第2章移动信道电波传播理论详解课件

第2章移动信道电波传播理论第2章无线电波传播的基本特性

2.1移动无线信道的多径传播衰落特性2.2描述多径信道的主要参数

2.3多径信道电波传播损耗模型2.4无线电波传播的基本特性2.1移动无线信道的多径传播衰落特性2.1无线电波传播的基本特性

移动通信信道的基本特点有3个：（1）带宽有限，它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；（2）干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；（3）存在着多径衰落。·

移动信道的衰落特性取决于无线电波的传播环境。·移动信道复杂、恶劣的传播条件这一特征是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。

2.1.1概况2.1无线电波传播的基本特性移动通信信道的基本特点·

对移动信道进行研究的基本方法有3种。（1）理论分析：缺陷是数学模型往往过于简化导致应用范围受限。（2）现场电波传播实测：缺陷是费时费力且往往只针对某个特定传播环境。（3）移动信道的计算机模拟：能灵活快速地模拟出各种移动通信信道，应用广泛。·对移动信道进行研究的基本方法有3种。·

移动环境中电波传播特性研究的结果往往用两种方式给出。

方式一：对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。

方式二：建立电波传播模型：如图表、近似计算公式或计算机仿真模型等。·移动环境中电波传播特性研究的结果往往用两种方式给出无线电波传播特性波段波长频率主要用途长波10km～1km30kHz～300kHz—中波1km～100m300kHz～3MHz调幅无线电广播短波100m～10m3MHz～30MHz微波米波（VHF）10m～1m30MHz～300MHz调频无线电广播分米波（UHF）1m～0.1m300MHz～3GHz电视、雷达、导航、移动通信厘米波10cm～1cm3GHz～30GHz毫米波10mm～1mm30GHz～300GHz2.1.2无线电波的传播方式无线电波传播特性波段波长频率主要·

无线电波从发射天线发出，可以沿着不同的途径和方式到达接收天线，这与电波频率和极化方式有关。·无线电波从发射天线发出，可以沿着不同的途径和方式到f>30MHz时，主要传播方式有以下三种：直射波地面反射波地表面波图2.1电波传播的主要方式f>30MHz时，主要传播方式有以下三种：直射波图2.1电在VHF(米波)、UHF(分米波)移动信道中，电波在移动通信信道中传播时遇到各种障碍物时会发生反射、折射和散射等现象。因此，通过不同路径到达接收机的电波信号会产生衰落现象。在VHF(米波)、UHF(分米波)移动信道中，直射波传播按自由空间传播来考虑。自由空间传播指的是天线周围为无限大真空时的电波传播，是无线电波的理想传播模式。在自由空间传播时，电波的能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。2.1.3直射波传播直射波传播按自由空间传播来考虑。自由空间传播如果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ε和相对导磁率μ都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，则电波可视作在自由空间传播。如果地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其

虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但当电波经过一段路径传播之后，能量仍有衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射·

设该球面上电波的功率密度为S，发射天线的增益为qr，则有（2.1）

（2.2）·

在球面处的接收天线接收到的功率为Ar为接收天线的有效接收面积图2.2自由空间的传输损耗·设该球面上电波的功率密度为S，发射天线的增益为qr·

发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称系统损耗。·

经推导可得出传输损耗Ls的表达式为

（2.3a）Gt和Gr为发射和接收天线增益（dB）·发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称系·

损耗常用分贝表示。·

式（2.3a

）也可表示成

（2.3b）d的单位是Km，频率f的单位是MHz·损耗常用分贝表示。d的单位是Km，频率f的单位是自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为

（2.4）·Lbs单位：dB(分贝)。表示自由空间中两个理想点源天线（增益系数G=1的天线）之间的传输损耗。·自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为·Lbs单2.1.4反射波传播当电波在传播中遇到两种不同介质的光滑面时，如果界面尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射，由于大地和大气是不同的介质，所以入射波会在界面上产生反射，如图2.3所示。图2.3反射波与直射波2.1.4反射波传播当电波在传播中遇到两种不同通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系数R表示。它可以用以下公式表示：

(2.5)反射波与直射波的路径差为

(2.6)

