移动通信秋移动T

大尺度传播特性大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之间(T-R)长距离(几千米、数百波长量级)上的场强变化。小尺度传播特性小尺度传播模型:描述短距离(数十波长以下量级)内的接收场强的传播模型。统计特性主要参数本章主要讨论以下问题：现在是1页\一共有53页\编辑于星期二第2

页移动环境的电波分析

——移动通信的信道为典型的变参信道，对移动体的接收信号分析，应考虑电波传播的一般性和特殊性。

——按点对点的无线电波传播

分析接收点的信号情况(路径)，以及考虑移动环境对电波的影响两方面结合进行分析。现在是2页\一共有53页\编辑于星期二第3

页2.1陆地无线电波传播特性当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和UHF，即150MHz，450MHz、900MHz和1800MHzVHF和UHF电波传播方式：直射波、反射波、绕射波和散射波等，2.1.1电波传播方式现在是3页\一共有53页\编辑于星期二第4

页2.1.2直射波传播方式

采用模型：自由空间传播模型（真空的电波传播模型）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 大气层是各向同性的均匀媒质 电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1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，电波的传播速率等于真空中光速C现在是4页\一共有53页\编辑于星期二第5

页1自由空间情况接收点的信号功率PR

设发射点为点源天线，辐射功率为PT，见图示A点 功率密度：SA＝PT/4πd2

设发射点天线增益为GT，则在最大辐射方向上的功率密度： S’A＝PTGT/4πd2设发射点和接收点天线增益分别为GT和GR，ARE接收天线有效面积现在是5页\一共有53页\编辑于星期二第6

页2自由空间的传播损耗

设GT＝GR＝1得：定义：

LS

——自由空间传播损耗以dB计，得到：3自由空间的电波传播方程[PR]=[PT]+[GT]-[LS]+[GR]以dBm计（电平表示）：现在是6页\一共有53页\编辑于星期二第7

页2.1.3大气中的电波传播

1大气折射大气层中大气折射率随高度是变化的，使电波射束会发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dn/dh.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。标准大气情况下，等效地球半径系数k=4/3。地球实际半径是6370km,地球等效半径为8500km。大气折射的结果：电波的视距传播会超过极限视距。现在是7页\一共有53页\编辑于星期二第8

页2

视距传播的极限距离已知地球半径为R

=

6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR（单位为m），理论上可得视距传播的极限距离d0为:在标准大气折射情况下，等效地球半径R

=

8500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为现在是8页\一共有53页\编辑于星期二第9

页电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。直射波和反射波会形成干涉。2.1.4反射波

反射波与直射波的行距差为：

式中：d＝d1＋d2现在是9页\一共有53页\编辑于星期二第10

页当T－R

距离d

>>(ht+hr)时，上式可采用泰勒级数进行近似简化：由Dd引起的附加相移为：接收点合成场强为：设接收点：直射波场强E0， 反射系数Re-jp;R≤1；反射波场强:E0Re-jDj 令:V=ET/E0

=1+Re-jDj衰落因子现在是10页\一共有53页\编辑于星期二第11

页结论：

(1)选择hT和hR

高度时使∆d≠n,

即Δ≠(2n＋1)π

(2)选择弱反射区，反射系数|R|<1

V=ET/E0

现在是11页\一共有53页\编辑于星期二第12

页2.1.5绕射损耗在传播途中，电波可以绕射传播到阻挡物的后面。绕射可用惠更斯-菲涅尔原理解释一个振动源在波前上的所有点可作为产生二次波的点源，由二次波组合起来形成传播方向上新的波前。当电波到达阻挡物的边缘时，由二次波的传播进入阴影区。定义波前由一系列菲涅尔区构成：菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为λ/2，则两条路径的相位差为。相邻费区面积近似相等。从连续费涅尔区传播出去的二次波对总的接收信号交替产生增加和减小合成信号的作用。现在是12页\一共有53页\编辑于星期二绕射损耗的计算——根据菲涅尔绕射理论，障碍物附加损耗[L’]dB和相对余隙的关系曲线,可通过曲线计算绕射损耗。X——余隙X1——第一费涅尔区半径X/X1——相对余隙第13

页接收点的信号功率：[PR]=[PT]+[GT]-[LS]-[L’]+[GR]——电波在途经障碍物时引起的附加损耗。定义：x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正。

负余隙正余隙现在是13页\一共有53页\编辑于星期二例：求如图情况的绕射损耗。解：由x＝0，查图[L’]=6dB

总损耗:[LT]≈[Ls]+[L’][Ls]=32.4+20lg[d(km)]+20lg[f(MHz)]dB如图当x＜0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。当相对余隙x/x1>0.5,则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。[L’]≈0,

