第3章 oy移动信道的传播特性-1-无线电波传播特性

1、数字移动通信数字移动通信 2-2-1 1数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 2-2-2 2数字移动通信第3章移动信道的传播特性数字移动通信数字移动通信 2-2-3 3第3章讲述内容3.1 3.1 无线电波传播特性无线电波传播特性3.23.2移动通信信道的多径传播特性移动通信信道的多径传播特性 描述多径衰落信道的主要参数描述多径衰落信道的主要参数3.3 3.3 陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗第一次课 第二次课 第三次课数字移动通信数字移动通信 2-2-4 4第第3 3章章通过本章学习，着重解决以下问题：通过本章学习，着重解决以下问题：n大尺度传播特性大尺度传播特性大尺

2、度传播模型大尺度传播模型: :描述的是发射机与接描述的是发射机与接收机之间收机之间(T-R)(T-R)长距离长距离( (几千米、数百几千米、数百波长量级波长量级) )上的场强变化。上的场强变化。n小尺度传播特性小尺度传播特性小尺度传播模型小尺度传播模型: :描述短距离描述短距离( (数十波数十波长以下量级长以下量级) ) 内的接收场强的传播模内的接收场强的传播模型。型。统计特性统计特性主要参数主要参数建模与仿真建模与仿真1)对移动对移动信道有一信道有一个全面深个全面深入的理解入的理解2)更好地更好地理解经历理解经历信道后的信道后的信号变化信号变化机理机理数字移动通信数字移动通信本次课解决的问题

3、本次课解决的问题n自由空间传播损耗模型？自由空间传播损耗模型？n电波传播的几种方式？自由空间传播模型和两电波传播的几种方式？自由空间传播模型和两径传播模型的传播损耗如何计算？径传播模型的传播损耗如何计算？1.1、掌握掌握移动通信中电波传播的主要方式移动通信中电波传播的主要方式2.2、掌握掌握自由空间电波传播损耗规律自由空间电波传播损耗规律3.3、理解理解两径传播模型的合成场强计算方法及传播损耗两径传播模型的合成场强计算方法及传播损耗规律规律2-2-5 5重点重点：典型传播方式及传播损耗规律：典型传播方式及传播损耗规律难点难点：两径传播模型的合成场强计算：两径传播模型的合成场强计算3.1 3.1

4、 无线电波传播特性无线电波传播特性数字移动通信数字移动通信 2-2-6 6概述n 信道分类 按传输媒质分 有线信道有线信道 无线信道无线信道 根据信道特性参数随时间变化的快慢 恒参信道恒参信道：传输特性随时间变化速度极慢，：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。或者说在足够长的时间内，其参数基本不变。 变参信道变参信道：传输特性随时间的变化较快。：传输特性随时间的变化较快。n 移动通信信道 典型的无线变参信道。数字移动通信数字移动通信概述2-2-7 7缩写名称频率范围波长名称传播方式目前频率分配情况VLF基低频30kHz以下万米波(甚长波)天波,地波,以地波传播为

5、主(1020)kHz,主要用于无线电导航,海上移动通信和广播LF低频Low30kHz300kHz千米波(长波)天波,地波,以地波传播为主(2003000)kHz,主要用于广播,无线电导航,海上移动通信,地对空通信MF 中频Medium300kHz3000kHz百米波(中波)主要以地波播,夜间天波亦可传播HF高频High3MHz30MHz十米波(短波)地波传播距离极近,以视距内直线传播为主主要用于定点通信,航海和航空移动通信,广播,热带广播及业余无线电等VHF甚高频Very30MHz300MHz米波(超短波)视距内直线传播(301000)MHz,主要用于电视广播,陆上移动通信,航空移动通信,海上

6、移动通信,定点通信,空间通信和雷达等UHF特高频Ultra300MHz3000MHz分米波(微波)与光的传播特性基本相同SHF超高频Super3GHz30GHz厘米波(微波)1GHz-10GHz,主要用于无线电微波接力系统,其次是定点通信和移动通信业务EHF极高频Extremely30GHz300GHz毫米波(微波)10GHz以上,主要用于无线电中继接力通信,空间通信,雷达,导航,无线电天文学等数字移动通信数字移动通信 2-2-8 8概述n 目前典型移动通信使用频段：1 1、150 MHz 150 MHz （VHFVHF）2 2、450 MHz 450 MHz （UHFUHF）3 3、900

7、MHz 900 MHz （UHFUHF）4 4、1800MHz 1800MHz （UHFUHF）第三代移动通信第三代移动通信IMT-2000IMT-2000也将使用也将使用1.8-2.2GHz1.8-2.2GHz频段频段（UHFUHF）。）。数字移动通信数字移动通信 2-2-9 93.1 无线电波传播特性3.1.1 3.1.1 电波传播方式电波传播方式2.1.2 2.1.2 直射波直射波2.1.3 2.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播2.1.4 2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗2.1.5 2.1.5 反射波反射波2.1.6 2.1.6 散射波散射波数字移动通信数

