中国移动通信电波传播特点与原理
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中国移动通信电波传播 特点与原理
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
2020年4月10日星期五
无线电波传播特点：
由移动所带来的随机性； 复杂的路径带来信号电平的衰耗； 移动台的速度也会对信号电平的衰落带来
影响。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
传播模型的建立：
集中于给定范围内平均接收场强的预测，和 特定位置附近场强的变化。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•（a）负余隙
（b）正余隙
•
•图3-3 菲涅尔余隙
•
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。其中x1称菲 涅尔半径（第一菲涅尔半径）。
结论：当横坐标x/x1>0.5时，则障碍 物对直射波的传播基本上没有影响。 当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦 过时，绕射损耗约6dB；当x<0时，TR 直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增 加。
R=8500km，可得修正后的视距传播的
极限距离：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
3.1.3 绕射损耗
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。
绕射损耗 ：各种障碍物对电波传输所引起的损 耗。
菲涅尔余隙 ：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。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
3.1.2 视距传播的极限距离
视线所能到达的最远距离称为视线距离
d0。 已知地球半径为R=6370km，设发射天
线和接收天线高度分别为hT和hR(单位
m)，理论上可得视距传播的极限距离为 ：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
当考虑空气的不均匀性对电波传播轨 迹的影响后，等效为地球半径
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
3.1.6 多径效应与瑞利型衰落特性
•设发射机发出的信号为 ：•则接收机接收端收到的合成信号为：
•（3-8）
•式中 为第i条路径的接收信号； 为第i条 路径的传输时间； 为第i条路径的相位滞后，
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
• 和 随时间的变化与发射信号的载频周期相 •比，通常要缓慢得多，所以，可以认为是缓慢变 •化的随机过程 。 •所以（3-8）式可写成：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
常用的传播模型
室外：
Longley-Rice模型：应用于f为40MHz到100GHz之间， 不同种类的地形中点对点的通信系统。可以做到点到 点方式的预测和区域预测。
Durkin模型：建立访问服务区的地形数据库，可看成 是二维阵列，然后计算沿径向的路径损耗，最后仿真 的接收机位置可被重复地移动到服务区不同的位置来 推导出信号场强轮廓。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•（3-9）
•
•设 ：
•则（3-9）式可写为：
•为合成波 的包络； 为合成波 的相位。 •通常 满足瑞利分布，相位 满足均匀分布， 可视 为一个窄带过程。
•则：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
•由上式可得出瑞利衰落的一些特性： •均值为：
•方差为 ：
书山有路勤为径，
其频率收发间隔分别为：5.7MHz 、 10MHz 、 45MHz 、 95MHz。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
移动通信中传播的方式主要有直射波、反 射波、绕射波、散射波和地表面波等传播 方式。
在分析移动通信信道时，主要考虑直射波 和反射波的影响 。
图3-1为典型的移动信道电波传播路径。
学海无涯苦作舟
•
3.1.7 莱斯（Riceam）衰落分布
在移动通信中，如果存在一个起支配作用的 直达波（未受衰落影响），此时，接收端接 收信号的包络为莱斯（Riceam）分布。
•设
•若
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•莱斯分布 瑞利分布
•
3.2 电波传播特性的估算（工程计算）
3.2.1 Egli.John.J. 场强计算公式 ☆在实际中，由于移动通信的移动体在不停地
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•图3-1 典型的移动信道电波传播路径
•
3.1.1 直射波
直射波传播 ：在自由空间中,电波沿直线传播而 不被吸收,也不发生反射、折射和散射等现象而 直接到达接收点的传播方式。
直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗 :
•其中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。
两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差 为：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•图3-5 反射波和直射波
•
3.1.5 散射
散射：当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巨 大时，发生散射。
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、 街道标志和灯柱等会引发散射。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系
•
3.1.4 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，就会发生反射现象。
图3-5给出了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：
分为大尺度传播模型和小尺度传播模型： 1 大尺度传播模型：描述发射机和接收机之间
（T-R）长距离（几百米或几千米）上的场 强变化的模型。 2 描述短距离（几个波长）或短时间（秒级） 内的接收场强的快速波动的传播模型。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
Leabharlann Baidu
3.1 VHF﹑UHF频段电波传播特性
当前陆地移动通信主要使用的频段VHF和 UHF, 即150MHz、450MHz、900MHz、 1800MHz。
运动。计算绕射损耗中的x、x1的数值处于 变化中。 ☆Egli.John.J.提出一种经验模型，并根据此模 型提出经验修正公式，认为不平坦地区的场 强等于平面大地反射公式算出的场强加上一 个修正值，其修正值为：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
