的功率p 无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能 量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间 的传播损耗。的传播损耗。30第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落Ptdn 发射功率为发射功率为Pt，发射天线为各向均匀辐发射天线为各向均匀辐射，则以发射源为中心，射，则以发射源为中心，d为半径的球面为半径的球面上单位面积功率为：上单位面积功率为：S Pt/4 d2n 发射天线增益：发射天线增益：Gtn 接收天线接收天线有效面积：有效面积：A=Gr 2/4，其中，其中Gr为接收天

18、为接收天线增益，线增益，为信号波长。为信号波长。则有：接收天线输出的功率则有：接收天线输出的功率Pr为上述三者的乘积。为上述三者的乘积。一、一、一、一、Friis公式（公式（1）：定义）：定义2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型31第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落自由空间中距发射机自由空间中距发射机d处天线的接收功率为：处天线的接收功率为：其中：其中：Pt为发射功率；为发射功率；Gt是发射天线增益是发射天线增益 Pr为接收功率；为接收功率；Gr是接收天线增益是接收天线增益 d是是T-R间距离，单位为间距离，单位为m；为波长，单位为为波

19、长，单位为m；一、一、一、一、Friis公式（公式（1）：定义）：定义2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型32第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落通常直接定义通常直接定义 是是自由空间路径损耗自由空间路径损耗：注意：距离每增加一倍或发射频率每增加一倍，注意：距离每增加一倍或发射频率每增加一倍，自由空间损耗就增加自由空间损耗就增加6dB一、一、一、一、Friis公式（公式（1）：定义）：定义2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型路径损耗路径损耗dBdB表示：表示：接收功率衰减与接收功率衰减与距离的关系为距离的关系为20dB/

20、20dB/十倍程十倍程33第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落一、一、一、一、Friis公式（公式（2）：适用范围）：适用范围2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型I.Friis自由空间传播模型仅适用于天线远场区。【定义定义】天线远场区（天线远场区（Fraunhofer区）为超过远场区）为超过远场 距离距离df 的地区，即：的地区，即：ddf远场距离远场距离df 定义为：定义为：（D为天线的最大物理线性尺寸）为天线的最大物理线性尺寸）34第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落一、一、一、一、Friis公式

21、（公式（2）：适用范围）：适用范围2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型II.参考距离 T-R距离距离d0作为接收功率的参考点。得到距离为作为接收功率的参考点。得到距离为d处的接收功率处的接收功率Pr与与距离为距离为d0的接收功率的接收功率Pr(d0)的关系：的关系：35第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型明确几个常用单位：损耗单位损耗单位dB：dBW表示大于或小于表示大于或小于1瓦的分贝数：瓦的分贝数：dBmW（dBm）表示大于或小于）表示大于或小于1毫瓦的分贝数：毫瓦的分贝数：36第

22、二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型 例题例题1：发射机和接收机均为单位增益天线，发射机的功：发射机和接收机均为单位增益天线，发射机的功率为率为50W，载频为载频为900MHz。1）发射功率换算成发射功率换算成dBW和和dBm；2）求自由空间中距离天线求自由空间中距离天线100m和和10Km处的处的接收功率接收功率为多少为多少dBm？解：37第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型 例题例题2 2：有一室内无线局域网，

23、载波频率：有一室内无线局域网，载波频率900MHz，小区半，小区半径径10m，使用单位增益天线。在自由空间路径损耗模型下，使用单位增益天线。在自由空间路径损耗模型下，若要求小区内所有终端的最小接收功率为若要求小区内所有终端的最小接收功率为10W，则发射，则发射功率应该是多大？若工作频率换为功率应该是多大？若工作频率换为5GHz，相应的所需发，相应的所需发射功率又为多少？射功率又为多少？解：38第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型大气效应（1）：吸收衰减主要发生在高频段主要发生在高频段水蒸汽的最大吸收峰水

24、蒸汽的最大吸收峰在在23GHz(1.3cm)23GHz(1.3cm)；氧气的最大吸收峰在氧气的最大吸收峰在60GHz(5mm)60GHz(5mm)；对于对于12GHz(2.5cm)12GHz(2.5cm)以以下的频率，大气吸收下的频率，大气吸收衰减小于：衰减小于：0.015dB/km0.015dB/km。39第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型大气效应（2）：雨雾衰减在在10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几有几dB。在在10GHz以上频段，雨雾衰减大大增加，

25、达到几以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几dB/km。下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。40第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型大气效应（3）：大气折射当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，会产生弯曲。会产生弯曲。这种影响通常等效为地球半径发生了变化。这种影响通常等效为地球半径发生了变化。对于超短波波段，折射现象尤为突出它会影响到对于超短波波段，折射现象尤为突出它会影响到视距的极限传播距离视距的极限传播距离

