Mobile Communication Theory
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Mobile Communication Theory
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天线的电气特性
天线的方向性 波瓣宽度 天线增益 天线极化
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天线方向图
z

Pt
y

x
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天线电磁波
设某个方向上的功率密度为 U , ，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
再入大 气层时 的通信； 波导通 信
2
通信系统的基本组成
信源
变换器
信道
反变换器
信宿
广义信道
噪声源
点到点单向通信系统构成模型
3
3
天线知识
天线: 辐射和接收无线电波 发射时，把高频电流转换为电磁波 接收时把电磁波转换为高频电流 天线是无线通信系统中无线传播媒介的关口 天线的电气特能表征 天线的增益、方向图、天线极化、天线功率和 天线配置 天线的物理特性 天线形状、天线材料
电波传播特 性的研究
应用成果 •支持网络规划的传播预测模型的建立 •为建立链路信号处理提供基础 基本方法 •理论分析方法（如射线跟踪法） •现场测试方法（如冲激响应法）
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射线跟踪法
用射线表示电磁波束的传播，在确定收发天线位置及周围建筑等 环境特性后，根据反射、绕射和散射等波动现象直接寻找出可能 的主要传播路线，并计算出路径损耗及其它反映信道特性的参数 应用电磁传播理论来建立预测模型, 具有普遍意义
越洋通 信；中 海岸潜艇 距离通 通信；远 信；地 主要 距离通信； 用途 下岩层 超远距离 通信； 导航 远距离 导航
船用通信； 业余无线 电通信； 移动通信； 中距离导 航;
远距离 短波通 信；国 际定点 通信
电离层散 小容量 大容量微 射；流星 微波中 波中继通 余迹通信； 继通信； 信；数字 人造电离 对流层 通信；卫 层通信； 散射通 星通信； 对空间飞 信；中 国际海事 行体通信； 容量微 卫星通信） 移动通信 波通信

直射波
2 2
相位差 多径传播模型
2
Pr Pt G r G t 1 Re 4 d 2l
l ( AC CB ) AB
2 i
其中，N为路径数。当N很大时，无法用公式准确计算出 接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率
衰落的 原因
复杂的无线 电波传播环 境
衰落的 表现
传播损耗和色散 阴影衰落 多径衰落 多普勒频移
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一种典型的信号传播环境
Mobile Communication Theory
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信道的分类
信道的分类
大尺度衰落 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{ 小尺度衰落 长期慢衰落 根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{ 短期快衰落
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Pr Pt GrGt 1 4 d
N 1 i 1
R
exp( j i )
2.3.2 绕射
惠更斯－菲涅尔 原理
菲涅尔区
基尔霍夫公式
电磁波在传播过程中，行进中的波前(面)上的每 一点，都可作为产生次级波的点源，这些次级波 组合起来形成传播方向上新的波前(面)。
d 2 / 2
菲涅尔区同心半径
n d1d 2 rn d1 d 2
d /2
P"
r1 P '
r3
r2
第一菲涅尔区半径（n=1）特点
• 在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半 • 发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以达到 接收机。
基尔霍夫公式 从波前点到空间任何一点的场强 式中，E是波面场强，
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波瓣宽度
方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称 为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣 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
3dB 主瓣
波瓣宽度
旁瓣
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天线的极化
天线辐射时形成的电场强度方向 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，称为水平极化。
h为表面高度h的标准差，h是具有局部平均值的高斯分布 式中， 的随机变量。 用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强
rough s
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U , U ave

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天线增益dBi
如果式
U , G , U ave
中 U ave 1 ，则 G , 的最大值，即为 相对理想点源天线的增益，用dBi表示。
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天线的方向性
理想点源天线 电磁波辐射强度各向均匀（三维） 全向天线 垂直方向有一定宽度、水平360o电磁波辐射 定向天线 水平、垂直方向辐射波束具有一定的宽度
分贝表示
L 32.45 20log f 20logd
传播 损耗
P r (dBm) 10log P r (mW)
P r (dBW) 10log P r (W)
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Mobile Communication Theory
2.3 3种基本电波传播机制 直射：LOS 无直射：NLOS
反射
阻挡体比传输波 长大的多的物体 产生多径衰落的 主要因素
z 0 cos 2 （水平极化）

为介电常数
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Mobile Communication Theory
2.3.1 多径信号
A
两径传播模型 接收信号功率
2
d B hm
hb C
简化后
2 Pr Pt G r G t 1 Re ( 1 R ) Ae .... 4d
绕射 阻挡体为尖利边缘
Mobile Communication Theory
散射 产生于粗糙表面、小物体或其 它不规则物体
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2.3.1 反射
极化特性
理想介质表面反射Байду номын сангаас
多径信号
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极化特性
极化 电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变 化的状态 电磁波的极化形式 线极化、圆极化和椭圆极化 相对地面线极化的两种特殊情况 水平极化（电场方向平行于地面）
大尺度衰落与小尺度衰落
大尺度衰落（阴影衰落） 描述 原因 影响 长距离上信号强度的缓慢变化 信道路径上固定障碍物的阴影 业务覆盖区域
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小尺度衰落（多径衰落） 短距离上信号强度的快速波动 移动台运动和地点的变化 信号传输质量
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衰落特性的算式描述 衰落特性的算式描述 r(t) m(t) r0 (t)
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惠更斯－菲涅尔原理
原理
波前（面）上每点产生的次级波组合形成传播方向上新的波前（面） 绕射由次级波的传播进入阴影区而形成 场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和
说明
任一P’点，只有夹角为θ （即 TP ' R ）的次级波前 能到达接收点R θ在0º到180º之间变化 θ的变化决定了到达接收 点辐射能量的大小 （P”点的二次辐射波对R处接 收信号电平的贡献小于P’点的 ）
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表面光滑度的判定
表面平整度的参数高度 平面上最大的突起高度 hc
hc

8 sin i
粗糙表面下的反射场强
散射损耗系数
s exp 8

小于h c 表面光滑 大于h c 表面粗糙
2 h s in i
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目录
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概述 自由空间的电波传输 3种基本电波的传播机制 阴影衰落的基本特性 移动无线信道及特性参数 电波传播损耗预测模型
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2.1.1 电波传播的基本特性
基站天线、移 移动通信 动用户天线和 信道 两付天线之间 的传播路径 移动信道的 基本特性 衰落特性 直射、反射、 绕射和散射以 及它们的合成 无线电 波传播 方式
垂直极化（电场方向垂直于地面）
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理想介质表面反射
如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回 来 反射系数（R） 反射波与入射波的比值
sin z R sin z
0 j 60
σ
为电导率
0 cos 2 (垂直极化） z 0
ER
1 e jkr e jkr Es Es ds 4 n r r n s
Es 是与波面正交的场强导数。 n
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Mobile Communication Theory
2.3.3 散射
粗糙表面，反射能量于所有方向 表面光滑度的判定 粗糙表面下的反射场强
Pt
2
0


0
U , sin d d
平均功率密度为(或360度各向均匀)
U ave
Pt 1 4 4