第三章-移动信道的传播特性课件

无线电波传播特性移动信道特性陆地移动信道的传输损耗移动信道传播模型主要内容无线电波传播特性主要内容1引言信道分类恒参信道随参（变参）信道：移动通信信道移动通信使用频段（参考电磁波谱）：VHF（30-300MHz）、UHF（300-3000MHz）本章内容：在分析VHF、UHF频段电波在移动变参信道中的特性的基础上分析传播损耗的估算方法引言信道分类恒参信道随参（变参）信道：移动通信信道移动通信使2电磁波谱返回电磁波谱返回3一、无线电波传播特性电波传播方式一、无线电波传播特性电波传播方式4典型的传播通路典型的传播通路51、直射波自由空间传播损耗---从发送天线直接到达接收天线的电波定义：在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。式中，Pt为发射功率，以球面波辐射接收功率λ为工作波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离1、直射波自由空间传播损耗---从发送天线直接到达接收天线的6自由空间的传播损耗当Gt=Gr=1时，分贝式其中f以MHz为单位，d以km为单位接收换算自由空间的传播损耗当Gt=Gr=1时，分贝式其中f以MHz为7大气中的电波传播dn/dh<0，表示大气折射率n随着高度升高而减小，因而k>1，Re>R0标准大气：k=4/3，Re=8500千米大气折射

大气折射率不均匀，与高度有关（dn/dh的取值）

地球等效半径大气中的电波传播dn/dh<0，表示大气折射率n随着高度升高8视线传播极限距离视线传播极限距离9障碍物的影响与绕射损耗电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为绕射。由于平面波有一定的绕射能力，所以能够绕过高低不平的地面或有一定高度的障碍物，然后到达接收点。这也就是在障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因。电波的绕射能力与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，则绕射能力越弱。

障碍物的影响与绕射损耗电波在传播过程中有一定绕过障碍物的10负余隙正余隙负余隙正余隙11结论x/x1>0.577时，附加损耗为0dB即障碍物对直射波基本没有影响当x=0时，附加损耗为6dB当x<0时，损耗急剧增大结论x/x1>0.577时，附加损耗为0dB12反射波--电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。反射常发生于地表、建筑物的墙壁表面等。地表面波--沿着地球表面传播的电磁波，简称地表波。散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如对流层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收地点。反射波--电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,13散射波散射波14移动信道的特征移动信道的特征15陆地移动信道的传播损耗接收机输入电压复习复习

不同的地形、地物条件下移动信道的场强中值有不同的算法（估算）下面分别介绍接收场强与接收电压的关系移动信道的场强中值（即损耗中值）陆地移动信道的传播损耗接收机输入电压复习16接收机输入电压与输入功率图3.19接收机输入电压的定义～Us/2Ri=RsRsUsRi信号产生器接收机Us()＝20lg＝20lgUs+120而接收机输入功率PR为

返回若以dBm表示则为：

PR(dBm)＝10lgPR＝20lgUs-10lgR+24如图3.19所示，若把内阻为RS的高频信号发生器接到接收机输入端，若接收机输入电阻Ri与RS相等，即RS=Ri=R，则接收机输入端上的实际电压为信号源电压Us之半。但是接收机输入电压却定义为Us，亦即是信号发生器输出端的开路电压。在信道计算中，常以来表示电压，如果图中Us单位为伏，以表示时为接收机输入电压与输入功率图3.19接收机输入电压的定义～U17电场强度与电压移动通信系统中大多采用线天线，其接收的电场强度是指有效长度为1米的天线所感应的电压值，单位为V/m。为了求出半波振子所产生的电压，必须先求出其天线的有效长度。半波振子天线上的电流分布如图3.6所示呈余弦分布（点划线所示），中心馈电点电流最大。如果另有一个假设天线，它的电流分布是均匀的，而且等于半波振子天线电流的最大值，它形成图中虚线所示的矩形。如令矩形面积等于半波振子天线余弦曲线围绕的面积，则这个假设天线的长度就是半波振子天线的有效长度，计算结果等于λ/π。由半波振子感应电压Us等于天线有效长度与电场强度之乘积，即电场强度与电压移动通信系统中大多采用线天线，其接收的电场强度18因为半波振子的阻抗是73.1Ω，所以半波振子天线（简称半波天线）可以与一个电压为，内阻为73.1Ω的信号源相等效。而接收机的输入阻抗通常是50Ω，它们并不完全匹配，为此要加入一阻抗匹配网络，接收机输入端电压为如果场强用每米分贝微伏（）表示，电压用分贝微伏（），Us()＝E＋20lg-返回用开路电压表示为即上式中E单位为V/m，λ单位为米。则下式表示：因为半波振子的阻抗是73.1Ω，所以半波振子天线（简称半19一、地形、地物分类地形的分类与定义为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)，可将地形分为两大类，即中等起伏地形和不规则地形。所谓中等起伏地形是指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。以中等起伏地形作传播基准。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。一、地形、地物分类地形的分类与定义20①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；②郊区。在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等；③市区。有较密集的建筑物和高层楼房。地物的分类当然，上述三种地区之间都是有过渡区的，但在了解以上三类地区的传播情况之后，过渡区的传播情况就可以大致地估计出来。不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：①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21天线的有效高度由于天线架设在高度不同的地形上，天线的有效高度是