8、字移动通信 2-2-10103.1.1 电波传播方式n VHF与UHF频段，典型传播方式1 1、直射、直射2 2、反射、反射3 3、散射、散射4 4、绕射、绕射数字移动通信数字移动通信 2-2-11 113.1 无线电波传播特性3.1.1 3.1.1 电波传播方式电波传播方式3.1.2 3.1.2 直射波直射波3.1.3 3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗3.1.5 3.1.5 反射波反射波3.1.6 3.1.6 散射波散射波数字移动通信数字移动通信 2-2-12123.1.2 直射波n采用模型采用模型自由空间传播模

9、型自由空间传播模型n自由空间模型的定义自由空间模型的定义天线周围是均匀无损耗的无限大空间天线周围是均匀无损耗的无限大空间大气层是各向同性的均匀媒质大气层是各向同性的均匀媒质电导率为电导率为0 0，相对介电常数和相对磁导率为，相对介电常数和相对磁导率为1 1n自由空间特性自由空间特性不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，电波的传播速率等于真空中光速电波的传播速率等于真空中光速C C，但由于辐射能量的扩散，使得能量在传播过程中会受到但由于辐射能量的扩散，使得能量在传播过程中会受到衰减。衰减。数字移动通信数字移动通信 2-2-1313模型适用

10、范围n传播媒体的近似传播媒体的近似实际情况中，只要地面上空的大气层是各向实际情况中，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对磁同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对磁导率为导率为1，传播路径上没有障碍物的阻挡，传播路径上没有障碍物的阻挡，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场强也可以忽略不计，这样情况下，电波可视作在自由空略不计，这样情况下，电波可视作在自由空间传播。间传播。数字移动通信数字移动通信 2-2-1414自由空间损耗n自由空间损耗的本质自由空间损耗的本质球面波在传播过程中，随着传播距离增大，球面波在传播过程中，随着传播距离增大，球面单

11、位面积上的能量减小了，而接收天线球面单位面积上的能量减小了，而接收天线的有效截面积是一定的，故而接收天线所捕的有效截面积是一定的，故而接收天线所捕获的信号功率是减小了，这是自由空间损耗获的信号功率是减小了，这是自由空间损耗的本质。的本质。dPTPR数字移动通信数字移动通信 2-2-1515接收功率计算公式接收功率计算公式n 自由空间的接收功率：自由空间的接收功率： P PT T = = 发射功率发射功率 ( (W)W) G GT T = = 发射天线增益发射天线增益 G GR R = = 接收天线增益接收天线增益 = = c/f c/f 波长波长(m)(m)，c = c = 光速光速 (3 (

12、310108 8 m/s)m/s) d = d = 发射机和接收机之间的距离发射机和接收机之间的距离( (m) m) 222)4()(dGGPdPRTTRdPTPR数字移动通信数字移动通信 2-2-1616自由空间传播损耗n自由空间传播损耗可以定义为：自由空间传播损耗可以定义为：( (不考虑天线增益不考虑天线增益) )n以以dBdB计，得到计，得到：n或或n可见，可见，自由空间电波传播损耗只与工作频率自由空间电波传播损耗只与工作频率 f f 和和传播距离传播距离 d d 有关有关。)(lg20)(lg2044.32)(MHzfkmddBLfs24dPPLRTfs24lg10)(ddBLfs数字

13、移动通信数字移动通信 2-2-17171717无线信号的相对强度用分贝（无线信号的相对强度用分贝（db）来衡量）来衡量.分贝是一个用分贝是一个用10为底的对数表示的为底的对数表示的比值的单位比值的单位，设，设P为系统中某一点的功率，为系统中某一点的功率， 为参考点的功率，则用为参考点的功率，则用db表示的功率比值由表示的功率比值由 来计算来计算.由于由于1db是一个比值或相对单位，是一个比值或相对单位，db值本身并不确定测量参值本身并不确定测量参数的绝对值，而数的绝对值，而db的导出单位则可表示绝对值。有的导出单位则可表示绝对值。有分贝瓦分贝瓦（dBW，相对于，相对于1W的分贝数）和的分贝数）

14、和分贝毫瓦分贝毫瓦（dBm，相对于，相对于1mW的分贝数）两个常用单位的分贝数）两个常用单位例如：例如：GSM手机的最大发射功率手机的最大发射功率2W换成分贝值为换成分贝值为33dBm； 手机接收到的信号强度手机接收到的信号强度40dBm为为0.0001mW，70dBm为为0.0000001mW0P)/lg(100PP数字移动通信数字移动通信1818n 例：如果发射机发射例：如果发射机发射5050瓦的功率，将其换算成瓦的功率，将其换算成(a)dBm(a)dBm和和(b)dBW(b)dBW；如果该发射机为单位增益天线如果该发射机为单位增益天线, ,并且载频为并且载频为900MHz,900MHz,

