无线通信原理与应用-4.6 地面反射(双线)模型

第一章1 短距离无线通信的特点1)无线发射功率在uW到100mW量级2)通信距离在几厘米到几百米3)应用场景众多，特别是频率资源稀缺情况4)使用全向天线和线路板天线5)不需申请频率资源使用许可证6)无中心，自组网7)电池供电2 频分复用和时分复用的特点和区别？频分复用（FDD）同时为用户和基站提供了无线电传输信道，这样可以在发送信号的同时接收到来的信号。

在基站中，使用不同的发射天线和接收天线以对应分离的信道。

然而在用户单元中，使用单个天线来传输和接收信号，并使用一种称为双工器的设备来实现同一天线上的信号传输与接收。

对于FDD系统，发送和接收的信道频率至少要间隔标称频率的5%，以保证在廉价的制造成本下能够提供具备足够隔离度的双工器时分复用（TDD）方式即在时间上分享一条信道，将其一部分时间用于从基站向用户发送信息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。

如果信道的数据传输速率远大于终端用户的数据速率，就可以通过存储用户数据然后突发的方式来实现单一信道上的全双工操作。

TDD只在数字传输和数字调制时才可以使用，并且对定时很敏感。

3 蜂窝移动电话系统的结构和各部分的作用？蜂窝电话系统为在无线覆盖范围内的、任何地点的用户提供公用电话交换网的无线接入。

蜂窝系统能在有限的频带范围中于很大的地理范围内容纳大量用户，它提供了和有线电话系统相当的高通话质量。

获得高容量的原因，是由于它将每个基站发射站的覆盖范围限制到称为“小区”的小块地理区域。

这样，相距不远的另一个基站里可以使用相同的无线信道。

一种称为“切换”的复杂的交换技术，确保了当用户从一个小区移动到另一个小区时不会中断通话。

一个蜂窝移动电话系统包括移动台、基站和移动交换中心（MSC）。

移动交换中心负责在蜂窝系统中将所有的移动用户连接到公用电话交换网上，有时MSC也称为移动电话交换局（MTSO）。

每个移动用户通过无线链路和某一个基站通信，在通话过程中，可能会切换到其他任何一个基站。

前言：无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。

在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。

无线通信主要包括微波通信和卫星通信。

微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。

但微波的频带很宽，通信容量很大。

微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。

卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。

一、无线通信系统的类型二、按照无线通信系统中关键部分的不同特性, 有以下一些类型:三、1、按照工作频段或传输手段分类, 有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。

所谓工作频率, 主要指发射与接收的射频（RF）频率。

射频实际上就是“高频”的广义语, 它是指适合无线电发射和传播的频率。

无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。

四、2、按照通信方式来分类, 主要有（全）双工、半双工和单工方式。

五、3、按照调制方式的不同来划分, 有调幅、调频、调相以及混合调制等。

六、4、按照传送的消息的类型分类, 有模拟通信和数字通信, 也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。

七、各种不同类型的通信系统, 其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同。

但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的, 遵从同样的规律。

本书将以模拟通信为重点来研究这些基本电路, 认识其规律。

这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统。

八、无线通信系统的基本工作原理无线通信系统组成框图各部分作用：1信息源：提供需要传送的信息2变换器：待传送的信息（图像、声音等）与电信号之间的互相转换3发射机：把电信号转换成高频振荡信号并由天线发射出去4传输媒质：信息的传送通道（自由空间）5接收机：把高频振荡信号转换成原始电信号6受信人：信息的最终接受者九、发送设备的基本原理和组成1. 无线通信存在的问题信号直接以电磁波形式从天线辐射出去，存在以下问题：1）无法制造合适尺寸的天线。

无线通信原理与应用
无线通信技术是在无线媒体上传送数据信号，实现无线信息传输的技术。

它是以无线电波的形式传输信息，能够在较远的距离传送信息，提供准确可靠的数据通信，是当今信息系统的重要组成部分。

无线通信的原理基于电磁场，它利用发射电磁波传播信息，接收电磁波接收信息，用特定的频率发射特定的信号，并利用接收设备接收信号，从而实现无线通信。

无线通信应用广泛，主要应用在以下几个领域：
1 .无线网络：无线网络是基于无线通信技术，利用无线电波传送数据，构建无线网络，实现宽带数据传输，为用户提供宽带网络服务。

2 .移动通信：移动通信是利用无线通信技术，构建移动网络，实现
无线电话的通信服务，为用户提供无线通信服务。

3 .广播：广播是指利用无线通信技术，发射电波，传播声音、图像
等信号，为用户提供广播服务。

4 .无线遥控：无线遥控是利用无线通信技术，实现远程控制设备的
功能，可以实现远程控制，为用户提供更便捷服务。

无线通信技术为信息传输和交流提供了更多的便利，在信息时代的发
展中发挥着重要作用。

它的优势在于可以在较远的距离传送数据,并具有准确可靠的特点，通过不断的发展，它将更加完善，为更多的用户提供更为全面的通信服务。

无线电波传播原理1无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析1.1 电磁场与电磁波基础1820年奥斯特电磁1831年法拉第磁电产生产生变化的电场磁场变化的磁场电场激发?电磁场理论麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了著名的电磁场理论（经典电磁场理论），指出变化电场和变化磁场形成了统一的电磁场，预言电磁场能以波动的形式在空间传播，称为电磁波；并得到电磁波在真空中传播的速度等于光速，从而断定光在本质上就是一种电磁波。

