电波传播理论徐立勤db14

1、14-114-2 移动无线电环境的描述移动无线电环境的描述 14-3 移动无线电环境的两个假定移动无线电环境的两个假定: 移动台的天线高度（约为移动台的天线高度（约为3米）低于房屋和建筑物米）低于房屋和建筑物 工作工作 f 大于大于30 mhz（小于小于10米），周围都是自然散射体（多径传播米），周围都是自然散射体（多径传播媒质），移动通信的无线电环境属于一种多路径环境，使得接收信号媒质），移动通信的无线电环境属于一种多路径环境，使得接收信号由直射波叠加上多个反射波和多个绕射波。由直射波叠加上多个反射波和多个绕射波。 移动通信无线电传播的四个特点：移动通信无线电传播的四个特点： 快衰落，短期衰

2、落，多径衰落，瑞利衰落快衰落，短期衰落，多径衰落，瑞利衰落人造结构人造结构 慢衰落，长期衰落，地形衰落，正态分布慢衰落，长期衰落，地形衰落，正态分布地形环境地形环境 多普勒效应多普勒效应信号相位变化产生的附加效应信号相位变化产生的附加效应 多径传播效应多径传播效应频率选择性衰落和延迟散布造成的波形展宽频率选择性衰落和延迟散布造成的波形展宽 短期衰落的四个原因：短期衰落的四个原因： 移动台静止，散射体运动移动台静止，散射体运动 移动台运动，无散射体移动台运动，无散射体 形成驻波形成驻波 n个反射波个反射波14-4 陆地移动通信地形特征的分类及定义陆地移动通信地形特征的分类及定义准平坦地形准平坦地

3、形地面起伏高度小于地面起伏高度小于20米米不规则地形不规则地形丘陵地形、倾斜地形、孤立山岳、水陆混合地形丘陵地形、倾斜地形、孤立山岳、水陆混合地形 常用参数常用参数 地形波动高度地形波动高度h沿通信方向沿通信方向10公里内，公里内，10和和90的地段超过的的地段超过的高度之差高度之差水面或平坦地形水面或平坦地形 h05米米 小土岗小土岗 h2040米米山区山区 h10150米米 陡峭山区陡峭山区 h300700米米 天线有效高度天线有效高度移动台天线移动台天线 天线在当地地面以上的高度天线在当地地面以上的高度基地台天线基地台天线 3-15公里内平均地面以上的高度公里内平均地面以上的高度14-5

4、 陆地移动通信传播环境的分类及定义陆地移动通信传播环境的分类及定义 开阔区开阔区在传播路径上没有高大的树木和建筑物等障碍的开阔地带在传播路径上没有高大的树木和建筑物等障碍的开阔地带或前方或前方300-400米内无任何阻挡的小片场地，如农田、稻田、广场等。米内无任何阻挡的小片场地，如农田、稻田、广场等。 郊区郊区移动台附近只有移动台附近只有1-2层房屋或稀疏的小树林等不太密的障碍物，层房屋或稀疏的小树林等不太密的障碍物，它包括小村庄或两边有稀疏树木和建筑物的公路。它包括小村庄或两边有稀疏树木和建筑物的公路。 市区市区移动台附近有密集的障碍物，主要是指高楼矗立的大城市或移动台附近有密集的障碍物，主

5、要是指高楼矗立的大城市或拥挤着大建筑群和两层楼房的乡镇或房屋密集、大树茂盛的大村庄。拥挤着大建筑群和两层楼房的乡镇或房屋密集、大树茂盛的大村庄。 多径信道的数学模型多径信道的数学模型clarke模型模型 一般对于宏蜂窝系统来说，无线路径的长度和天线高度相比是足够长一般对于宏蜂窝系统来说，无线路径的长度和天线高度相比是足够长的，因此可以假设平面波在二维（的，因此可以假设平面波在二维（2-d）的）的 平面中传播，在所有方向平面中传播，在所有方向上以相同的概率，到达移动台。上以相同的概率，到达移动台。 14-6 多径信道的数学模型多径信道的数学模型clarke模型模型 根据电磁理论，在移动通信系统中

