第3章 移动信道的电波传播特性

第3章移动信道的传播特性3.1无线电波传播特性3.2移动信道的特征3.3陆地移动信道的传输损耗3.4移动信道的传播模型第3章移动信道的传播特性有线信道架空明线电缆光纤信道中、长地表面波无线信道短波电离层反射超短波、微波直线传播及散射传播信道恒参信道：信道特性参数基本不变；变参信道：传输特性随时间变化较快；3.1.1电波传播方式f >30MH，典型的传播路径有：1. 直射波2 . 反射波3. 地表波13.1无线电波传播特性3.1.2自由空间传播1、“自由空间”和相对磁导率是指相对介电常数εr均恒为1的均匀介质所在的空间，即μr介电常数ε=真空介电常常数ε磁导率μ=真空磁导率μ3.1.2自由空间传播2、特点具有各向同性，电导率为零的特点；自由空间中传播与真空中传播一样，只有扩散损耗的直线传播，而不存在反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子分裂等现象；电波传播速度等于真空中的光速；因此，自由空间是某些实际空间的科学抽象。

3.1.2自由空间传播3、适用条件地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，且相对介电常数和相对磁导率均为1，传播路径上无障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强可忽略不计，在此情况下的电波传播可认为是自由空间传播。

4、自由空间电波传播损耗由电磁场理论可知，若各向同性天线的辐射功率为P T 瓦时，距辐射源d 米处的电场强度E 0和磁场强度H 0有效值分别为：3.1.2自由空间传播)(300m v d P E T =)(120300m A dP H T π=)(422m W d P S Tπ=单位面积上的电波功率密度S 为：3.1.2自由空间传播接收天线获取的电波功率等于电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即P R =S*A R ，A R 是接收天线的有效面积；3.1.2自由空间传播另外，对于各向同性天线，有效面积为：A R=λ2/4π*G R，G R为接收天线增益再考虑到发射天线增益G（用方向天线代替T全向天线），则P R=S*A R=P T*(λ/4πd)2*G T*G R3.1.2自由空间传播/P R之比为传输损耗（系统损耗），则定义：PTL s=P T/P R=(4πd/ λ) 2(1/(G T*G R))”，为当G T=G R=1 时的定义：“自由空间传播损耗Lfs损耗，则L fs= (4πd/ λ) 2[L fs]dB=10lg(L fs)=32.44+20lgf+20lgd式中：f取MHz，d取km1、大气折射当一束电波通过折射率n （）随高度h 而变化的大气层时，由于不同高度上的v （v=c/n ）不同，从而使电波束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dn/dh 。

γε=n 3.1.3大气中的电波传播由于大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。

大气折射对电波传播特性的影响，在工程上用“地球等效半径”来表示，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R 0变成了“地球等效半径R e ”。

二者之间的关系用“地球等效半径系数k”表征：dhdn R R Rk e0011+==3.1.3大气中的电波传播3.1.3大气中的电波传播例：在标准大气折线情况下，当dn/dh=-4*10-8（1/m），等效地球半径系数k=4/3 ，地球等效半径Re=8500km。

结论：•在视线距离内，因为由折射现象产生的折射波与直射波同时存在，从而会产生多径衰落；•大气折射有利于超视距传播。

2、视线传播极限距离令天线高度分别为ht 和hr ，两天线顶点的连线AB 与地面相切于C 点，则视线传播极限距离：)(221r t e h h R d d d +=+=3.1.3大气中的电波传播在标准大气折射下，Re=8500km ，则：)(12.4r t h h d +=式中，d 取公里，ht 和hr 取米。

3.1.3大气中的电波传播3.1.4障碍物的影响与绕射损耗一般情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。

x为“菲涅尔余隙”。

由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙x 的关系见左图所示。

x 1为第一菲涅尔区在P 点横截面的半径，且21211d d d dx +=λ3.1.4障碍物的影响与绕射损耗3.1.4障碍物的影响与绕射损耗>0.5时，附加损耗约为0dB，即障碍物对直射当x/x1波传播基本上没有影响；在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各点的菲涅尔余隙大于第一菲涅尔区在P点横截面半径的一半；当x=0时，即直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为6dB；当x<0时，即直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增大；例3 -1 设图3 -3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x =-82m, d 1=5k m, d 2=10k m, 工作频率为150MHz 。

试求出电波传播损耗。

解先求出自由空间传播的损耗L f s 为［L f s ］= 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB 再求第一菲涅尔区半径x 1为：3.1.4障碍物的影响与绕射损耗由图3 -4 查得附加损耗(x /x 1≈-1)为16.5dB, 因此电波传播的损耗L 为：［L ］= ［L f s ］+16.5 = 116.0dB m d d d d x 7.8110151010105233321211=×××××=+=λ3.1.4障碍物的影响与绕射损耗3.1.5反射波当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如界面尺寸比波长λ大很多，就会产生镜面反射。