式中，d=d1+d2。通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波通常ht+hr<<d,，故

(2.7)反射路径与直射路径的相位差

(2.8)2π/λ称为传播相移常数。通常ht+hr<<d,，故·

当传播路径远大于天线高度时，并假设一定的简化条件，则接收天线R处的总场强为 （2.9）E0是自由空间单径传播的场强。·当传播路径远大于天线高度时，并假设一定的简化条件，

在实际移动信道中，电波在低层大气中传播。由于低层大气不是均匀介质，它的温度、湿度、气压均随着时间和空间而变化，因此会产生折射和吸引现象，从而直接影响视线传播的极限距离。2.1.5大气折射在实际移动信道中，电波在低层大气中传播。由于·

在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，可以推出介质的折射率n与相对介电常数r的关系为 （2.10）·

大气折射率n通常很接近于1。

大气的相对介电常数与温度、湿度和气压有关。大气高度不同，εr不同。·在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，可以推出介质的折·当一束电波通过折射率n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dn/dh（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，称为大气对电波的折射。·

在实际传输中，大气最典型的折射出现在电波的水平传播中。·当一束电波通过折射率n随高度变化的大气层时，由于不同高度在工程上，大气折射对电波传播的影响通常用地球等效半径来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6.37×106m)变成了等效半径Re。在工程上，大气折射对电波传播的影响通常用地球等效半径来等效地球半径：电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空沿直线传播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效。等效地球半径示意图等效地球半径：电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空·

定义K为等效地球半径系数，即

（2.11）·

则等效地球半径与实际地球半径的关系为

在标准大气折射情况下，等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km。·定义K为等效地球半径系数，即·则等效地球半电波传播在大气中折射分为3种类型：（1）无折射：dn/dh=0,K=1,Re=R0。此情况下，大气是均匀的，电波沿直线传播。如图2.4①所示

（2）负折射：dn/dh＞0,K＜1,Re＜R0。此情况下，大气折射率随高度的增加而增大，电波传播向上弯曲。如图2.4②所示。

（3）正折射：dn/dh＜0,K＞1,Re＞R0。此情况下，大气折射率随高度的增加而减小，电波传播向下弯曲。如图2.4③④所示。

图2.4大气折射的几种情况电波传播在大气中折射分为3种类型：图2.4大气折射的几种情由前面的分类可知，大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。视线传播的极限距离可由图2.5计算。图2.5视距传播的极限距离由前面的分类可知，大气折射有利于超视距的传播，但假设天线的高度为ht和hr，两副天线顶点的连线AB与地面相切于C点，Re为等效地球半径。由于Re远大于天线高度，可以证明，自发射天线顶点A到切点C的距离为

(2.12)同理，由切点C到接收天线顶点B的距离为

(2.13)假设天线的高度为ht和hr，两副天线顶点的连线·在标准大气折射的情况下，Re=8500km，故上式可写为

（2.14）则视距传播的极限距离为d可以表示为(2.13)·在标准大气折射的情况下，Re=8500km，故上式可写为2.1.6障碍物的影响及绕射损耗

在实际移动信道中，电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。2.1.6障碍物的影响及绕射损耗在实际移动·

设发射天线为T，是一个点源天线；接收天线为R。·

发射电波沿球面传播。TR连线交球面于A0点。·

根据惠更斯-菲涅耳原理，对于处于远区场的R点来说，波阵面上的每个点都可视为二次波源。1．电波传播的菲涅耳区图2.6菲涅耳区的概念（a）图2.6菲涅耳区的概念（a）·设发射天线为T，是一个点源天线；接收天线为R。·

在球面上选择A1点，使得

（2.16）·

则有一部分能量是沿着TA1R传送的。·

这条路径与直线路径TR的路径差为

（2.17）·在球面上选择A1点，使得·则有一部分能量是沿着·

所引起的相位差为

（2.18）·

也就是说，沿这两条路径到达接收点R的射线之间的相位差为。·所引起的相位差为·

同样，可以在球面上选择点A2，A3，…，An，使得

（2.19）这些点在球面上可以构成一系列圆，并将球面分成许多环形带Nn，如图2.6（b）所示。图2.6菲涅耳区的概念（b）·同样，可以在球面上选择点A2，A3，…，An，使得这些点当电波传播的波阵面的半径变化时，具有相同相位特性的环形带构成的空间区域就是菲涅耳区。