6、的基站和移动台之间的电磁波传播根据电磁理论，在移动通信系统中的基站和移动台之间的电磁波传播规律，显然应满足麦克斯韦方程。到达接收机天线处的电磁场量，原规律，显然应满足麦克斯韦方程。到达接收机天线处的电磁场量，原则上可以通过发射天线上的电流分布以及传播路径上的媒质分布来求则上可以通过发射天线上的电流分布以及传播路径上的媒质分布来求解。但由于移动通信的环境、地域极其复杂，欲利用麦克斯韦方程组，解。但由于移动通信的环境、地域极其复杂，欲利用麦克斯韦方程组，根据边值条件精确地求解移动通信区域内的电磁场，其工作量是非常根据边值条件精确地求解移动通信区域内的电磁场，其工作量是非常巨大的。为此人们广泛采用了

7、另一种方法来计算移动通信区域内的电巨大的。为此人们广泛采用了另一种方法来计算移动通信区域内的电磁场，该方法的依据是场强叠加原理。由于任意一条多径路径都是线磁场，该方法的依据是场强叠加原理。由于任意一条多径路径都是线性的，所以它们满足叠加原理条件。性的，所以它们满足叠加原理条件。在陆地移动蜂窝无线系统中，无线信号是在三维空间中传播。基站通在陆地移动蜂窝无线系统中，无线信号是在三维空间中传播。基站通常发射垂直极化信号。在车辆移动通信应用中，车载台天线也是垂直常发射垂直极化信号。在车辆移动通信应用中，车载台天线也是垂直极化的，但对于便携应用中的手机发射天线，其倾斜将产生非垂直极极化的，但对于便携应用

8、中的手机发射天线，其倾斜将产生非垂直极化分量。虽然这对计算极化效应是重要的，但是为了讨论简单起见，化分量。虽然这对计算极化效应是重要的，但是为了讨论简单起见，我们仍将假设发射信号是垂直极化的。此外，我们假设基站和移动台我们仍将假设发射信号是垂直极化的。此外，我们假设基站和移动台之间的距离足够长，以至于无线传播环境可以简化为二维情况讨论。之间的距离足够长，以至于无线传播环境可以简化为二维情况讨论。14-7 当移动台驶离基站时典型的接收功率电平以及表示阴影遮当移动台驶离基站时典型的接收功率电平以及表示阴影遮挡衰落和多径衰落的某郊区地区中的信号行为挡衰落和多径衰落的某郊区地区中的信号行为 14-8

9、移动无线信号的三种传播机制移动无线信号的三种传播机制幂定律传播机制、阴影幂定律传播机制、阴影衰落机制和多径衰落传播机制。衰落机制和多径衰落传播机制。 14-9 幂定律传播机制幂定律传播机制幂定律传播机制主要反映自由空间传幂定律传播机制主要反映自由空间传播损耗与传播中的弥散。当接收机从靠近某基站驶离基站播损耗与传播中的弥散。当接收机从靠近某基站驶离基站时，其接收功率与距离的关系可以近似用时，其接收功率与距离的关系可以近似用 来表示。来表示。当功率和距离用分贝表示时，其平均功率将随着距离线性当功率和距离用分贝表示时，其平均功率将随着距离线性地变化，因而称为幂定律传播机制。为了确定幂定律中的地变化，

10、因而称为幂定律传播机制。为了确定幂定律中的指数指数 ，最简单的方法是通过两个确定的长度和上的功率，最简单的方法是通过两个确定的长度和上的功率值和来求得，即值和来求得，即 但更直接的方法是直接对实验测量值进行线性回归处理便但更直接的方法是直接对实验测量值进行线性回归处理便可得到可得到 值。而精确地确定具体地形地物环境中的路径损耗值。而精确地确定具体地形地物环境中的路径损耗一直是一项众说纷纭的工作。事实上，许多网络运营商都一直是一项众说纷纭的工作。事实上，许多网络运营商都采用专用软件包计算路径损耗。采用专用软件包计算路径损耗。14-10 对数正态对数正态-阴影传播机制阴影传播机制在围绕一条以基站为