15、求出在自求出在自由空间中距天线由空间中距天线100m100m处接受功率为多少处接受功率为多少dBmdBm。10km10km处处PrPr为多少？为多少？假定接收天线为单位增益。假定接收天线为单位增益。n 解：已知：发射功率，解：已知：发射功率，Pt=50W载频，载频，fc=900MHz，则发射功率则发射功率n (a)(a)n (b)(b)n 100m处接受功率为：处接受功率为：n 则则dBmmWmWPdBmPtt0.471050log10)1/()(log10)(3dBWWWPdBWPtt0.1750log10)1/()(log10)(mWWdGGPPrtrr36222222105 . 3105

16、 . 3) 1 ()100()4() 3/ 1)(1)(1 (50)4(dBmmWmWPdBmPrr5 .24)105 . 3log(10)(log10)(3数字移动通信数字移动通信1919n 10km处功率为：处功率为：使用使用近地距离公式近地距离公式确定确定10km处的接收功处的接收功率（率（dBm），其中），其中=100m,d=10kmdBmdBdBmPkmPrr5 .64405 .24)10000100log(20)100()10(0d数字移动通信数字移动通信 2-2-20203.1 无线电波传播特性3.1.1 3.1.1 电波传播方式电波传播方式3.1.2 3.1.2 直射波直射波3

17、.1.3 3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗3.1.5 3.1.5 反射波反射波3.1.6 3.1.6 散射波散射波数字移动通信数字移动通信 2-2-21213.1.3 大气中的电波传播n实际移动信道在低层大气中实际移动信道在低层大气中。n低层大气并不是均匀介质，对电波传播的影响：低层大气并不是均匀介质，对电波传播的影响：有利：可使极限视线传播的距离增大。有利：可使极限视线传播的距离增大。不利：产生不利：产生折射折射和吸收等现象。和吸收等现象。数字移动通信数字移动通信2-2-22223.1.3 大气中的电波传播n折射

18、产生机理大气折射率是变化的，当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为折射。数字移动通信数字移动通信 2-2-2323大气折射n其弯曲程度取决于大气折射率n的垂直梯度：n大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，也就是认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径变成了等效半径。dndh数字移动通信数字移动通信 2-2-2424大气折射n标准大气情况下，等效地球半径系数标准大气情况下，等效地球半径系数k=4/3k=4/3

19、。地球实际半径是地球实际半径是6370km, 6370km, 地球等效半径为地球等效半径为8500km8500km。n大气折射的结果是传播距离比极限视距更远了，大气折射的结果是传播距离比极限视距更远了，即所谓的即所谓的超视距传播超视距传播。数字移动通信数字移动通信 2-2-2525假设假设A点架设一部发信机，天线的架高是点架设一部发信机，天线的架高是H1，AB是是和地球相切的一条射线。若要接收到来波，天线的架和地球相切的一条射线。若要接收到来波，天线的架高必须超出这条切线，如果天线的高度不够高，为了高必须超出这条切线，如果天线的高度不够高，为了接收到来波，天线应该向哪个方向移动接收到来波，天线

20、应该向哪个方向移动?CABH1OC1H2C2数字移动通信数字移动通信 2-2-2626视线传播极限距离4.12trdhh数字移动通信数字移动通信 2-2-27273.1.1 3.1.1 电波传播方式电波传播方式3.1.2 3.1.2 直射波直射波3.1.3 3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗3.1.5 3.1.5 反射波反射波3.1.6 3.1.6 散射波散射波数字移动通信数字移动通信 2-2-28283.1.4 障碍物的影响与绕射损耗n 原理原理波理论。绕射可以用惠更斯原波理论。绕射可以用惠更斯原理解释。理解释。惠

21、更斯原理：波前的所有点可惠更斯原理：波前的所有点可作为产生次级波的点源，这些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次级波组合起来形成传播方向上新的波前。上新的波前。绕射由次级波的传播进入阴影绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。区而形成。数字移动通信数字移动通信 2-2-2929绕射损耗n绕射损耗绕射损耗：在实际情况下，：在实际情况下，电波的直射路径上存在各种电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗。加传播损耗。nx x表示障碍物顶点至直射线表示障碍物顶点至直射线的距离，称为菲涅尔余隙。的距离，称为菲涅尔余隙。数字移动通信数字移动通信 2-

