电子科技大学《移动通信原理》第二章移动通信电波传播与传播预测模型

1、第一章内容回顾第一章内容回顾n移动通信的分类及应用系统移动通信的分类及应用系统n移动通信的特点和工作方式移动通信的特点和工作方式n移动通信的发展移动通信的发展2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型1什么是无线通信信道（链路）？什么是无线通信信道（链路）？2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型2图图2.1 无线通信链路无线通信链路n无线通信链路无线通信链路：从发射机到接收机的整个通信路：从发射机到接收机的整个通信路径链路。径链路。移动无线信道的特点移动无线信道的特点(1)n移动无线信道是最

2、为复杂的一种无线信道移动无线信道是最为复杂的一种无线信道n移动无线信道的特点移动无线信道的特点n传播的开放性传播的开放性n接收点地理环境的复杂性和多样性接收点地理环境的复杂性和多样性n通信用户的随机移动性通信用户的随机移动性n移动通信系统的性能主要受到移动信道的制约移动通信系统的性能主要受到移动信道的制约n有效性有效性n可靠性可靠性n安全性安全性2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型3信道函数信道函数2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型4信道信道s(t)r(t) r th ts tn

3、tn tR fHf S fNf为为噪噪声声1Hf r ts tn t120lLjfllHfhe ?r tn t 10-310-3不同无线信道下的性能不同无线信道下的性能高斯白噪声信高斯白噪声信道传输性能道传输性能慢瑞利衰落信慢瑞利衰落信道道传输性能传输性能7dB24dB 120lLjfllH fhe 1Hf第二章第二章 移动通信电波传播移动通信电波传播 与传播预测模型与传播预测模型程郁凡程郁凡通信抗干扰技术国家级重点实验室通信抗干扰技术国家级重点实验室第二章内容第二章内容2.1 无线电波传播概述无线电波传播概述2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播2.3 三种基本电波传播机制三种基本电波

4、传播机制2.4 路径损耗模型路径损耗模型2.5 多径衰落信道及特性参数多径衰落信道及特性参数2.6 多径衰落信道的统计模型多径衰落信道的统计模型2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型72.1 无线电波传播概述无线电波传播概述2.1.1 电磁波的产生电磁波的产生2.1.2 无线电波频段划分无线电波频段划分2.1.3 无线电波传播方式无线电波传播方式2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型8参考书籍：参考书籍：移动通信无线电波传播移动通信无线电波传播 作者：吴志忠作者：吴志忠2.1.1 电磁波

5、的产生电磁波的产生(1)n电磁场电磁场n如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场产生新的周期性变化的电场n变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。成不可分割的统一体，这就是电磁场。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型92.1.1 电磁波的产生电磁

6、波的产生(2)n电磁波电磁波n变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地传播。这种地传播。这种变化的电磁场变化的电磁场在空间以一定的速在空间以一定的速度向远处传播的过程叫做电磁波。度向远处传播的过程叫做电磁波。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型10图图2.2 变化的电磁场变化的电磁场2.1.2 无线电波频段划分无线电波频段划分11图图2.3 电磁波谱电磁波谱图图2.4 无线电波频段无线电波频段2.1.3 无线电波传播方式无线电波传播方式 n无线电波传播基本概念无线电波传播基本概念n无线电波传播主要

7、方式无线电波传播主要方式n地波传播地波传播n对流层电波传播对流层电波传播n天波传播天波传播n卫星通信卫星通信2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型12无线电波传播基本概念无线电波传播基本概念2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型13n无线电波传播无线电波传播n发射源所发射的无线电波通过发射源所发射的无线电波通过自然条件下的媒自然条件下的媒质质到达接收天线的过程称为无线电波传播。到达接收天线的过程称为无线电波传播。图图2.5 无线电波传播无线电波传播n研究传播过程中电磁波与媒质的相互作用研

8、究传播过程中电磁波与媒质的相互作用n传播机理、信道模式传播机理、信道模式n传播环境与建模传播环境与建模n传播效应传播效应传输媒质对电磁波的影响传输媒质对电磁波的影响2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型14图图2.6 传输媒质对电磁波的影响传输媒质对电磁波的影响n传输媒质对电磁波的影响传输媒质对电磁波的影响无线电波传播无线电波传播地波传播地波传播n地波传播地波传播电波沿着地球表面传播电波沿着地球表面传播2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型15图图2.7 地波传播地波传播n特点特点n优点