第I菲涅耳区：n=1时构成的菲涅耳区。理论分析表明：通过第I菲涅耳区到达接收天线R的电磁波能量约占R点接收到的总能量的1/2。如果在这个区域内有障碍物存在，将会对电波传播产生较大的影响。当电波传播的波阵面的半径变化时，具有相同相位特性的环形带构2．电波传播的绕射损耗

为了衡量障碍物对传播通路的影响程度，定义了菲涅尔余隙的概念。设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图2.7所示。

负余隙正余隙如图2.7所示，障碍物的顶点P到发射端与接收端的连线TR的距离x称为菲涅耳余隙。2.7障碍物与余隙2．电波传播的绕射损耗

为了衡量障碍物对传播通路的影图中，纵坐标为绕射损耗（即相对于自由空间传播损耗的分贝数），横坐标为x/x1。x为菲涅尔余隙；x1称为第一菲涅尔区在P点横截面的半径，由下列关系式可求得：（2.20）图2.8绕射损耗与余隙的关系图中，纵坐标为绕射损耗（即相对于自由空间传播结论：

（1）当x/x1＞0.5时，绕射损耗约为0dB，障碍物对直射波传播基本上没有影响。因此，在选择天线高度时，根据地形应尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x＞0.5x1

。图2.8绕射损耗与余隙的关系结论：图2.8绕射损耗与余隙的关系（2）当x＜0时，直射波低于障碍物的顶点，衰减急剧增加；（3）当x=0，即TR射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗为6dB。图2.8绕射损耗与余隙的关系图2.8绕射损耗与余隙的关系例2.1电波传播路径如图所示，设菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。例2.1电波传播路径如图所示，设菲涅尔余例2.1电波传播路径如图所示，设菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解：自由空间传播的损耗Lfs为［Lfs］=32.45+20lg150+20lg(5+10)=99.5dB第一菲涅尔区半径x1为

式中，λ=c/f,c为光速，f为频率。

例2.1电波传播路径如图所示，设菲涅尔余隙解：所以，x/x1≈-1

查绕射损耗与余隙关系表，得绕射损耗为16.5dB因此，电波传播的损耗L为［L］=［Lfs］+16.5=116.0dB解：所以，x/x1≈-1因此，电波传播的损耗L2.1.1移动信道的时变特性·

移动信道是一种时变信道。·

无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。2.2移动无线信道的多径传播衰落特性2.1.1移动信道的时变特性·移动信道是一种时变·

按收信号功率可表示为·

式（2.21）是信道对传输信号作用的一般表示式。式中，表示移动台与基站的距离。

(2.21)·按收信号功率可表示为·式（2.21）是信道·这些作用有3类。（1）传播损耗，又称为路径损耗。其值用表示。其中n为路径衰减因子，自由空间传播时n=2，一般情况下n=3~5。（2）阴影衰落，用表示。

（3）多径衰落，用表示。

·这些作用有3类。（1）传播损耗，又称为路径损耗。其值用图2.10陆地移动传播图2.10陆地移动传播

·

陆地移动信道的主要特征是多径传播。在移动通信中，移动台往往受到各种障碍物(建筑物、树木、植被以及起伏的地形)和其它移动体的影响，会引起电波的反射，如图2.11所示。2.2.2移动环境的多径传播图2.11多径传播示意图在移动通信中，移动台往往受到各种障碍通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。电波的反射导致移动台的接收信号是来自不同传播路径的信号之和，这种现象称为多径效应。通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接

多径效应使得接收信号产生深度且快速的衰落，称为多径衰落。多径衰落的信号包络服从瑞利分布，故多径衰落又称为瑞利衰落。多径效应使得接收信号产生深度且快速的衰落，称2.2.3多普勒频移·

