移动通信：第三章-电波传播

上节课的主要内容自由空间传播损耗

dB、dBm及dBw的概念及区别视线传播距离

大气折射及对d值的修正障碍物的影响与绕射损耗菲涅尔余隙(障碍物顶点与直线TR间的距离)。第一菲涅尔半径2/6/20231信息与通信工程系上节课的主要内容自由空间传播损耗

dB、dBm及dBw的概念及区别视线传播距离

大气折射及对d值的修正障碍物的影响与绕射损耗菲涅尔余隙(障碍物顶点与直线TR间的距离)。第一菲涅尔半径2/6/20232信息与通信工程系最大时延

上节课的主要内容多径时散

平均时延

时延扩展码间串扰（ISI--IntersymbolInterference）要求降低信号的传输速率从频域看，产生频率选择性衰落。相关带宽

要求信号的带宽必须小于相关带宽。陆地移动信道场强估算方法---Okumura模型

地形、地物分类中等起伏地形市区上传播损耗的中值2/6/20233信息与通信工程系任意地形、地区的传播损耗中值LA陆地移动信道场强估算方法---Okumura模型

任意地形、地区接收信号的功率中值PPC上节课的主要内容其他移动信道的传播特点建筑物的穿透损耗限定空间中的电波传播海上、航空及卫星通信移动信道的特点2/6/20234信息与通信工程系第三章移动信道的传播特性3.1VHF、UHF电波传播特性3.2移动信道的特征3.3陆地移动信道的场强估算3.4其他移动信道的传播特点本章内容2/6/20235信息与通信工程系3.1VHF、UHF电波传播特性3.1.1电波传播方式3.1.2直射波3.1.3大气中的电波传播3.1.4障碍物的影响与绕射损耗3.1.5反射波

2/6/20236信息与通信工程系3.1.1电波传播方式移动通信系统使用频段150MHz

(VHF：30~300MHz)450MHz、900MHz(UHF：300~3000

MHz)传播路径直射波---视距传播反射波地表面波移动信道：多径衰落发射天线接收天线直射波反射波地表波2/6/20237信息与通信工程系上节课的主要内容自由空间传播损耗

自由空间均匀无损耗的无限大空间各向同性(即无方向性)电导率为零,相对介电常数和相对磁导率恒为1。（等于真空介电常数和磁导率）

2/6/20238信息与通信工程系3.1.2直射波自由空间中，不存在电波的反射、折射、绕射、色散及吸收等现象。自由空间均匀无损耗的无限大空间各向同性(即无方向性)电导率为零,相对介电常数和相对磁导率恒为1。（等于真空介电常数和磁导率）

2/6/20239信息与通信工程系3.1.2直射波自由空间传播d接收点的电波功率密度dPT有效接收面积2/6/202310信息与通信工程系3.1.2直射波自由空间传播(2)d接收功率()设：2/6/202311信息与通信工程系3.1.2直射波自由空间传播损耗

或接收功率应用：FDD系统中上行下行频率差值设计考虑GSM系统：上行频率890~915MHZ

下行频率935~960MHZIS-95CDMA系统：上行频率824~849MHZ

下行频率869~894MHZ2/6/202312信息与通信工程系dB、dBm及dBw的概念及区别dB（分贝）：描述（功率）相对比值的单位。

dB=10lg(功率比)

dB是相对单位，不能表示功率的绝对电平值。3.1.2直射波补充知识:2/6/202313信息与通信工程系dBm（分贝毫瓦）：描述功率绝对值的单位。

dBm=10lg(功率值/1mw)

dBm是相对于1mw功率电平的绝对值。

1mw=0dBm2mw=3dBm10mw=10dBm20mw=13dBm40mw=16dBm3.1.2直射波2/6/202314信息与通信工程系dBw（分贝瓦）：描述功率绝对值的单位。

dBw=10lg

(功率值/1w)

dBw是相对于1w功率电平的绝对值。

1w=0dBw=30dBm2w=3dBw=33dBm40w=16dBw=46dBm3.1.2直射波2/6/202315信息与通信工程系3.1.3大气中的电波传播则1.视线传播距离视线传播距离可由右图计算天线高度分别为ht