11、圆心的圆在围绕一条以基站为圆心的圆形路线上测量的结果表明，用分贝表示功率和距离在正态形路线上测量的结果表明，用分贝表示功率和距离在正态开率纸上画出的也是一条直线，因而称为对数正态开率纸上画出的也是一条直线，因而称为对数正态-阴影传阴影传播机制。对数正态变化是由于所接收的信号是发射性和通播机制。对数正态变化是由于所接收的信号是发射性和通过一些数量随机的物体诸如建筑物、丘陵和树，或被这些过一些数量随机的物体诸如建筑物、丘陵和树，或被这些物体反射后的信号叠加。每个单独的信号都有某种程度的物体反射后的信号叠加。每个单独的信号都有某种程度的衰减，因此最后接收信号的值是许多传输效率因子之积，衰减，因此最后

12、接收信号的值是许多传输效率因子之积，而接收信号的对数则等于这些因子之和。幂定律传播和阴而接收信号的对数则等于这些因子之和。幂定律传播和阴影传播的影响使得接收信号强度的随机起伏变化（即衰落）影传播的影响使得接收信号强度的随机起伏变化（即衰落）有几十分钟到几小时的缓慢长周期变化，因此称为慢衰落。有几十分钟到几小时的缓慢长周期变化，因此称为慢衰落。慢衰落也称为长期衰落，它具有对数正态分布的统计特性。慢衰落也称为长期衰落，它具有对数正态分布的统计特性。14-11 多径衰落传播机制多径衰落传播机制由于移动通信大多是由于移动通信大多是vhf、uhf频频段（段（300mhz30ghz），在这些频段内的最大波

13、长只有），在这些频段内的最大波长只有10米，与传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的线度米，与传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的线度相比要小得多，故电波主要以直射、反射、散射、绕射等相比要小得多，故电波主要以直射、反射、散射、绕射等方式传播，因此传播方式通常呈现多径现象，但沿不同路方式传播，因此传播方式通常呈现多径现象，但沿不同路径传播的电波大体上是相互独立的。多径传播的影响使得径传播的电波大体上是相互独立的。多径传播的影响使得接收信号产生相当大的振幅随位置的变化。此外，在移动接收信号产生相当大的振幅随位置的变化。此外，在移动通信所用的通信所用的vhf、uhf频段上，无线电波散射体（如汽车

14、、频段上，无线电波散射体（如汽车、卡车）的运动也回引起衰落发生，即使移动台或手机不在卡车）的运动也回引起衰落发生，即使移动台或手机不在运动。多径传播使得接收信号强度的随机起伏变化（即衰运动。多径传播使得接收信号强度的随机起伏变化（即衰落）从几分之一秒到几分钟的快速短周期变化，因此称为落）从几分之一秒到几分钟的快速短周期变化，因此称为快衰落（短期衰落）。当有视距路径时快衰落服从莱斯分快衰落（短期衰落）。当有视距路径时快衰落服从莱斯分布，无视距路径时则服从瑞利分布。布，无视距路径时则服从瑞利分布。14-12 移动通信中的信号表示方法移动通信中的信号表示方法 场强表示法场强表示法 空间域空间域 时间