当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。·

由多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示

（2.22）2.2.3多普勒频移·当移动台在运动中通信时，接·

与入射角度无关，是fD的最大值，称为最大多普勒频移。图2.12

入射角·与入射角度无关，是fD的最大值

例2.2若载波fc=600MHz，移动台速度v=30km/h,求最大多普勒平移。解：例2.2若载波fc=600MHz，移动台速度v=32.3描述多径信道的主要参数当发射端发送一个极窄的脉冲信号至移动台时，由于在多径传播条件下存在着多条长短不一的传播路径，发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，移动台所接收的信号是由多个时延信号构成，产生时延扩展（TimeDelaySpread）,如图2.13所示。图2.13时延扩展示意图当发射端发送一个极窄的脉冲信号至移动台时，由于在多径传播条件下存在着多条长短不一的传播路径，发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，移动台所接收的信号是由多个时延信号构成，产生时延扩展（TimeDelaySpread）,如图2.13所示。2.3.1时延扩展2.3描述多径信道的主要参数当发射端发送一个时延扩展可用实测信号的统计平均的方法来定义。利用宽带伪噪声信号所测得的典型时延谱曲线如图2.14所示。图2.14典型的时延谱曲线时延扩展可用实测信号的统计平均的方法来定义。·

定义P(τ)的一阶矩为平均时延τm，P(τ)的均方根值为时延扩展，即 （2.23）

（2.24）图2.14典型的时延谱曲线·定义P(τ)的一阶矩为平均时延τm，P(τ)的均方根值2.3.2相关带宽·

对于移动信道来说，存在一个相关带宽。·

当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落（平坦衰落）；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关。衰落信号的波形不失真。频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。时延扩展将导致频率选择性衰落，若信号带宽过大，会引起严重失真。2.3.2相关带宽·对于移动信道来说，存在一个相关带·

考虑频率分别为f1和f2的两个信号的包络相关性。·

这种相关性可由两信号的相关系数（归一化的相关函数）得出。·考虑频率分别为f1和f2的两个信号的包络相关性。·

由图2.15可知，当两信号频率间隔增加时，相关系数减小，也就是信号的不一致性增加。图2.15相关系数曲线·由图2.15可知，当两信号频率间隔增加时，相关系数减小·将信号包络相关系数等于0.5时所对应的频率间隔定义为相关带宽Bc，即 （2.25）·实际应用中，常用最大时延Tm的倒数来规定相关带宽，即 （2.26）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。·将信号包络相关系数等于0.5时所对应的频率间隔定义为相关带2.4多径信道电波传播损耗模型

·

设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强或接收信号中值。·

这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。2.4多径信道电波传播损耗模型2.4.1奥村模型·

该模型的特点是：以大城市地区准平坦地形的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。2.4.1奥村模型·该模型的特点是：以大城市地区准平·

Okumura模型中大城市地区准平坦地形的中值路径损耗（dB）由下式给出

（2.27）

Lbs为自由空间路径损耗（dB）。Am(f,d)为大城市地区当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对自由空间的中值损耗。又称为基本中值损耗。Hb(hb,d)是基站天线高度增益因子。Hm(hm,f)是移动台天线高度增益因子。·Okumura模型中大城市地区准平坦地形的中值路径图2.16

准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗图2.16准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗图2.17

基站天线高度增益因子图2.17基站天线高度增益因子图2.18

移动台天线高度增益因子图2.18移动台天线高度增益因子

例2.3某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，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，传播路径为准平坦地形，通信距离为10km，求传播路径的中值路径损耗。例2.3某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线

解：自由空间传播损耗

Lfs

=

32.45+20lgf+20lgd=

32.45+20lg450+20lg10=

105.5dB解：自由空间传播损耗

因为工作在准平坦地形，由图2.16查得，市区基本中值损耗为

Am(f,d)=Am(450,10)=27dB

由图2.17查得，基站天线高度增益因子

Hb(hb,d)=Hb(50,10)=-12dB

由图2.18查得，移动台天线高度增益因子

Hm(hm,f)=Hm(3,450)=0dB

所以，传播路径中值损耗为

=105.5+27+12=144.5dB因为工作在准平坦地形，由图2.16查得，市区基本中值损耗1.室内办公环境模型这类传播环境的特点是小区小、反射功率低。由于墙壁、地板和各种分隔、阻挡物的阻挡和电波的散射，使路径衰落规律发生了变化，衰落特性在莱斯到瑞利之间变化。同时，还会产生阴影效应。2.4.2IMT-2000模型1.室内办公环境模型2.4.2IMT-2000模型2.室外到室内徒步环境小区小、反射功率低也是这类环境的特点。基站位于室外，天线高度低，步行用户在街道上或建筑物内时，时延扩展在100~1800ns间变化。2.室外到室内徒步环境3.车载环境这种环境的特点是小区较大，反射功率较高。在丘陵和多山地形环境下，隆起的道路上时延扩展在0.4~12ms间变化。3.车载环境2.4.3Hata模型

