第二章 信道传播特性

1、2021-11-27移动通信 通信理论教研中心3-1第二章 移动信道的传播特性学习重点和要求学习重点和要求2021-11-27移动通信 通信理论教研中心2-2 了解3种电波传播的机制 理解移动信道的衰落特性 掌握多径衰落的特性和多普勒频移 掌握多径信道模型的原理和主要参数41235 掌握多径信道的统计分析及分类2021-11-27移动通信 通信理论教研中心2-3第二章第二章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 无线电波传播特性移动信道的特征移动信道的传播模型123自由空间传播（直射波）自由空间传播（直射波）基本传播（反射、绕射、散射）基本传播（反射、绕射、散射）三类损耗三类损耗自由空间传播损

2、耗自由空间传播损耗慢衰落损耗慢衰落损耗快衰落损耗快衰落损耗四种效应四种效应阴影效应阴影效应远近效应远近效应多径效应多径效应多普勒效应多普勒效应2021-11-27移动通信 通信理论教研中心2-4当频率当频率f f30 MHz30 MHz时，时，典型的传播通路主要典型的传播通路主要有有直射波、反射直射波、反射波、地表面波波、地表面波图 3 1 典型的传播通路 发射天线接收天线2021-11-27移动通信 通信理论教研中心2-5条件：自由空间传播是指条件：自由空间传播是指天线周围为无天线周围为无限大真空时限大真空时的电波传播。的电波传播。现象：不发生反射、折射、绕射、散射现象：不发生反射、折射、绕

3、射、散射和吸收等现象，但电波经过一段路径传播之和吸收等现象，但电波经过一段路径传播之后，由电磁后，由电磁波能量扩散而引起的传播损耗波能量扩散而引起的传播损耗（弥散损耗），（弥散损耗），导致能量衰减。导致能量衰减。自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗)(201)(20144.32)(zfsMHgfkmgddBL？广义上，只要地面上空的大气层是广义上，只要地面上空的大气层是各向同性各向同性的均匀媒质，其相对介电常数的均匀媒质，其相对介电常数和相对导磁和相对导磁率率都等于都等于1 1，传播路径上，传播路径上没有障碍物阻挡没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽到达接收天线的地面反射信号

4、场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。空间传播。 单位面积上的电波功率密度单位面积上的电波功率密度S为为 电磁场理论：若电磁场理论：若各向同性天线各向同性天线(亦称全向天线亦称全向天线或无方向性天线或无方向性天线)的辐射功率为的辐射功率为PT瓦，则距辐瓦，则距辐射源射源dm处：处：)/(422mWdPST若用发射天线增益为若用发射天线增益为GT的方向性天线取的方向性天线取代各向同性天线，代各向同性天线， 则上述公式应改写为则上述公式应改写为)/(4G22TmWdPST接收天线获取的电波功率等于该点的电波接收天线获取的电波功率等于该点的

5、电波功率密度乘以功率密度乘以接收天线的有效面积接收天线的有效面积， 即即RRSAP AR为接收天线的有效面积，为接收天线的有效面积， 它与接收天它与接收天线增益线增益GR满足下列关系：满足下列关系：RRGA42式中，式中， 2/4为各向同性天线的有效面积。为各向同性天线的有效面积。 24dGGPPRTTR由上面式子可得：由上面式子可得：当收、当收、 发天线增益为发天线增益为0dB， 即当即当GR=GT=1时，时， 接收天线上获得的功率为：接收天线上获得的功率为：24dPPTR24dPPLRTfs以以dB计，计， 得得 Lfs(dB) = 32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz)

6、 现象现象：当电波传播中遇到两种：当电波传播中遇到两种不同介质的光不同介质的光滑界面时滑界面时， 如果如果界面尺寸比电波波长大得多界面尺寸比电波波长大得多， 就会产生就会产生镜面反射镜面反射。 通常，通常， 在考虑地面对电波的反射时，在考虑地面对电波的反射时， 按平按平面波处理，面波处理， 即电波在反射点的即电波在反射点的反射角等于入反射角等于入射角。射角。 不同界面的反射特性用反射系数不同界面的反射特性用反射系数R表征，表征， 它定义为反射波场强与入射波场强的比值，它定义为反射波场强与入射波场强的比值， R可表示为可表示为R = |R|e-j式中，式中， |R|为反射点上反射波场强与入射波为

7、反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比，场强的振幅比，代表反射波相对于入射代表反射波相对于入射波的相移。波的相移。对于水平极化波和垂直极化波的反射系数Rh和Rv分别由下列公式计算：2/122/122/122/12)cos(sin)cos(sin)cos(sin)cos(sinccccvccjhhReRR式中，c是反射媒质的等效复介电常数， 它与反射媒质的相对介电常数r 、 电导率和工作波长有关， 即60jrc对于地面反射，对于地面反射， 当工作频率高于当工作频率高于150MHz(2m)时，时，1， 取极限由上式近似可得取极限由上式近似可得Rv=Rh = -1即反射波场强的幅度与入射波场强的即反