和hr式中，ht、hr的单位是m，d的单位是km视线传播的极限距离d为2/6/202316信息与通信工程系3.1.3大气中的电波传播

实际系统中，考虑大气的不均匀性对电波传输的影响，将会产生折射现象，折射引起电波在传播方向上发生弯曲。工程上,通常用“地球等效半径”来等效。如下式2.大气折射及对d

值的修正式中,k为地球等效半径系数,R0

为地球实际半径,Re是等效半径。2/6/202317信息与通信工程系3.1.3大气中的电波传播在标准大气压条件下，视线传播距离修正为:式中，ht、hr

的单位是m

，d

的单位是km2/6/202318信息与通信工程系3.1.4障碍物的影响与绕射损耗

在实际情况下,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。障碍物与发射点和接收点的相对位置2/6/202319信息与通信工程系3.1.4障碍物的影响与绕射损耗菲涅尔余隙：障碍物顶点与直线TR间的距离。第一菲涅尔半径

绕射损耗与菲涅尔余隙及第一菲涅尔半径的比值有关。2/6/202320信息与通信工程系3.1.4障碍物的影响与绕射损耗2/6/202321信息与通信工程系3.1.4障碍物的影响与绕射损耗例3-1

设如图所示的传播路径中，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。2/6/202322信息与通信工程系3.1.4障碍物的影响与绕射损耗第一菲涅尔半径x1为由图查得附加损耗（）为17dB，故,电波传播的损耗L为：[L

]=[Lfs]+17=116.5dB解：自由空间传播损耗为

2/6/202323信息与通信工程系hthrd1d23.1.5反射波当f>150MHz时,(反射波与入射波相差180°)反射系数水平极化波：垂直极化波：2/6/202324信息与通信工程系3.1.5反射波附加路径附加相移接收信号场强2/6/202325信息与通信工程系3.2移动信道的特征3.2.1传播路径与信号衰落3.2.2多径效应与瑞利衰落3.2.3慢衰落特性和衰落储备3.2.4多径时散与相关带宽2/6/202326信息与通信工程系3.2.1传播路径与信号衰落假设反射系数（镜面反射）,则合成场强为2/6/202327信息与通信工程系3.2.2多径效应与瑞利衰落

陆地移动信道中,移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响,以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。2/6/202328信息与通信工程系3.2.2多径效应与瑞利衰落则发射信号为第

i路信号多普勒频移值为则第i路信号可写成令接收信号为2/6/202329信息与通信工程系3.2.2多径效应与瑞利衰落假设N路信号幅值和到达接收天线方位角是随机的，且统计独立，则接收信号为其中：进一步，2/6/202330信息与通信工程系3.2.2多径效应与瑞利衰落

所收到信号幅度发生变化（衰落），且服从瑞利分布(RayleighDistribution)。故称这种衰落为瑞利衰落。2/6/202331信息与通信工程系3.2.2多径效应与瑞利衰落瑞利分布的概率密度2/6/202332信息与通信工程系

衰落信号特征：（1）时，出现最大值。（2）包络的期望值（均值）中值：累积分布概率为50%时的包络值，即满足下式的值：（3）包络的中值为3.2.2多径效应与瑞利衰落rP(r)2/6/202333信息与通信工程系

（5）包络低于某值概率3.2.2多径效应与瑞利衰落（4）包络的均方值为按同样方法，可计算包络大于或小于指定电平的概率。2/6/202334信息与通信工程系3.2.2多径效应与瑞利衰落2/6/202335信息与通信工程系3.2.3慢衰落特性和衰落储备信号中值随时间、地点作缓慢变化，称为慢衰落，近似服从对数正态分布(LognormalDistribution)。此外，由于大气折射率的平缓变化使得同一地点处所收到的信号中值随时间作缓慢变化。这种慢衰落常忽略不计。为了防止因衰落引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。慢衰落特性衰落储备2/6/202336信息与通信工程系3.2.3慢衰落特性和衰落储备频率f/MHz可通率TT=1-R2/6/202337信息与通信工程系上节课的主要内容

