第二章移动通信电波传播环境与传播预测模型

值的概率与该电平所对应的电平通过率之比，可用下
式表示：
R
e2
f m
1
2
（3-11）
式中f m
是最大多普勒频移，
R
， R RMS
Rm 2 为信号包络的均方根电平。
设： 0
1 fm 2
得归一化 R 1 (e2 1)
0
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2.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征
1 时延扩展
图3-11 时延扩展示意图
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
B．移动环境的多径传播 • 陆地移动信道的主要特征是多径传播。
• 传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏 的地形，会引起电波的反射，如图3-8所示。
• 这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而 是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各 个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同， 相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加， 有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样， 接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰 落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落。
信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。如果用 公式表示，按接收信号功率可表示为
式中，| d |表示移动台与基站的距离。上式是信道 对传输信号作用的一般表示式，这些作用有三类。
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
① 自由空间传播损耗与弥散，用| d |−n表示，其中n 一般为3～4。
顶点，损耗急剧增加。
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12
2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
4 反射波 • 电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界

第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
2.1 VHF、 UHF频段电波传播特性 、 频段电波传播特性
移动通信中， 移动台是处在运动状态之中的， 电 波传播的条件随着移动而发生较大的变化， 接收信号 的场强起伏也很大， 可达几十分贝， 极易出现严重的 衰落现象。 图2 - 1示出了一个场强的实测记录。 由此 可见， 接收信号出现严重的衰落现象是移动通信电波 传播的一个基本特点。
第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
接符接接 基斜(传传损损) 在区区发(多水长长)
移移分水
图 2 - 9 移动场强测试与模拟信号的场强特性
第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
－97
900 MHz , 发发移纵在 20 m , 发发相符 7 W , 接接接距距 5.6 km
－100
接接接符 / dBm
－103
－106
－109
0
2
4
6
8
10
距距 / m
图 2 - 10 移动场强特性的移动体测试的场强特性。 ① 移动体变速运动时的场强特性。 图2 - 11所示为 移动体变速运动时的场强的变化曲线。 ② 移动体恒速运动时的场强特性。 图2 - 12所示为 移动体恒速运动时的场强变化曲线。
1 ht + hr (ht + hr ) 1+ ≈1+ 2 d d
2
2
由此可得到
2ht hr ∆d = d
(2 - 6)
第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
由路径差∆d引起的附加相移为
∆ϕ =
2π
λ
∆d
(2 - 7)
式中， 2π/λ称为传播相移常数。 这时， 接收场强E可表示为

图2-9 在路径损耗、阴影效应和多径传播与距离的关系
2.3 小尺度衰落模型
2.3.1 影响小尺度衰落的因素 (1) 多径效应。 (2) 多普勒效应。 (3) 信号的传输带宽。
2.3.2 移动多径信道参数 1. 时延扩展和相干带宽 时延扩展和相干带宽是用来描述无线信道的时间色散特性，
而信道的时间色散是由多径效应所引起的。
归纳为直射波、反射波、绕射波和散射波四种基本传播方式， 如图2-1所示。
图2-1 移动信道电波传播类型示意图
1. 直射波 在图2-2所示的自由空间中，设在原点O有一辐射源，均匀 地向各方向辐射，辐射功率为PT，经辐射后，能量均匀地分布 在以O点为球心，d为半径的球面上。已知球面的表面积为4πd2， 则单位面积上的电波功率密度S为
2.1.3 移动信道中的几种效应 1. 阴影效应 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物等障碍物的阻
挡时，会在障碍物的后面产生传播半盲区，这种现象称为阴影 效应。移动台在运动中通过不同障碍物阴影时，就构成接收天 线处场强中值的变化，从而引起阴影衰落。
2. 远近效应 由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离 也是在随机变化的，若各移动用户发射信号功率一样，那么到 达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远 者信号弱。
(2.22)
当信道中存在一个固定的直射分量时(LOS情况)，不失一 般性，设式(2.14)中n=0为直射分量，此时，rL(t)和rQ(t)的包络 服从莱斯(Rician)分布，其概率密度函数(PDF)为
(2.23)
式中，ρ2=α20是直射分量的功率， 是其他非直射分量的平均功率。J0(·)是0阶第一类修正贝塞尔 函数。莱斯衰落的平均接收功率为
(2.19)

