移动通信技术与网络优化(第2版)第2章 电波传播、天线、抗衰落技术

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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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
面时，会发生反射现象。 • 图3-5所示为从发射天线到接收天线的电波由反
射波和直射波组成的情况。 • 反射波与直射波的行距差为
式中 d = d1 + d2
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系
• 由直图射波3-4的可传见播，基当本横上坐没标有x/影x1 响＞。0.5时，则障碍物对
• 当x = 0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射
损耗约为6dB，当x＜0时，TR直射线低于障碍物
Av 1.85103vf (H)z
（3-9）
2
式中，速度v的单位为km/h，频率f的单位为MHz， 平均衰落率A的单位为Hz。
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
B．电平通过率 观察实测的衰落信号可以发现，衰落速率与衰落
深度有关。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落 发生得相当频繁。定量地描述这一特征的参量就是 电平通过率（Level Cross Rate，LCR）。电平通 过率NR定义为信号包络在单位时间内以正斜率通过 某一规定电平R的平均次数。
两路电波相位差Δ为
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
• 在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传 播机制为反射、绕射和散射。
• 当电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。
• 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散布 于空间，甚至于阻挡体的背面。
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2.1.2 阴 影 效 应
• 障碍物遮挡直射波引起接收信号中值的变化，表 现为慢衰落。 障碍物
BS
MS
• 由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。
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2.1.2 阴 影。
• 慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围 地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街 道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速 度等，而与频率无关。
现快速变化的特征，这就是多径衰落引起的，又 称为快衰落。 ② 在数百波长的区间内，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。 ③ 长区间中心值随距离基站的位置变化而变化，其 衰减特性一般服从d −n规律。
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
图3-7 陆地移动传播特性
• 在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传 输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引 起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。
• 设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图3-3所 示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直 距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙。
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发射信号
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多径环境
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接收信号 强度
时间
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多径传输演示
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• 通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线， 移动台用接近地面的低天线。例如，基站天线通 常高30m，最高可达90m；移动台天线通常高 2m～3m。
② 阴影衰落，用S(d )表示。这是由于传播环境中的 地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引 起的慢衰落。
③ 多径衰落，用R( d )表示。这是由于移动传播环境 的多径传播而引起的快衰落。多径衰落是移动信 道特性中最具有特色的部分。
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
上述三种效应表现在不同距离范围内，图3-7所示为 典型的实测接收信号场强。 ① 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
图3-5 反射波和直射波
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
• 由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此
两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差Δ0
为
• 再加上地面反射时大都要发生一次反相，实际的
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图3.6典型信号衰落特性
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2.1.2 阴 影 效 应
图中，虚线表示的是信号局部中值，其含义是在局 部时间中，信号电平大小或小于它的时间各为50%。 由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地 物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变 化造成了信号衰落。 移动台接收的信号场强值（dB）是时间t的函数。 具有50%概率的场强值称为场强中值。若场强中值等 于接收机的最低门限值，则通信的可通率为50%。因 此，为了保证正常的通信，必须使实际的场强中值远 大于接收机的门限值。
• 散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物 体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯 柱等都会发生散射。
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2.1.2 阴 影 效 应
• 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植 被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电 磁场的阴影。
• 移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构 成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落， 称为阴影衰落。
• 慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化幅 度取决于信号频率与障碍物状况。频率较高的信 号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较 低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能 力。
• 慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电 场实测的方法找出其统计规律。
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2.1.2 阴 影 效 应
移动通信技术
第2章 电波传播、天线、抗衰落技术
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第2章 电波传播、天线、抗衰落技术
2.1 电波传播 2.2 天线工作原理及优化 3.3 抗衰落技术
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2.1 电波传播
2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性 2.1.2 阴 影 效 应 2.1.3 移动信道的多径传播特性 2.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征 2.1.5 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
2 视距传播的极限距离 • 由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。
视线所能到达的最远距离称为视线距离 d（0 见图3-
2）。
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图3-2 视距传播的极限距离
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
• 已知地球半径为R = 6 370km，设发射天线和接收 天线高度分别为hT和hR（单位为m），理论上可 得视距传播的极限距离d0为
• 移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，存在 阴影区（盲区）。因此盲区定义是某些特定区域 中，电波被吸收或被反射而使移动台接收不到信 息。它要求在网络规划、设置基站时必须予以充 分的考虑。
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2.1.2 阴 影 效 应
• 信号衰落
衰落：移动通信接收点所接收到的信号场强
是随机起伏变化的 对于这种随机量的研究通常是采用统计分析 法。典· 型信号衰落特性，如图3.6所示。
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
图3-9 入射角
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
3 衰落信号的特征量 工程实际中，常常用一些特征量 来表示衰落信号的 幅度特性。
A．衰落率 衰落率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过中 值电平的次数。平均衰落率可用下式表示：
-20 接收功率（dBm) -40 -60
图3-6 慢衰落测试
快衰落 慢衰落
距离（m)
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
1 概述 2多普勒频移 3多径接收信号的统计特性 4 衰落信号的特征量
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
1 概述 A．移动信道的时变特性 • 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动
2 多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生 变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称 为多普勒频移（Doppler Shift），可用下式表示
式中，是入射电波v 与移动台运动方向的夹（见图39），v是运动fm速 度，是波长。
式（3-8）中与入射角度无关，是fD的最大值，称为 最大多普勒频移。
• 移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物 体造成的反射是造成多径效应的主要原因。
• 离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域， 只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移 动台构成多径，而且这些路径要比近端区域中建 筑物所引起的多径的长度要长。
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
图3-3 菲涅尔余隙 （a）中所示的x被定义为负值 （b）中所示的x被定义为正值
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
• 根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射 损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图3-4所示。横坐 标为x/ x1，x1 称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径）， 且有
• 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，依赖于物体的形 状以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
• 当电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多时，发生散射。
• 由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线 架设越高，视线距离越远。
• 实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨
迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球
半径R = 8 500km，可得修正后的视距传播的极限
距离d0为
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
3 绕射损耗
式中，f m是最大多普勒频移,
R R rms
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Rrms 2 为信号包络的均方根电平.
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图3-10 电平通过率和平均电平持续时间
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C．衰落持续时间
平均衰落持续时间定义为信号包络低于某个给定电平
预测
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
自由空间传播损耗 L bs 可定义为
式中，d是距离的千米数，f是频率的兆赫数。 由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰 减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增 大一倍时，［L b］s 将分别增加6dB。
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