9、：信号稳定，不受气象条件、昼夜及季节变优点：信号稳定，不受气象条件、昼夜及季节变化的影响；化的影响；n缺点：地面对电波吸收严重，衰减随着频率的升缺点：地面对电波吸收严重，衰减随着频率的升高而增大。高而增大。n用途：地波导航、标时台、远程通信、广播用途：地波导航、标时台、远程通信、广播n出现情况：出现情况：n天线低架于地面上；天线低架于地面上；n最大辐射方向沿地球表面；最大辐射方向沿地球表面；n频率：中、长波以下的频频率：中、长波以下的频率。率。地波传播影响因素地波传播影响因素n地波传播影响因素地波传播影响因素地质磁电特性地质磁电特性n相对介电常数：相对介电常数：n电导率：电导率：n相对复介电常

10、数：相对复介电常数：n电磁波在自由空间中的波长：电磁波在自由空间中的波长：2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型16地面地面类型类型相对介电常数相对介电常数 r电导率电导率 （S/m）均值均值变化范围变化范围均值均值变化范围变化范围海水海水808040.666.6淡水淡水808010-310-32.4 10-2湿土湿土20103010-23 10-33 10-2干土干土42610-31.1 10-52 10-3表表2.1 地面特性表地面特性表r r 0 0060rrrjj 地面媒质的电特性地面媒质的电特性n常用相对复介电常数来表示媒质的电常

11、用相对复介电常数来表示媒质的电特性特性n良导体：良导体：n电介质：电介质：n半电介质：两者相差不大半电介质：两者相差不大2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型17300MHz30MHz3MHz 300kHz30kHz3kHz海水海水3303 1023 1033 1043 105湿土湿土3 10-23 10-133 1013 1023 103干土干土1.5 10-21.5 10-11.51.5 1011.5 1021.5 103岩石岩石10-610-510-410-310-210-1060r 频率频率地质地质超长波超长波长波长波中波中波短波短

12、波超短波超短波80,4r 220,10r34,10r 76,10r 060rrj 00601601rr表表2.2 地面媒质的电特性地面媒质的电特性传播特性传播特性n地面波的传播特性地面波的传播特性n地表具有半导电特性，电波被吸收。地层电导地表具有半导电特性，电波被吸收。地层电导率越大，频率越低，地面对电波的吸收越小。率越大，频率越低，地面对电波的吸收越小。n在不平坦地面的绕射传播条件在不平坦地面的绕射传播条件n只有当波长超过障碍物或与障碍物相当时，才只有当波长超过障碍物或与障碍物相当时，才具有绕射作用。具有绕射作用。n地波传播方式适合长波、超长波波段，沿海面地波传播方式适合长波、超长波波段，沿

13、海面传播比路面要远。传播比路面要远。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型18060rrj 典型应用典型应用(1)n低频地波导航系统低频地波导航系统n罗兰罗兰C导航系统导航系统(Loran- Long Range Navigation )n一种远程一种远程脉冲脉冲-相位相位双曲线无线电导航系统双曲线无线电导航系统（100kHz，可实现，可实现2000km导航），陆、海、导航），陆、海、空导航定位系统空导航定位系统2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型19PF2F1发射台发射台2发射台发射

14、台1F3发射台发射台3图图2.8 罗兰罗兰C导航仪导航仪典型应用典型应用(2)n高频高频(HF)地波超视距雷达地波超视距雷达n海洋监测技术，频率：海洋监测技术，频率：330MHz，作用距离，作用距离可达可达300km。n可跟踪、监视舰船等。可跟踪、监视舰船等。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型20图图2.9 高频地波超视距雷达高频地波超视距雷达高频地波雷达系统高频地波雷达系统2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型21图图2.10 美国雷声公司制作的高频地波雷达系统美国雷声公司制作的高

15、频地波雷达系统无线电波传播无线电波传播对流层电波传播对流层电波传播n对流层电波传播影响因素对流层电波传播影响因素n对流层的弯曲传播对流层的弯曲传播n对流层电波传播机制对流层电波传播机制2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型22对流层电波传播基本概念对流层电波传播基本概念2022年年6月月23n对流层电波传播对流层电波传播无线电波在无线电波在对流层对流层的传播的传播对对流流层层图图2.11 大气层的分布大气层的分布90%90%水汽质量水汽质量75%75%大气质量大气质量对流层电波传播影响因素对流层电波传播影响因素n对流层电波传播对流层电波传播

