第3章 移动通信的电波传播

3.2.1传播路径与信号衰落
30
同时，大气折射也会产生衰落，在气象条件发生变化时，大 气介电常数垂直梯度会发生缓慢的变化，这种变化会随着时间改 变，因此是时间的函数。这种由于大气折射率变化导致的衰落对 电波传播的影响远小于由于障碍物产生的阴影衰落。
而这些由阴影效应和气象条件引起的信号接收电平的变化， 主要造成的结果是接收电平的场强中值缓慢变化，因此称为慢衰 落。慢衰落一般服从对数正态分布，如果用分贝数表示电平中值， 则服从正态分布。
21
假设电磁波接收点和发射点之间存在单刃障碍物时，可以通 过如下公式进行损耗计算。
假设刃形山峰等效高度为H，则绕射常数v的计算公式为：
2 v = −H λ 1Τd1 + 1Τd2
其中，等效高度H的含义是，发射源与接收源的连线到山峰最 高点的高度差。当发射源与接收源的连线高于山峰最高点时，山 峰的等效高度为负值；相反，当连线高于山峰最高点时，山峰等 效高度为正值。
fMAX = 80.8NMAX sec θ0
其中，NMAX是电波发射时的电离层最大电子浓度。发射频率 f越高，就要求反射处电子浓度Nn越高，因此需要在更高的地方 才能够进行反射，而反射点越高，意味着电磁波能够到达的距离 就越远。当电波的频率超过最大频率fMAX时，由于电离层此时 不存在比NMAX更高的电子浓度，电磁波将不会被电离层反射回 来，而穿透电离层，进入宇宙空间。
3.1.2 直射波
09
在没有遮挡的情况下，电磁波以直线的形式进行传播，形成 直射波。直射波也叫视距传播，指的是收发天线处于相互“看得 见”的状态，中间没有遮挡物。一般来说，如果接收天线和发射 天线间形成了直射波，则直射波的接收功率相对于其他种类的传 播方式而言是最强的。
3.1.2 直射波
10
假设地球半径为R，发射天线高 度为h1，接收天线高度为h2，传播 距离为d，
3.1.3 大气中的电波传播
13
2.电离层传播 电离层传播指的是天线发出的电波在高空被大气中的电离层 反射后到达地面接收点的传播方式，也称为天波传播，常用于传 输中波和短波。 电离层是高空大气层的一部分，从地面的60km高度延伸至 1000km的高空。电离层是由于太阳辐射造成的大气分子电离所 产生的，因此会随着太阳辐射的强弱变化而产生变化。在靠近太 阳的位置，电离的情况相对较强，因此电离层中高度越高，电子 浓度越大，越容易导电。从这个角度看，电离层也是非均匀介质， 电波在其中传播会产生反射、折射、散射的现象。
1,000km– 100km 100km– 10km
10km– 1km 1km– 100m
100m– 10m 10m– 1m 1m– 0.1m
0.1m– 0.01m 0.01m– 0.001m ≤0.001m
潜艇通讯或者直接换成声音 直接转换成声音或交流输电系统（5060Hz) 矿场通讯或直接转换成声音
3.1.4障碍物的影响与绕射损耗
20
电磁波的绕射现象可以使用惠更斯-菲涅耳原理进行解释：行 进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各 点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所 传播到的新波面。
同样的，可以利用惠更斯-菲涅耳原理可以对绕射产生的电磁 波损耗进行计算。
3.1.4障碍物的影响与绕射损耗
3.2.1传播路径与信号衰落
28
1.衰落的概念 由于实际传播环境中复杂的地形、建筑物和障碍物对传播信 号的阻碍、反射、绕射和散射，导致接收信号的随机变化，称为 衰落。
3.2.1传播路径与信号衰落
29
1）衰落的类型和产生的原因 （1）阴影衰落和慢衰落 基站发射的电磁波的传播路径遇到阻挡时，例如起伏的地形 或者高大的建筑物，会在这些障碍物的背面产生阴影区。当移动 台经过阴影区时，接收到的信号均值会发生变化，这种变化称之 为阴影衰落。 阴影衰落的特点在于：衰落速率与工作频率无关，取决于地 形地物的分布、高度以及移动台的运动速度。
E = E0V =
30P1G1 r
×
2
sin
2πh1h2 dλ
3.2 移动通信的信道特征
3.2.1传播路径与信号衰落
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在陆地上，移动通信的终端在各种建筑群中来回穿梭，其接 收信号的强度是由直射波和反射波共同决定的。假定这些电波来 源于同一个发射天线，但是由于传播的途径不同，到达终端时的 幅度和相位都不一样。而移动台又在移动，因此，移动台在不同 的时间和不同的地点时，接收到的信号合成后的强度都是不同的， 这将造成移动台行进途中接收到的信号电平起伏不定，最大可以 相差30dB以上，这种现象称之为衰落，它严重影响通信质量。