Hata模型是根据奥村Okumura用图表给出的路径损耗数据归纳出的一个经验公式，该公式适用的频率范围为150~1500MHz。2.4.3Hata模型Hata模型是根据该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中·

中值路径损耗的经验公式为

（2.28）2．中小城市修正因子（除大城市以外的其它所有城市）

1．大城市修正因子（建筑物平均高度超过15m）α(hm)=8.29[lg(1.54hm)]2-1.1dB150MHz≤f≤300MHz(2.29)α(hm)=3.2[lg(11.75hm)]2-4.97dB400MHz≤f≤1500MHz(2.30)α(hm)=（1.1lgf-0.7）hm－（1.56lgf－0.8）(2.31)·中值路径损耗的经验公式为2．中小城市修正因子（除大城市以欧洲研究委员会COST-231对Hata模型进行了扩展，使它适用于PCS系统，适用频率也达到了2GHz。这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗。

Hata模型的扩展已被用于微小区的实际工程设计。2.4.4Hata模型扩展欧洲研究委员会COST-231对Hata模型进行

Lb=46.3+33.91gf－13.82lghb－α(hm)+（44.9－6.55lghb）lgd+CM

(2.32) (2.32)式中，α(hm)由式(2.29)、式(2.30)和式(2.31)计算，CM由下式给出

CM=0dB中等城市和郊区(2.33a)CM=3dB市中心(2.33b)Lb=46.3+33.91gf－13.82lghb－α(h某一移动通信系统，基站天线高度为100m，天线增益Gb=6dB，移动台天线高度为3m，Gm=0dB，市区为中等起伏地，通信距离为10km，工作频率为150MHz，试求：传播路径上的损耗中值；（注：lg150=2.176）思考与练习某一移动通信系统，基站天线高度为10第2章移动信道电波传播理论第2章无线电波传播的基本特性

2.1移动无线信道的多径传播衰落特性2.2描述多径信道的主要参数

2.3多径信道电波传播损耗模型2.4无线电波传播的基本特性2.1移动无线信道的多径传播衰落特性2.1无线电波传播的基本特性

移动通信信道的基本特点有3个：（1）带宽有限，它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；（2）干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；（3）存在着多径衰落。·

移动信道的衰落特性取决于无线电波的传播环境。·移动信道复杂、恶劣的传播条件这一特征是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。

2.1.1概况2.1无线电波传播的基本特性移动通信信道的基本特点·

对移动信道进行研究的基本方法有3种。（1）理论分析：缺陷是数学模型往往过于简化导致应用范围受限。（2）现场电波传播实测：缺陷是费时费力且往往只针对某个特定传播环境。（3）移动信道的计算机模拟：能灵活快速地模拟出各种移动通信信道，应用广泛。·对移动信道进行研究的基本方法有3种。·

移动环境中电波传播特性研究的结果往往用两种方式给出。

方式一：对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。

方式二：建立电波传播模型：如图表、近似计算公式或计算机仿真模型等。·移动环境中电波传播特性研究的结果往往用两种方式给出无线电波传播特性波段波长频率主要用途长波10km～1km30kHz～300kHz—中波1km～100m300kHz～3MHz调幅无线电广播短波100m～10m3MHz～30MHz微波米波（VHF）10m～1m30MHz～300MHz调频无线电广播分米波（UHF）1m～0.1m300MHz～3GHz电视、雷达、导航、移动通信厘米波10cm～1cm3GHz～30GHz毫米波10mm～1mm30GHz～300GHz2.1.2无线电波的传播方式无线电波传播特性波段波长频率主要·

无线电波从发射天线发出，可以沿着不同的途径和方式到达接收天线，这与电波频率和极化方式有关。·无线电波从发射天线发出，可以沿着不同的途径和方式到f>30MHz时，主要传播方式有以下三种：直射波地面反射波地表面波图2.1电波传播的主要方式f>30MHz时，主要传播方式有以下三种：直射波图2.1电在VHF(米波)、UHF(分米波)移动信道中，电波在移动通信信道中传播时遇到各种障碍物时会发生反射、折射和散射等现象。因此，通过不同路径到达接收机的电波信号会产生衰落现象。在VHF(米波)、UHF(分米波)移动信道中，直射波传播按自由空间传播来考虑。自由空间传播指的是天线周围为无限大真空时的电波传播，是无线电波的理想传播模式。在自由空间传播时，电波的能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。2.1.3直射波传播直射波传播按自由空间传播来考虑。自由空间传播如果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ε和相对导磁率μ都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，则电波可视作在自由空间传播。如果地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其

虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但当电波经过一段路径传播之后，能量仍有衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射·

设该球面上电波的功率密度为S，发射天线的增益为qr，则有（2.1）

（2.2）·

在球面处的接收天线接收到的功率为Ar为接收天线的有效接收面积图2.2自由空间的传输损耗·设该球面上电波的功率密度为S，发射天线的增益为qr·

发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称系统损耗。·

经推导可得出传输损耗Ls的表达式为

（2.3a）Gt和Gr为发射和接收天线增益（dB）·发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称系·

损耗常用分贝表示。·

式（2.3a

）也可表示成

（2.3b）d的单位是Km，频率f的单位是MHz·损耗常用分贝表示。d的单位是Km，频率f的单位是自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为

（2.4）·Lbs单位：dB(分贝)。表示自由空间中两个理想点源天线（增益系数G=1的天线）之间的传输损耗。·自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为·Lbs单2.1.4反射波传播当电波在传播中遇到两种不同介质的光滑面时，如果界面尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射，由于大地和大气是不同的介质，所以入射波会在界面上产生反射，如图2.3所示。图2.3反射波与直射波2.1.4反射波传播当电波在传播中遇到两种不同通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系数R表示。它可以用以下公式表示：

(2.5)反射波与直射波的路径差为

(2.6)

式中，d=d1+d2。通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波通常ht+hr<<d,，故

(2.7)反射路径与直射路径的相位差

(2.8)2π/λ称为传播相移常数。通常ht+hr<<d,，故·

当传播路径远大于天线高度时，并假设一定的简化条件，则接收天线R处的总场强为 （2.9）E0是自由空间单径传播的场强。·当传播路径远大于天线高度时，并假设一定的简化条件，

在实际移动信道中，电波在低层大气中传播。由于低层大气不是均匀介质，它的温度、湿度、气压均随着时间和空间而变化，因此会产生折射和吸引现象，从而直接影响视线传播的极限距离。2.1.5大气折射在实际移动信道中，电波在低层大气中传播。由于·

在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，可以推出介质的折射率n与相对介电常数r的关系为 （2.10）·

大气折射率n通常很接近于1。

大气的相对介电常数与温度、湿度和气压有关。大气高度不同，εr不同。·在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，可以推出介质的折·当一束电波通过折射率n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dn/dh（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，称为大气对电波的折射。·

在实际传输中，大气最典型的折射出现在电波的水平传播中。·当一束电波通过折射率n随高度变化的大气层时，由于不同高度在工程上，大气折射对电波传播的影响通常用地球等效半径来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6.37×106m)变成了等效半径Re。在工程上，大气折射对电波传播的影响通常用地球等效半径来等效地球半径：电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空沿直线传播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效。等效地球半径示意图等效地球半径：电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空·

定义K为等效地球半径系数，即

（2.11）·

则等效地球半径与实际地球半径的关系为

在标准大气折射情况下，等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km。·定义K为等效地球半径系数，即·则等效地球半电波传播在大气中折射分为3种类型：（1）无折射：dn/dh=0,K=1,Re=R0。此情况下，大气是均匀的，电波沿直线传播。如图2.4①所示

（2）负折射：dn/dh＞0,K＜1,Re＜R0。此情况下，大气折射率随高度的增加而增大，电波传播向上弯曲。如图2.4②所示。

（3）正折射：dn/dh＜0,K＞1,Re＞R0。此情况下，大气折射率随高度的增加而减小，电波传播向下弯曲。如图2.4③④所示。

图2.4大气折射的几种情况电波传播在大气中折射分为3种类型：图2.4大气折射的几种情由前面的分类可知，大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。视线传播的极限距离可由图2.5计算。图2.5视距传播的极限距离由前面的分类可知，大气折射有利于超视距的传播，但假设天线的高度为ht和hr，两副天线顶点的连线AB与地面相切于C点，Re为等效地球半径。由于Re远大于天线高度，可以证明，自发射天线顶点A到切点C的距离为