16、影响因素影响因素n气体分子与水气体分子与水汽凝聚物汽凝聚物n具有吸收作用具有吸收作用n云、雾、雨等云、雾、雨等对电波的散射对电波的散射n大气折射率大气折射率n电波折射，电电波折射，电波弯曲传播波弯曲传播2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型24f=22GHzf=60GHz图图2.12 大气吸收衰减大气吸收衰减弯曲传播弯曲传播n对流层的弯曲传播对流层的弯曲传播n大气折射率大气折射率n随着海拔高度增高而减小随着海拔高度增高而减小2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型253210nnnn 折折

17、射射率率图图2.13 电磁波在对流层的弯曲传播电磁波在对流层的弯曲传播大气折射指数大气折射指数2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型26n大气折射率大气折射率n ：n对流层中对流层中 r 非常接近于非常接近于1，例如靠近地球表面处，例如靠近地球表面处n定义大气折射指数定义大气折射指数N ： N 单位单位p为大气总压强，为大气总压强，e是水汽压强，是水汽压强，T为绝对温度为绝对温度(K)。77.64810NpeTT 121210130.121010.20.0035102880.0065p hp he hp hhPae hhPaT hhK大气折

18、射特点：大气折射特点：h增大，增大，N 减小。减小。rn 1.000638r 6110Nn：干燥空气压强：干燥空气压强 1p h等效地球半径等效地球半径n由于大气折射，电波轨迹为曲线由于大气折射，电波轨迹为曲线n计算公式都是假设直线传播，假设与实际不符，计算公式都是假设直线传播，假设与实际不符，为了仍然能用公式，需修正为了仍然能用公式，需修正n等效地球半径等效地球半径n传播射线被拉直后，射线到地球的距离仍相等，传播射线被拉直后，射线到地球的距离仍相等，此时的地球半径为等效地球半径。此时的地球半径为等效地球半径。2022年年6月月27eRe R ：射线曲：射线曲率半径率半径图图2.14 等效地球

19、半径等效地球半径1dndh 等效地球半径因子等效地球半径因子n等效地球半径因子等效地球半径因子K2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型281111KRdnRdh R : 地球半径地球半径(6370km)Re = KR : 等效地等效地球半径球半径图图2.15 大气层中无线电波射线的弯曲和大气层中无线电波射线的弯曲和K值 =R, K= = , K=1K=4/3 0, 0K00 R对流层电波传播机制对流层电波传播机制n对流层电波传播机制对流层电波传播机制n对流层视距传播对流层视距传播n直射波传播直射波传播n对流层散射传播对流层散射传播n米波与分

20、米波的超地平通信米波与分米波的超地平通信n大气波导传播大气波导传播n米波、厘米波米波、厘米波n大气折射率梯度满足一定条件大气折射率梯度满足一定条件2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型29对流层视距传播对流层视距传播n对流层视距传播对流层视距传播n处于对流层内直射波的传播方式处于对流层内直射波的传播方式n射线传播方向与水平线几乎平行射线传播方向与水平线几乎平行n频段：频段：30MHz40GHzn地波衰减大地波衰减大n天波不被反射天波不被反射n视距传播的特点视距传播的特点n距离短（距离短（50km）n传播效应传播效应n折射、吸收、衰落折射、吸

21、收、衰落 反射、散射等反射、散射等2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型30图图2.16 微波接力通信微波接力通信对流层散射传播对流层散射传播n散射散射n当电磁波的传播路径当电磁波的传播路径上存在小于波长的物上存在小于波长的物体，并且单位体积内体，并且单位体积内这种障碍物体的数目这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散非常巨大时，发生散射（乱反射）。射（乱反射）。n对流层散射传播对流层散射传播n利用大气层的不均匀利用大气层的不均匀性对无线电波的散射性对无线电波的散射作用而实现作用而实现超视距传超视距传播播。2022年年6月月第二章第二章 移动通

22、信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型31图图2.17 对流层散射的超视距传播对流层散射的超视距传播不均匀不均匀大气大气对流层散射传播特点对流层散射传播特点n频率：频率：30MHz10GHzn对流层适应此频段，对其他频段散射作用弱。对流层适应此频段，对其他频段散射作用弱。n优点：优点：n不受电离层的影响（与短波天波通信相比）不用不受电离层的影响（与短波天波通信相比）不用经常变换频率经常变换频率n所需中继站少（与微波接力通信相比）（距离所需中继站少（与微波接力通信相比）（距离100500公里）公里）n传输容量大传输容量大n不怕高山、湖海和沙漠等自然不怕高山、湖海和沙漠等自然 障碍