8、射波场强的幅度与入射波场强的幅度幅度相等相等，而，而相差为相差为180180。直射波直射波+ +反射波：反射波：由发射点由发射点T发出的电波分别经过直射线发出的电波分别经过直射线(TR)与地与地面反射路径面反射路径(ToR)到达接收点到达接收点R， 由于由于两者的路两者的路径不同，径不同， 从而会产生附加相移从而会产生附加相移。 由图由图 3 - 5 可可知，知， 反射波与直射波的路径差为反射波与直射波的路径差为222221222111)()()()(dhhdhhdhhddhhddcbadrtrtrtrt式中，式中， d=d1+d2。 通常(ht+hr)d, 故上式中每个根号均可用二项式定理展

9、开， 并且只取展开式中的前两项。 例如：222111dhhdhhrtrtdhhdrt2d2式中式中， 2 2/ /称为传播相移常数称为传播相移常数。这时接收场强这时接收场强E可表示为可表示为)e1 ()e1 ()( j0j0REREE由路径差由路径差d引起的附加相移引起的附加相移为为 注：直射波与反射波的合成场强将随反射系数以及注：直射波与反射波的合成场强将随反射系数以及路径差的变化儿变化，有时会反相抵消，有时会同路径差的变化儿变化，有时会反相抵消，有时会同向相加，造成向相加，造成合成波的衰落现象合成波的衰落现象。接收信号场强：接收信号场强：接收信号功率：接收信号功率：2214jTRtrReG

10、GdPP)(00)1 ()Re1 (jjeREEE定义：绕射波是指从定义：绕射波是指从较大的建筑物或山丘绕较大的建筑物或山丘绕射后射后到达接收点的传播信号，它需要满足电到达接收点的传播信号，它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较直射波弱。波产生绕射的条件，其信号强度较直射波弱。现象：无线传播路径被尖利边缘阻挡时，由阻现象：无线传播路径被尖利边缘阻挡时，由阻挡表面产生的挡表面产生的二次波二次波散布于空间，即波在传播散布于空间，即波在传播的过程中，行进中的波前上的每一个点，都可的过程中，行进中的波前上的每一个点，都可作为产生次级波的点源，作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来这些次级波组合起

11、来形成传播方向上新的波前形成传播方向上新的波前。障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗电波的直射路径上存在各种障碍物，电波的直射路径上存在各种障碍物， 由由障碍障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。定义：定义：x表示障碍物顶点表示障碍物顶点P至直射线至直射线TR的距的距离，称为菲涅尔余隙。离，称为菲涅尔余隙。 规定规定阻挡时余隙为阻挡时余隙为负，障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙负，障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙有关系。有关系。 障碍物与余隙障碍物与余隙 (a) 负余隙；负余隙； (b) 正余隙正余隙绕射损耗与余隙关系绕射损耗与余隙关系？1x定义：定义：x

12、1是第一菲涅尔区在是第一菲涅尔区在P点横截面的半点横截面的半径，它由下列关系式可求得：径，它由下列关系式可求得：21211ddddx2021-11-27移动通信 通信理论教研中心2-22A.由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图如图 3 - 4 所示。所示。p当直射线当直射线TR从障碍物顶从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为点擦过时，绕射损耗约为6dB；p当直射线当直射线TR低于障碍物低于障碍物顶点时，损耗急剧增加。顶点时，损耗急剧增加。 例3-1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工

13、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Lfs为 求第一菲涅尔区半径求第一菲涅尔区半径x1为为 mddddx7 .8110151010105233321211Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB查绕射损耗表得附加损耗查绕射损耗表得附加损耗(x/x1-1)为为16.5dB, 因此电波传播的损耗因此电波传播的损耗L为为L = Lfs+16.5 = 116.0dB散射的定义：散射发生在介质中存在散射的定义：散射发生在介质中存在小于波长小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大

14、时。散射波产生于时。散射波产生于粗糙表面粗糙表面、小物体或其他不、小物体或其他不规则物体，规则物体，反射能量由于散射而散布于所有方反射能量由于散射而散布于所有方向向。当入射角为当入射角为 时，则时，则表面平整度表面平整度的参数高度为：的参数高度为：i8sinmih粗糙表面的反射时需要乘以散射损耗系数粗糙表面的反射时需要乘以散射损耗系数 ，表示减弱的反射场表示减弱的反射场平面上平面上最大的突起高度最大的突起高度 h h表面粗糙大于h表面光滑小于hcc散射波相对于直射波、反射波和绕射波都较散射波相对于直射波、反射波和绕射波都较弱。弱。2021-11-27移动通信 通信理论教研中心2-27在移动通信

15、系统中，存在三种影响信号传播的在移动通信系统中，存在三种影响信号传播的基本机制：反射、绕射和散射。基本机制：反射、绕射和散射。阻挡体阻挡体反射反射比传输波长大的多的物体（地比传输波长大的多的物体（地面、墙面）面、墙面）绕射绕射尖利边缘（山丘）尖利边缘（山丘）散射散射比传输波长小的多的物体（粗比传输波长小的多的物体（粗糙表面、不规则物体）糙表面、不规则物体）在在VHF、 UHF移动信道中，移动信道中， 电波传播方式除了上述的直射电波传播方式除了上述的直射波和地面反射波之外，波和地面反射波之外， 还需要考虑传播路径中各种障碍物所还需要考虑传播路径中各种障碍物所引起的反射波与散射波。引起的反射波与散