后来，赫兹用振荡电路产生了电磁波，使麦克斯韦的学说得到了实验证明，为电学和光学奠定了统一的基础。

因此，麦克斯韦的经典电磁场理论是人类对电磁规律的历史性总结，是19世纪物理学发展的最辉煌成就，是物理学发展史上一个重要的里程碑。

电磁波的诞生赫兹----德国物理学家赫兹对人类伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在，发现了光电效应。

1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。

开创了无线电电子技术的新纪元。

赫兹用各种实验，证明了不仅电磁波的性质和光波相同，而且传播速度也相同，并可发生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，即电磁波服从一般波动所具有的一切规律。

如果空间的电场或磁场变化是周期性的，我们用周期和频率来描述变化快慢。

电磁场变化过程中产生的电磁波的频率等于电磁场的变化频率；电磁波在传播中从一种介质进入另一种介质时，其频率不会发生改变，但其传播速度会发生改变。

电磁波的应用从1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在，1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。

1914年语音通信成为可能。

1920年商业无线电广播开始使用。

20世纪30年代发明了雷达。

40年代雷达和通讯得到飞速发展，自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。

如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。

无线电通信的起源1897 年：马可尼完成无线通信试验——电报发收两端距离为18 海里试验是在固定站与一艘拖船之间进行的20 世纪初：两次世界大战导致无线通信蓬勃发展步话机、对讲机等1941 年美陆军就开始装备步话机短波波段，电子管电磁波分类-按传输方式电磁波分类-按传输方式电磁波分类-按波长电磁波分类-按波长各波段电磁波特点长波通信：沿地面传播，衰减小、穿透能力强 中波通信：地波传播及夜晚电离层反射传播 短波通信：天波传播，适合远距离传输超短波通信：直线传播，视距通信，广播电视、移动通信微波通信：工作频带宽，长距离接力通信第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析传播途径①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析1.3 无线传播环境•问题：移动通信比较固定通信有那些特殊性呢?•多径无线传播无线路径是一个很复杂的传播媒介•手机发射功率有限手机的发射功率客观限制了蜂窝小区的服务范围手机电池寿命和对人体危害决定了发射功率大小•频率资源有限带宽一定信道编码等占用额外频率资源频率需要被重复利用==> 产生同频干扰•用户行为的不确定性第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析无线信道分析在移动通信研究中的意义无线通信系统的信道十分复杂：9地理环境的复杂性和多样性9用户移动的随机性9多径传播无线信道是制约移动通信质量的主要因素无线信道是研究各种技术的主要推动力量无线信道的建模对于整个移动通信系统仿真的正确性和可靠性有着举足轻重的意义1.4 无线信道分析•无线信道中的损耗一般分为三个层次：—大尺度（又称路径损耗）【path loss】—中等尺度（阴影衰落、慢衰落）【shadowing】—小尺度衰落（快衰落）【fast fading】无线信道分析场强平均值随距离增加而衰减（路径损耗，大尺度衰落）•电磁波在空间传播的损耗场强中值呈慢速变化（慢衰落，阴影衰落，中等尺度衰落）•由地形地貌导致场强瞬时值呈快速变化（快衰落，小尺度衰落）•多径效应——由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落•多普勒效应——由移动体的运动引起，多径条件下引起频谱展宽三种衰落区别•大尺度衰落主要是路径损耗，可用自由空间传播模型来近似；其特点是：慢变，信道在很长时间内可以认为是恒定的，而且衰落的幅度很小。

