第二章移动通信信道

例：若菲涅尔余隙x＝－82m，d1=5km， d2=10km，工作频率为150MHz，求电波传 播损耗。
解Lbs：自32由.45空间20传lg播f 损(M耗Hz为) ：20 lg d (km) 99.5dB
x1
d1d2 81.7m
d1 d2
x / x1 82 / 81.7 1.004
2.2无线电波传播特性
2.2.1电波传播方式 2.2.2自由空间电波传播特性 2.2.3大气中的电波传播（大气折射） 2.2.4障碍物的影响和绕射损耗 2.2.5光滑平面上的电波传播（反射波）
一.大气中的电波传播（大气折射）
由于大气中包含水蒸气在内的各种气体， 大气中的温度、湿度和压力随地区和高 度不同，会使电波产生折射、散射和吸 收现象。
2.2无线电波传播特性
2.2.1电波传播方式 2.2.2自由空间电波传播特性 2.2.3大气中的电波传播（大气折射） 2.2.4障碍物的影响和绕射损耗 2.2.5光滑平面上的电波传播（反射波）
自由空间传播模型
1.自由空间
均匀无损耗的无限大空间。 各向同性。 电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1。
无线电信号在移动信道中可能发生的变 化以及发生这些变化的原因；
对于特定的无线传输技术，这些变化对 传输质量和系统的性能有什么影响；
有哪些方法或技术可以用于克服这些不 利影响。
二.为何要研究传播特性
无线信道的电波传播特性的影响因素
地形地貌 人工建筑 植被特征 气候特征 电磁干扰 移动速度 使用频段
一.大气折射
对流层的介电常数比自由空间的介电常
数稍大，且这些气体的密度随高度增加
而递减，介电常数也随高度增加而递减，
介质折射率为
n 随高r 度递减，导致
电波在对流层传播时不断发生折射，从
而传输轨迹弯曲，此现象称为大气折射。
大气折射
由于电波传播速度不同，导致电波射束发生弯 曲（折射），弯曲程度取决于大气折射率的垂
波长。
自由空间传播模型
Pr (d )

PtGtGr 2 (4 )2 d 2
4.路径损耗
表示信号衰减，单位为dB的正值。
为有效发射功率和接收功率之间的差值， 如下表示：
PL(dB) 10log Pt
10log Pr
10log Pt Pr
10log[ GtGr2 ] (4 )2 d 2
恒参信道：传输特性随时间变化速度极慢，或 者说在足够长的时间内，其参数基本不变。
变参信道：传输特性随时间的变化较快。
第二章无线移动通信信道
2.1移动通信信道概述 2.2无线电波传播特性 2.3多径传播特性 2.4多径衰落信道参数 2.5阴影衰落的基本特性 2.6电波传播损耗预测模型
即在不同的传播环境中，做电波传播试验。测试参数 包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。
计算机模拟
即利用计算机强大的计算能力，快速灵活地模拟各种 移动环境。该方法可弥补前两种方法的不足。
五.电波传播特性表述方式
对移动环境中的电波传播特性以某种统 计描述。
建立电波传播特性，可包含图表和近似 公式及计算机模型。
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，会发生绕射
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，会发生散射。
四.研究传播特性的基本方法
理论分析
即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的 传播特性，并用各种模型来描述移动信道。
现场电波传播实测
三.两径模型
ht为基站天线高度，hr为移动台天线高度。 d=dt+dr为两天线距离，λ为波长，ΔΦ 为两条路径的相位差，Δl为两条路径差。
2l /
l r2 r1
三.两径模型
视距和地面反射的路径差Δl为： l r2 r1 (ht hr )2 d 2 (ht hr )2 d 2
z


0 cos2 0 1,水平极化
0 cos2 / 0 0 1 / 0,垂直极化
其中0为反射介质的复介电常数。
二.反射波
反射波：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面
时，如果尺寸比电波波大大得多时会产生镜面反射。
T(发射机)

Ei
ELOS
2.2无线电波传播特性
2.2.1电波传播方式 2.2.2自由空间电波传播特性 2.2.3大气中的电波传播（大气折射） 2.2.4障碍物的影响和绕射损耗 2.2.5光滑平面上的电波传播（反射波）
电波传播方式
现代移动通信系统已经广泛使用 150MHz(VHF30-300)、450MHz、900MHz （UHF300-3000）频段，当频率f>30MHz，典 型传播途径为：
顶点擦过 在选择天线高度时，根
据地形尽可能使服务区 内各处的菲涅尔区余隙 x/x1＞0.5
-4 -2 0
2 4 6 8 10 12 14
16 18 20 22 24 26 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
x /x1
障碍物的影响与绕射损耗
第二章无线移动通信信道
赵华
第二章无线移动通信信道
2.1移动通信信道概述 2.2无线电波传播特性 2.3多径传播特性 2.4多径衰落信道参数 2.5阴影衰落的基本特性 2.6电波传播损耗预测模型
2.1移动通信信道概述
2.1.1概述 2.1.2信道特征简述
一.移动通信需考虑的主要问题
障碍物的影响与绕射损耗
绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物 后面。
绕射可用惠更斯原理解释 波前上的所有点可作为产生次级波的 点源，这些次级波组合起来形成传播 方向上新的波前。 当电波到达阻挡物的边缘时，由次级 波的传播进入阴影区。
障碍物的影响与绕射损耗
绕射损耗：在实际情况下， 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。
d1 2Reht
d2 2Rehr
A
d1
C d2
B
d d1 d2 2Re ht hr Re
d 4.12 ht hr
o
2.2无线电波传播特性
2.2.1电波传播方式 2.2.2自由空间电波传播特性 2.2.3大气中的电波传播（大气折射） 2.2.4障碍物的影响和绕射损耗 2.2.5光滑平面上的电波传播（反射波）
当T－R距离d远远大于ht+hr时，上 式可使用泰勒级数进行近似简化：
l 2hthr d
三.两径模型
2l 4ht hr 1.3343 10 5 f MHzht hr