26、。低折射率区高折射率区入射方向入射方向折射方向折射方向41第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型两个天线之间直线传播最大距离是：两个天线之间直线传播最大距离是：其中其中ht，hr(m)是两个天线的高度是两个天线的高度视距（LOS）的极限传播距离Re：等效：等效 地球半径地球半径取标准大气压下的经验值取标准大气压下的经验值42第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落作业：作业：2.1743第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4

27、.2.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播l 反射的条件：当电波传播中遇到两种不同介反射的条件：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑可反射平面（如地球的表面或水面）质的光滑可反射平面（如地球的表面或水面）时，如果界面的尺寸远大于电波的波长时，产时，如果界面的尺寸远大于电波的波长时，产生反射。生反射。l 反射的表现：反射角入射角反射的表现：反射角入射角地面反射模型地面反射模型（双线模型、两径模型）（双线模型、两径模型）接收功率一接收功率一接收功率一接收功率一定增强吗？定增强吗？定增强吗？定增强吗？44第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.2

28、.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播直线传播距离：直线传播距离：反射路径传播距离：反射路径传播距离：u 双线模型双线模型45第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.2.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播46第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.2.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播即有：即有：即有：即有：考虑到相位差，且反射无损耗，接收信号功率为：考虑到相位差，且反射无损耗，接收信号功率为：47第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性1.1.上式显示随着发射机与上式

29、显示随着发射机与接收机之间距离的增大，接收机之间距离的增大，路径损耗会交替出现最路径损耗会交替出现最小点和最大点小点和最大点;2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.2.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播相应的路径损耗为：相应的路径损耗为：2.2.一般的，路径损耗随一般的，路径损耗随着距离的增大而增大着距离的增大而增大;48第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性复习：复习：1.在自由空间传播模型中，若频率增加一倍，路在自由空间传播模型中，若频率增加一倍，路径增加为十倍，路径损耗增加多少径增加为十倍，路径损耗增加多少dB？2.发射天线高发射天线高9米，接收天线高米，接收天线高

30、4米，米，LOS极限传极限传播距离为多少公里？播距离为多少公里？3.发射天线高发射天线高30米，接收天线高米，接收天线高2米，一般情况米，一般情况下，能够应用双线模型的最小距离为多少？下，能够应用双线模型的最小距离为多少？49第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.2.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播当当 时，有：时，有：即有即有d处的接收功率为：处的接收功率为：双线模型几个重要结论 路径损耗呈现4次幂衰减，这表明其接收功率衰减比自由空间（2次幂衰减）要快的多。显示了发射天线和接收天线的高度对路径损耗的明显影响。路径损耗与频率无关。5

31、0第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.2.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播第一费涅尔区距离：双线模型几个重要结论工程上一般认为：小于第一费涅尔区距离，路径损耗2次幂衰减；大于第一费涅尔区距离，路径损耗4次幂衰减。51第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.2.2 光滑平面上的电波传播光滑平面上的电波传播双线模型几个重要结论 地面反射模型是应用射线跟踪法的一个简单且非常有用的模型。1.该模型在预测几千米范围（使用较高天线塔）内该模型在预测几千米范围（使用较高天线塔）内的大尺度信号强度时

32、是非常准确的。的大尺度信号强度时是非常准确的。2.对于小区视距内的微蜂窝环境的预测也是非常准对于小区视距内的微蜂窝环境的预测也是非常准确的。确的。3.对于由直射波和强地面反射波为主导的无线信道对于由直射波和强地面反射波为主导的无线信道的预测是很有效的。的预测是很有效的。52第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性 例题例题3 3：应用双线模型分析一个郊区的蜂窝系统。应用双线模型分析一个郊区的蜂窝系统。1、已知室外参数，、已知室外参数，ht=10 m,hr=3 m,载波频率载波频率 fc=2 GHz。求第一费涅尔区距离求第一费涅尔区距离dc？此处的功率损耗？此处的功率损耗？单位增益天线单位增益

33、天线 2、已知室内参数，、已知室内参数，ht=3 m,hr=2 m,载波频率载波频率 fc=2 GHz。求第一费涅尔区距离求第一费涅尔区距离dc？此处的功率损耗？此处的功率损耗？单位增益天线单位增益天线2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落与自由空间损耗与自由空间损耗相比，如何？相比，如何？3km处双线模型与处双线模型与自由空间传播模型自由空间传播模型相比，如何？相比，如何？53第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落作业：作业：B1、（a）在路径损耗分析中，分析双线模型的优点和缺点。（b）在下列情况下，双线模型是否可以应用，解释原因。1）ht=35m,hr=3m,