❖ 相干距离与空间选择性衰落
空间选择性衰落用相干距离描述。相干距离定义为两根天 线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短， 角度扩展越大，反之，相干距离越长，角度扩展越小。 典型的角度扩展值为：室内环境 360，城市环境为 20 ，平坦 的农村为 1。
传播损耗模型
❖ Okumura模型（奥村模型） ❖ Okumura-Hata模型 ❖ Hata模型扩展 ❖ COST-231模型 ❖ COST-231-Walfish-Ikegami模型
四种主要的效应
❖ 远近效应 由于接收用户的移动性，移动用户与基站之 间的距离也在随机变化，若各移动用户发射 信号的功率一样，那么到达基站时信号的强 弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者 信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重 信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的 现象，即为远近效应。
四种主要的效应
✓若频率管理或系统设计不当,就会造成同
频干扰；
✓在移动通信系统中，为了提高频率利用
✓农村：K 4 .7 8 lg f2 1 8 .3 3 lg f 4 0 .9 4
传播损耗模型
❖ Hata模型扩展（适合于个人通信系统）
适用条件： 频率：1500MHz-2000MHz 距离：1km-20km 基站天线高度：30m-200m 移动台天线高度：1m-10m
传播损耗公式 ：
L 5 0 ( u r b a n ) 4 6 . 3 3 3 . 9 l g ( f c ) 1 3 . 8 2 l g ( h b ) ( h m ) ( 4 4 . 9 6 . 5 5 l g ( h b ) ) l g ( d ) C M
信号损耗
❖ 多径传播引起的损耗（快衰落）： 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时 值呈现快速变化的特征，这是由多径传播引 起的，称作快衰落，又称作小尺度衰落。其 电平分布一般服从瑞利（Rayleigh）分布或 莱斯（Rice）分布。

线性时变 滤波器
+ r(t) = c(t,τ )∗si (t) + n(t)
器c(t)
n(t)
n(t)
c(t,τ)
n(t)
加性高斯噪声信道模型
带有加性噪声的线性滤 波器信道模型
带有加性噪声的线性时 5 变滤波器信道模型
国家重点实验室
2.1 信道模型
• 在无线移动通信工作环境中，电波不仅随着传播距离增加会发生弥散 损耗，并且受地形、建筑物的遮蔽影响将产生“阴影效应”；
• 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预 测。信号的中值是指长区间中值。
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国家重点实验室 Okumura（奥村）模型
Okumura（奥村）模型提供的数据较齐全，应用较广泛， 适用于VHF和UHF频段。
Okumura模型的特点是：
¾ 以准平坦地形大城市地区的场强中值或路径损耗作为基准， ¾ 对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。
Solution: dc = 4ht hr / λ = 800m for the urban microcell and
dc = 4ht hr / λ = 160m for the indoor system.
合适？
14
国家重点实验室
一、信道基本特性
A cell radius of 800 m in an urban microcell system is a bit large: urban microcells today are on the order of 100 m to maintain large capacity.
15
国家重点实验室
信道基本特性
β=2 π / λ

表达式
传播路径损耗和阴影衰落 分贝式
10 log l ( r , ζ ) = 10m log r + ζ
l ( r , ζ ) = r m × 10 10
ζ
式中, 式中 r 移动用户和基站之间的距离 ζ 由于阴影产生的对数损耗（dB），服从均值为0和标准偏差为 ），服从均值为 由于阴影产生的对数损耗（ ），服从均值为 和标准偏差为 σdB的正态分布 的正态分布 m 路径损耗指数 16 实验数据表明m＝ ，标准差σ＝ 实验数据表明 ＝4，标准差 ＝8dB，是合理的 ，
2
用分贝表示： 用分贝表示：[ L]dB = 10lg L = 32.45 + 20lg f + 20lg d
6
接收电平: r 接收电平 P (dBm) = 10lg P (mW) P (dBW ) = 10lg P (W ) r r r
3 电波的三种基本传播机制
阻挡体 反射 绕射 散射 比传输波长大得多的物体 尖利边缘 粗糙表面
d+2λ/2
d+λ/2
θ
13
惠更斯－ 惠更斯－菲涅尔原理
绕射-（ 绕射 （2）菲涅尔区 基尔霍夫公式
菲涅尔区
从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大nλ/2的连续区域 的连续区域 从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大 接收点信号的合成 Pn d+nλ/2 n为奇数时，两信号抵消 为奇数时， 为奇数时 P3 d+3λ/2 n为偶数时，两信号叠加 为偶数时， 为偶数时 d+2λ/2 菲涅尔区同心圆半径
衰落的分类 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{ 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{
大尺度衰落 小尺度衰落