无线通信技术的原理与应用随着科技的不断发展，无线通信技术逐渐成为现代人们生活中不可或缺的一部分。

从手机到无线局域网，无线通信技术无处不在，并以其快速、便捷和灵活的特点赢得了大众的青睐。

在这篇文章中，我们将探讨无线通信技术的原理和应用。

一、无线通信技术的原理1. 电磁波传播原理：无线通信技术通过利用电磁波在空间中传播的特性来实现信息传输。

电磁波是由电场和磁场相互作用而产生的一种波动现象。

无线设备通过将信息转化为电磁波信号，然后在空间中传播，接收端设备再将电磁波信号转化为可理解的信息。

2. 调制与解调技术：为了在无线通信中能够传输和接收不同类型的信息，需要将原始信号进行调制和解调。

调制是将原始信号与高频载波进行相互叠加，从而改变信号的特征，使其适应无线传输的要求。

解调是将接收到的信号还原为原始信号的过程。

3. 频率分配与多址技术：由于无线通信中的频谱资源有限，为了确保多个设备之间正常通信，需要将频谱进行合理的划分和分配。

频率分配技术将频谱分成若干个频带，并为不同用户或设备分配不同的频率。

多址技术则允许多个设备同时使用相同的频率进行通信，通过对发送数据进行编码和解码来实现。

二、无线通信技术的应用1. 移动通信：移动通信是无线通信技术的一大应用领域。

从早期的2G到现在的5G，移动通信技术不断进化，为人们提供了更加高效和便捷的通信方式。

通过移动通信网络，我们可以随时随地与他人进行语音通话、短信、视频通话等。

移动通信技术的发展也催生了智能手机的普及和移动互联网的兴起。

2. 电视和广播：无线通信技术也在电视和广播领域有着广泛的应用。

电视和广播信号通过无线电波传播到接收设备，再由设备将信号转化为可视或可听的内容。

现在，在数字电视和数字音频的发展下，电视和广播信号的质量和传输效果得到了大幅提升。

3. 无线局域网：无线局域网是一种将无线通信技术应用于局域网的方式。

通过无线局域网，用户可以在没有物理连接的情况下使用计算机设备进行网络连接。

无线通信技术原理
无线通信技术是一种利用无线电波传输信息的技术。

它的原理可以概括为以下几个方面：
1. 无线电波的产生：无线电波是由电磁场的振荡导致的，无线通信设备通过产生电流来激励天线振动，从而产生电磁波。

2. 信号调制：在无线通信中，信息需要转换成可传输的信号。

调制的过程将原始信号转换为载波信号的某种特征。

常见的调制方式有调幅、调频和调相。

3. 天线辐射和接收：天线是无线通信的重要组成部分，它负责辐射和接收电磁波。

当电流通过天线时，会在其周围产生电磁场，进而辐射电磁波；同样，当电磁波入射到天线上时，会在天线产生感应电流。

4. 信号传播和传输：一旦信号经过天线的辐射和接收，它就会以电磁波的形式在空间中传播。

电磁波会在空间中传播，经过多种传播路径，如直射、反射、绕射等。

5. 信号解调：接收端通过解调过程将接收到的调制信号还原为原始信号。

解调过程与调制过程相反，可以还原出原始信号的特征。

总结起来，无线通信技术的原理就是将原始信号转换为可传输的信号，经过天线辐射和接收后在空间中传播，然后通过解调
将信号还原为原始信号。

这样一来，发送方和接收方就可以在空间中互相传输信息。

无线通信工作原理无线通信已成为现代社会中不可或缺的一部分。

它通过空中传输信息，将人们连接在一起，促进了信息的传递和交流。

那么，无线通信是如何实现的呢？本文将介绍无线通信的工作原理，从电磁波的产生到信号的传输，以及无线通信的基本技术和应用。

一、无线通信的基本原理无线通信的基本原理是利用电磁波在空间中传播信息。

电磁波是由电场和磁场相互作用而产生的波动现象，它具有波长、频率和振幅等特性。

在无线通信系统中，首先需要产生电磁波，然后通过无线信道将信息传输到接收端。

1.1 电磁波的产生电磁波可以通过多种方式产生，其中最常用的是通过天线进行辐射。

无线通信系统通常会使用发射器将电信号转换为电磁波，并通过天线将其辐射到空间中。

1.2 电磁波的传输一旦电磁波产生后，它会在空间中传播。

电磁波的传输受到频率、功率和距离等因素的影响。

在传输过程中，电磁波可能会受到衰减、多径效应和噪声等干扰，这可能导致信号质量下降。

1.3 电磁波的接收接收端的天线接收到经过传输后的电磁波，并将其转换为电信号。

接收端根据电信号的特征进行信号处理，如滤波、放大和解调等操作，以恢复原始的信息信号。

二、无线通信的技术和应用无线通信涉及到丰富的技术和应用，如无线电通信、移动通信、卫星通信等。

下面将分别介绍这些无线通信的基本原理和应用。

2.1 无线电通信无线电通信是最早应用于无线通信的技术之一。

无线电通信使用无线电波进行信号传输，主要包括无线电广播、无线电导航和无线电对讲等。

通过不同频率的无线电波，可以实现不同类型的通信。

2.2 移动通信移动通信是目前无线通信最广泛应用的领域之一。

它利用移动通信网络通过无线电波实现人与人、人与物之间的通信。

移动通信系统包括手机网络、卫星通信等，可以实现语音通话、短信、数据传输等功能。

2.3 卫星通信卫星通信是利用卫星作为中继器进行信号传输的通信方式。

卫星通信系统由地面站、卫星和用户终端组成。

信号从发射站发送到卫星，再由卫星转发到接收站，最后传输到用户终端，实现远距离的通信。

无线通信的原理及应用1. 引言无线通信是指通过无线电波、红外线、激光等无线传输技术，实现信息传递和交流的方式。

随着科技的不断进步和移动互联网的普及，无线通信在我们日常生活中扮演着重要的角色。

本文将介绍无线通信的基本原理以及其在不同领域中的应用。

2. 无线通信的原理无线通信的基本原理是利用电磁波传递信息。

无线通信系统由发送端和接收端组成，通过发送端将电信号转换成电磁波进行传输，接收端再将接收到的电磁波转换回电信号进行处理。

下面是无线通信的原理概述：•调制与解调：发送端将要传输的信息信号进行调制，通过调制将信息信号转换为调制信号，然后将调制信号和载波信号进行叠加。

接收端则需要进行解调过程，将接收到的调制信号分离出来，并还原为信息信号。

