第2章 电波传播与传播预测模型

第一章绪论1.掌握正常的和反常的两种类型传播模式的基本概念；正常的传播机制总是存在，如图1.1所示：反常的传播机制偶然存在，如图1.2所示：2.掌握超短波和微波的主要传播效应。

1、晴空条件下的视距传播——在晴朗天气的情况下，当传播路径两端点之间没有障碍阻挡或者障碍阻挡可以忽略时，超短波和微波按照视距传播。

【视距传播不仅仅是自由空间的传播（即空间扩散损耗）；还要计及大气气体对无线电波的吸收损耗（水汽和氧气对电波的吸收损耗）。

晴空大气中，还存在许多其他复杂的重要的视距传播现象（晴空大气中的层结以及湍流不均匀体对无线电波的反射、折射、多径传播、散射、散焦和聚焦效应等等）。

）】2、绕射传播——当传播路径两端点之间的传播余隙小于第一费涅尔半径时，即波传播的空间受到地面地物某种程度的阻挡时，就会产生绕射损耗。

【对于非视距和超视距传播的情况，绕射损耗可以是很严重的。

绕射损耗的大小与频率、余隙、障碍的位置和形状等因素有关。

为了计算因地面地物障碍阻挡引起的对无线电波的绕射损耗，首先必须制作准确的电路地形剖面图，定义和计算相关的几何参数。

在出现负折射的情况下，绕射损耗尤其严重；在超折射条件下绕射损耗则变小。

所以，当气象条件不稳定时，容易出现绕射衰落。

】3、地形、地物的散射和反射4、雨、水凝体和沙尘对电波的散射和衰减5、多径传播和聚焦效应：【多径传播——大气层结的反射和折射以及地面地物的反射和散射使得在接收点所接收到的信号是多条射线合成的总效果。

这些多径射线具有各自不同的相位和幅度，所以多径射线的合成是向量的合成。

并且由于各条射线幅度和相位的随机变化，最终产生所谓的多径衰落现象，这是对无线电通信的质量水平具有非常重要的影响。

聚焦效应——当射线在对流层中传播时，由于大气折射指数的不均匀性会产生聚焦和散焦效应。

聚焦会使信号大大增强，相反散焦会使信号减弱。

聚焦、散焦何时出现和强度如何均与气象条件有关，而气象变化也是随机的。

第一章概述1．1简述移动通信的特点：答：①移动通信利用无线电波进行信息传输；②移动通信在强干扰环境下工作；③通信容量有限；④通信系统复杂；⑤对移动台的要求高。

1．2移动台主要受哪些干扰影响？哪些干扰是蜂窝系统所特有的？答：①互调干扰；②邻道干扰；③同频干扰（蜂窝系统所特有的）；④多址干扰。

1．3简述蜂窝式移动通信的发展历史，说明各代移动通信系统的特点。

答：第一代（1G）以模拟式蜂窝网为主要特征，是20世纪70年代末80年代初就开始商用的。

其中最有代表性的是北美的AMPS（Advanced Mobile Phone System）、欧洲的TACS（Total Access Communication System）两大系统，另外还有北欧的NMT 及日本的HCMTS系统等。

从技术特色上看，1G以解决两个动态性中最基本的用户这一重动态性为核心并适当考虑到第二重信道动态性。

主要是措施是采用频分多址FDMA 方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。

在信道动态特性匹配上，适当采用了性能优良的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。

第二代（2G）以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它于20世纪90年代初正式走向商用。

其中最具有代表性的有欧洲的时分多址（TDMA）GSM（GSM原意为Group Special Mobile，1989年以后改为Global System for Mobile Communication）、北美的码分多址（CDMA）的IS-95 两大系统，另外还有日本的PDC 系统等。

从技术特色上看，它是以数字化为基础，较全面地考虑了信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。

主要的实现措施有：采用TDMA（GSM）、CDMA（IS-95）方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率（相位）规划实现载频（相位）再用方式，从而扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。