34、d=250m 2）ht=30m,hr=1.5m,d=450mB2、比较双线地面反射模型中精确公式（2.4.12）与近似公式的 路径损耗差异。假定发射机高度为40m，接收机高度为3m，频率为1800MHz，依据这两个公式分别求距离为1km,3km,5km时的路径损耗，并计算第一费涅尔区距离。54第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性 现场实验研究的经验证明，虽然发射机附近的平均功率服从2次幂衰减的规律，但远距离处的平均功率却随着距离的增大呈指数衰减。2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗l实际应用环境非常复杂。实际应用的模型

35、大多都是通过理论分析和实际测量相结合来获得。理论分析理论分析针对应用环境，找出主要的影响因针对应用环境，找出主要的影响因素，建立模型，通过仿真或计算得出传播模型。素，建立模型，通过仿真或计算得出传播模型。实际测量实际测量根据大量实验所得测量数据，绘出根据大量实验所得测量数据，绘出传播损耗的曲线或拟合成解析式，再抽象出传播模传播损耗的曲线或拟合成解析式，再抽象出传播模型。型。55第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗 对于实际路径损耗估计，我们可以利用对于实际路径损耗估计，我们可以利用统

36、计方法统计方法来研究传播特性，此时传播特性是以一般环境类型来研究传播特性，此时传播特性是以一般环境类型（如城市、郊区和农村）为基础的经验近似。（如城市、郊区和农村）为基础的经验近似。实际路径损耗估计分为两部分：实际路径损耗估计分为两部分：l 代表均值变化的：代表均值变化的：对数距离路径损耗对数距离路径损耗l 代表局部变化的：代表局部变化的：对数正态阴影对数正态阴影56第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗一、对数距离路径损耗（1）基于理论和测试的传播模型指出，无论室外还是室内信道，基于

37、理论和测试的传播模型指出，无论室外还是室内信道，平均接收信号功率随距离的变化而呈对数衰减。平均接收信号功率随距离的变化而呈对数衰减。对于任意的对于任意的TR距离，距离，对数距离路径损耗对数距离路径损耗表示为：表示为：或：或：其中，其中，为为路径损耗指数路径损耗指数，表明路径损耗随距离，表明路径损耗随距离增长的速率；增长的速率；d0为近区参考距离；为近区参考距离；d为为TR距离。距离。功率衰减与距离的关功率衰减与距离的关系为系为1010kkdB/dB/十倍程十倍程57第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影

38、的对数距离路径损耗代表不同环境下路径损耗指数代表不同环境下路径损耗指数环境环境路径损耗指数路径损耗指数自由空间自由空间2市区蜂窝市区蜂窝2.73.5市区蜂窝阴影市区蜂窝阴影35建筑物内视距传播建筑物内视距传播1.61.8建筑物阻挡建筑物阻挡46工厂阻挡工厂阻挡23一、对数距离路径损耗（2）58第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗选择自由空间的参考距离非常重要。选择自由空间的参考距离非常重要。一、对数距离路径损耗（3）u在室外宏小区中，在室外宏小区中，d0的典型值为的典型值为1km。u

39、参考距离永远在天线的远场区。参考距离永远在天线的远场区。u参考路径损耗取决于载波频率、天线高度和参考路径损耗取决于载波频率、天线高度和增益，以及其他一些因素。增益，以及其他一些因素。u在室内微微小区中，在室内微微小区中，d0的典型值为的典型值为1m。u在室外微小区中，在室外微小区中，d0的典型值为的典型值为100m。59第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗二、对数正态阴影（1）对数正态分布是描述阴影效应的一种广泛采用的模型。对数正态分布是描述阴影效应的一种广泛采用的模型。为零均值的高

40、斯（正态）分布随机变量（单为零均值的高斯（正态）分布随机变量（单位为位为dB），其标准偏差为），其标准偏差为 （单位为（单位为dB），有概率），有概率密度函数（密度函数（pdf）为）为：60第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性 实际损耗可描述为对数距离路径损耗与对数正实际损耗可描述为对数距离路径损耗与对数正态阴影的组合，即：态阴影的组合，即：其中：其中：为零均值的高斯（正态）分布随机变量，为零均值的高斯（正态）分布随机变量，单位为单位为dBdB。2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗二、对数正态阴影（2）61第二章第二章

41、 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗 对数正态阴影描述了在传播路径上具有相同的对数正态阴影描述了在传播路径上具有相同的TR距离时，不同的随机阴影效果。这种现象称为距离时，不同的随机阴影效果。这种现象称为对数对数正态阴影正态阴影。二、对数正态阴影（3）TR距离为距离为d处的接收功率可用下式表示：处的接收功率可用下式表示：62第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性由于由于(dB)为正态分布的随机变量，对于接收功率常用为正态分布的随机变量，对于接收功率常用Q函数函数表示其超过特定值的概率。表示其超