15、域时间域 、 长期衰落、地形衰落、本地均值长期衰落、地形衰落、本地均值 、 短期衰落、多径衰落短期衰落、多径衰落14-13 传播路径损耗表示法传播路径损耗表示法 倍频程损耗倍频程损耗十进位损耗十进位损耗以自由空间为例以自由空间为例（10.3）14-14 与传播特性有关的参数与传播特性有关的参数 传播损耗传播损耗传播损耗是指发射天线的有效发射功率与无传播损耗是指发射天线的有效发射功率与无方向性接收天线所接收到的功率（正常接收功率减去天线方向性接收天线所接收到的功率（正常接收功率减去天线增益）之差。传播损耗又称为路径损耗。增益）之差。传播损耗又称为路径损耗。 传播损耗分布传播损耗分布在给定的测量区

16、（直线路径或小区）测在给定的测量区（直线路径或小区）测量的传播损耗百分值。量的传播损耗百分值。 传播损耗中值传播损耗中值传播损耗中值是对应传播损耗分布的传播损耗中值是对应传播损耗分布的 的传播损耗值。传播损耗分布的长期均值服从对数正态分的传播损耗值。传播损耗分布的长期均值服从对数正态分布。当移动台与基站的距离增加时，传播损耗均值增加。布。当移动台与基站的距离增加时，传播损耗均值增加。 损耗偏差损耗偏差 传播损耗中值分布传播损耗中值分布14-15 测量区测量区测量区是指包含很多传播损耗测量点的边缘。测量区是指包含很多传播损耗测量点的边缘。例如汽车短距离移动时的直线路径，有时也可能是一个小例如汽车

17、短距离移动时的直线路径，有时也可能是一个小区域。区域。 原始数据和本地均值原始数据和本地均值原始数据原始数据在每一测量点实际测量所得的数据在每一测量点实际测量所得的数据本地均值本地均值在该点附近在该点附近 的区域内测量所得的的区域内测量所得的 50个数据的平均值个数据的平均值14-16 无线电路径和移动路径无线电路径和移动路径无线电路径无线电路径电波传播的直线电波传播的直线移动路径移动路径实际测量时所经过的路线实际测量时所经过的路线14-17 边界边界当接收信号的强度用当接收信号的强度用 表示时所界定表示时所界定的边界。的边界。 服务区服务区在一定特定要求下某一基站天线所覆盖的区域。在一定特定

18、要求下某一基站天线所覆盖的区域。这个边界是一个统计边界。这个边界是一个统计边界。14-18 场强预测场强预测所谓场强预测是指根据移动通信的不同环境得到通信所谓场强预测是指根据移动通信的不同环境得到通信范围内的场强分布（路径损耗），建立电波传播的模型，以便对通信范围内的场强分布（路径损耗），建立电波传播的模型，以便对通信网进行规划和设计（天线、基站站址、小区半径、频率网进行规划和设计（天线、基站站址、小区半径、频率） 传播模式传播模式分为经验模式、半经验或半确定模式、确定分为经验模式、半经验或半确定模式、确定性模式。性模式。经验模式是根据大量测量结果统计分析后导出的公式，应用经验模式经验模式是根

19、据大量测量结果统计分析后导出的公式，应用经验模式可以容易和快速地预测路径损耗，不需要有关环境的详细信息，但是可以容易和快速地预测路径损耗，不需要有关环境的详细信息，但是不能提供非常精确的路径损耗估算值。不能提供非常精确的路径损耗估算值。确定性模式是对具体现场环境直接应用电磁场理论进行计算，如射线确定性模式是对具体现场环境直接应用电磁场理论进行计算，如射线追踪方法，环境的描述可以从地形地物数据库中得到。追踪方法，环境的描述可以从地形地物数据库中得到。半经验或半确定模式是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境半经验或半确定模式是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的公式，为了改善半经验

20、或半确定模式和实验结果的一致性，中导出的公式，为了改善半经验或半确定模式和实验结果的一致性，有时需要根据实验结果对公式进行修正，得到的公式是天线周围某个有时需要根据实验结果对公式进行修正，得到的公式是天线周围某个规定特性的函数。规定特性的函数。14-19 传播模式与传播环境的关系：传播模式与传播环境的关系： 蜂窝移动通信的最大特点就是小区制。小区的大小和范围蜂窝移动通信的最大特点就是小区制。小区的大小和范围直接和传播条件有关，可以根据需要选择小区的大小和范直接和传播条件有关，可以根据需要选择小区的大小和范围。围。 移动通信系统中主要采用宏小区、微小区（微蜂窝）和微移动通信系统中主要采用宏小区、