•频谱分配：为了实现多个无线设备同时进行通信，需要对频谱进行合理分配。

不同通信技术可以使用不同的频段进行通信，通过对频谱的分配和管理，各个通信设备可以相互独立进行通信。

•信道编码：为了提高通信的可靠性，可以对要传输的信息进行编码，增加冗余信息，从而在信道传输过程中可以进行错误检测和错误纠正。

•信号传输：通过无线电波、激光或红外线等传输介质，将调制后的信号进行无线传输。

无线信号的传播受到信号干扰、衰减和多径效应的影响。

•功率控制：为了保证通信质量和节约能源，需要根据通信环境和需求对发送功率进行控制。

3. 无线通信的应用无线通信技术在各个领域都有广泛的应用。

下面介绍一些常见的应用领域：3.1 移动通信移动通信是无线通信技术最常见的应用之一。

移动通信通过基站网络实现手机与手机之间的通信，使人们可以随时随地沟通交流。

现代移动通信采用数字化技术，不仅支持语音通话，还支持短信、数据传输和互联网接入等功能。

3.2 无线局域网无线局域网（WLAN）是一种无线网络技术，用于在局域网范围内实现无线数据传输。

WLAN可以通过Wi-Fi技术连接多个设备，使设备可以无线访问互联网或共享文件和打印机等资源。

无线通信技术的原理及应用1. 简介无线通信技术是一种通过无线电波传输信息的技术，已经广泛应用于手机、无线网络和卫星通信等领域。

本文将介绍无线通信技术的原理和应用。

2. 无线通信技术的原理无线通信技术是利用无线电波进行信息的传输和接收。

其原理主要包括以下几个方面：2.1 无线信号传输无线通信技术通过调制将电信号转换为无线电波信号，然后通过天线进行传输。

无线电波信号以电磁波的形式传播，并在空中传输到接收端。

在接收端，通过解调将无线电波信号转换回电信号。

2.2 调制技术调制是将要传输的信息信号与载波信号进行合成的过程。

常见的调制技术包括频率调制、相位调制和振幅调制。

通过调制技术，可以将信息信号传输到无线电波中进行传播，并在接收端进行解调。

2.3 天线技术天线是无线通信中的重要组成部分，用于发送和接收无线电波信号。

不同类型的天线适用于不同的通信场景。

常见的天线类型有单极天线、双极天线和定向天线等。

2.4 频谱管理无线通信技术需要合理利用频谱资源进行信息传输。

频谱是指一定范围内的无线电频率，不同频段对应着不同的通信标准和服务。

频谱管理是指对频谱资源进行有效分配、规划和管理，以确保不同无线通信系统之间的互相干扰。

3. 无线通信技术的应用无线通信技术的应用非常广泛，涵盖了各个领域。

以下是几个典型的应用场景：3.1 移动通信移动通信是无线通信技术最常见的应用之一。

通过手机网络，人们可以随时随地进行语音通话、短信发送和互联网访问。

移动通信技术包括2G、3G、4G和5G 等多种标准，不断提升通信速度和可靠性。

3.2 无线网络无线网络技术使得移动设备可以无线连接到互联网。

无线局域网（WiFi）和蓝牙技术是常见的无线网络技术，使得个人电脑、智能手机和其他设备能够无线连接到Internet，并进行数据传输和共享。

3.3 卫星通信卫星通信是一种通过人造卫星进行通信的技术，广泛应用于广播、电视传输和互联网接入等领域。

卫星通信可以覆盖广阔的地理区域，使得信息传输更加便捷和高效。

仲恺农业技术学院学报,19(3):38～42,2006Journal o f Zhongkai Univer sity o f Agriculture and Technology文章编号:1006-0774(2006)03-0038-05收稿日期:2006-05-18作者简介:吴羲晖(1974-),男,河南信阳人,助教,硕士.移动通信信道衰落特性模型的研究吴羲晖(仲恺农业技术学院信息学院,广东广州510225)摘要:利用超短波进行无线通信远距离移动通信传输时,仅需要不大的发射功率和适中的设备费用,且通信线路不易被摧毁.这些特点使其在无线远距离通信领域有广泛的发展前景.但由于其信道的特点,超短波无线通信存在可靠性低、质量差的弱点,无法适应越来越高的传输要求,作者分析了无线远距离通信信道的一些特性,并根据其路径损耗和多径效应引起的衰落,给出了无线远距离通信系统的通信信道模型.关键词:OFDM;信道估计;无线远距离移动通信;多径衰落中图分类号:TP84+2 文献标识码:AChannel fading characteristic model of mobile communicationsW U X i 2hui(C ollege of In formation ,Zhongkai University of Agriculture and T echnology ,G uangzhou 510225,China )Abstract :M oderate transmission power and reas onable equipment cost were only required by Long distance VHF wireless communication transmission ,and the channel was difficult to be destroyed.These characteristics were extremely promising to be developed.H owever ,because of the nature of its channel ,it als o had the defi 2ciencies such as low reliability and poor performance to limit its application in ever -increasing communication demand.The characteristics of long distance wireless communication channel was presented ,based on the channel fading characteristic m odel.K ey w ords :OFDM ;channel estimation ;long distance wireless m obile communication ;multi 2path fading 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约.