42、过特定值的概率。2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗二、对数正态阴影（4）pdf0接收功率超过某一特定值接收功率超过某一特定值的概率：的概率：63第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗二、对数正态阴影（5）实际上，实际上，和和 是是根据测试数据，一根据测试数据，一般使用线性递归方般使用线性递归方法，使路径损耗的法，使路径损耗的测试值和估计值的测试值和估计值的均方误差达到最小均方误差达到最小而计算得出的。而计算得出的。

43、64第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗三、无线小区覆盖由于随机阴影的影响，覆盖区内一些位置的接收电平低于设定的门限。计算边界内覆盖区的百分率与边界处覆盖之间的关系是非常有意义的。我们的目的：计算有效服务区域的百分比（即接收信号等于或高于门限要求的区域百分比）。1、业务质量的要求；2、传播环境；65第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗三、无线小区覆盖问题：问题：考虑对数距离

44、路径损耗模型，要求在小区边缘处的路径损耗不能大于参考距离d0处路径损耗dB，确定下述两种情况下的小区覆盖。1、不考虑对数正态阴影；2、考虑对数正态阴影；66第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗三、无线小区覆盖1、不考虑对数正态阴影；要求在小区边缘处的路径损耗不能大于参考距离d0处路径损耗dB：得到：距离d处的路径损耗为：67第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗三、无线小区覆

45、盖2、考虑对数正态阴影；距离d处的路径损耗为：距离d处的路径损耗相对于参考距离d0处路径损耗为：【注意】在有对数正态阴影时，要求在小区边缘处的路径损耗不能大于参考距离d0处路径损耗dB，只能是一种概率。68第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗三、无线小区覆盖2、考虑对数正态阴影；分两个步骤进行分析：步骤1、确定位置r处的路径损耗低于门限值的概率a1；步骤2、计算（由半径R定义的）圆面积内的路径损耗低于门限值的概率a2；步骤1、确定位置r处的路径损耗低于门限值的概率a1：69第二章第二

46、章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗三、无线小区覆盖2、考虑对数正态阴影；步骤2、计算（由半径R定义的）圆面积内的路径损耗低于门限值的概率a2；70第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗三、无线小区覆盖2、考虑对数正态阴影；步骤2、计算（由半径R定义的）圆面积内的路径损耗低于门限值的概率a2；参见教材参见教材2.4.6推导，可得：推导，可得：71第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特

47、性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗d(m)Receivepower1000 dBm200-20 dBm1000-35 dBm3000-70 dBm例题4：距发射机：距发射机100m、200m、1km、3km处分别得到接收功率的测量值如表所示。假处分别得到接收功率的测量值如表所示。假设路径损耗符合对数正态分布模型，且设设路径损耗符合对数正态分布模型，且设d0=100m处。处。1）求路径损耗指数；）求路径损耗指数；2）计算）计算方差；方差；3）运用结果估计）运用结果估计d=2km处的接收信号处的接收信号功率；功率；4）预测）

48、预测2km处接收功率大于处接收功率大于60dBm的概率；的概率；5）预测半径为）预测半径为2km的小区内，接收的小区内，接收功率大于功率大于60dBm的覆盖面积百分比。的覆盖面积百分比。解：1）求路径损耗指数72第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗MMSE即求使上式微分为0的73第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗d(m)Receivepower1000 dBm200-20

49、 dBm1000-35 dBm3000-70 dBm解：1）求路径损耗指数例题4：距发射机：距发射机100m、200m、1km、3km处分别得到接收功率的测量值如表所示。假处分别得到接收功率的测量值如表所示。假设路径损耗符合对数正态分布模型，且设设路径损耗符合对数正态分布模型，且设d0=100m处。处。1）求路径损耗指数；）求路径损耗指数；2）计算）计算方差；方差；3）运用结果估计）运用结果估计d=2km处的接收信号处的接收信号功率；功率；4）预测）预测2km处接收功率大于处接收功率大于60dBm的概率；的概率；5）预测半径为）预测半径为2km的小区内，接收的小区内，接收功率大于功率大于60d

50、Bm的覆盖面积百分比。的覆盖面积百分比。74第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗解：2）计算方差75第二章第二章 无线信道的特性无线信道的特性2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落2.42.4.3.3 带有阴影的对数距离路径损耗带有阴影的对数距离路径损耗d(m)Receivepower1000 dBm200-20 dBm1000-35 dBm3000-70 dBm解：1）求路径损耗指数2）计算方差例题4：距发射机：距发射机100m、200m、1km、3km处分别得到接收功率的测量值如表所示