( mV / m)
245 PD1 2π e2 = | R |cos( ωt − θ − ∆d ) d 1 + ∆d λ
第二节
超短波在光滑平面上 的传播特性
D1 | R| D2 2π cos ωt + cos( ωt − θ − ∆d )] d1 λ d1 + ∆d
B 点的合成电场等于和之总和，对水平极化来说，B 点上之向 量和是顺着垂直于图面的直线取向，因此接收点B的合成电场 为和之代数和。
第三节
地球曲率和大气折射 的影响
三、球形地面扩散作用对反射公式的修正
d0
1 1 Df = = 2 2 d1 d 2 2d 22 d1 1+ 1+ ' kR0dh1 kR0dh2'
173 E= PT GT × 1 + D f2 R 2 − 2 D f | R|cos( 4 πh1'h2' / dλ ) d
∆hMAX ≤ λ / 16 sin ∆
第四节
粗糙不平坦地面电波 传播特性
H d 0C
图2-7 地面起伏波程差
图2-8 传播余隙
实际地形是复杂多样的，因此很难对各种实际地 形引起的电波衰减作出准确的定量计算。参见图2-8， 地形起伏最高点与两天线连线的垂直距离为传播余隙。
第五节
多径衰落和阴影效应
2
E 0 = Z0 H0 = 120πH0
Z0 = µ 0 / ε 0 = 120πΩ
E 0 = 30 PD / d
(V / m)
E 0 = 173 PT GT / d
( mV / m)
第一节 在自由空间的传播
接受点功率为
λ 2 PR = SAe = ( PT GT / 4 πd )( λ / 4 π ) GR = ( ) PT GT GR 4 πd

d的单位是Km，频率f 的单位是MHz
自由空间路径损耗或自由空间基本传输损 耗可以表示为 （2.4） · Lbs单位：dB(分贝)。表示自由空间中两个 理想点源天线（增益系数G=1的天线）之间 的传输损耗。 · 自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。
2.1.4 反射波传播
当电波在传播中遇到两种不同介质的光滑面 时，如果界面尺寸比电波波长大得多时会产生 镜面反射，由于大地和大气是不同的介质，所 以入射波会在界面上产生反射，如图2.3所示。
在工程上，大气折射对电波传播的影响通
常用地球等效半径来表征，即认为电波依然
按直线方向行进，只是地球的实际半径
R0(6.37×106 m)变成了等效半径Re。
等效地球半径示意图
等效地球半径：电波在以等效地球半径Re为半径的球面 上空沿直线传播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效。
· 定义K为等效地球半径系数，即
· 移动环境中电波传播特性研究的结果 往往用两种方式给出。 方式一：对移动环境中电波传播特性 给出某种统计描述。
方式二：建立电波传播模型：如图表、 近似计算公式或计算机仿真模型等。
2.1.2 无线电波的传播方式
无线电波传播特性
波 长波 段 波 长 频 率 主 要 用 途 — 调幅无线电广播 10km～1km 30kHz～300kHz
中波 短波
米波（VHF）
1km～100m 100m～10m
10m～1m
300kHz～3MHz 3MHz～30MHz
30MHz～300MHz 调频无线电广播
微波
分米波（UHF）
厘米波 毫米波
1m～0.1m
10cm～1cm 10mm～1mm
300MHz～3GHz
3GHz～30GHz 30GHz～300GHz