21、微小区（微蜂窝）和微微小区（微微蜂窝）三种形式。微小区（微微蜂窝）三种形式。 经验模式或半经验模式对具有均匀特性的宏小区是合适的。经验模式或半经验模式对具有均匀特性的宏小区是合适的。 半经验模式还适用于均匀的微小区，在那里模式所考虑的半经验模式还适用于均匀的微小区，在那里模式所考虑的参数能很好的表征整个环境。参数能很好的表征整个环境。 确定性模式适合于微小区和微微小区不管它们的形状如何。确定性模式适合于微小区和微微小区不管它们的形状如何。确定性模式对宏小区是不能胜任的，因为对这种环境所需确定性模式对宏小区是不能胜任的，因为对这种环境所需的计算机的计算机cpu时间使人无法忍受。时间使人无法忍受。

22、14-20 1962年，奥村等人在东京近郊用宽范围的频率，几种固定年，奥村等人在东京近郊用宽范围的频率，几种固定站天线高度，几种移动台天线高度，以及在各种各样不规站天线高度，几种移动台天线高度，以及在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信号强度，得到了一系列曲则地形和环境地物条件下测量信号强度，得到了一系列曲线。线。 奥村模型在测试时是以准平坦地形作为分析和描述传播特奥村模型在测试时是以准平坦地形作为分析和描述传播特性的基准。对于不规则地形（丘陵地形、孤立山峰、倾斜性的基准。对于不规则地形（丘陵地形、孤立山峰、倾斜地形以及水陆混合路径）必须进行环境修正。研究的完成地形以及水陆混合路径）必须进

23、行环境修正。研究的完成已使该模式成为该领域中的标准。已使该模式成为该领域中的标准。 但是由于该数据只能以曲线形式被使用，使用起来很不方但是由于该数据只能以曲线形式被使用，使用起来很不方便，因此已经有便，因此已经有hata在在1980年给出了满足奥村模式的公式。年给出了满足奥村模式的公式。14-21模式的主要内容：模式的主要内容： 奥村模型的应用范围奥村模型的应用范围 频率频率 距离距离 基地站天线高度基地站天线高度 移动台天线高度移动台天线高度 接收功率（准平坦地形）接收功率（准平坦地形） 路径损耗（准平坦地形）路径损耗（准平坦地形）14-22 自由空间路径损耗自由空间路径损耗 准平坦地形相对

24、自由空间的损耗中值准平坦地形相对自由空间的损耗中值（10.3）14-23 基地站天线偏离基地站天线偏离 时的修正因子时的修正因子 移动站天线偏离移动站天线偏离 时的修正因子时的修正因子14-24 环境修正环境修正 不规则地形时的接收功率不规则地形时的接收功率 不规则地形时的路径损耗不规则地形时的路径损耗 郊区和开阔地的修正系数郊区和开阔地的修正系数 起伏山岳的修正系数起伏山岳的修正系数 斜坡地形的修正系数斜坡地形的修正系数 水陆混合地形的修正系数水陆混合地形的修正系数 孤立山峰的修正系数孤立山峰的修正系数 山峰高度偏离的修正因子山峰高度偏离的修正因子14-25郊区和开阔地的修正系数郊区和开阔地