要设计出性能良好的无线远距离移动传输系统,首先需要清楚地了解无线远距离移动传输环境以及无线信道的基本特征.作者从研究无线远距离移动信道的特征入手,对各种信道模型进行了分析比较.然后针对正交频分复用(Orthog onal Frequency Division Multi 2plexing ,OFDM )通信系统的具体应用范围确定了系统的通信信道的模型.1　无线移动信道衰落特性 对于室外远距离无线移动通信的应用来说,对信号传输质量影响最深的应属路径衰落和多径效应.路径衰落决定了系统的应用覆盖范围,而多径效应产生的多径衰落和多普勒频移给传输质量带来了很大的影响,需要采用相应的技术予以消除[1].因此,作者对该应用的信道研究主要集中在多径给信道带来的时间和频率色散的影响上.另外,我们所要实现的OFDM 传输系统主要是针对超短波通信领域的应用.系统频段为30～80MH z ;初步系统发射频率定在30M ,处于短波和超短波交界的地方;主要通过地波方式,而不是通过电离层传播.因此可以忽略电离层的一些影响,包括电离层的反射、吸收等等.而对多径的考虑也主要集中在地面和传输路径中的阻挡带来的散射而产生的多径.111　无线远距离移动信道的路径损耗 路径损耗定义为有效发射功率和接收功率之间的差值,表示信号衰减,单位为dB 的正值.路径损耗主要由两部分组成:自由空间传播损耗、发射/散射及穿透和绕过物质时产生的损耗.11111　自由空间损耗　自由空间损耗是指接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时,发送的电磁波的衰减程度.随着发射机和接收机之间距离的不断增加,电磁波强度将不断衰减.自由空间中距发射机d 处天线的接收功率,由Friis 公式[224]给出:P r (d )=P t G t G r λ2(4π)2d 2L (1) 天线增益与它的有效截面有关,即:G =4πA eλ2(2) 其中有效截面Ae 与天线的物理尺寸相关,λ则与载频相关:λ=c f =2πc ω—c (3) 其中,f 为载频,单位为H z ;ω—c 为载频,单位为rad/s ;c 为光速,单位为m/s ;Pt 和Pr 必须具有相同单位,G t 和Gr 为无量纲量.综合损耗L (L ≥1)通常归于传输线衰减、滤波损耗和天线损耗,L =1则表明系统硬件中无损耗.由(1)式自由空间公式可知,接收机功率随T -R 距离的平方衰减,即接收功率与距离的关系为20dB/10倍程.当包括天线增益时,自由空间路径损耗为:P L (dB )=10log P t P r -10log G l G r λ2(4π)2d 2(4) 当不包括天线增益时,设定天线具有单位增益,则自由空间路径损耗为:P L (dB )=10log P t P r -10log λ2(4π)2d 2(5) Friis 自由空间模型仅当d 为发射天线远场值时适用.天线的远场或Fraunhoer 区定义为超过远场距离d f 地区,d f 发射天线截面的最大线性尺寸和载波波长有关.Fraunhoer 距离为:d f =2D 2/λ(6) 其中,D 为天线的最大物理线性尺寸,此外,对于远场距离d f 地区必须满足:d f >>D 和d f >>λ.显然易见,(1)式不包括d =0的情况.为此,在尺度传播模型使用近地距离d 0作为接收功率的参考点.当d >d 0时,接收功率Pr (d )与d 0的Pr 相关.Pr (d 0)可由(1)式预测或由测量平均值得到.参考距离必须选择在远场区,即d 0≥d f ,同时d 0小于移动通信系统所用的实际距离.这样,由(1)式,当距离大于d 0时,自由空间中接收功率为:P r (d )=P r (d 0)d 0d 2　d ≥d 0≥d f (7) 为方便计算,经常以dBm 为单位来表示接收电平.则(7)式可以表示成以dBm 为单位:P r (d )dBm =10log p r (d 0)01001W +20log d 0d d ≥d 0≥d f (8) 其中,Pr (d 0)单位为W .11112　反射、散射以及穿透和绕过物质时产生的损耗　在移动通信系统中,影响传播的3种最基本的机制为反射、衍射和散射.下面给出3种机制给传播带来的具体影响.当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射,反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面.反射波和传输波的电场强度取决于费涅尔(Fresnel )反射系数(Γ).反射系数为材料的函数,并与极性、入射角和频率有关.当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射.由阻挡表面产生的二次波93第3期吴羲晖:移动通信信道衰落特性模型的研究散布于空间,甚至于阻挡物体的背面.当发射机和接收机之间不存在视距路径,围绕阻挡体也产生波的弯曲.在高频波段,绕射和反射一样,依赖物体的形状,以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况.在移动无线信道中,基站和移动台之间的单一直接路径很少是传播的唯一物理方式,因此,单独使由空间传播模型,在多数情况下是不准确的.考虑地面反射和影响,由地面反射(双线)模型(图1)可推得:P r =P t G t G r h 2t h 2r d 4(9) 由(9)式可见,当距离很大时,接收功率随距离成4次方衰减(40dB/10倍程),比自由空间中的损耗要快得多.其路径损耗[2](单位为dB )可以表示为:P L (dB )=40logd -(10log G t +20log G r +20log h t +20log h r )(10)从上式可以看出,对于远距离传播的电磁场,路径损耗与频率无关.