16、射波。注：多条路径合成场强与什么有关？注：多条路径合成场强与什么有关？、幅度、相位（相位如何影响幅度的波动？）、幅度、相位（相位如何影响幅度的波动？）因此关键点是关注信道中幅度与相位的改变规律。因此关键点是关注信道中幅度与相位的改变规律。hb为为基站天线高度基站天线高度, hm为为移动台天线高度移动台天线高度。 直射波直射波的传播距离的传播距离为为d, 地面地面反射波的传播距离反射波的传播距离为为d1， 散射散射波的传播距离波的传播距离为为d2。 移动台接收信号的场强由上移动台接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。述三种电波的矢量合成。)ee1 (212j22j10ddEEd1 = d1-d

17、d2 = d2-dE0是直射波场强，是直射波场强， 是工作波长，是工作波长， 1和和2分别是地面分别是地面反射波和散射波相对于直射波的反射波和散射波相对于直射波的衰减系数衰减系数， 而而产生背景产生背景 : 移动台往往受到各种障碍物和其移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，它移动体的影响， 以致到达移动台的信号是以致到达移动台的信号是来自来自不同传播路径的信号之和不同传播路径的信号之和基站发射的信号基站发射的信号(幅度幅度+频率频率+相位）相位）)(exp)(0000tjtS0为载波角频率，为载波角频率， 0为载波初相。为载波初相。 第第i i条径接收到的信号条径接收到的信号(幅度幅度+

18、频率频率+相位）相位）)( jexp)cos2(exp)(00iiiitjtS传播损耗距离差引入的相位偏移多普勒频率偏移* 假设假设N个信号的幅值和到达接收天线的方个信号的幅值和到达接收天线的方位角是位角是随机的且满足统计独立随机的且满足统计独立， 则接收信则接收信号为号为 NiNiiiiNiNiiiiiiiNiiyyxxttStS11111sincoscos2)()(令：令： 则则S(t)可写成可写成 S(t) = (x+jy)expj(0t+0) 由于由于x和和y都是独立随机变量之和，都是独立随机变量之和， 因而根据概因而根据概率的中心极限定理，率的中心极限定理， 大量独立随机变量之和的大

19、量独立随机变量之和的分布趋向正态分布，分布趋向正态分布， 即有概率密度函数为即有概率密度函数为22222221)(21)(yxyyxxeypexp复数表示复数表示x x与与y y共同影响收到多径信号共同影响收到多径信号的幅度与相位的变化的幅度与相位的变化x、y分别为随机变量分别为随机变量x和和y的标准偏差。的标准偏差。 x、 y在区间在区间dx、dy上的取值概率分别为上的取值概率分别为p(x)dx、 p(y)dy，由于它们，由于它们相互独立相互独立，所以在面积，所以在面积dxdy中的取值概率为中的取值概率为 p(x,y)dxdy = p(x)dxp(y)dy 假设假设 ， 且且p(x)和和p(

20、y)均值为均值为零，零， 则则222yx22222e21),(yxyxp简化简化：二维分布：二维分布的概率密度函数的概率密度函数使用使用极坐标系极坐标系(r, )表示比较方便。表示比较方便。 此时，此时， 接收天线接收天线处的信号振幅为处的信号振幅为r, 相位为相位为， 对对应于直角坐标系应于直角坐标系为为xyyxrarctan2222222e2),(rrrpu 幅度的统计分布幅度的统计分布，对，对积分，积分， 可求得可求得包络包络概率密度函数概率密度函数p(r)为为 2222222202ee21)(rrrdrrpr0 u 相位的统计分布相位的统计分布，对，对r积分可求得相位概率积分可求得相位

21、概率密度函数密度函数p()为为2121)(22202drrepr02瑞利衰落信号的特征：瑞利衰落信号的特征：u均值均值253. 12)()(0drrrprEmu均方值均方值20222d )()(rrprrEu 当当r=时，时， p(r)为最为最大值，大值， 表示表示r r在在值出值出现的可能性最大现的可能性最大)21exp(1)(pu当当r= 1.177时，时， 有有2ln221)(77. 10drrpu信号包络低于信号包络低于的概率为的概率为u信号包络信号包络r低于某一指定值低于某一指定值k的概率为的概率为 39. 0e1d)(021rrpkkrrp022e1d)(重要结论重要结论：一个：一

22、个均值为均值为0 0、方差为、方差为 的的平稳平稳高斯窄带过程高斯窄带过程，它的包络的一维概率密度，它的包络的一维概率密度服从服从瑞利分布瑞利分布，相位的一维概率密度分布，相位的一维概率密度分布是是均匀分布均匀分布。21 1时间选择性衰落时间选择性衰落时域时域频域频域假设移动台运动方向之间的夹角为假设移动台运动方向之间的夹角为, 其多普勒频移值其多普勒频移值为为coscosmff2 2频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落是指在频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不同频段上衰落特性不一样。不一样。频域频域时域时域1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽

23、）图图 ： 多径时散示例多径时散示例1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）定义定义：假设基站发射一个极短的脉冲信号：假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(t)， 经过多径信道后，经过多径信道后， 移动台接收信号呈现为一串脉冲，移动台接收信号呈现为一串脉冲， 结果使结果使脉冲宽度被展宽了脉冲宽度被展宽了。 这种因这种因多径传播造成信号多径传播造成信号时间扩散时间扩散的现象，的现象， 称为多径时散。称为多径时散。时变性：时变性：多径性质是随时间而变化的。多径性质是随时间而变化的。 如果进行多如果进行多次发送脉冲试验，次发送脉冲试验， 则接收到的脉冲

24、序列是变化的，则接收到的脉冲序列是变化的， 它包括脉冲数目它包括脉冲数目N的变化、的变化、 脉冲大小的变化及脉冲脉冲大小的变化及脉冲延时差的变化。延时差的变化。1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）)()(10ttSatSiNiiiai是第是第i条路径的衰减系数；条路径的衰减系数；i(t)为第为第i条路径的相对延时差。条路径的相对延时差。实际上，情况要复杂得多，各个脉冲幅度是随机变实际上，情况要复杂得多，各个脉冲幅度是随机变化的，它们在时间上可以互不交叠，也可以相互交化的，它们

25、在时间上可以互不交叠，也可以相互交叠，叠， 甚至随移动台周围散射体数目的增加，所接甚至随移动台周围散射体数目的增加，所接收到的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续信收到的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续信号脉冲。号脉冲。1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）统计测试结果：统计测试结果：E(t)E(t)为归一化的时延强度曲线，为归一化的时延强度曲线， 它是以不同时延信号强度所构成它是以不同时延信号强度所构成的时延谱的时延谱，也有人称之为多径散，也有人称之为多径散布谱布谱E(t)的的一阶矩一阶矩 平均多径时延平均多径时延 E(t)的的均方根均方根 多径时

26、延散布多径时延散布( (简称时散、时延扩展简称时散、时延扩展) )的意义：的意义：表示多径时延散布的程度。表示多径时延散布的程度。越大，时延扩展越大，时延扩展越严重；越严重；越小，时延扩展越轻越小，时延扩展越轻表表 多径时散参数典型值多径时散参数典型值 1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）)e1)()()(j0tirtStS相关带宽相关带宽 从频域观点而言，从频域观点而言， 多径时散现象将导致频率选择性衰落，多径时散现象将导致频率选择性衰落， 即即信道对不同频率成分有不同的响应。信道对不同频率成分有不同的响应。 若信号带宽过大，若信号带宽过大， 就会引

27、起严重的失真就会引起严重的失真。 讨论两条射线的情况，讨论两条射线的情况， 即双射线信道。即双射线信道。 为分析简便，为分析简便， 不不计信道的固定衰减，计信道的固定衰减， 用用“1”表示第一条射线，表示第一条射线， 信号为信号为Si(t); 用用“2”表示另一条射线，表示另一条射线， 其信号为其信号为rSi(t)ej(t)， 这里这里r为一比为一比例常数。例常数。 于是，于是， 接收信号为两者之和，接收信号为两者之和， 即即1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）双射线信道等效网络的传递函数为 )(01)()(),(tjieretStStH信道的幅频特性

28、为信道的幅频特性为 )(sin)(cos1),(tjrtrtA当当(t)=2n时时(n为整数为整数)， 双径信号同相叠加，双径信号同相叠加， 信号出现峰信号出现峰点；点； 而当而当(t)=(2n+1)时，时， 双径信号反相相消，双径信号反相相消， 信号出现信号出现谷点。谷点。1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）双射线信道等效网络双射线信道等效网络 1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽） 双射线信道的幅频特性双射线信道的幅频特性1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）相邻两个谷

29、点的相位差谷点的相位差为 )(12)(2tBtc =(t) = 2结论：相邻场强为最小值的频率间隔是与相对多径时延差与相对多径时延差(t t) )成反比成反比的，通常称Bc为多径时散的相关带宽。 若所传输的信号带宽较宽，以至与Bc可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变。 1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）21cB式中，式中， 为时延扩展。为时延扩展。 实际上， 移动信道中的传播路径通常不止两条， 而是多条， 且由于移动台处于运动状态， 相对多径时延差(t)也是随时间而变化随时间而变化的， 因而合成信号振幅的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间而变化

30、， 使信道的传递函数呈现复杂情况， 这就很难准确地分析相关带宽的大小。 工程上， 对于角度调制信号， 相关带宽可按下式估算：1 1频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）频率选择性衰落（多径时散与相关带宽）3 3空间选择性衰落空间选择性衰落所谓空间选择性衰落是指在所谓空间选择性衰落是指在不同的地点与空间不同的地点与空间位置位置衰落特性不一样。衰落特性不一样。时域时域空域空域在实际移动通信中，三类选择性衰落都存在，根据其在实际移动通信中，三类选择性衰落都存在，根据其产生的条件大致可以划分为以下三类。并可以用下列产生的条件大致可以划分为以下三类。并可以用下列示意图表示示意图表示u第一类多径干扰：是由于

31、快速第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信而形成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信号的频域上产生了号的频域上产生了多普勒多普勒(Doppler)(Doppler)频移频移扩散，而引起信号扩散，而引起信号在在时域上时间选择性衰落时域上时间选择性衰落。u第二类多径干扰：用户信号由于第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘远处的高大建筑物与山丘的反射的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时信号在空间与时间上产生了扩散间上产生了扩散。空域上波束角度的