23、。障碍。n缺点缺点n传输损耗大、衰落较剧烈传输损耗大、衰落较剧烈2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型32对流层散射通信应用对流层散射通信应用2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型33地面类型地面类型AR/TRC-170S-575自适应自适应调制解调器调制解调器TM-20新型调制新型调制解调器解调器V2(重型重型)V3(轻型轻型)研制时间研制时间1980年试验成功年试验成功1984年投入使用年投入使用1994年年2006年年工作频段工作频段C频段频段(4.45GHz)C频段频段(4.45

24、GHz)C频段频段(4.45GHz)Ku频段频段(14.315.3GHz)最大可靠最大可靠数据率数据率4Mb/s2Mb/s8Mb/s40Mb/s最大计划最大计划工作距离工作距离240km160km240km100km左右左右表表2.3 美军典型数字对流层散射机调制解调器参数表美军典型数字对流层散射机调制解调器参数表大气波导传播大气波导传播(1)n概念：概念：n在一定气象条件下，由在一定气象条件下，由于大气折射率梯度的变于大气折射率梯度的变化，使在近地层传播的化，使在近地层传播的电磁波的轨迹弯向地面，电磁波的轨迹弯向地面，射线的真实曲率大于地射线的真实曲率大于地球曲率球曲率时，电磁波被部时，电磁

25、波被部分陷获在一定厚度的大分陷获在一定厚度的大气层内，无线电波能量气层内，无线电波能量好像被限制在最大弯曲好像被限制在最大弯曲高度和地球表面之间或高度和地球表面之间或由它们组成的波导中传由它们组成的波导中传播。又称大气波导传播。播。又称大气波导传播。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型34K= K=1K=4/3K1图图2.18 大气波导传播大气波导传播大气波导传播大气波导传播(2)n原因原因n大气层存在逆温大气层存在逆温n湿度随高度锐减湿度随高度锐减n易于出现大气波导现象的天气现象易于出现大气波导现象的天气现象n海平面海水的蒸发海平面海水

26、的蒸发n陆地上的夜间辐射陆地上的夜间辐射nn频段频段n300MHz30GHzn特点特点n超视距超视距n不是时时可用不是时时可用2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型35无线电波传播无线电波传播天波传播天波传播n电离层概况电离层概况n电离层的成分电离层的成分n电离层的分层电离层的分层n电离层的吸收电离层的吸收n电离层的反射电离层的反射n无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播n长波和超长波长波和超长波n中波中波n短波短波2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型36天波传播天波传播n天

27、波传播天波传播无线电波向天空辐射，由电离层无线电波向天空辐射，由电离层反射到接收点。反射到接收点。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型37电离层电离层图图2.19 天波传播天波传播电离层概况电离层概况电电离离层层2%2%大气质量大气质量38电离层的成分电离层的成分n电离层：电离层：n60km到到1000km的区域的区域n自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。等组成的等离子体。n电离源电离源n太阳辐射的紫外线、太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流射线、高能带电微粒流n为数众多的

28、微流星为数众多的微流星n其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等n只占全部大气质量的只占全部大气质量的2左右，但因存在大量左右，但因存在大量带电粒子，所以对电波传播有极大影响带电粒子，所以对电波传播有极大影响n具有多变特性。具有多变特性。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型39电离层的分层电离层的分层2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型40图图2.20 电离层中典型的电子浓度高度分布电离层中典型的电子浓度高度分布吸收层吸收层反射层反射层电离层的吸收损耗电离

29、层的吸收损耗n吸收的原因吸收的原因n受电场作用的电子与其它粒子相碰撞时，就将从受电场作用的电子与其它粒子相碰撞时，就将从电波得到的动能传递给中性分子或离子，转化为电波得到的动能传递给中性分子或离子，转化为热能，这种现象称为电离层对电波的吸收。热能，这种现象称为电离层对电波的吸收。n电离层吸收基本规律电离层吸收基本规律n与气体密度、电离层电子密度和电波频率有关与气体密度、电离层电子密度和电波频率有关n吸收主要集中在吸收主要集中在D层层n气体密度越大，吸收越大气体密度越大，吸收越大n电子密度越大，吸收越大电子密度越大，吸收越大n电波频率越低，吸收越大电波频率越低，吸收越大n所以短波天波工作时，在能

30、反射回来的前提下，尽所以短波天波工作时，在能反射回来的前提下，尽量选择较高的工作频率。量选择较高的工作频率。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型41n电离层可以看作是相对介电常数为电离层可以看作是相对介电常数为 r的电介质的电介质 f : 频率；频率；N: 电子密度电子密度n折射率折射率n: 2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型42280.81rNf 280.81rNnf 12310nnNNNNN 01231nnnnnnnn 图图2.21 电磁波在电离层中的弯曲传播电磁波在电离层中的