图1　地面反射双线模型Fig 1　M odel of double line reflecting on the ground 在移动通信系统中,对次级波的阻挡产生了衍射损耗,即有一部分能量绕过阻挡体,而一些费涅尔区发出的次级波被阻挡,根据阻挡体的几何特征,接收能量为非阻挡体费涅尔区所贡献能量的矢量和.一般来说当阻挡体不阻挡第一费涅区,则衍射损失最小,衍射影响可以忽略不计.当遮掩由单个物体,如山或山脉引起,通过把阻挡体看作衍射刃形边缘来估计衍射损失,这种情况下的衍射可用针对刃形后面(成为半平面)场强的经典费涅尔法来估计.而当传输路径上不只一个阻挡体,而是有很多阻挡体的情况下(如山区传播),这样所有的阻挡体引起的衍射损失都必须计算.布灵顿(Bullington )提出了用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体,就可以使用单刃形绕射模型计算路径损耗[5](图2).这种方法极大地简化了计算并给出了比较好的接收信号强度估计.实际移动无线环境中,接收信号比单独衍射和反射模型预测的要强.这是因为当电波遇到粗糙表面时,反射能量由于散射而散布于所有方向.像灯柱和树这样的物体在所有方向上散射能量,这就给接收机提供了额外的能量.图2　等效单刃的布灵顿模型Fig 2　Equivalent m odel of one 2edged Bullington 11113　路径损耗模型分析　在设计无线通信系统时,了解路径损耗是非常重要的.系统的覆盖区域,系统的可靠性都与电磁波传播的功率有关.由于无线信道非常复杂,精确的理论分析是不可能的,在实际中,往往采用理论分析和试验相结合的方法,针对不同的环境归纳总结出相应的路径损耗模型.在系统工作前,利用路径损耗模型预测接收信号的电平,分析信噪比S NR.由于没有一个模型可以适用于所有的传播环境,因此,要求设计人员根据具体的情况选择使用合适的模型.在理论分析上,图1给出的地面反射双线模型比较常用,而实际的路径损耗估计技术中,对数距离路径损耗模型比较常用.下面给出对数距离路径损耗模型:基于理论和测试的传播模型,无论室内或室外信道,平均接收信号功率随距离的对数衰减.对任意T -R 距离,平均大尺度路径损耗表示为:P L (d )∝dd 0n (11)或:P L (dB )=P L (d 0)+10n log dd 0(12) 其中,n 为路径损耗指数,是表明路径损耗随距离增长的速率,它依赖于特定的传播环境,在自由空间,n =2,当有阻拦物时,n 变大;d 0为近地参考距离,由测试决定;d 为T -R 距离.在无线通信系统中,电波的传播经常在不规则地区.在估计路径损耗时,要考虑特定地区的地形地04仲恺农业技术学院学报第19卷貌.地形从简单的曲线形状到多山区地形.同时也要考虑树木、建筑和其他阻挡物等.为此,人们根据各种服务区的测试数据,建立了大量的实用传播模型.如Longley -Rice 模型、Durkin 模型、Okumura 模型、Hata 模型、Walfish 模型和Bertoni 模型等[2,6].各个模型考虑的侧重点和针对的环境各有不同,在此不作具体分析.112　无线远距离移动信道的多径效应引起的衰落 以上描述了无线远距离移动信道的路径损耗特性.从中可以看出,路径损耗主要影响到接收信号的长时间的整体功率,从而决定了系统的覆盖范围和对发射功率的要求,属于大尺度衰落.而由无线远距离移动信道的多径性引起的短时间内的衰落称为小尺度衰落.下面针对多径效应展开分析.11211　多径传播　在典型的无线信道中,发送信号的多次反射导致了多径传播.不同的传播路径具有不同的延迟特征,从而使得信道表现出时间色散特性,进一步导致信号产生频率选择性衰落或者平坦衰落.如果移动无线信道的带宽Bc 大于发送信号的带宽Bs ,且在带宽范围内有恒定增益及线性相位,则接收信号就会经历平坦衰落过程,此时信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍保持不变.然而,由于多径信道增益的起伏,使接收信号的强度随时间而变换.平坦衰落信道增益最常见的幅度分布为瑞利分布(Rayleigh )[7].瑞利平坦衰落信道模型假设信道幅度依据瑞利分布.经历平坦衰落的条件如下:Bs <<Bc , Ts >>σr 其中Ts 为信号周期,σr 为延时扩展.Bc 为信道相干带宽,Bs 为系统传输带宽.如果信道具有恒定增益或线性相位的带宽范围小于发送信号带宽,则该信道特性就会导致接收信号产生选择性衰落.在这种情况下,信道冲激响应具有多径时延扩展,其值大于发送信号波形带宽的倒数.此时,接收信号中包含了经历了衰减和时延的发送信号波形的多径波,因而产生了接收信号失真.这样信道就引起了符号间干扰(ISI ).对频率选择性衰落失真而言,发送信号的带宽Bs 大于信道的相干带宽Bc.因此,也称频率选择性信道为宽带信道.信号产生频率选择性衰落的条件是:Bs >Bc , Ts <σr 具体的条件范围还依赖于所用的调制方式.由多径引起的符号间干扰(ISI )是无线传输系统设计中需要考虑的因素.当数据速率较低,而且与信道的最大延迟相比符号持续时间长,那么就有可能无需任何均衡技术来处理ISI.但随着系统的通信距离或者数据速率的增加,ISI 变得越来越严重(如数据以10Mb/s 的速率在最大延迟为10μs 的信道上传播,ISI 将扩展到10×10=100个符号),这时就必须借助于信道的均衡技术.而且ISI 越大,均衡器滤波系数的计算就会越复杂.对于100个符号的ISI 来说,这个计算的复杂程度是可想而知的.11212　多普勒效应　由于传输过程中,移动台和发射台(基站)之间存在相对运动,每一个多径波都经历了明显的频移过程,移动引起的接收机信号频移称为多普勒频移.它和移动台的运动速度v 、运动方向,以及接收机多径波的入射角θ有关.f d =v λ・cos θ,　λ=c f (13)其中,c 为光速,f 为发送信号频率.除了移动台的运动外,在信道传播路径中的环境物体的运动也会引起多普勒效应.这些多普勒效应使得信道在频率上是色散的,即信道具有时变特性.描述信道的时变特性的参数主要有两个:多普勒扩展和相干时间.