移动通信原理与系统第1章概论1.（了解）4G网络应该是一个无缝连接的网络，也就是说各种无线和有线网络都能以IP协议为基础连接到IP核心网。

当然为了与传统的网络互连则需要用网关建立网络的互联，所以将来的4G网络将是一个复杂的多协议的网络。

2.所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式。

移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。

无线通信是移动通信的基础。

3.移动通信主要的干扰有：互调干扰、邻道干扰、同频干扰。

（以下为了解）1）互调干扰。

指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生与有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰。

2）邻道干扰。

指相邻或邻近的信道（或频道）之间的干扰，是由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰。

3）同频干扰。

指相同载频电台之间的干扰。

4.按照通话的状态和频率的使用方法，可以将移动通信的工作方式分成：单工通信、双工通信、半双工通信。

第2章移动通信电波传播与传播预测模型1.移动通信的信道是基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径。

对移动无线电波传播特性的研究就是对移动信道特性的研究。

移动信道的基本特性是衰落特性。

2.阴影衰落：由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的衰落。

多径衰落：无线电波呢在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用而产生的反射、绕射和散射，使其到达接收机时是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播多引起的信号在接收端幅度、相位和到达时间的随机变化将导致严重的衰落。

无线信道分为大尺度传播模型和小尺度传播模型。

大尺度模型主要是用于描述发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米）上信号强度的变化。

小尺度衰落模型用于描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。

3.在自由空间中，设发射点处地发射功率为P t，以球面波辐射；设接收的功率为P r，则P r=（A r/4πd2）P t G t式中，A r=λ2G r/4π，λ为工作波长，G t、G r分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离。

第一章概述1、个人通信的主要特点是：每个用户有一个属于个人的唯一通信号码，取代了以设备为基础的传统通信的号码。

2、目前最具发展潜力的宽带无线移动技术是：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMAX。

3、移动通信的主要特点有：（1）利用无线电波进行信息传输；（2）在强干扰环境下工作；（3）通信容量有限；（4）通信系统复杂；（5）对移动台的要求高。

4、移动通信产生自身产生的干扰：互调干扰，邻道干扰，同频干扰，多址干扰。

第二章移动通信电波传播与传播预测模型1、移动信道的基本特性就是衰落特性。

2、移动信道的衰落一般表现为：（1）随信号传播距离变化而导致的传播损耗和弥散；（2）由于传播环境中的地形起伏，建筑物以及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的衰落，一般称为阴影衰落；（3）无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用而产生的反射、绕射和散射，使得其到达接收机时，是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播所引起的信号在接收端幅度、相位和到达时间的随机变化将导致严重的衰落，即所谓多径衰落。

3、大尺度衰落主要是由阴影衰落引起的，小尺度衰落主要是由多径衰落引起的。

4、一般认为，在移动通信系统中一项传播的3种最基本的机制为反射、绕射和散射。

5、移动无线信道的主要特征是多径传播。

6、多径衰落的基本特性表现在信号的幅度衰落和时延扩展。

一般来说，模拟移动通信系统主要考虑多径效应引起的接收信号的幅度变化；数字移动通信系统主要考虑多径效应引起的脉冲信号的时延扩展。

7、描述多径信道的主要参数：（1）时间色散参数和相关带宽；（2）频率色散参数和相关时间；（3）角度色散参数和相关距离。

P288、相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关。

9、相关带宽：频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同的时延，这可使两个信号变得相关，使得这一情况经常发生的频率间隔就是相关带宽。

10、相关时间：一段间隔，在此间隔内，两个到达信号具有很强的相关性，换句话说在相关时间内信道特性没有明显的变化。

电波传播损耗预测模型1、电波传播损耗预测目的掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。

2、方法根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确3、确定传播环境的主要因素（1）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）（2）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性（3）该地区的植被特征（4）天气状况（5）自然和人为的电磁噪声状况（6）系统的工作频率和移动台运动等因素4、常用的几种室外电波传播损耗预测模型（1）Hata模型广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损耗预测的传播模型。