31、弯曲传播电离层的反射电离层的反射电离层的反射特点电离层的反射特点n在入射角一定的情况下：在入射角一定的情况下：n电波频率越低，越易反射电波频率越低，越易反射n电波频率越低，反射的位置越低电波频率越低，反射的位置越低2022年年6月月43280.81rNnf 图图2.22 电磁波在电离层中的弯曲传播电磁波在电离层中的弯曲传播平面分层的平面分层的Snell折射定理折射定理2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型440010011111221101201201200011sinsinsinsinsinsi=,sinsinsinsinsinsin=9

32、0niinnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 当当或或当当，全全反反射射图图2.23 平面分层的折射平面分层的折射球面分层的球面分层的Snell折射定理折射定理2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型450110000000000111100011100011110000100100sinsinsinsinsinssinsinsinsinsinsinsinsin=90sin=siniinnsnnnnnnnnnx RRRx Rnn Rn Rn RRnn Rn Rnnn Rn Rn RnnRRR 又又以以此此类类推推反反射射条

33、条件件：图图2.24 0与与 0之间的几何关系之间的几何关系最高可用频率最高可用频率2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型46 nnnnnnnnnn Rn RnRRhRNRn RnRhfNh RNh Rffh Rh Rh R 00000000222220sin=1,sin80.8sin1-80.8180.812sin2cos2 将将代代入入hR 为为仰仰角角 MUFNh Rfh R max280.812sin2 MUFf: : 最最高高可可用用频频率率MUF：Maximum Usable Frequency最高可用频率与临界频率最高可用频率

34、与临界频率n当电波频率当电波频率超过最高可用频率超过最高可用频率fMUF时，无线电波时，无线电波在电离层中不发生反射，而是在电离层中不发生反射，而是穿出电离层穿出电离层。n当电波频率当电波频率小于或等于临界频率小于或等于临界频率fc时，任意仰角时，任意仰角的电波都能的电波都能从电离层反射到地面从电离层反射到地面。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型47 MUFMUFcMUFNh Rfh RNh Rfh RffN maxminmax2maxmax80.812sin280.812280.8 临临界界频频率率R：地球半径：地球半径h：电离层离地

35、面的高度：电离层离地面的高度 ：发射仰角：发射仰角2022年年6月月48图图2.25 fMUF随时间变化曲线随时间变化曲线04812162024t/h3456920f/MHz最高可用频率最高可用频率最佳工作频率最佳工作频率建议选用的工作频率建议选用的工作频率日频日频9MHz夜频夜频4.5MHz最佳工作频率最佳工作频率FOTMUFff0.85 MUF：Maximum Usable FrequencyFOT：Frequency of Optimum Traffic无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测

36、模型49图图2.26 长、中、短波从不同高度反射长、中、短波从不同高度反射超长波和长波的电波传播超长波和长波的电波传播n超长波和长波传播机制超长波和长波传播机制(300kHz)n地波传播和地地波传播和地电离层波导传播。电离层波导传播。n传播特点传播特点n频率低，可被电离层频率低，可被电离层D层下边界层下边界反射。不穿透电离反射。不穿透电离层，地面和电离层的吸收损耗很小。层，地面和电离层的吸收损耗很小。n对于超长波，通常认为在地面对于超长波，通常认为在地面电离层组成的波电离层组成的波导中传播。导中传播。n远距离通信（几千公里）。远距离通信（几千公里）。n缺点缺点n频率低，信息容量小，天线很难布置

37、。频率低，信息容量小，天线很难布置。n应用：应用：n远距离导航远距离导航2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型50中波电波传播中波电波传播n中波电波传播机制（中波电波传播机制（300kHz3MHz）n地波传播和天波传播。地波传播和天波传播。n传播特点传播特点n白天地波传播为主，但受地面吸收衰减影响；可在白天地波传播为主，但受地面吸收衰减影响；可在E层被反射，但在层被反射，但在D层受到较强的吸收，传播距离层受到较强的吸收，传播距离不远；不远；n晚上服务范围比白天大，因为夜间晚上服务范围比白天大，因为夜间D层消失，吸收层消失，吸收减小，比白天增

38、加了电离层传播；减小，比白天增加了电离层传播；n通信距离较远（几百公里）通信距离较远（几百公里）n应用应用n无线电导航，语音调幅广播无线电导航，语音调幅广播2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型51短波电波传播短波电波传播(1)n短波电波传播机制（短波电波传播机制（3MHz30MHz）n地波传播和天波传播，以天波传播为主。地波传播和天波传播，以天波传播为主。n传播特点传播特点n传播距离远：几百传播距离远：几百几万几万km(一跳或多跳反射一跳或多跳反射)；n能以较小的功率实现远距离的传播；能以较小的功率实现远距离的传播；n白天和夜间要更换频率