dB、dBm及dBw的概念及区别视线传播距离d;大气折射及对d值的修正障碍物的影响与绕射损耗菲涅尔余隙(障碍物顶点与直线TR间的距离)。第一菲涅尔半径多径时散

平均时延

时延扩展最大时延

码间串扰（ISI--IntersymbolInterference）要求降低信号的传输速率相关带宽

从频域看，产生频率选择性衰落。要求信号的带宽必须小于相关带宽。2/6/202338信息与通信工程系上节课的主要内容

dB、dBm及dBw的概念及区别视线传播距离d;大气折射及对d值的修正障碍物的影响与绕射损耗菲涅尔余隙(障碍物顶点与直线TR间的距离)第一菲涅尔半径多径时散

平均时延

时延扩展最大时延

dBm=10lg(功率值/1mw)dBw=10lg(功率值/1w)2/6/202339信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽1.多径时散因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散。多径时散在时域上将造成数字信号波形的展宽。2/6/202340信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽多径时延信号包络2/6/202341信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽平均时延：多径时延信号包络E（t）的均值（一阶矩）。时延扩展：多径时延信号包络E（t）的均方差值。最大时延：包络电平下降30dB时测定的时延值。2/6/202342信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽450MHz频段多径时散参数典型值思考题:为什么市区的值大于郊区的值?2/6/202343信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽为避免码间串扰的产生，要求信号的传输速率必须比低。造成前后数字信号波形的重叠

---码间串扰（ISI--IntersymbolInterference）多径时散的后果

2/6/202344信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽2.相关带宽从频域看，多径传播会导致信号产生频率选择性衰落（信道对不同频率的信号有不同的响应）。Si(t)So(t)He(jw)2/6/202345信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽频率选择性衰落2/6/202346信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽工程上，相关带宽可按下式估算：频率选择性衰落对信号的影响可用相关带宽Bc

来描述。相关带宽：相邻场强为最小值的频率间隔。式中，为时延扩展。2/6/202347信息与通信工程系3.2.4多径时散与相关带宽

为不引起明显的频率选择性衰落，要求信号的带宽必须小于相关带宽。

2/6/202348信息与通信工程系3.3陆地移动信道的场强估算3.3.1陆地移动信道场强估算方法

---Okumura模型3.3.2地形、地物分类3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值3.3.4不规则地形上传播损耗的中值3.3.5任意地形地区的传播损耗的中值2/6/202349信息与通信工程系

3.3.1陆地移动信道场强估算方法

由于移动通信环境的复杂性和多变性，对移动台接收的场强进行精确计算困难，工程上常采用估算方法。陆地移动信道场强估算方法Okumura模型Okumura-Hata模型COST-231-Hata模型CCIR模型LEE模型WIM（COST231-Walfisch-Ikegami）模型2/6/202350信息与通信工程系3.3.1陆地移动信道场强估算方法Okumura模型也称电波传播损耗的图表预测法，是根据Okumura在东京地区进行大量实测数据得出的。通过大量的传播实验，利用统计的办法找出各种地形、地物条件下的传播损耗（或接收场强）和距离、频率、天线高度间的关系，绘制出电波传播特性的计算图表，根据这些图表可以方便地对接收场强进行预测。2/6/202351信息与通信工程系

3.3.1陆地移动信道场强估算方法各模型的适用条件（一）Okumura模型频率：150-1500MHz小区半径>1Km（宏蜂窝）基站天线有效高度：30-200m移动台天线有效高度：1-10mOkumura-Hata模型Okumura的解析模型（根据测试数据，统计分析得出的经验公式）2/6/202352信息与通信工程系微微小区：小区半径