可按直射和反射波干涉分析第14

页现在是14页\一共有53页\编辑于星期二第15

页2.2移动信道的多径传播特性2.2.1传播路径与信号衰落移动通信中，移动台周围环境复杂，传输信道的特性随时随地变化，移动信道是典型的变参信道。在VHF、UHF移动信道中，移动台接收到的是直射波、地面反射波和经各种障碍物反射波（散射波）的合成信号。信号电平的变动范围可达30~40dB。见图示。信号瞬时值局部信号中值现在是15页\一共有53页\编辑于星期二第16

页1多径传播和快衰落多经效应——多条反射波通过各个路径到达接收点，距离不同，因而到达时间和相位也就不同。各信号在接收端叠加，信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。多径快衰落——由于多径现象引起的接收信号的幅度产生快速和大幅度的变化，称为多经快衰落。多径效应的主要原因——是由移动台周围的近端区域内的物体造成的反射。2.2.2多径效应与瑞利衰落现在是16页\一共有53页\编辑于星期二第17

页2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。由此引起的附加频移称为多普勒频移（DopplerShift）。即：

fm最大多普勒频移。朝向入射波方向移动－>多普勒频移为正值；被向入射波方向移动－>多普勒频移为负值。

例：900MHz，v=50km可得：是=0.33m;fm=41.7Hz处于运动之中的移动台的接收信号可以表示为——频率的弥散现在是17页\一共有53页\编辑于星期二第18

页3 多径接收信号的统计特性假设条件：（1）在发信机与收信机之间没有直射波通路；（2）有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，且在0～2内均匀分布；（3）各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。在离基站较远、反射物较多的地区，接收信号可以表示为：结论：接收到的信号振幅包络r服从瑞利分布，也称为瑞利衰落。接收信号的相位q

服从0～2的均匀分布.现在是18页\一共有53页\编辑于星期二第19

页接收信号的相位q

服从0～2的均匀分布

即概率密度：接收信号包络

r

服从瑞利分布，即概率密度：结论：——由于多经效应，在输入N个多径信号是相互独立且没有一个信号占支配地位情况，接收到的信号振幅包络服从瑞利分布，也称为瑞利衰落。（σ为方差）——移动通信的信道也称为瑞利信道。现在是19页\一共有53页\编辑于星期二第20

页4 瑞利分布的几个统计特性均值：中值r中：均方值（平均功率）：现在是20页\一共有53页\编辑于星期二第21

页

同理，归一化信号包络r/σ低于某一指定值k的概率为：现在是21页\一共有53页\编辑于星期二第22

页5 有较强直射波情况的多经分析结果理论上可以推出，当到达接收点的多路径信号中存在一条信号较强的直射波分量或主要的静态(非衰落)信号分量时，接收信号包络服从莱斯分布。——式中，r

是衰落信号的包络；A0为直射波信号的幅度；s

为r的方差，I0为零阶修正贝塞尔函数；令参数b0=A0/s概率密度：现在是22页\一共有53页\编辑于星期二当主要分量减弱后，莱斯分布退化为瑞利分布！当主要分量很强时，莱斯分布将趋进高斯分布当小区半径在1km以内或室内无线电波传播时，常服从于莱斯分布。第23

页b0=A0/s现在是23页\一共有53页\编辑于星期二6Nakagami-m分布由Nakagami在20世纪60年代提出基于现场测试的实验方法；用曲线拟合得到近似分布的经验公式

对无线信道的描述有很好的适应性，参数m取不同值时对应不同分布，更具广泛性：

当m＝1时，退化为瑞利分布。

当m较大时，接近于高斯分布。现在是24页\一共有53页\编辑于星期二第25

页阴影效应—— 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物 等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。阴影衰落—— 移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时， 接收信号场强中值会发生缓慢变化，即称为 阴影衰落。也称为慢衰落，或称位置衰落， 地形衰落。 慢衰落速率——主要决定于移动台周围地形，基站天线的 位置与高度，移动台行进速度等，而与工作 频率无关。 慢衰落的深度——即接收信号局部中值电平变化的幅度取 决于信号频率与障碍物状况。1阴影效应和慢衰落

2.2.3慢衰落特性和衰落储备现在是25页\一共有53页\编辑于星期二第26

页慢衰落服从的分布——对实测数据的统计分析表明，接收信号的局部中值r

在市区或郊区近似服从对数正态分布，即以dB表示的信号电平服从正态分布，其概率密度函数为：式中:r

为信号中值(dB)，

m为信号中值

r

的期望值（dB)——s为标准偏差，取决于测试区的地形地物、工作频率等因素。2慢衰落的统计特性现在是26页\一共有53页\编辑于星期二衰落储备通信中断率R——为防止因衰落引起通信的中断，在信道设计中，必须使信号电平留有足够的余量，以使通信中断率R小于规定的指标，该余量称为衰落储备。通信概率（可靠性，也称可通率）T——指MS在覆盖区内进行满意通话时的成功概率，T=1-R