39、；白天和夜间要更换频率；n设备简单、成本低、便于移动。设备简单、成本低、便于移动。n缺点缺点n严重的衰落、信号不稳定；严重的衰落、信号不稳定；n电台过分拥挤并互相干扰。电台过分拥挤并互相干扰。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型52短波电波传播短波电波传播(2)n应用应用n各种距离的定点各种距离的定点通信通信n国际通信及广播国际通信及广播n船岸间的航海移船岸间的航海移动通信动通信n飞机地面间的航飞机地面间的航空移动通信空移动通信2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型53图图2.27 宝

40、丽宝丽2050短波电台短波电台卫星通信卫星通信(1)n卫星通信卫星通信：地球上的无线电通信站间利用卫星作：地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的空间微波通信。为中继而进行的空间微波通信。2022年年6月月54图图2.28 卫星移动通信系统的基本网络结构卫星移动通信系统的基本网络结构PSTN/PLMN核心网核心网手持终端手持终端移动终端移动终端网络控制网络控制中心中心NCC卫星控制卫星控制中心中心SCC用户信息用户信息管理系统管理系统星际链路星际链路用户链路用户链路馈送链路馈送链路信关站信关站空间段空间段地面段地面段用户段用户段轨道高度：轨道高度：500几万公里几万公里卫星通信卫星通信(

41、2)n适用频段：适用频段：140GHzn传播特点传播特点n覆盖面积大，通信距离远（几万公里）覆盖面积大，通信距离远（几万公里）n传输频带宽，通信容量大传输频带宽，通信容量大n通信稳定性好，质量高通信稳定性好，质量高n传播时延大传播时延大n路径损耗大路径损耗大n存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型55无线电波传播方式小结无线电波传播方式小结地波传播地波传播：超长波、：超长波、长波、中波长波、中波视距传播视距传播：VHF及以上及以上大气波导传播大气波导传播：UHF, SHF对流层散射

42、传播对流层散射传播：VHF,UHF, SHF天波传播天波传播：短波：短波星地通信星地通信：LKa电离层波导传播电离层波导传播：超长波、长波超长波、长波星际通信星际通信：Ka及以上及以上n本章研究重点本章研究重点陆地移动通信无线电波传播陆地移动通信无线电波传播n视距传播：视距范围之内的无线电波传播视距传播：视距范围之内的无线电波传播n频段：频段：30MHz10GHz陆地移动信道的电波传播机制陆地移动信道的电波传播机制2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型57基站基站散射散射阴影衰落阴影衰落散射散射直射直射反射反射移动终端（手机）移动终端（手机

43、）衍衍( (绕绕) )射射. . . . . . . .直射波（最强）直射波（最强）反射波（次强）反射波（次强）绕射波（次强）绕射波（次强）散射波（最弱）散射波（最弱）图图2.29 陆地移动信道的电波传播机制陆地移动信道的电波传播机制陆地移动信道的电波传播机制陆地移动信道的电波传播机制n直射：直射：n是指视距范围内无遮挡的传播。直射波传播的信号最强。是指视距范围内无遮挡的传播。直射波传播的信号最强。可按自由空间传播来考虑。可按自由空间传播来考虑。n反射：反射：n当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。反射

44、波的信号强度仅次于地球表面、建筑物和墙壁表面。反射波的信号强度仅次于直射波。于直射波。n绕射：绕射：n收发之间的传输路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，信号收发之间的传输路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，信号能量绕过障碍物传播，绕射波信号强度与反射波相当。能量绕过障碍物传播，绕射波信号强度与反射波相当。n散射：散射：n当电波传播遇到小于信号波长的障碍物或粗糙表面时引起当电波传播遇到小于信号波长的障碍物或粗糙表面时引起的漫反射后到达接收点的传播机制，散射波信号强度最弱。的漫反射后到达接收点的传播机制，散射波信号强度最弱。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传

45、播预测模型58大尺度路径损耗和小尺度衰落大尺度路径损耗和小尺度衰落(1)n大尺度路径损耗大尺度路径损耗n用于描述发射机与接收机之间的用于描述发射机与接收机之间的长距离长距离（几百或（几百或几千米）上信号强度的变化。几千米）上信号强度的变化。n小尺度衰落小尺度衰落n用于描述发射机与接收机之间的短距离（用于描述发射机与接收机之间的短距离（几个波几个波长长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型59移动台运动移动台运动的小区域的小区域基站基站小尺度衰落小尺度衰落r0(t