32、扩散将引起接收点信号。空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。频率选择性衰落。u第三类多径干扰：它是由于接收信号受基站附近建筑物和第三类多径干扰：它是由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的反射而引起的干扰。其特点是严重其它物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线影响到达天线的信号入射角分布的信号入射角分布，从而引起信号在，从而引起信号在空间的选择性衰落空间的选择性衰落。定义定义：统计测试表明：统计测试表明： 信号电平发生快衰落的同信号电平发生快衰落的同时，其时，其局部中

33、值电平局部中值电平还随地点、时间以及移动台还随地点、时间以及移动台速度作比较平缓的变化，其衰落周期以秒级计，速度作比较平缓的变化，其衰落周期以秒级计，称作慢衰落或长期衰落。称作慢衰落或长期衰落。 特性特性：慢衰落近似服从：慢衰落近似服从对数正态分布对数正态分布。所。所谓对数正态分布，谓对数正态分布， 是指以是指以分贝数表示的信分贝数表示的信号电平为正态分布号电平为正态分布。研究方法研究方法：把同一类地形、：把同一类地形、 地物中的某一地物中的某一段距离段距离(12km)作为样本区间，作为样本区间， 每隔每隔20m(小小区间区间)左右观察信号电平的中值变动，以左右观察信号电平的中值变动，以统统计

34、分析计分析信号在各小区间的累积分布和标准信号在各小区间的累积分布和标准偏差。偏差。信号慢衰落特性曲线信号慢衰落特性曲线 (a) 市区；市区； (b) 郊区郊区不管是市区不管是市区还是郊区，还是郊区，慢衰落均接慢衰落均接近虚线所示近虚线所示的对数正态的对数正态分。分。 标准偏标准偏差差取决于取决于地形、地物地形、地物和工作频率和工作频率等因素等因素图：慢衰落中值标准偏差图：慢衰落中值标准偏差也随工作也随工作频率升高而频率升高而增大增大图：图： 衰落储备量衰落储备量 可通率可通率T分别为分别为90%、 95%和和99%的三组曲线，的三组曲线，根据地形、地物、根据地形、地物、工作频率和可通率工作频率

35、和可通率要求，由此图可查要求，由此图可查得必须的衰落储备得必须的衰落储备量量。 例如：例如： f=450MHz， 市区工作，市区工作， 要求要求T=99%， 则由图可查得此时必须的衰落储备则由图可查得此时必须的衰落储备约为约为22.5dB。2.4.1 地形、地形、 地物分类地物分类 1. 地形的分类与定义地形的分类与定义 将地形分为两大类，将地形分为两大类， 即即中等起伏地形和不规则地形中等起伏地形和不规则地形， 并并以中等起伏地形作传播基准以中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地形，是指在。所谓中等起伏地形，是指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度

36、不超过20m，且起伏，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。其它地形缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。形。目的目的：计算移动信道中信号电场强度中值：计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值或传播损耗中值)方法方法：地形地形 =参数参数 =基准损耗中值基准损耗中值 =修正因子修正因子基站天线有效高度基站天线有效高度(hb) hb = hts-hga由于天线架设在由于天线架设在高度不同地形上，高度不同地形上， 天线的有效高度是天线的有效高度是不一样的。不一

37、样的。 (例如，把例如，把20m的天线架设在地面上和架设在几的天线架设在地面上和架设在几十层的高楼顶上，十层的高楼顶上， 通信效果自然不同。通信效果自然不同。)因此，因此， 必须合理规必须合理规定天线的有效高度，定天线的有效高度， 其计算方法参见上图。其计算方法参见上图。 若基站天线顶若基站天线顶点的海拔高度为点的海拔高度为h htsts， 从天线设置地点开始，从天线设置地点开始， 沿着电波传播沿着电波传播方向的方向的3km3km到到15km15km之内的地面平均海拔高度为之内的地面平均海拔高度为h hgaga， 则定义基则定义基站天线的有效高度站天线的有效高度h hb b为为2. 地物地物(

38、或地区或地区)分类分类 不同地物环境其传播条件不同，不同地物环境其传播条件不同， 按照地物的密集程度不按照地物的密集程度不同可分为三类地区：同可分为三类地区： 开阔地开阔地。 在电波传播的路径上无高在电波传播的路径上无高大树木、大树木、 建筑物等障碍物，建筑物等障碍物， 呈开阔状地面，呈开阔状地面， 如农田、如农田、 荒野、荒野、 广场、广场、 沙漠和戈壁滩等。沙漠和戈壁滩等。 郊区郊区。在靠近移动台近处有些。在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，障碍物但不稠密， 例如，有少量的低层房屋或小树林等。例如，有少量的低层房屋或小树林等。 市区市区。 有较密集的建筑物和高层楼房。有较密集的建筑物和高层

39、楼房。 自然，上述三种地区之间都有过渡区，自然，上述三种地区之间都有过渡区， 但在了解以上三但在了解以上三类地区的传播情况之后，类地区的传播情况之后， 对过渡区的传播情况就可以大致地对过渡区的传播情况就可以大致地作出估计。作出估计。2.4.2 中等起伏地形上传播损耗的中值中等起伏地形上传播损耗的中值 1. 市区传播损耗的中值市区传播损耗的中值 在计算各种地形、在计算各种地形、 地物上的传播损耗时，地物上的传播损耗时， 均以均以中等起中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准， 因而把它称因而把它称作基准中值或基本中值。作基准中值或基本中值。由电波传播理