25、的修正系数起伏山岳的修正系数起伏山岳的修正系数14-26斜坡地形的修正系数斜坡地形的修正系数 水陆混合地形的修正系数水陆混合地形的修正系数14-27孤立山峰的修正系数孤立山峰的修正系数 以及山峰高度偏离的修正因子以及山峰高度偏离的修正因子14-28 城市地区、城市地区、450mhz频段的中值场强与距离的关系曲线频段的中值场强与距离的关系曲线14-29 城市地区、城市地区、900mhz频段的中值场强与距离的关系曲线频段的中值场强与距离的关系曲线14-30 中值场强的经验公式中值场强的经验公式m. hata在在1980年对年对okumura的这的这些实验曲线进行了数值模拟些实验曲线进行了数值模拟

26、基本传输损耗（传播损耗）中值基本传输损耗（传播损耗）中值（50时间和时间和50地点的损耗地点的损耗 ） 移动台天线高度影响的修正项移动台天线高度影响的修正项 距离修正因子距离修正因子（由我国学者张明高院士引入）（由我国学者张明高院士引入） （14.1）（14.3）（14.3）14-31是经验的统计预测模型，主要用于点对面的传是经验的统计预测模型，主要用于点对面的传播预测，特别是移动通信的场强、干扰和覆盖预测。播预测，特别是移动通信的场强、干扰和覆盖预测。 适用于业务有适用于业务有gsm900移动业务，移动业务，gsm1800移动业务，移动业务，cdma移动业务，移动业务，3g移动业务，无线寻呼

27、业务，无线市话移动业务，无线寻呼业务，无线市话业务以及无线对讲业务等等。业务以及无线对讲业务等等。模型最早来自于模型最早来自于hata的经验公式。后又经美国、的经验公式。后又经美国、英国等其他作者的大量实验数据验证，英国等其他作者的大量实验数据验证，ccir（国际无线电（国际无线电咨询委员会）和咨询委员会）和itu-r使用全球广泛的实验数据并综合了国使用全球广泛的实验数据并综合了国际上公认的可靠研究成果对此模型进行了许多改进，形成际上公认的可靠研究成果对此模型进行了许多改进，形成了适用范围更广泛、更加成熟的经验模型，并推荐此模型了适用范围更广泛、更加成熟的经验模型，并推荐此模型作为移动通信场强

28、预测的优选模型。作为移动通信场强预测的优选模型。 在众多的移动场强预测模型中，在众多的移动场强预测模型中，itu-okumura-hata模型是模型是最准确的，最准确的，1994年该模型被列为中国国家标准。年该模型被列为中国国家标准。14-32 itu模型基本传输损耗（传播损耗）中值模型基本传输损耗（传播损耗）中值其中其中（14.7）（14.8）14-33 建筑物密度修正指数建筑物密度修正指数 建筑物密度建筑物密度 距离修正指数距离修正指数 移动台天线高度修正项移动台天线高度修正项（14.9）（14.10）（14.11）14-34 中值场强表示式中值场强表示式 本模型的适用范围：本模型的适用范

29、围： 频率频率 距离距离 基地站天线高度基地站天线高度 移动台天线高度移动台天线高度 准平坦地形准平坦地形上面的公式在使用时要注意各物理量的单位。上面的公式在使用时要注意各物理量的单位。（14.12）14-35 在在vhf/uhf频段的移动通信中，当基站的覆盖范围小于频段的移动通信中，当基站的覆盖范围小于1公里时，应该使用公里时，应该使用cost 231模型。模型。 cost 231模型，是为了配合公共移动通信模型，是为了配合公共移动通信gsm标准的推标准的推出，欧洲科技合作委员会（出，欧洲科技合作委员会（cost）的电波传播专家专门）的电波传播专家专门研制的传播模型。研制的传播模型。 cost 231模型是半经验半理论的传播模型，经过了大量实模型是半经验半理论的传播模型，经过了大量实验数据的检验，理论上主要借用了验数据的检验，理论上主要借用了walfisch与与ikegami的研的研究成果和究成果和okumura-hata（奥村）传播模型。（奥村）传播模型。 cost 231模型根据使用的频段不同可以分为两种：模型根据使用的频段不同可以分为两种： cost 231w