46、)大尺度路径损耗大尺度路径损耗m(t)图图2.30 衰减区域衰减区域2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型60大尺度路径损耗和小尺度衰落大尺度路径损耗和小尺度衰落(2)lg(d)接收功率接收功率(dBm)自由空间传播损耗自由空间传播损耗大尺度路径损耗大尺度路径损耗大尺度路径损耗大尺度路径损耗+小尺度衰落小尺度衰落图图2.31 大尺度路径损耗和小尺度衰落大尺度路径损耗和小尺度衰落 00lglglgr tm trtr tm trt 第二章内容第二章内容2.1 无线电波传播概述无线电波传播概述2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播2.3 三

47、种基本电波传播机制三种基本电波传播机制2.4 路径损耗模型路径损耗模型2.5 多径衰落信道及特性参数多径衰落信道及特性参数2.6 多径衰落信道的统计模型多径衰落信道的统计模型2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型61大尺度路大尺度路径损耗径损耗小尺度小尺度衰落衰落2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播n基本概念基本概念n自由空间：自由空间：n充满均匀、线性、各向同性理想机制的无限大空间。充满均匀、线性、各向同性理想机制的无限大空间。n电波直线传播电波直线传播n自由空间传播损耗自由空间传播损耗：电波通过自由空间介质传播：电波通过自由空间

48、介质传播时所生的损耗时所生的损耗n理想传播条件，电波在自由空间传播时，不存在电理想传播条件，电波在自由空间传播时，不存在电波的反射、折射、绕射、吸收等现象。波的反射、折射、绕射、吸收等现象。n其单位面积中的能量会因为扩散而减少，而接收天其单位面积中的能量会因为扩散而减少，而接收天线只能接收到部分面积上的能量。线只能接收到部分面积上的能量。2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型62前提条件前提条件n前提：前提：n发射天线远离地球，或没有阻挡物发射天线远离地球，或没有阻挡物2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电

49、波传播与传播预测模型63( (a a) )( (b b) )( (c c) )图图2.32 近似于自由空间传播的传播机制近似于自由空间传播的传播机制天线基础知识天线基础知识(1)n各向同性辐射各向同性辐射：没有体积、不存在损耗没有体积、不存在损耗的点源均匀辐射器。其方向图为球体，的点源均匀辐射器。其方向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强度。在各个方向具有相同的辐射强度。n天线增益天线增益：方向性天线在某方向的某位方向性天线在某方向的某位置达到辐射场强置达到辐射场强 所用的发射功率所用的发射功率为为 ，而各向同性辐射的点源天线所，而各向同性辐射的点源天线所需的功率为需的功率为 ，则天线增益为，

50、则天线增益为n有效辐射有效辐射： 相对于各向同相对于各向同性辐射器的有效辐射功率性辐射器的有效辐射功率2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型64tP0PmU0ttGPP ttEIRPPGEIRP：Effective Isotropic Radiated Power图图2.33 各向同性与有效辐射各向同性与有效辐射天线基础知识天线基础知识(2)n天线增益天线增益G与天线有效面积与天线有效面积Ae的关系：的关系：n抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布布12022年年6月月第二章第二章 移动通信电

51、波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型6524erAG 1 天线天线 ：（美）克劳斯，（美）马赫夫克（美）克劳斯，（美）马赫夫克24eGA EIRP例例2.1 各向同性辐射器和方向性天线的各向同性辐射器和方向性天线的EIRP2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型66图图2.34 两种方式下获得的相同两种方式下获得的相同EIRP收发参数收发参数n参数参数n发射天线增益：发射天线增益：n接收天线增益：接收天线增益：n发射功率：发射功率：n接收功率：接收功率：n收发距离：收发距离：n天线的有效面积天线的有效面积：2022年年6月月第二

52、章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型67tPtGrGdrPeA图图2.35 各向同性辐射接收各向同性辐射接收接收功率密度接收功率密度n各向同性辐射各向同性辐射接收功率密度接收功率密度n发射天线为各向均匀辐射发射天线为各向均匀辐射时时，以发射源为中心，以发射源为中心，d为半径为半径的球面上单位面积的功率为的球面上单位面积的功率为2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型68 224tPp dW md 224tttGp rGp dPW md n方向性天线方向性天线下的接收功率下的接收功率 密度密度n如天线具有方向性