40、论可知，由电波传播理论可知， 传播损耗取决于传播距离传播损耗取决于传播距离d、 工工作频率作频率f、基站天线高度、基站天线高度hb和移动台天线高度和移动台天线高度hm等。等。 在大量在大量实验、统计分析的基础上，可作出实验、统计分析的基础上，可作出传播损耗基本中值的预测传播损耗基本中值的预测曲线曲线。 即典型中等起伏地上市区的基本中值即典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f, d)与频率、与频率、 距离的关系曲线。距离的关系曲线。 中等起伏地上市区基本损耗中值中等起伏地上市区基本损耗中值 注：纵坐标刻度以注：纵坐标刻度以dBdB计，是以自计，是以自由空间的传播损耗为由空间的传播损耗为0 dB0

41、 dB的相对的相对值。换言之，值。换言之，曲线上读出的是基曲线上读出的是基本损耗中值大于自由空间传播损本损耗中值大于自由空间传播损耗的数值耗的数值。由图可见，随着频率由图可见，随着频率升高和距离增大，升高和距离增大， 市区传播基市区传播基本损耗中值都将增加。图中曲线本损耗中值都将增加。图中曲线是在基准天线高度情况下测得的，是在基准天线高度情况下测得的，即基站天线高度即基站天线高度h hb b=200=200m，移动，移动台天线高度台天线高度hm=3 m。修正修正1 1：如果基站天线的高度不是：如果基站天线的高度不是200m,则损耗中值则损耗中值的差异用的差异用基站天线高度增益因子基站天线高度增

42、益因子Hb(hb,d)表示。下表示。下图给出了不同通信距离图给出了不同通信距离d时，时，Hb(hb, d)与与hb的关系。的关系。显然，当显然，当hb200m 时，时， Hb (hb, d)0 dB；反之，；反之，当当hb200 m时，时，Hb(hb, d)0 dB。 天线高度增益因子(a) 基站Hb(hb, d); (b) 移动台Hm(hm, f)修正修正2 2：当移动台天线高度不是：当移动台天线高度不是3m时，需用时，需用移动台天线高度移动台天线高度增益因子增益因子Hm(hm,f)加以修。加以修。 当当hm 3 m时，时，Hm(hm, f)0 dB； 反之，反之， 当当hm3m时，时，Hm

43、(hm, f)0 dB。由上图还可见，。由上图还可见，当移当移动台天线高度大于动台天线高度大于5 m5 m以上时，以上时， 其高度增益因子其高度增益因子H Hm m(h(hm m,f),f)不仅不仅与天线高度、频率有关，而且还与环境条件有关与天线高度、频率有关，而且还与环境条件有关。例如，在例如，在中小城市，中小城市， 因建筑物的平均高度较低，故其屏蔽作用较小，因建筑物的平均高度较低，故其屏蔽作用较小，当移动台天线高度大于当移动台天线高度大于4m时，时， 随天线高度增加，随天线高度增加， 天线高度天线高度增益因子明显增大；增益因子明显增大； 若移动台天线高度在若移动台天线高度在14m范围内，范

44、围内，Hm(hm,f)受环境条件的影响较小，移动台天线高度增高一倍时，受环境条件的影响较小，移动台天线高度增高一倍时，Hm(hm, f)变化约为变化约为3 dB。 修正修正3 3：市区的场强中值还：市区的场强中值还与街道走向与街道走向( (相对于电波传播方向相对于电波传播方向) )有关有关。纵向路线。纵向路线( (与电波传播方向相平行与电波传播方向相平行) )的损耗中值明显小的损耗中值明显小于横向路线于横向路线( (与传播方向相垂直与传播方向相垂直) )的损耗中值。的损耗中值。 这是由于沿这是由于沿建筑物形成的建筑物形成的沟道有利于无线电波的传播沟道有利于无线电波的传播( (称沟道效应称沟道效

45、应) )， 使得在纵向路线上的场强中值高于基准场强中值，使得在纵向路线上的场强中值高于基准场强中值， 而在横而在横向路线上的场强中值低于基准场强中值。图向路线上的场强中值低于基准场强中值。图3-25 3-25 给出了它给出了它们相对于基准场强中值的修正曲线。们相对于基准场强中值的修正曲线。 街道走向修正曲线街道走向修正曲线2. 郊区和开阔地损耗的中值郊区和开阔地损耗的中值 郊区的建筑物一般是分散、郊区的建筑物一般是分散、 低矮的，低矮的， 故电波故电波传播条件优于市区传播条件优于市区。 郊区场强中值与基准场强中值郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子，记作之差称为郊区修正因子，记作Km