(2.12)同理，由切点C到接收天线顶点B的距离为

(2.13)假设天线的高度为ht和hr，两副天线顶点的连线·在标准大气折射的情况下，Re=8500km，故上式可写为

（2.14）则视距传播的极限距离为d可以表示为(2.13)·在标准大气折射的情况下，Re=8500km，故上式可写为2.1.6障碍物的影响及绕射损耗

在实际移动信道中，电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。2.1.6障碍物的影响及绕射损耗在实际移动·

设发射天线为T，是一个点源天线；接收天线为R。·

发射电波沿球面传播。TR连线交球面于A0点。·

根据惠更斯-菲涅耳原理，对于处于远区场的R点来说，波阵面上的每个点都可视为二次波源。1．电波传播的菲涅耳区图2.6菲涅耳区的概念（a）图2.6菲涅耳区的概念（a）·设发射天线为T，是一个点源天线；接收天线为R。·

在球面上选择A1点，使得

（2.16）·

则有一部分能量是沿着TA1R传送的。·

这条路径与直线路径TR的路径差为

（2.17）·在球面上选择A1点，使得·则有一部分能量是沿着·

所引起的相位差为

（2.18）·

也就是说，沿这两条路径到达接收点R的射线之间的相位差为。·所引起的相位差为·

同样，可以在球面上选择点A2，A3，…，An，使得

（2.19）这些点在球面上可以构成一系列圆，并将球面分成许多环形带Nn，如图2.6（b）所示。图2.6菲涅耳区的概念（b）·同样，可以在球面上选择点A2，A3，…，An，使得这些点当电波传播的波阵面的半径变化时，具有相同相位特性的环形带构成的空间区域就是菲涅耳区。

第I菲涅耳区：n=1时构成的菲涅耳区。理论分析表明：通过第I菲涅耳区到达接收天线R的电磁波能量约占R点接收到的总能量的1/2。如果在这个区域内有障碍物存在，将会对电波传播产生较大的影响。当电波传播的波阵面的半径变化时，具有相同相位特性的环形带构2．电波传播的绕射损耗

为了衡量障碍物对传播通路的影响程度，定义了菲涅尔余隙的概念。设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图2.7所示。

负余隙正余隙如图2.7所示，障碍物的顶点P到发射端与接收端的连线TR的距离x称为菲涅耳余隙。2.7障碍物与余隙2．电波传播的绕射损耗

为了衡量障碍物对传播通路的影图中，纵坐标为绕射损耗（即相对于自由空间传播损耗的分贝数），横坐标为x/x1。x为菲涅尔余隙；x1称为第一菲涅尔区在P点横截面的半径，由下列关系式可求得：（2.20）图2.8绕射损耗与余隙的关系图中，纵坐标为绕射损耗（即相对于自由空间传播结论：

（1）当x/x1＞0.5时，绕射损耗约为0dB，障碍物对直射波传播基本上没有影响。因此，在选择天线高度时，根据地形应尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x＞0.5x1

。图2.8绕射损耗与余隙的关系结论：图2.8绕射损耗与余隙的关系（2）当x＜0时，直射波低于障碍物的顶点，衰减急剧增加；（3）当x=0，即TR射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗为6dB。图2.8绕射损耗与余隙的关系图2.8绕射损耗与余隙的关系例2.1电波传播路径如图所示，设菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。例2.1电波传播路径如图所示，设菲涅尔余例2.1电波传播路径如图所示，设菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解：自由空间传播的损耗Lfs为［Lfs］=32.45+20lg150+20lg(5+10)=99.5dB第一菲涅尔区半径x1为

式中，λ=c/f,c为光速，f为频率。

例2.1电波传播路径如图所示，设菲涅尔余隙解：所以，x/x1≈-1

查绕射损耗与余隙关系表，得绕射损耗为16.5dB因此，电波传播的损耗L为［L］=［Lfs］+16.5=116.0dB解：所以，x/x1≈-1因此，电波传播的损耗L2.1.1移动信道的时变特性·

移动信道是一种时变信道。·

无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。2.2移动无线信道的多径传播衰落特性2.1.1移动信道的时变特性·移动信道是一种时变·