53、（发射天线增益为如天线具有方向性（发射天线增益为 ），），在主波束方向通过单位面积的功率为：在主波束方向通过单位面积的功率为：tG图图2.36 接收功率接收功率24sdL 接收功率接收功率(1)n接收天线所截取的功率接收天线所截取的功率2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型69 22224444tretrttrtttrsrtGPp rAPGdPG GdPG GPG GdWL Ls：自由空间传播损耗：自由空间传播损耗接收功率接收功率(2)n自由空间传播模型适合远场条件自由空间传播模型适合远场条件n选择一个参考距离选择一个参考距离d0作为接收功

54、率的参考点。作为接收功率的参考点。n选择依据：在远场，同时小于通信距离。选择依据：在远场，同时小于通信距离。n宏蜂窝：选择宏蜂窝：选择d0 为为1kmn微蜂窝：选择微蜂窝：选择d0 为为100m或或1m2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型70d0：参考距离：参考距离，D：天线的最大尺寸：天线的最大尺寸202ddD 220020044rttrrrrttrP dPG GddP dP ddP dPG Gd 自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型712222

55、2444sddfLd fcc 10lgssL dBL 83 10/cm s 2634101010lg20lg20lg3 8sLdBfMHzd kme 32.4520lg20lgsL dBf MHzd km n自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗 Lsn用用dB描述：描述：n代入代入c：n将将f 的单位改为的单位改为MHz，d 的单位为改的单位为改km，取对数，取对数链路损耗链路损耗(1)2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型72图图2.37 链路损耗链路损耗 10lgtrPL dBP Lt：发端线路损耗：发端线路损耗Lr：收端线路损耗：收端

56、线路损耗链路损耗链路损耗(2)n不考虑收发线路损耗时（不考虑收发线路损耗时（ Lt = Lr = 0dB）n用对数表示：用对数表示：n考虑收发线路损耗，总链路损耗为：考虑收发线路损耗，总链路损耗为：2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型73 24trtrtrstG GG GdPWLPP strtrLLP PG G trstrLPPLGGdB strtrLLLLGGdB链路损耗链路损耗(3)2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型74 10lgP dBmP mw 130WdBm 10mWdB

57、m n功率的转换功率的转换n都是功率单位都是功率单位n折算成折算成dB更利于计算更利于计算n例：例： rtPPL dBm strtrLLLLGGdB例题例题例例2.2 Pt = 10W = 40dBm；Gr = Gt = 7dBi； f = 1910MHz， d = 500m ，问：，问：Ls(dB)=? Pr=?2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型75 32.4520lg20lgsL dBf MHzd km rttstrPPLPLGG 32.4565.626.0292.05 dB 32.4520lg 191020lg 0.5 4092.

58、0577 38.05 dBm 课堂练习课堂练习课堂练习课堂练习 发射功率为发射功率为Pt =10mW ，发射，发射/接收天线增接收天线增益益Gr = Gt = 9dBi，工作频率，工作频率f = 1910MHz (20log1910=65.62dB)，接收灵敏度为，接收灵敏度为Pr =10-7mW，问问：接收机距离发射机最远多远时能正常工作？此：接收机距离发射机最远多远时能正常工作？此时的链路损耗为多少？时的链路损耗为多少？接收信号功率必须大于等于接收灵敏度时才能正常工接收信号功率必须大于等于接收灵敏度时才能正常工作，当等于接收灵敏度时的通信距离为最远距离。作，当等于接收灵敏度时的通信距离为最

59、远距离。1) 链路损耗链路损耗 L：2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型76 710lg 1010lg 10107080trLPPdB 课堂练习课堂练习2) 最远传输距离最远传输距离d：2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型77 0/20101dkm strLLGG 809998strLLGGdB 32.4520lg20lgsLf MHzd km 20lg32.4520lg9832.4565.620sdLf MHzdB 第二章内容第二章内容2.1 无线电波传播概述无线电波传播概述2.2

60、 自由空间的电波传播自由空间的电波传播2.3 三种基本电波传播机制三种基本电波传播机制2.4 路径损耗模型路径损耗模型2.5 多径衰落信道及特性参数多径衰落信道及特性参数2.6 多径衰落信道的统计模型多径衰落信道的统计模型2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型78大尺度路大尺度路径损耗径损耗小尺度小尺度衰落衰落2.3 三种基本电波传播机制三种基本电波传播机制2.3.1 反射反射2.3.2 绕射绕射2.3.3 散射散射2022年年6月月第二章第二章 移动通信电波传播与传播预测模型移动通信电波传播与传播预测模型792.3.1 反射反射n反射反射