r

<0.1km(办公室、家庭)微小区：小区半径r

=

0.1~1km

(城市繁华区)宏小区：小区半径r

=

1~20km

(高速、稠密区)超小区：小区半径r

>20km

(农村)2/6/202353信息与通信工程系

3.3.1陆地移动信道场强估算方法Okumura-Hata模型对中小城市对大城市2/6/202354信息与通信工程系

3.3.1陆地移动信道场强估算方法Okumura-Hata模型(续)对郊区对开阔农村2/6/202355信息与通信工程系

3.3.1陆地移动信道场强估算方法各模型的适用条件（二）COST(EuropeanCooperativeforScientificandTechnicalresearch)-231-Hata模型频率：1500-2000MHz小区半径>1Km移动台天线有效高度：1-10m基站天线有效高度：30-200mCCIR模型频率：150-2000MHz小区半径>1Km（宏蜂窝）基站天线有效高度：30-200m移动台天线有效高度：1-10m2/6/202356信息与通信工程系

3.3.1陆地移动信道场强估算方法各模型的适用条件（三）LEE模型频率：450-2000MHz宏蜂窝：小区半径>1Km微蜂窝（分LOS、NLOS）WIM模型频率：800-2000MHz小区半径：0.02-5Km（分LOS、NLOS）基站天线有效高度：4-50m移动台天线有效高度：1-3m

2/6/202357信息与通信工程系3.3.2地形、地物分类中等起伏地形不规则地形1.地形的分类2/6/202358信息与通信工程系3.3.2地形、地物分类1.地形的分类•中等起伏地形地面起伏高度不超过20m，起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。•不规则地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。2/6/202359信息与通信工程系3.3.2地形、地物分类2.地物（或地区）分类按照地物的密集程度不同可以分为三类地区:•开阔地在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等•郊区在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，如有少量的低层房屋或小树林等•市区有较密集的建筑物和高层楼房2/6/202360信息与通信工程系3.3.2地形、地物分类基站

若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga，则定义基站天线的有效高度为

若传播距离不到15km，hga是3km到实际距离之间的平均海拔高度。3.天线的有效高度2/6/202361信息与通信工程系3.3.2地形、地物分类移动台移动台天线有效高度hm：天线在当地地面上的高度。2/6/202362信息与通信工程系3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值1.市区传播损耗中值•在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准。

—基准中值或基本中值•传播损耗取决于传播距离d、工作频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm等。•在大量实验、统计分析的基础上，作出传播损耗基本中值的预测曲线。2/6/202363信息与通信工程系3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值中等起伏地上市区基本损耗中值Am(f,d)---大于自由空间传播损耗的数值中等起伏地上市区基本损耗中值2/6/202364信息与通信工程系3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值2.天线高度增益因子基站如果基站天线高度不是200m，则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb(hb,d

)来表示。2/6/202365信息与通信工程系3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值移动台移动台天线高度不是3m时，需用移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)加以修正。2/6/202366信息与通信工程系3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值3.街道走向修正因子ka•市区的场强中值还与街道走向（相对于电波传播方向）有关。•纵向路线（与电波传播方向平行）的损耗中值明显小于横向路线（与传播方向相垂直）的损耗中值。•沿建筑物形成的沟道有利于无线电波的传播（称为沟道效应）。2/6/202367信息与通信工程系4.中等起伏地形市区传播损耗中值LT3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值若需要考虑街道走向时，还应加上纵向或横向路的修正值。2/6/202368信息与通信工程系5.中等起伏地市区接收信号的功率中值PPP0——自由空间传播条件下接收信号的功率Am(f,d)——中等起伏地市区的基本损耗中值Hb(hb,d)——基站天线高度增益因子Hm(hm,f)——移动天线高度增益因子

3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值2/6/202369信息与通信工程系6.郊区修正因子kmr•郊区的建筑物一般是分散的、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子。•郊区场强中值大于市区场强中值。3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值2/6/202370信息与通信工程系7.开阔地、准开阔地修正因子Q0(Qr)•开阔地、准开阔地（开阔地与郊区间的过渡区）传播条件优于市区•为了求出郊区、开阔区及准开阔区的损耗中值，应先求出相应的市区传播损耗中值，再减去由图查得的修正因子。3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值2/6/202371信息与通信工程系3.3.4不规则地形上传播损耗的中值1.丘陵地修正因子kh