d
d km
天线高度单位为m 。
忽略从反射点通过地波传播到接收机的
T d1
h1
P
x
R
d2
h2
x表示障碍物顶点至直射线的
(a)
距离，称为菲涅尔余隙。规
T d1
d2
R
定阻挡时余隙为负，无阻挡
h2
x
时余隙为正。
h1
P
第一菲涅尔 区半径为：
x1
d1d 2
d1 d2
( b)
障碍物的影响与绕射损耗
x/x1＞0.5时附加损耗为 0dB。
x<0时,损耗急剧增加。 x=0时,TR射线从障碍物
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
一.移动通信信道的三级模型
移动通信信道的接收信号功率可以表示为：
P(d ) | d |n S(d )R(d )
d为移动台与基站的距离。
自由空间传播与弥散，用|d|-n表示，其中n一般为 3-4；
二.为何要研究传播特性
传播特性直接关系到以下因素
天线高度的确定 预测信号的覆盖范围 为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术
三.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
查表得：附加损耗为17dB，则总损耗为116.5dB。
2.2无线电波传播特性
2.2.1电波传播方式 2.2.2自由空间电波传播特性 2.2.3大气中的电波传播（大气折射） 2.2.4障碍物的影响和绕射损耗 2.2.5光滑平面上的电波传播（反射波）
一.反射系数
反射系数定义为入射波和其反射波的复 振幅之比，表示为：R ssiinn， zz 其中 为入射 角，Z为地阻抗，表示为：
2.自由空间特性
在自由空间，不存在电波的反射、折射、绕射、 色散和吸收等，电波传播速率为光速c。
自由空间传播模型
3.传播损耗
本质：球面波在传播过程中，随着传播距 离增大，电波能量在扩散过程中所引起的 球面波扩散损耗。
接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐 射功率的很小部分。
自由空间传播模型
PL(dB) 32.45 20 lg f (MHz) 20 lg d (km) 10 lg(GTGR )
自由空间传播模型

接收功率与距离平方成反比，即Pr
现实移动环境中
Pr

1 dn

1 d2
大量实测表明：当d<15km时，n取值为
3~4；当d>15km时，n取值为5~6。
自由空间传播模型
直射波：为VHF和UHF频段主要传播方式； 反射波：通过地面反射，与直射波相互影响，是地面
移动通信影响信号传播的重要因素； 地表面波：沿地球表面传播，损耗随频率升高而急剧
增加，在VHF和UHF频段可忽略不计。 天波：在电离层被连续折射而返回地面，受电离层特
性的随机变化影响，衰落比较严重。
2.1移动通信信道概述
2.1.1概述 2.1.2信道特征简述
一.移动通信信道的三级模型
一.移动通信信道的三级模型
一.移动通信信道的三级模型
路径损耗
长程范围内平均信号电平 取决于发射机与接收机之间的距离
阴影
短程范围内平均信号电平 在50 100波长距离内平均得到 由地形或人造障碍引起
为-4×10-8(l/m)；临界折射，此时dn/dh为-1.57×10-
8 (l/m)；超折射,此时dn/dh小于-1.57×10-8(l/m)，引
起超视距传播。通常按标准大气折射计算，即:
k

Re
/
Ro
பைடு நூலகம்
1/
(1
Ro
dn ) dh

4/
3
Re kRo 4Ro / 3 8493km
二.视线传播极限距离
Pfs
Pfs
PPTTG(T4(14d1d)
2
)2
PR Pfs AR AR 2GR /(4 * )
Pr (d )

PtGtGr 2 (4 )2 d 2
其中，Pt为发射功率，亦称有效发射功率； Pr(d) 是接收功率，为T-R距离的幂函数；Gt是发射天线 增益；Gr是接收天线增益；d是T-R间距离；λ为
直梯度（dn/dh）。
根据值不同，电波传播在大气折射分为三种类
型：无折射（dn/dh=0电波延直线传播）；正 折射（dn/dh>0，大气折射率随高度增加而增
大，电波传播向上弯曲）；负折射
（dn/dh<0 ，大气折射率随高度增加而减小，
电波传播向下弯曲）。
一.大气折射
负折射可以分为：标准大气折射K=4/3，此时dn/dh
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 衰落；
多径衰落，用R(d)表示，这是由于移动传播环境的 多径传输所引起的衰落。多径衰落是移动信道特性 中最具特色的部份。
一.移动通信信道的三级模型
据信道特性参数随时间变化的快慢，通常又 分为：
ht
Er=Eg
θi
θ0
ETOT=ELOS +Eg R(接收机)

hr
d
三.地面反射传播模型-两径模型
三.两径模型
在视距情况下，对于某一给定的接收天 线，所收到的不仅由原长度为r1的直射波， 还有路径长度为r2的反射波。
当天线较低且距离较远时，r1与r2近似相 等。反射波电场方向将会在反射时产生 180度相移（或称反射系数R=-1，当频 率大于150MHz，发射角小于1°时）， 因此此时，反射波破坏最大。