☆则不平坦的场强公式为
•☆或者说，不平坦地带传播衰减为
•☆如果h1、h2用米表示，d用公里(km)表示 ，f用MHz表示，则
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
2020年4月10日星期五
无线电波传播特点：
由移动所带来的随机性； 复杂的路径带来信号电平的衰耗； 移动台的速度也会对信号电平的衰落带来
影响。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
传播模型的建立：
集中于给定范围内平均接收场强的预测，和 特定位置附近场强的变化。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•（a）负余隙
（b）正余隙
•
•图3-3 菲涅尔余隙
•
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。其中x1称菲 涅尔半径（第一菲涅尔半径）。
结论：当横坐标x/x1>0.5时，则障碍 物对直射波的传播基本上没有影响。 当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦 过时，绕射损耗约6dB；当x<0时，TR 直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增 加。
R=8500km，可得修正后的视距传播的
极限距离：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
3.1.3 绕射损耗
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。
绕射损耗 ：各种障碍物对电波传输所引起的损 耗。
菲涅尔余隙 ：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。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
3.1.2 视距传播的极限距离
视线所能到达的最远距离称为视线距离
d0。 已知地球半径为R=6370km，设发射天
线和接收天线高度分别为hT和hR(单位
m)，理论上可得视距传播的极限距离为 ：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
当考虑空气的不均匀性对电波传播轨 迹的影响后，等效为地球半径
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
3.1.6 多径效应与瑞利型衰落特性
•设发射机发出的信号为 ：•则接收机接收端收到的合成信号为：
•（3-8）
•式中 为第i条路径的接收信号； 为第i条 路径的传输时间； 为第i条路径的相位滞后，
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
• 和 随时间的变化与发射信号的载频周期相 •比，通常要缓慢得多，所以，可以认为是缓慢变 •化的随机过程 。 •所以（3-8）式可写成：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
常用的传播模型
室外：
Longley-Rice模型：应用于f为40MHz到100GHz之间， 不同种类的地形中点对点的通信系统。可以做到点到 点方式的预测和区域预测。
Durkin模型：建立访问服务区的地形数据库，可看成 是二维阵列，然后计算沿径向的路径损耗，最后仿真 的接收机位置可被重复地移动到服务区不同的位置来 推导出信号场强轮廓。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•（3-9）
•
•设 ：
•则（3-9）式可写为：
•为合成波 的包络； 为合成波 的相位。 •通常 满足瑞利分布，相位 满足均匀分布， 可视 为一个窄带过程。
•则：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
•由上式可得出瑞利衰落的一些特性： •均值为：
•方差为 ：
书山有路勤为径，
其频率收发间隔分别为：5.7MHz 、 10MHz 、 45MHz 、 95MHz。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
移动通信中传播的方式主要有直射波、反 射波、绕射波、散射波和地表面波等传播 方式。
在分析移动通信信道时，主要考虑直射波 和反射波的影响 。
图3-1为典型的移动信道电波传播路径。
学海无涯苦作舟
•
3.1.7 莱斯（Riceam）衰落分布
在移动通信中，如果存在一个起支配作用的 直达波（未受衰落影响），此时，接收端接 收信号的包络为莱斯（Riceam）分布。
•设
•若
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•莱斯分布 瑞利分布
•
3.2 电波传播特性的估算（工程计算）
3.2.1 Egli.John.J. 场强计算公式 ☆在实际中，由于移动通信的移动体在不停地
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•图3-1 典型的移动信道电波传播路径
•
3.1.1 直射波
直射波传播 ：在自由空间中,电波沿直线传播而 不被吸收,也不发生反射、折射和散射等现象而 直接到达接收点的传播方式。
直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗 :
•其中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。
两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差 为：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•图3-5 反射波和直射波
•
3.1.5 散射
散射：当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巨 大时，发生散射。
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、 街道标志和灯柱等会引发散射。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系
•
3.1.4 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，就会发生反射现象。
图3-5给出了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：
分为大尺度传播模型和小尺度传播模型： 1 大尺度传播模型：描述发射机和接收机之间
（T-R）长距离（几百米或几千米）上的场 强变化的模型。 2 描述短距离（几个波长）或短时间（秒级） 内的接收场强的快速波动的传播模型。
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
Leabharlann Baidu
3.1 VHF﹑UHF频段电波传播特性
当前陆地移动通信主要使用的频段VHF和 UHF, 即150MHz、450MHz、900MHz、 1800MHz。
运动。计算绕射损耗中的x、x1的数值处于 变化中。 ☆Egli.John.J.提出一种经验模型，并根据此模 型提出经验修正公式，认为不平坦地区的场 强等于平面大地反射公式算出的场强加上一 个修正值，其修正值为：
书山有路勤为径，
学海无涯苦作舟
•
☆则不平坦的场强公式为
•☆或者说，不平坦地带传播衰减为
•☆如果h1、h2用米表示，d用公里(km)表示 ，f用MHz表示，则