。例：设接收机在小区边缘时的通信概率为50%，则表示仅能在小区边缘上的一半区域或时间能正常通信，此时衰落储备为零；若设计使接收机在小区边缘的通信概率提高至90%，则衰落储备：在市区，f=450MHz时，查表得11.5dB。提高接收信号可靠性的方法提高发射机的输出功率提高接收机的灵敏度第27

页现在是27页\一共有53页\编辑于星期二2.2.4时延扩展与相关带宽第28

页1 时延扩展移动信道由于多径效应，信号在时域上、频域上和空间（角度）上都会产生交叠，使信号产生衰落失真。——多径效应在时域上引起信号的时延扩展，使得接收信号的时域波形展宽——会引起码间干扰a0d(t)时延扩展的大小——可以直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延差t，时延扩展记为△。现在是28页\一共有53页\编辑于星期二实测发射窄脉冲时接收机接收到的信号波形图t是随机量，由不同时延信号分量的平均功率构成时延功率谱P(t)——归一化时延谱曲线

tm：平均时延，P(τ)的一阶矩D：时延扩展，P(τ)的二阶中心矩，均方根值Tm：最大时延：当信号强度下30dB时测定的时延值。第29

页不同时延t的信号相对功率密度图现在是29页\一共有53页\编辑于星期二各个地区的时延扩展值由实测得到，典型值见下表第30

页现在是30页\一共有53页\编辑于星期二2相关带宽第31

页频率选择性衰落——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。平坦衰落——是指信号中各分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。移动信道由于多径现象将导致信号频率衰落，当信号的带宽小于相关带宽时，发生平坦衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。由推导可得相关带宽：Bc≈1/(2pD)定义：指一特定频率范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性

即在此范围内的所有频率分量几乎具有相同的增益及线性相位。频率选择性衰落与非频率选择性衰落（平坦衰落）现在是31页\一共有53页\编辑于星期二第32

页相关带宽：Bc≈1/(2pD)例市区D=3usBc=1/(2pD)=53kHz衰落信号中的两个频率分量，当其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性；当频率间隔大于相关带宽时，它们就不相关了，其衰落具有不一致性。平坦衰落选择性衰落现在是32页\一共有53页\编辑于星期二第33

页时延扩展的影响，由信道和信号两方面决定信号带宽小于信道相关带宽

Bs<Bc平坦衰落信号带宽远大于信道相关带宽

Bs>>Bc频率选择性衰落数字通信系统码间干扰现在是33页\一共有53页\编辑于星期二第34

页综合以上分析，移动信道的电波传播，考虑到传播路径的衰减、阴影衰落和多经衰落等的影响，接收信号功率可表示为：

P(d)=|d|-a×S(d)×R(d)式中:第一项：|d|-a——信号功率与距离d的负a次方成正比；表示了传播距离对接收信号的影响。a一般为2～6。第二项：S(d)——阴影衰落，表示了由于传播环境中的地形起伏、建筑物等因素对接收信号的影响。第三项：R(d)——多径衰落，表示了由于移动传播环境的多径效应对接收信号的影响。多径衰落是移动信道特性中最具有特色的部分。

2.3移动信道的电波衰落现在是34页\一共有53页\编辑于星期二

——由分析表明：在不同的环境情况，路径传播损耗可表示为L≈kda，a为路径损耗指数，例如：在自由空间情况，Ls＝(4pd/l)2

=kd2，a＝

2；

在较宽阔的宏区情况，a≈3～4；

而在室内或微小区结构等一般情况，

a的范围为2～6；

路径传播损耗L可通过预测或实测的方法得到：第35

页路径传播损耗L现在是35页\一共有53页\编辑于星期二陆地移动传播特性图示：

长区间中心值随与基站的距离变化而变化，其衰减特性一般服从d

−a规律。第36

页现在是36页\一共有53页\编辑于星期二陆地移动传播特性图示：

在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，这就是多径衰落引起的，又称为快衰落。第37

页现在是37页\一共有53页\编辑于星期二陆地移动传播特性图示：

在数百波长的区间内，信号的短区间中心值也出现缓慢变动的特征，这就是阴影衰落。第38

页现在是38页\一共有53页\编辑于星期二2.4电波传播损耗预测模型第39

页设计无线通信系统时，首要问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强或者接收信号的中值。工程中的求解模型的方法:

1、大量的场强测试

2、通过数据处理，找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率及天线高度的关系，给出传播特性的各种图表和计算公式，建立电波传播预测模型。模型建立的方法