第3章 移动通信的电波传播与场强估算
02
目录
ONTENTS
录
目
3.1 无线电波的传播特性
3.1.1电波传播
04
无线电波是一种能量的传输形式。发射天线或者自然产生的辐射 源发出的电磁波，在自然条件下的各种媒质中向前行进，电场和 磁场交替变换，称之为无线电波的传播。
3.1.1电波传播
05
在传播的过程中，无线电波中的磁场振动方向和电场振动方向保 持相互垂直的状态，两者又同时垂直于传播的方向。
3.1.3 大气中的电波传播
18
由此可知，利用电离层进行信号传播时，以发射天线为中心， 一定半径区域内不会收到电磁波信号，称为静区。
3.1.4障碍物的影响与绕射损耗
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当电磁波在传输过程中遇到障碍物的时候，会被障碍物反射， 或者在障碍物的边缘处发生绕射现象。
绕射使电磁波能够绕过障碍物，到达障碍物的背面。
3.1.3 大气中的电波传播
12
如果电磁波是向着空中进行传播，则由于大气的折射作用， 其传播方向会逐渐向平行于地面进行偏折；如果向地面传播，则 会向垂直于地面的方向进行偏折，如果在这种情况下考虑直射波 的视距传播，需要进行一定程度上的修正，在工程上常用的视距 传播公式为：
d ≈ 4.12 h1 + h2 × 103 m
−2.4 ≤ v ≤ −1
v ≤ −2.4
如果出现了两个或者两个以上的刃形障碍物，则可以根据单 刃的计算公式进一步进行推导。目前，常见的求取多刃峰绕射损 耗的方法有4 种，分别为Bullington 算法、Epstein 算法、Atlas 算 法、Deygout 算法
3.1.5反射波
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靠近地面的电磁波在传输的过程中会受到地面的影响。当电 磁波发射至地面，会被地表反射至接收点，与直射波一起被接收 天线收到，此时，收到的信号波就是直射波与反射波的叠加。
08
不同波长的电磁波在传播的过程中能够显示出不同的特性， 表现形式主要是在反射、折射、绕射、散射、吸收的过程中，电 磁波的强度、传播方向、传播速度和极化形式等特性发生变化的 情况有所区别。因此，其使用的方法也有所区别。
在移动通信中，使用的电磁波频段主要属于微波，即波长在 0.001m至1m，频率范围是300MHz至300GHz之间的无线电波。
3.1.3 大气中的电波传播
14
由于电子浓度会随着高度的增加而变大，所以折射率会随着 高度的变大而减小，电离层中底层的折射率最大，越向高处则折 射率越小。
各个薄层之间可以使用折射率定律得到：
n0 sin θ0 = n1 sin θ1 = n2 sin θ2 = n3 sin θ3 = ⋯ = ni sin θi
3.1.3 大气中的电波传播
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设θ0是进入电离层的角度，n0=1，电波在到达最高点时， θn=90°，那么根据式3-5可以得到：
n0 sin θ0 = nn sin θn = nn sin 90° = nn =
1
−
80.8Nn f2
=
sin
θ0
3.1.3 大气中的电波传播
16
1）最高可用频率fMAX 由于电离层的电子浓度不可能无限增大，当发射角度不变的 时候，电离层能够反射的最大电波频率为：
8
甚高频 VHF 30MHz–300MHz 米波
9
特高频 UHF 300MHz–3GHz 分米波
10 超高频 SHF 3GHz–30GHz 厘米波 11 极高频 EHF 30GHz–300GHz 毫米波
≥300GHz
波长范围
用法
≥100,000km 100,000km– 10,000km 10,000km– 1,000km
3.1.4障碍物的影响与绕射损耗
22
对不同的绕射系数，对应的绕射损耗近似值为：
F dB =
0 20 log10 0.5 + 0.62v 20 log10 0.5e0.45v
20 log10 0.4 − 0.1184 − 0.1v + 0.38 2
20 log10 −0.225Τv
v≥1 0≤v≤1 −1 ≤ v ≤ 0
缩写