(khf

)

丘陵地的地形参数用地形起伏高度Δh表示。

Δh定义：自接收点向发射点延伸10km的范围内，地形起伏的90%与10%的高度差。2/6/202372信息与通信工程系3.斜波地形修正因子ksp3.3.4不规则地形上传播损耗的中值2.孤立山岳修正因子kjs2/6/202373信息与通信工程系3.3.4不规则地形上传播损耗的中值4.水陆混合路径修正因子ks2/6/202374信息与通信工程系3.3.5任意地形地区的传播损耗的中值其中，LT为中等起伏地市区传播损耗中值,且1.任意地形、地区的传播损耗中值LAKT为地形、地物修正因子2/6/202375信息与通信工程系地形、地物修正因子

KT

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3.3.5任意地形地区传播损耗中值2/6/202376信息与通信工程系3.3.5任意地形地区传播损耗中值其中,PP

为中等起伏地市区接收信号的功率中值,且2.任意地形、地区接收信号的功率中值PPC2/6/202377信息与通信工程系3.3.5任意地形地区传播损耗中值Okumura模型的特点与不足•Okumura模型对地形、地物进行分类，使用完全客观的实验数据使其能在相应的环境下获得较准确的预测，因此得到广泛的应用。•完全基于测试数据，不提供任何分析解释。•许多情况通过外推曲线来获得测试范围以外的值，尽管这种外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑性。•模型本身也有不足，如对地形的定性划分不可避免地导致对通信环境的主观判断。•对城区和郊区快速变化的反应较慢。2/6/202378信息与通信工程系3.4其他移动信道的传播特点背景•随着移动通信业务的发展，移动通信的服务范围也日益扩大。•在陆地、海上和空中都获得了广泛应用，正逐步由-室外扩展到室内（如办公室、住宅、车间、商场等）-从地上扩展到地下（如地铁、坑道、隧道、矿井等）-从中小城市扩展到边远地区（如矿山、林区、沙漠、草原等）•要在不同环境中实现移动通信，首先必须了解无线电波在该环境中的传播方式和传播特性。2/6/202379信息与通信工程系3.4其他移动信道的传播特点3.4.1建筑物的穿透损耗3.4.2限定空间中的电波传播3.4.3海上、航空及卫星通信移动信道的特点2/6/202380信息与通信工程系3.4.1建筑物的穿透损耗•无论哪种通信系统只要无线电波要穿过墙壁或楼板才能通信时，就必定存在电波的穿透损耗，即建筑物的穿透损耗。•人们对电波由建筑物外部进入室内的穿透损耗进行了大量的测试和研究。通常规定，用建筑物附近道路中央的场强与在室内不同楼层中测得的场强之差表示此穿透损耗。•主要与楼层的高低有关。2/6/202381信息与通信工程系3.4.1建筑物的穿透损耗2/6/202382信息与通信工程系3.4.1建筑物的穿透损耗多层楼房内设置基站的专用移动通信系统-室内建筑物的结构多种多样-所用天线的型式与架设地点各不相同很难确定一种统一的穿透损耗作为通系统设计的依据。2/6/202383信息与通信工程系1.直放站（同频中继放大器）2.微蜂窝系统3.分布式天线系统（室内、限定空间）

同轴馈电式、光纤馈电式、泄漏电缆4.直放站+分布式天线系统改善城市弱信号及盲区覆盖的方法3.4.1建筑物的穿透损耗2/6/202384信息与通信工程系3.4.1建筑物的穿透损耗功分器同轴/光纤馈电式泄漏电缆分布式天线系统2/6/202385信息与通信工程系3.4.2限定空间中的电波传播•解决办法：用导波线传输方式。•常见的导波线：

平行双导线泄漏同轴电缆•限定空间：无线电波不能穿透的场所。

在限定空间中，因为电波的传播损耗很大，因而通信距离很短。2/6/202386信息与通信工程系3.4.2限定空间中的电波传播隧道内传输损耗特性2/6/202387信息与通信工程系