(km)
2 R0 ( h1 h2 )
R0 6370km
10 HITCRC
Line of sight calculation
Considering the misproportion of atmosphere, direct path will curve a little （实际上当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时，直射波传播 所能到达的视线距离的数值稍有变化。例如在标准大气折射的情况下， 上述公式可以修正为下面的式子）
12 HITCRC
Transmission mechanism of electromagnetic wave Figure 2-1 indicates direct (直射) and reflected path (反射) signal as e1 and e2，here, |R| is reflection coefficient (发射系 数)，△d is the path difference between direct and reflected path A
6 HITCRC
Free space propagation
Free space，is a uniform non-loss infinite space. In ideal condition, the space is isotropic, its electric conductivity is 0, and both of its relative permittivity and relative magnetic conductivity are equal to 1.（所谓自由空间，严格来说应指真空。通常把均匀无损耗的 无限大空间视为自由空间。该空间具有各向同性、电导率为零 、相对介电系数和相对磁导率均恒为1的特点，这是一种理想 情况。） 实际无线电波传播路径是不可能获得这种条件的。现实的电波 传播媒质是有损耗的且是不均匀的，因而电波传播的过程中除 有衰减外，还会出现折射、反射、散射和绕射现象。在研究移 动通信电波传播问题时，为了能提供一个比较各种传播情况的 标准，并简化场强和传输损耗的计算方法，才引入了自由空间 电波传播这一概念。

答：①
②
③ ，所以多普勒扩展为
2．6若 ， ，移动台沿电波传播方向行驶，求接收信号得平均衰落率。
解：
2．7已知移动台速度 ， ，求对于信号包络均方值电平 得电平通过率。
解： ,
2．8设基站天线高度为 ，发射频率为 ，移动台天线高度为 ，通信距离为 ，利用Okumura-Hata模型分别求出城市、郊区与乡村得路径损耗。（忽略地形校正因子得影响）
微观分集：用于合并两个或多个短时限瑞利信号，这些信号都就是同一接收基站长经独立得衰落路径接收来自两个或多个不同天线发射得信号。
移动通信中常用得微观分集：时间分集、频率分集、空间分集、角度分集、极化分集。
4．3工作频段为 模拟移动电话系统TACS得信令采用数字信号方式。其前向控制信道得信息字A与B交替采用重复发送5次，如图所示。每字（40bit）长度5ms。为使字A（或B）获得独立得衰落，移动台得速度最低就是多少？
所谓相位连续就是指不仅在一个元码持续时间连续而且在从元码 转换得时刻 两个元码相位也相等满足关系式 即要求当前元码得初相位 由前一元码得初相位 来决定。
3．8GMSK系统空中接口传输速率为270、83333kbit/s，求发送信号得两个频率差。若载波频率就是 ，这两个频率又等于多少？
解：（1） ，
（2） ；
2．1说明多径衰落对数字移动通信系统得主要影响。
答：①信息信号分散，信噪比低，传输语音与数据质量不佳；
②可能引入尖锐得噪声，照成传输数据大量出错；
③不同路径传来得信号互相相关，难以直接叠加。增加接收电路单元得复杂度，从而提高系统得建设与运营成本。
2．2若某发射机发射功率为100W，请将其换算成d Bm与dBW。如果发射机得天线增益为单位增益，载波频率为900MHz，求出在自由空间中距离天线100m处得接收功率为多少dBm？