1、它是先以自由空间传播为基础

2、再分别考虑各种地形、地物对电波传播的影响

3、并逐一予以必要的修正预测目标：中值损耗=自由空间损耗+地形损耗+修正现在是39页\一共有53页\编辑于星期二2.4.1地形环境分类1．地形的定义地形——即中等起伏地形和不规则地形，以中等起伏地形作传播基准。（1）地形波动高度△h△h——沿通信方向，距接收点10km范围内的地形波动，在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度。第40

页现在是40页\一共有53页\编辑于星期二定义：基站天线有效高度hb——沿电波传播方向，距基站天线3～15km范围内平均地面高度以上的天线高度。移动台天线有效高度hm——移动台天线距地面的实际高度。（2）天线有效高度第41

页现在是41页\一共有53页\编辑于星期二2．地形分类实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。（1）准平坦地形 指该地区的地形波动高度在20m以内，而且起伏缓慢。（2）不规则地形 指除准平坦地形之外的其它地形，如丘陵地形、孤立山峰、倾斜地形、水陆混合地形等。第42

页现在是42页\一共有53页\编辑于星期二3．传播环境分类（1）开阔地区——电波传播方向上没有建筑物或高大树木等障碍物的开阔地带。如平原地区的农村。（2） 郊区——有一至二层的楼房，但分布不密集。如城市外围以及公路网。（3） 中小城市地区——建筑物较多，有商业中心。但高层建筑较少，街道也较宽。（4） 大城市地区——建筑物密集，街道较窄，高层建筑较多。第43

页现在是43页\一共有53页\编辑于星期二2.4.2奥村模型（Okumura）Okumura模型适用条件：1．f为100～1500MHz；2．基站天线有效高度hb为30～200米；3．移动台天线高度hm为1～10米；4．通信距离d为1～20km。Okumura模型特点：

以准平坦（中等起伏）地形的大城市市区（基站有效天线高度hb为200米，移动天线高度hm为3米）的路径损耗中值（或场强中值）为基础,因而被称为基准中值预测。其它天线高度、地形、环境，则需加校正因子。第44

页现在是44页\一共有53页\编辑于星期二

计算式： [LT

]=[Ls]+[Am(f,d)]−[Hb(hb,d)]−[Hm(hm,

f)]第45

页1．准平坦地形大城市地区的中值路径损耗（基准中值预测）[LT]——基准中值损耗[Ls]

——自由空间路径损耗

[Am]——为中等起伏地形市区，基站天线高度为200m,移动台天线高度为3m时相对于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗；

[Hb(hb,d)]、[Hm(hm,f)]为天线高度增益因子。 例：Am(450,20)≈30.5dB现在是45页\一共有53页\编辑于星期二 [LT

]=[Ls]+[Am(f,d)]−[Hb(hb,d)]−[Hm(hm,

f)]

第46

页[Hb(hb，d)]

为基站天线高度增益因子（dB），即实际基站天线高度相对于以标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函数。例：[Hb(70,20)]=-10dB返表2现在是46页\一共有53页\编辑于星期二 [LT

]=[LS]+[Am(f,d)]−[Hb(hb,d)]−[Hm(hm,

f)]

第47

页[Hm(hm，f)]

为移动台天线高度增益因子（dB），即实际移动台天线高度相对于以标准天线高度hm=3m的增益，为频率的函数。[Hm(1.5,

450)]=-3dB返表3现在是47页\一共有53页\编辑于星期二（1）市区街道走向的修正因子第48

页

[Kal

]

——纵向修正因子，纵向路线(与电波传播方向相平行)[Kac]——横向修正因子，横向路线(与电波传播方向相垂直)[LA

]=[LT

]-

[Kal

]（

[Kac]）2 准平坦地形其他情况的几个修正因子现在是48页\一共有53页\编辑于星期二（2）郊区和开阔地的修正因子第49

页[Kmr]——郊区修正因子；[Q

]——开阔地修正因子 [LA

]=[LT

]-

[Kmr

]-[Q

]现在是49页\一共有53页\编辑于星期二3

不规则地形上的修正因子第50

页以基准中值损耗作为基础，针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素，用修正因子加以修正(查图表），就可得到不规则地形及不同环境中的中值路径损耗。[Kh

]——丘陵地形修正因子；[Ksp]——斜坡地形修正因子；[Ks]——水陆混合路径修正因子；[Kjs]——孤立山岳修正因子；修正因子表示式：

[KT]=[kmr]+[Q0(r)]+[kh]+[ksp]+[ks]+[kjs

]

（查图表）总的传播损耗中值：[LA]=[LT]－[KT]

＝

[Ls]+[Am(f,d)

]−[Hb(hb,d)

]−[Hm(hm,

f)]－[KT]现在是50页\一共有53页\编辑于星期二4

接收信号中值预测根据已得出的中值路径损耗，可求出移动台接收到的信号功率中值为:

[Pr]=[Pt]+[Gb]+[Gm]

－[LT]+[KT]式中：[Pr]——接收