多普勒扩展B d 是谱展宽的测量值,它是移动无线信道的时间变化率的一种量度.多普勒扩展被定义为一个频率范围,在此范围内接收的多普勒谱有非0值.当发送频率为f c 的纯正弦信号时,接收信号谱即多普勒谱在f c -f d 至f c +f d 范围内存在分量,其中f d 是多普勒频移.谱展宽依赖于f d .如果基带信号带宽大于B d ,则在接收机端可忽略多普勒扩展的影响.即将信道看成一个慢衰落信道[5].相干时间是多普勒扩展在时域的表示,用于在时域描述信道频率色散的时变特性,与多普勒频移成反比.实际上,相干时间就是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值,换句话说,相干时间就是指一段时间间隔,在此间隔内,两个到达信号有很强的幅度相关性,如果基带信号带宽的倒数大于信道14第3期吴羲晖:移动通信信道衰落特性模型的研究相干时间,则传输中基带信号就有可能因为多普勒效应而发生改变,导致接收机信号失真[8].一般将相干时间近似定义为:T c ≈916πf 2m =0.423f m (14) 其中f m =v λ.在数字发送系统中,只要符号速率大于1/T c ,就不会有由于运动原因而产生的信道失图3　信号所经历的衰减类型同信号参数之间的关系Fig 3　The relation between fading type and parameter of sign 真现象. 对于由多径传播和多普勒扩展引起的频率选择性衰落(也称为频率色散)以及时间选择性衰落(也称为时间色散),可以通过系统传输参数和信道的具体参数作相应分类,其具体方法见图3.2　系统通信信道模型 对于时间色散信道,在过去的40年里,人们建立了大量的信道模型,如抽头延时线性模型、C OST 207模型、Hashemi 2Suzuki 2Turin 模型等[2].本文为了简化分析采用了抽头延时线性模型来对信道进行研究.现实的无线信道虽然不是广义平稳不相干散射信道WSS US ,但相关函数随f 和t 的变化而变化缓慢,所以常用一种称之为“准广义平稳不相干散射信道”的模型来近似,因为一个非WSSUS 的模型实在是太复杂了,在这里也采取WSS US 的假设对信道进行分析.图4　信道延时线性模型Fig 4　M odel of channel delay WSS US 信道可以用抽头延时线性模型(图4)来实现.图中每一个抽头的系数都是时变的.则信道的冲激响应可以由下式描述:h (t ,τ)=6N i =1a i exp (j φi (t ))δ(τ-τi ) 其中,N 是抽头的个数,a i (t )是与时间有关的抽头系数(通常是复高斯的),τi 是输入到第i 个抽头的延迟.对每个抽头都有一个多普勒谱来描述其系数随时间的变化而产生的变化.不失一般性,通常令τi 等于0.对于τi 的选择,有两种方式:(1)与实际路径的到达时间完全一致(散射体群);(2)它们等间隔分布,抽头间距Δτ由抽样定理决定.这样,即使WSS US 假设成立,抽头系数一般也不是统计独立的.如果抽头是等间隔的,且抽头系数被定义成统计独立的,则模型可以进一步简化.如果存在视距成分,这种模型就称为N —延迟莱斯衰落模型;如果不存在视距成分,则称为N 一延迟瑞利衰落模型.对于这种模型,我们进一步假设抽头系数只在远大于传输数据的一个包周期的时间内才发生变化,也就是说在传输一个包的时间里,信道是慢变的.这样的信道叫做慢衰落信道或准静态信道.事实上,在突发模式传输的系统里,完全可以做到这一点.3　结果和分析 无线远距离移动通信系统的传输性能同其信号经历的信道有非常密切的关系.信号在无线移动信道中(下转第70页)[32]　FREE M AN S,Z VEI BI L A,VI NT A L H.Is olation of nonpathogenic mutants of Fusarium oxysporum f.sp.melonis for biological control ofFusarium wilt in cucurbits[J].Phytopathology,2002,92:164-168.[33]　易克,徐向利,卢向阳,等.利用SSR和ISSR标记技术构建西瓜分子遗传图谱[J].湖南农业大学学报:自然科学版,2003,29(4):333-337.[34]　LEIG H K,FE NNY D.Draft of RAPD map of watermelon[J].Amer S oc H orti Sci,2001,126(3):344-350.[35]　LE VI A,TH OM ASC E,JOOBE UR T,et al.A genetic linkage map for watermelon derived from a testcross population:(Citrullus lana2tus var.citroides x natus natus)x Citrullus colocynthis[J].Theor2appl2genet,2002,105(4):555-563.[36]　LE VI A,TH OM AS C E,ZH ANG X ingping,et al.A genetic linkage map for watermelon based on randomly am plified polym orphic DNAmarkers[J].Journal of the American S ociety for H orticultural Science,2001,126(6):730-737.[37]　H AWKI NS L K,DANE F,K UBISI AK T L,et al.Linkage mapping in a watermelon population segregating for Fusarium wilt 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电波传播中信号衰减的模型研究在当今的信息时代，电波作为信息传输的重要载体，其传播特性对于通信、广播、雷达等领域具有至关重要的意义。