根据应用频率的不同，分为Okumura-Hata 模型和COST 231 Hata模型。

（2）CCIR模型；（3）LEE模型；（4）COST 231 Walfisch-Ikegami 模型。

一、Okumura-Hata模型1、适用范围：频率范围f:150-1500MHz基站天线高度Hb:30-200m移动台高度Hm:1-10m距离d:1-20km2、路径损耗计算的经验公式式中—工作频率（MHz）；—基站天线有效高度（m ），定义为基站天线实际海拔高度与基站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差；—移动台天线有效高度（m），定义为移动台天线高出地表的高度；d —基站天线和移动台天线之间的水平距离（km）；—有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数；—小区类型校正因子—地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响二、COST 231-Hata模型1、适用范围：频率范围f:1500-2000MHz基站天线高度Hb:30-200m移动台高度Hm:1-10m距离d:1-20km2、路径损耗计算的经验公式式中—大城市中心校正因子（1）COST-231Hata模型适用于1500－2000MHz，在1km以内预测不准。

Okumura-Hata适用于1500MHz以下的大于1公里范围的宏小区。

无线电波传播模型与覆盖预测河北全通通信有限责任公司工程部网络服务组二0 0二年四月二十日第一节无线传播理论1.1 无线传播基本原理在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。

它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。

众所周知，无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波。

如图1-1所示。

就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。

自由空间指该区域是各向同性（沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）。

自由空间波的其他名字有直达波或视距波。

如图1-1（a），直达波沿直线传播，所以可用于卫星和外部空间通信。

另外，这个定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之间），见图1-1（b）。

第二种方式是地波或表面波。

地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。

表面波沿地球表面传播。

从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。

表面波在地表面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。

当能量进入地面，它建立地面电流。

这三种的表面波见图1-1（c）。

第三种方式即对流层反射波产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。

它的反射系数随高度增加而减少。

这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。

如图1-1（d）所示。

对流层方式应用于波长小于10米（即频率大于30MHz）的无线通信中。

第四种方式是经电离层反射传播。

当电波波长小于1米（频率大于300MHz）时，电离层是反射体。

从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，见图1-1（e）。

这种传播用于长距离通信。

除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。

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。

广播与电视技术２００６年第１２期57数字电视信号，码流同样采用伪随机码，接收天线选用适于移动接收的鞭状全向天线。

移动测试路线的选择应当包括市区路段、隧道、凹槽以及高速公路等有代表性的移动接收路径。

针对地面数字电视传输系统移动测试，广播电视规划院专门开发了基于地理信息系统（ＧＩＳ）的自动测试记录软件，在整个测试过程实时测量和记录接收信号电平、误码率和车速。

该系统还具有自动统计功能，可以实现测试信息以及车辆位置信息在电子地图上的可视化、一体化和集成化显示，极大地方便了移动测试。

图３、图４为测试记录软件记录的移动测试记录曲线（包括信号电平、误码率和车速）以及接收电平示意图。

测试时，测试车根据路况以各种速度行驶，由测试记录软件记录场强、每秒接收比特、误码、误码率、移动路线、每秒的位置、速度等数据，用录像机记录四画面合成器的图像，包括行进过程中的频谱图、车速及周围环境。

６　室内移动测试室内移动测试用于测试被测系统在室内移动接收条件下的接收效果。

室内移动测试在低码率模式下进行，发射台发送垂直极化数字电视信号，码流采用伪码；接收天线选用适合于移动接收的鞭状无方向性天线；由测试记录软件记录每秒的接收比特、误码、误码率；用ＧＰＳ记录移动路线，每秒的位置等数据，并存入计算机。

（收稿日期：２００６－１０－２６）▲１　引言无线电波主要在大气、真空以及水下空间等无线信道中传播，相对于有线信道，无线信道为信号的传播和接收带来了灵活性和机动性，但无线信道的开放性也使电波的传播更为复杂多变。

地面电视广播发射的无线电波以大气作为无线信道进行信号的传递，考虑障碍物等因素，无线电波在传播过程中将受到路径损耗、阴影衰落和多径衰落的影响［１］。

由于在地面电视广播规划的覆盖和干扰分析过程中，需要对信号场强进行预测，因此针对无线电波的传播特性，建立相关电波传播模型对地面电视广播规划非常关键。

２　电波传播模型地面电视广播涉及到的频段主要是米波（ＶＨＦ）和分米电波传播模型介绍分析◎何剑辉 冯景锋 李熠星国家广电总局广播电视规划院【提要】　地面电视广播发射的无线电波以大气作为无线信道进行信号的传递。