22、2-3030菲涅尔区菲涅尔区n 如下图所示，自由空间如下图所示，自由空间Q点是波源，点是波源，P点是接收点，以点是接收点，以Q、P为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为空间菲涅空间菲涅尔区尔区。图中。图中S1是空间的一点，其所在与直线是空间的一点，其所在与直线QP垂直的平垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆面截菲涅尔区域得到一个圆C1，该圆半径为：，该圆半径为：n 其中其中d d为为Q Q、P P点间的距离，点间的距离，d1d1、d2d2分别是分别是Q Q点和点和P P点到圆点到圆C1C1圆圆心的距离，这个圆所在的菲涅尔区域称为心的距离，这个圆所在的菲涅尔

23、区域称为第一菲涅尔区第一菲涅尔区。数字移动通信数字移动通信 2-2-3131菲涅尔区n 在自由空间，从波源在自由空间，从波源Q Q点辐射到点辐射到P P点的电磁能量主要是通过点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件。以获得近似自由空间的传播条件。n 为保证系统正常通信，收发为保证系统正常通信，收发天线天线架设的高度要满足使它们架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的2020，否则电磁，否则电磁波多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下

24、降，甚至波多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。中断通信。12112d dFdd数字移动通信数字移动通信n 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图x=0 x=0，TRTR直射波从障碍物顶直射波从障碍物顶点擦过，附加损耗约为点擦过，附加损耗约为 6 dB6 dB。x x0 0，直射波低于障碍物顶，直射波低于障碍物顶点，损耗急剧增加点，损耗急剧增加x/xx/x1 10.5 0.5 ，附加损耗约为，附加损耗约为0dB0dB，即障碍物对直射波传播，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。基本上没有影响。在选择天线高度时，根据地在选择天线

25、高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲形尽可能使服务区内各处的菲涅尔区余隙涅尔区余隙x/xx/x1 10.50.5数字移动通信数字移动通信 2-2-3333n 例例3-1设图设图3-3(a)所示的传播路径中，所示的传播路径中，菲涅尔余隙菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为工作频率为150MHz。试试求出求出电波传播损耗。电波传播损耗。n 解解先由式先由式(3-13)求出自由空间传播的损耗求出自由空间传播的损耗Lfs为为Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB 由式由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径求第一菲涅尔区半径x1为

26、为 mddddx7 .8110151010105233321211式中，式中，=c/f, c为光速，为光速，f为频率。为频率。 由图由图3-4 查得附加损耗查得附加损耗(x/x1-1)为为16.5dB, 因此电波传播的损因此电波传播的损耗耗L为为 L = Lfs+16.5 = 116.0dB数字移动通信数字移动通信 2-2-34343.1 无线电波传播特性3.1.1 3.1.1 电波传播方式电波传播方式3.1.2 3.1.2 直射波直射波3.1.3 3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗3.1.5 3.1.5 反射波反射

27、波3.1.6 3.1.6 散射波散射波数字移动通信数字移动通信 2-2-35353 3.1.5 .1.5 反射反射n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，如果尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射。时，如果尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射。此时接收信号为直射波与反射波的合成信号。此时接收信号为直射波与反射波的合成信号。TaobcRhrd1d2ht数字移动通信数字移动通信n 不同界面的反射特性用不同界面的反射特性用反射系数反射系数R R表征，为反射波场强与入表征，为反射波场强与入射波场强的比值射波场强的比值n R R可表示为可表示为 |

28、R| |R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比 代表反射波相对于入射波的相移。代表反射波相对于入射波的相移。 jRR e3.1.5 反射数字移动通信数字移动通信n 考虑地面对电波的反射时，按考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。的反射角等于入射角。n 当工作频率高于当工作频率高于150MHz (150MHz (2m)2m)，1 1时，反射波场强时，反射波场强幅度等于入射波场强幅度，相差为幅度等于入射波场强幅度，相差为180180，|R|=1|R|=1。n 直射波与反射波的路径差为直射波与反

29、射波的路径差为 n 由路径差由路径差dd引起的附加相移引起的附加相移为为 2d2222121222()()()()11trtrtrtrdabcddhhddhhhhhhddd21trh hdd112112xxx3.1.5 反射TaobcRhrd1d2ht数字移动通信数字移动通信n 接收场强接收场强E E（直射波与反射波合成信号场强）表示为（直射波与反射波合成信号场强）表示为 n 附加衰耗附加衰耗n 可见：合成场强随相位差的变化而变化，有时会相加，有可见：合成场强随相位差的变化而变化，有时会相加，有时会抵消，造成衰落现象；时会抵消，造成衰落现象；|R|R|越接近越接近1 1，衰落越严重。，衰落越严重。n 考虑反射波时的接收功率近似为：考虑反射波时的接收功率近似为：()00()()200(1Re)(1)(1)2cos()2jjjjEEER eEeEe 22cos2sin22d 2222424trRTTRTTRh hPP G GdP G Gdd 21trhhdd3.1.5 3.1.5 反射反射TaobcRhrd