② 在数百倍波长的区间内，通常几百米 或几千米范围内，信号的短区间中心值 也出现缓慢变动的特征，这就是阴影衰 落。在较大区间内对短区间中心值求平 均，可得长区间中心值。
③ 长区间中心值随距离基站的位置变化 而变化，距离越远，衰减越大，称为传 输损耗。 ②和③引起的衰落被称为大尺度衰 落。
2.1.2 无线电信号描述
3．地面一般特性
地面的地形特性、环境特性和地面覆 盖物特性与无线电波的传播密切相关，对 于不同的地面和环境，应采用不同的传播 模型。
2.5 无线电波传播机制
2.5.1 直射
通常直射波传播按理想的传播条件来进 行分析，即假定天线周围为无限大真空区， 也称为自由空间。 在这种理想空间中，电磁波的能量不会 被障碍物所吸收，也不存在电波的反射、折 射、绕射、色散和吸收等现象，而且电波传 播速率等于真空中光速。
干扰（Interference）则是指与信号有关的一 些破坏性因素。 如符号间干扰（Inter-symbol interference）、 同信道干扰（Co-channel interference）、邻近信 道干扰（Adjacent channel interference）、阻塞干 扰（Jamming interference）以及各种人为的故意 干扰（如军事通信或雷达系统中的瞄准干扰）等。
1．信号强度的表示方法
（1）dBW和dBm
dBW和dBm都是表征功率绝对值的值， 也可以认为以1W和1mW功率为基准的一个 比值。计算公式为 P(dBm)=10log[P(mW)/(1mW)] P(dBW)=10log[P(W)/(1W)]
（2）分贝
分贝（dB）定义为两个参数（如功 率、电压、电流）之比的对数单位，用 来表征两个物理量的相对大小关系。 ① 若两个功率之比为KP,则两个功率之比 的分贝值为10lgKP（dB）。

· 用公式表示为 （2-8）
· 对于垂直极化波，有 （2-9） · 对于水平极化波，有 （2-10）
·
0为反射介质的复介电常数，即
（2-11）
2．并假 设一定的简化条件，接收天线B处的总场 强为
（2-12）
· 是反射路径与直射路径的相位差， 它与两者路径差的关系为
sin 1 n21 sin 2
（2-19）
· 当电磁波从真空射入某种介质时，所 得到的折射率称为该介质的绝对折射率， 或简称为折射率。
· 可以推出
sin 1 n2 n21 sin 2 n1
· 则有
（2-20）
n1 sin 1 n2 sin 2
（2-21）
· 在不考虑传导电流和介质磁化的情况 下，可以推出介质的折射率n与相对介电常 数r的关系为 （2-22） n
· 在实际中大气最典型的折射出现在电 波的水平传播中。
· 此时，并考虑到，经过推导可以得到 电波沿曲线传播时传播曲线的曲率为
1 dn dh
（2-25）
· 根据几何学原理，如果两组曲线的曲 率之差相等，则它们之间的距离相等。
· 也就是说，当下列方程式满足时，图 2-7中的（a）和（b）等效，即 1 1 1 1 （2-26） R0 Re e
（1）无折射 （2）负折射 （3）正折射
① 标准大气折射 ② 临界折射 ③ 超折射
3．视距传播的极限距离
· 设发射和接收天线A和B的高度分别为h1 和h2，其连线与地面相切于C点。 · 切点到两个天线的距离分别为d1和d2。
· 由于Re>>h1，Re>>h2，可以推出
（2-30）
· 则可以得到A和B的距离为

2.2 大尺度传播模型
何为传播模型？
电波传播损Leabharlann 预测模型作用——预测接收信号的中值场强(信号覆盖范围) 影响因素
地形环境特征（地形地貌、建筑物高度和密度、街道分布） 信号传播参数（信号频率、天线高度等）
2.2 大尺度传播模型
传播模型类型
自由空间传播模型（视距传播—直射波， 介电系数为1的均匀无吸收媒质）
落
由地形或人造障碍引起
多径衰落
来自不同方向不同长度路径信号引起的干扰
信号包络在几个波长间距内的变化幅度可达30dB
移动信道中无线传播分类
大尺度路径损耗 自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight)
—与λ2成正比（与f2成反比）→频率越高，衰减越大。
描述收发信机之间长距离上的场强变化，其传 —与λ2成正比（与f2成反比）→频率越高，衰减越大。
益；d是T-R间距离；L是与传播无关的系统损耗因子；λ为波长。
2. 2 大尺度传播模型 –自由空间
自由空间传播模型
– 距发射机d处天线的接收功率
物理意义
→ —与d2成反比 距离越远，衰减越大。
→ —与λ2成正比（与f2成反比） 频率越高，衰减越大。
—综合损耗L(L>=1)通常归因于传输线衰减、滤波损耗和
第二章 移动通信信道
2.1 概述 2.2 大尺度传播特性 2.3 小尺度传播特性
2.1 概述
无线电波的传播机制
自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight) 存在阻挡物（多条路径）:
反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反射 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，
地面反射模型（双线或两径传播模型）：