由于大地和大气是不同的介质，所以入射波会产生反射现象。

3.1.5反射波对于地面反射，当f >150MHz、θ<10时，可认为呈镜面反射，Rv=Rh=-1，即入射波场强幅度等于反射波场强幅度，而相差1800。

由上图可见，由T发出的电波分别经直射波和反射波到达接收点R，由于两者路径不同，从而产生附加相移。

为传播相移常数⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+−++=−++−+++=−+=Δ2222212221)(1)(1)()()()(d h h d h h d h h d d h h d d c b a d r t r t r t r t tr h h d +>>d h h d h h d h h d d t r r t t r 2])(211[)(21122=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+−++=ΔdΔ=Δλπφ2λπ2•路径差：•附加相移：3.1.5反射波)1()Re1()(00ϕφϕΔ+−Δ−+=+=j j eR E E E 接收场强其中：E 0为直射波接收场强；Δφ为附加相移；R 为反射系数；结论：直射波与地面反射波的合成场强将随反射系数和路径差的变化而变化，有时会出现同相相加，有时会反相抵消，即造成合成波的衰落现象。

3.1.5反射波第3章移动信道的传播特性3.1无线电波传播特性3.2移动信道的特征3.3陆地移动信道的传输损耗3.4移动信道的传播模型3.2移动信道的特征3.2.1传播路径与信号衰落3.2.2多径效应与瑞利衰落3.2.3慢衰落特性和衰落储备3.2.4多径时散与相关带宽3.2.5多普勒频移与相干时间3.2.1传播路径与信号衰落在VHF、UHF移动信道中，电波传播有直射波、反射波、散射波等。

见左图所示。

假设反射为镜面反射，则合成场强E为：3.2.1传播路径与信号衰落在实际移动信道中，散射体很多，所以接收信号是由多个电波合成的。

在接收地点形成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落，见下图所示。

dd d d d d E eeE E d jd j −=Δ−=Δ−−=Δ−Δ−221121022210)1(21；直射波的衰减系数；射波相对于分别是地面反射波和散和是工作波长；是直射波场强；式中，ααλααλπλπ3.2.1传播路径与信号衰落移动通信环境电波传播特性有以下特点：•快衰落•慢衰落•多普勒效应3.2移动信道的特征3.2.1传播路径与信号衰落3.2.2多径效应与瑞利衰落3.2.3慢衰落特性和衰落储备3.2.4多径时散与相关带宽3.2.5多普勒频移与相干时间3.2.2多径效应与瑞利衰落1、原因移动台附近的散射体（地形、地物和移动体等）引起的多路径传播，使到达接收机输入端的信号相互叠加，造成接收信号快速起伏的现象。

把此种现象称为“多径效应”，造成的衰落也称为“快衰落”。

2、快衰落统计特性设基站发射的信号为：[]为载波初相位为载波角频率；其中：000000)(exp )(ϕωϕωα+=t j t S 3.2.2多径效应与瑞利衰落假设经反射或散射，到达天线的第i 个信号为S i (t)，其振幅为a i ，相移为φi ，且S i (t)与移动台运动方向夹角为θi ，见下图所示：3.2.2多径效应与瑞利衰落则存在“多普勒频移f i ”imiifvfθθλcos cos ==()[]00cos 2)(ϕωθλπϕ+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=t j vt j i i eea t S i i 3.2.2多径效应与瑞利衰落假设N 个信号的幅值和到达接收机天线的方位角是随机的，且统计独立，则接收信号为：∑==Ni it St S 1)()(经过推导（P68），可得3.2.2多径效应与瑞利衰落22222),(σπσθr er r p −=不难求的边缘概率密度函数为：)0(),()(202222≥==∫−r erd r p r p r πσσθθ∫∞≤≤==)20(,21),()(πθπθθdr r p p3.2.2多径效应与瑞利衰落结论：合成信号的包络分布为“瑞利分布”，因此，快衰落也称为“瑞利衰落”；合成信号的相位分布为“均匀分布”；画出p(r)~r的关系如下图所示：∫∞===0253.1)()(σdr r rp r E m 2222)()(σ==∫∞drr p r rE 211)(−==ep r σσσ时，∫=≈=σσσ177.1021)(177.12ln 2dr r p r 时，的中值。

为包络称r 71.17σ3.2.2多径效应与瑞利衰落•均值•均方值•当•在典型移动信道中，衰落深度达30dB 左右，衰落速率约30－40次/秒。

3.2移动信道的特征3.2.1传播路径与信号衰落3.2.2多径效应与瑞利衰落3.2.3慢衰落特性和衰落储备3.2.4多径时散与相关带宽3.2.5多普勒频移与相干时间3.2.3慢衰落特性和衰落储备1、原因（1）阴影效应移动台在运动过程中，周围地形、地物造成对电波传播路径的阻挡，形成所谓的电磁场阴影，这种随移动台运动而不断变化的电磁阴影引起接收点场强中值起伏变化的现象，称为阴影效应。

阴影效应引起的信号电平衰落称为阴影衰落。