46、r， 它与频率和距它与频率和距离的关系如图离的关系如图 3 - 26 所示。所示。 由图可知，由图可知， 郊区场强中值大于市区场强中值。郊区场强中值大于市区场强中值。 或者说，或者说， 郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。要小。图图 3 - 26 郊区修正因子郊区修正因子 如何求出郊区、 开阔地及准开阔地的损耗中值？方法：一、确定相关参数（频率、传播距离)二、查图求出相应的市区传播损耗中值（基准）三、减去减去由图 查得的修正因子即可。 开阔地、开阔地、 准开阔地修正因子准开阔地修正因子 开阔地、 准开阔地(开阔地与郊区间的过渡区)的场强中值相对于基准场

47、强中值的修正曲线。 Qo表示开阔地修正因子, Qr表示准开阔地修正因子。 结论：开阔地的传播条件优于市区、 郊区及准开阔地， 在相同条件下， 开阔地上场强中值比市区高近20dB。2.4.3 不规则地形不规则地形上传播损耗的中值上传播损耗的中值 1. 丘陵地的修正因子丘陵地的修正因子Kh 丘陵地的丘陵地的地形参数用地形起伏高度地形参数用地形起伏高度h h表征表征。 它的定义是：它的定义是： 自接收点向发射点延伸自接收点向发射点延伸10 km10 km的范围的范围内，内， 地形起伏的地形起伏的90%90%与与10%10%的高度差的高度差( (参见下图参见下图 (a) (a)上方上方) )即为即为h

48、h。 这一定义只适用于地形这一定义只适用于地形起伏达数次起伏达数次以上以上的情况，的情况， 对于单纯斜坡地形将用后述的另一种对于单纯斜坡地形将用后述的另一种方法处理。方法处理。 丘陵地场强中值修正因子丘陵地场强中值修正因子(a) 修正因子修正因子Kh; (b) 微小修正因子微小修正因子Khf2. 孤立山岳修正因子孤立山岳修正因子Kjs 当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时， 若求山背后的电场强度， 一般从相应的自由空间场强中自由空间场强中减去刃峰绕射损耗减去刃峰绕射损耗即可。 但对天线高度较低的陆上移动台来说， 还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗吸

49、收等附加损耗。 由于附加损耗不易计算， 故仍采仍采用统计方法给出用统计方法给出的修正因子Kjs曲线。 适用范围适用范围：工作频段为450900MHz、 山岳高度在110350 m范围， 由实测所得的弧立山岳地形的修正因子Kjs的曲线。 孤立山岳修正因子孤立山岳修正因子K Kjsjs H07. 0其中， d1是发射天线至山顶的水平距离， d2是山顶至移动台的水平距离。 图中， Kjs是针对山岳高度H=200m所得到的场强中值与基准场强的差值。 如果实际的山岳高度不为200m， 则上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数， 计算的经验公式为 式中， H的单位为m。3. 斜波地形修正因子斜波地形修正因子

50、Ksp 斜坡地形系指在斜坡地形系指在510510kmkm范围内的范围内的倾斜地形倾斜地形。 若在电波传播方向上，若在电波传播方向上， 地形逐渐升高地形逐渐升高， 称为正斜称为正斜坡，坡， 倾角为倾角为+m； 反之为负斜坡，反之为负斜坡， 倾角为倾角为-m， 如如下图下图 下部所示。下部所示。斜坡地形修正因子斜坡地形修正因子Ksp 4. 水陆混合路径水陆混合路径修正因子修正因子KS 在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，在传播路径中如遇有湖泊或其它水域， 接收信号的场强接收信号的场强往往比全是陆地时要高。往往比全是陆地时要高。 为估算水陆混合路径情况下的场强为估算水陆混合路径情况下的场强中值，中值，

51、 用水面距离用水面距离d dSRSR与全程距离与全程距离d d的比值作为地形参数的比值作为地形参数。 此此外，外， 水陆混合路径修正因子水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有的大小还与水面所处的位置有关。关。 下图下图 中，中， 曲线曲线A表示水面靠近移动台一方的修正因子，表示水面靠近移动台一方的修正因子， 曲线曲线B(虚线虚线)表示水面靠近基站一方时的修正因子。表示水面靠近基站一方时的修正因子。 在同样在同样d dSRSR/d/d情况下，情况下， 水面位于移动台一方的修正因子水面位于移动台一方的修正因子KSKS较大，较大， 即即信号场强中值较大信号场强中值较大。 如果水面位于传播

52、路径中间，如果水面位于传播路径中间， 则应取上则应取上述两条曲线的中间值。述两条曲线的中间值。水陆混合路径修正因子水陆混合路径修正因子 2.4.4任意地形地区的任意地形地区的接收信号功率中值计算接收信号功率中值计算1. 中等起伏地市区中接收信号的中等起伏地市区中接收信号的功率中值功率中值PP中等起伏地市区接收信号的功率中值PP(不考虑街道走向)可由下式确定：PP = P0-Am(f,d)+Hb(hb,d)+Hm(hm, f) = P0-(Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm, f) ) P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率mbTGGdPP20)4(传输损耗中值传输损耗中值式中：PT

53、发射机送至天线的发射功率；工作波长；d收发天线间的距离；Gb基站天线增益；Gm移动台天线增益。Am(f, d)是中等起伏地市区的基本损耗中值， 即假定自由空间损耗为0dB， 基站天线高度为200m, 移动台天线高度为3m的情况下得到的损耗中值。 Hb(hb, d)是基站天线高度增益因子， 它是以基站天线高度200m为基准得到的相对增益。Hm(hm, f)是移动台天线高度增益因子， 它是以移动台天线高度3m为基准得到的相对增益。 若需要考虑街道走向， 还应再加上纵向或横向路径的修正值。2. 任意地形地区接收信号的功率中值PPC 任意地形地区接收信号的功率中值以中等起伏地市区接收信号的功率中值PP