ELF SLF
频率范围
≤3Hz 3Hz–30Hz 30Hz–300Hz
Байду номын сангаас
波段
极长波 超长波
3
特低频 ULF 300Hz–3KHz
特长波
4
甚低频 VLF 3KHz–30KHz 甚长波
5
低频
6
中频
LF 30KHz–300KHz 长波 MF 300KHz–3MHz 中波
7
高频
HF 3MHz–30MHz 短波
直接转换成声音、超声、地球物理学 研究 国际广播、全向信标 调 幅 (AM) 广 播 、 全 向 信 标 、 海 事 及 航 空通讯 短波、民用电台 调频(FM)广播、电视广播、航空通讯 电视广播、无线电话通讯、无线网络、 微波炉 无线网络、雷达、人造卫星接收 射电天文学、遥感、人体扫描安检仪
3.1.1电波传播
根据发射源的不同，无线电波的频率f（单位赫兹，Hz）和波 长λ（单位米，m）也不相同，但两者都满足关系式v=fλ，即无线 电波的传播速度等于其频率与波长的乘积。
根据国际电信联盟（ITU）的标准，常见的无线电波波长与频 率的分类如下表
3.1.1电波传播
07
国际电信
联盟波段 号码
频段名 称
1
极低频
2
超低频
上面两个公式中，r是直射波的距离，P1是发射天线的输入功 率，G1和G2是发射天线分别在直射波和反射波方向的增益系数； Δr是反射波和直射波的路程差；λ是工作波长，|R|和φ是反射点 处的反射系数的模和相位角。
3.1.5反射波
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如果满足r》h1和r》h2，时，可以认为反射角度近似为0。 当地面导电率为有限值，并且反射角近似为0的时候，R=1，φ=0。 假设发射天线的直射波增益和反射波增益相同，Δr≈（2h1h2）/ d, 直射波和反射波的叠加最终可以简化为标量叠加，
3.1.3 大气中的电波传播
17
2）最小发射角度θ0min 当电磁波发射频率f固定的时候，调整电波的发射角度可以发 现，当角度越小，反射时需要的Nn就越大。
θ0min = sin−1
1
−
80.8NMAX f2
当入射角度小于式所得到的最小角度θ0min，则将电磁波反射 回来所需要的电子浓度会超过电离层的最大电子浓度，电磁波将 穿透电离层不再回来。
d = R + h1 2 − R2 + R + h2 2 − R2 ≈ 2R h1 + h2
由于地球半径可以看成是定值，因此直射波的传播距离可以 由发射天线和接收天线的高度决定。
d ≈ 3.57 h1 + h2 × 103 m
3.1.3 大气中的电波传播
11
1．大气层对地表直射波的影响 由于移动通信发射的电磁波是在地球表面附近的大气中进行 传播的，在实际计算中，可能需要考虑地球大气的影响，例如地 球大气对无线电波可能产生的折射和衰减的效果。
3.1.1电波传播
06
受到传播媒质的影响，不同的媒质中，无线电波的传播速度v 是不同的。在真空中，无线电波的传播速度v等于光速C， C=3×108m/s；在其他媒质中，传播的速度v=C/n，其中，C是光 速，n是媒质的折射率。一般认为，真空的折射率为1，而空气的 折射率与真空非常接近，略大于1，因此常常将空气的折射率也 定义为1，认为无线电波在空气中的传播速度等于光速。
3.2.1传播路径与信号衰落
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（2）多径衰落和快衰落 当移动台在城市内通信时，大部分时间都在建筑物的平均高 度以下，很少具备直线传播路径，任何一点接收到的信号都是由 大量的发射信号叠加而成的。这些发射波虽然由同一个天线发射， 但是由于经过的路径各不相同，其相位是随机变化的。因此，合 成电波的电平将呈现出快速的随机起伏，称为多径衰落。这种接 收场强瞬时值有快速的大幅度的变化，又称为快衰落，因其统计 特性满足瑞利分布，又称为瑞利衰落。其衰落的速率和移动台的 移动速度、工作频率有关，衰落的深度与地形地物有关。
3.1.5反射波
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设h1为发射天线高度，h2为接收天线度，d为天线之间的距离， 地面光滑平坦，没有障碍物，传输媒质为空气。如果直射波在接 收点的场强为Ed，反射波在接收点的场强为Er，则直射波和反射 波在接收点的场强有效值分别为：
Ed =
30P1G1 r
Er =
30P1G2 r + ∆r
R e−j φ+2λπ∆r