而在电波传播的过程中，信号衰减是一个不可避免的现象，它会影响信号的质量和传输距离，从而限制了通信系统的性能。

因此，深入研究电波传播中信号衰减的模型，对于优化通信系统设计、提高信号传输质量具有重要的理论和实际价值。

一、电波传播的基本概念电波是指在空间中传播的电磁波，其频率范围非常广泛，从低频的无线电波到高频的光波都属于电波的范畴。

在通信领域中，常用的电波频段包括短波、超短波、微波等。

电波在空间中的传播方式主要有地波传播、天波传播和空间波传播三种。

地波传播是指电波沿着地球表面传播，其传播距离相对较短，但稳定性较好，适用于中低频段的通信；天波传播是指电波通过电离层反射传播，其传播距离较远，但受电离层变化的影响较大，适用于中高频段的通信；空间波传播是指电波直接从发射天线传播到接收天线，其传播距离与天线高度和发射功率等因素有关，适用于微波频段的通信。

二、信号衰减的原因电波在传播过程中，信号会发生衰减，其主要原因包括以下几个方面：1、自由空间损耗自由空间损耗是指电波在自由空间中传播时，由于能量的扩散而导致的信号强度减弱。

其大小与传播距离的平方成正比，与电波频率的平方成正比。

2、吸收损耗电波在传播过程中，会被传播介质吸收一部分能量，从而导致信号衰减。

例如，电波在穿过建筑物、树木等障碍物时，会被吸收一部分能量。

3、反射和散射损耗当电波遇到障碍物时，会发生反射和散射现象，从而导致信号的方向和强度发生变化，产生损耗。

4、多径衰落由于电波传播的多径效应，接收端会接收到多个不同路径传播的信号，这些信号之间会相互干扰，导致信号强度的起伏变化，即多径衰落。

三、信号衰减的模型为了定量地描述电波传播中信号衰减的特性，人们建立了多种信号衰减模型。

下面介绍几种常见的模型：1、自由空间传播模型自由空间传播模型是最简单的信号衰减模型，适用于理想的自由空间传播环境。