按收信号功率可表示为·

式（2.21）是信道对传输信号作用的一般表示式。式中，表示移动台与基站的距离。

(2.21)·按收信号功率可表示为·式（2.21）是信道·这些作用有3类。（1）传播损耗，又称为路径损耗。其值用表示。其中n为路径衰减因子，自由空间传播时n=2，一般情况下n=3~5。（2）阴影衰落，用表示。

（3）多径衰落，用表示。

·这些作用有3类。（1）传播损耗，又称为路径损耗。其值用图2.10陆地移动传播图2.10陆地移动传播

·

陆地移动信道的主要特征是多径传播。在移动通信中，移动台往往受到各种障碍物(建筑物、树木、植被以及起伏的地形)和其它移动体的影响，会引起电波的反射，如图2.11所示。2.2.2移动环境的多径传播图2.11多径传播示意图在移动通信中，移动台往往受到各种障碍通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。电波的反射导致移动台的接收信号是来自不同传播路径的信号之和，这种现象称为多径效应。通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接

多径效应使得接收信号产生深度且快速的衰落，称为多径衰落。多径衰落的信号包络服从瑞利分布，故多径衰落又称为瑞利衰落。多径效应使得接收信号产生深度且快速的衰落，称2.2.3多普勒频移·

当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。·

由多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示

（2.22）2.2.3多普勒频移·当移动台在运动中通信时，接·

与入射角度无关，是fD的最大值，称为最大多普勒频移。图2.12

入射角·与入射角度无关，是fD的最大值

例2.2若载波fc=600MHz，移动台速度v=30km/h,求最大多普勒平移。解：例2.2若载波fc=600MHz，移动台速度v=32.3描述多径信道的主要参数当发射端发送一个极窄的脉冲信号至移动台时，由于在多径传播条件下存在着多条长短不一的传播路径，发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，移动台所接收的信号是由多个时延信号构成，产生时延扩展（TimeDelaySpread）,如图2.13所示。图2.13时延扩展示意图当发射端发送一个极窄的脉冲信号至移动台时，由于在多径传播条件下存在着多条长短不一的传播路径，发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，移动台所接收的信号是由多个时延信号构成，产生时延扩展（TimeDelaySpread）,如图2.13所示。2.3.1时延扩展2.3描述多径信道的主要参数当发射端发送一个时延扩展可用实测信号的统计平均的方法来定义。利用宽带伪噪声信号所测得的典型时延谱曲线如图2.14所示。图2.14典型的时延谱曲线时延扩展可用实测信号的统计平均的方法来定义。·

定义P(τ)的一阶矩为平均时延τm，P(τ)的均方根值为时延扩展，即 （2.23）

（2.24）图2.14典型的时延谱曲线·定义P(τ)的一阶矩为平均时延τm，P(τ)的均方根值2.3.2相关带宽·

对于移动信道来说，存在一个相关带宽。·

当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落（平坦衰落）；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关。衰落信号的波形不失真。频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。时延扩展将导致频率选择性衰落，若信号带宽过大，会引起严重失真。2.3.2相关带宽·对于移动信道来说，存在一个相关带·

考虑频率分别为f1和f2的两个信号的包络相关性。·

这种相关性可由两信号的相关系数（归一化的相关函数）得出。·考虑频率分别为f1和f2的两个信号的包络相关性。·

由图2.15可知，当两信号频率间隔增加时，相关系数减小，也就是信号的不一致性增加。图2.15相关系数曲线·由图2.15可知，当两信号频率间隔增加时，相关系数减小·将信号包络相关系数等于0.5时所对应的频率间隔定义为相关带宽Bc，即 （2.25）·实际应用中，常用最大时延Tm的倒数来规定相关带宽，即 （2.26）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。·将信号包络相关系数等于0.5时所对应的频率间隔定义为相关带2.4多径信道电波传播损耗模型

·

设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强或接收信号中值。·

这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。2.4多径信道电波传播损耗模型2.4.1奥村模型·

该模型的特点是：以大城市地区准平坦地形的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。2.4.1奥村模型·该模型的特点是：以大城市地区准平·

Okumura模型中大城市地区准平坦地形的中值路径损耗（dB）由下式给出

（2.27）

Lbs为自由空间路径损耗（dB）。Am(f,d)为大城市地区当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对自由空间的中值损耗。又称为基本中值损耗。H