54、为基础， 加上加上地形地物修正因子KT， 即 PPC = PP+KT 地形地物修正因子KT一般可写成 KT = Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+KS 式中： Kmr郊区修正因子 Qo、 Qr开阔地或准开阔地修正因子 Kh、 Khf丘陵地修正因子及微小修正因子 Kjs孤立山岳修正因子 Ksp斜坡地形修正因子 KS水陆混合路径修正因子任意地形地区的传播损耗中值 LA = LT - KT 式中， LT为中等起伏地市区传播损耗中值， 即 LT = Lfs+Am(f, d)-Hb(hb, d)-Hm(hm, f) 例 3-2 某一移动信道， 工作频段为450MHz， 基站天线高度为50

55、m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m， 天线增益为 0dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地， 通信距离为 10km。 试求： (1) 传播路径损耗中值； (2) 若基站发射机送至天线的信号功率为 10W， 求移动台天线得到的信号功率中值。解解 根据已知条件， KT=0, LA=LT， 可分别计算如下：自由空间传播损耗Lfs = 32.44+20lgf+20lgd= 32.44+20lg450+20lg10 = 105.5dB查得市区基本损耗中值 Am(f,d) = 27dB由图 可得： 基站天线高度增益因子 Hb(hb, d) = -12dB 移动台天线高度增益因子 Hm(hm, f)

56、 = 0dBLA = LT = 105.5+27+12 = 144.5dB中等起伏地市区中接收信号的功率中值 dBWLGGPdhHdhHdfAGGLPdhHdhHdfAGGdPPTmbTmmbbmmbfsTmmbbmmbTP5 .1285 .14406lg10),(),(),(),(),(),(42若上题改为郊区工作， 传播路径是正斜坡， 且m=15mrad, 其它条件不变， 再求传播路径损耗中值及接收信号功率中值。 解：可知LA=LT-KT， 由上例已求得LT=144.5dB。 根据已知条件，地形地区修正因子KT只需考虑郊区修正因子Kmr和斜坡修正因子Ksp，因而 KT = Kmr+Ksp

57、查得Kmr为 Kmr = 12.5dB查得Ksp为Ksp = 3dB所以传播路径损耗中值为 LA = LT-KT = LT- (Kmr+Ksp) = 144.5-15.5 = 129dB接收信号功率中值为 PPC = PT+Gb+Gm-LA = 10+6-129 = -113dBW = -83dBm 或PPC = PP+KT = -98.5dBm+15.5dB = -83dBmu背景背景：移动信道中电波传播的条件十分：移动信道中电波传播的条件十分恶劣和复杂，因而要恶劣和复杂，因而要准确地计算信号场强准确地计算信号场强或传播损耗是很困难的或传播损耗是很困难的u方法方法：通常采用：通常采用分析和统

58、计相结合分析和统计相结合的办的办法法。测试数据采集测试数据采集分析归纳经验模型分析归纳经验模型校正校正1. Hata1. Hata模型模型 u原理原理：Hata模型是用图表给出的模型是用图表给出的路径损耗路径损耗数据的经验公式数据的经验公式u适用范围适用范围： 该公式适用于该公式适用于1501500 MHz频频率范围率范围u使用方法使用方法： Hata将市区的传播损耗表示为将市区的传播损耗表示为一个一个标准的公式标准的公式和一个应用于其他不同环境和一个应用于其他不同环境的附加的附加校正公式校正公式在在市区的中值路径损耗市区的中值路径损耗的标准公式为的标准公式为(CCIR采纳的建采纳的建议议)L

59、urban(dB)=69.55+26.16lgfc-13.82lghb-a(hre)+(44.9-6.55lghb)lgdfc是在是在1501500MHz内的内的工作频率工作频率； hb是基站发射机的是基站发射机的有效天线高度有效天线高度（单位为（单位为m， 适用范围适用范围30200 m），）， 其定其定义为天线相对海平面高度义为天线相对海平面高度hts减去距离从减去距离从3 km到到15 km之间之间的平均地面高度的平均地面高度hga; hre是移动台接收机的有效天线高度是移动台接收机的有效天线高度（单位为（单位为m， 适用范围适用范围110 m）; d是收发是收发天线之间的距天线之间的距

60、离离（单位为（单位为km， 适用范围适用范围110km）；）； a(hre)是移动台接是移动台接收机的有效收机的有效天线高度的修正因子天线高度的修正因子。u对于小城市到中等城市， a(hre)的表达式为a(hre)=(1.1lgfc-0.7)hre-(1.56lgfc-0.8)dB u对于大城市, a(hre)的表达式为 a(hre)=8.29(lg1.54hre)2-1.1dB fc300 MHz a(hre)=3.2(lg11.754hre)2-4.97dB fc300 MHz 郊区的路径损耗郊区的路径损耗开阔的农村地带的路径损耗开阔的农村地带的路径损耗 Lsuburban(dB)=Lur