不一样的。（例如，把20m的天线架设在地面上和架设在几十层的高楼顶上，通信效果自然不同。）因此必须合理规定天线的有效高度。天线的有效高度由于天线架设在高度不同的地形上，天线的有效高度22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

hb=hts－hga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。移动台天线的有效高度hm总是指天线在当地地面上的高度。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23二、中等起伏地形上传播损耗的中值市区传播损耗的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，因而把它称作基准中值或基本中值。由电波传播理论可知，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，可作出传播损耗基本中值的预测曲线。二、中等起伏地形上传播损耗的中值市区传播损耗的中值24图3.23市区中等起伏地形上传播损耗的中值图3.2325如图3.23给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f,d)与频率、距离的关系曲线。图上，纵坐标刻度以dB计，是以自由空间的传播损耗为0dB的相对值。换言之，曲线上读出的是基本损耗中值大于自由空间传播损耗的数值。由图可见，随着频率升高和距离增大，市区传播基本损耗中值都将增加。图中曲线是在基准天线高度情况下测得的，即基站天线高度hb＝200m，移动台天线高度hm＝3m。如果基站天线的高度不是200m,则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb(hb,d)表示。图3.24(a)给出了不同通信距离d时，Hb(hb,d)与hb的关系。显然，当hb＞200m时，Hb(hb,d)＞0dB；反之，当hb＜200m时，

Hb(hb,d)＜0dB。如图3.23给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f,26同理，当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，参见图3.24(b)。当hm＞3m时，Hm(hm,f)＞0dB；

反之，当hm＜3m时，Hm(hm,f)＜0dB。由图3.24(b)还可见，当移动台天线高度大于5m以上时，其高度增益因子Hm(hm,f)不仅与高度、频率有关，而且还与环境条件有关。例如，在中小城市，因建筑物的平均高度较低，它的屏蔽作用较小，当移动台天线高度大于4m时，随天线高度增加，天线高度增益因子明显增大；当移动台天线高度在1～4m范围内，Hm(hm,f)受环境条件的影响较小，移动台天线高

度增加一倍时，Hm(hm,f)变化约为3dB。同理，当移动台天线高度不是3m时，需用移动台天线高度增益因子27第三章-移动信道的传播特性课件28此外，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（与电波传播方向相平行）的损耗中值明显小于横向路线（与电波传播方向相垂直）的损耗中值。这是由于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），使得在纵向路线上的场强中值高于基准场强中值，而在横向路线上的场强中值低于基准场强中值。图3.25给出了它们相对于基准场强中值的修正曲线。此外，市区的场强中值还与街道走向（相对于电波传播方向）有关。29郊区和开阔地损耗中值

郊区的建筑物一般是分散、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，记作Km，它随频率和距离的关系如图3.26所示。由图可知，郊区场强中值大于市区场强中值。或者说，郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。

图3.27给出的是开阔地、准开阔地（开阔地与郊区间的过渡区）的场强中值相对于基准场强中值的修正曲线。Q0表示开阔地修正因子，表示准开阔地修正因子。显然，开阔地的传播条件由于市区、郊区及准开阔地，在相同条件下，开阔地上场强中值比市区高达20dB。为了求出郊区、开阔地及准开阔地的损耗中值，应先求出相应的市区传播损耗中值，然后再减去由图3.26或图3.27查得的修正因子即可。郊区和开阔地损耗中值

郊区的建筑物一般是分散、低矮的，故电波30第三章-移动信道的传播特性课件31三、不规则地形上的传播损耗中值

对于丘陵、孤立山岳、斜坡及水陆混合等不规则地形，其传播损耗计算同样可以采用场强中值修正的办法。本部分内容不详细讲解，各位同学自学三、不规则地形上的传播损耗中值

对于丘陵、孤立山岳、斜坡及水32（1）丘陵地的修正因子Kh

丘陵地的地形参数用地形起伏高度Δh表征。Δh：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(参见图3.28(a)上方)。这一定义只适用于地形起伏达数次以上的情况，对于单纯斜坡地形将用后述的另一种方法处理。丘陵地的场强中值修正因子分为两项：丘陵地平均修正因子Kh；丘陵地微小修正因子Khf。由图3.28(a)是丘陵地平均修正因子Kh（简称丘陵地修正因子）的曲线，它表示丘陵地场强中值与基准场强中值之差。（1）丘陵地的修正因子Kh

丘陵地的地形参数用地形起伏高度Δ33由图可见随着丘陵地起伏高度（Δh）的增大，由于屏蔽影响的增大，传播损耗随之增大，因而场强中值随之减小。此外，可以想到在丘陵地中，场强中值在起伏地的顶部与谷部的微小修正值曲线。图中，上方画出了地形起伏与电场变化的对应关系，顶部处修正值Khf（以dB计）为正，谷部处修正值Khf为负。由图可见随着丘陵地起伏高度（Δh）的增大，由于屏蔽影响的增大34（2）孤立山岳修正因子Kjs当电波传播路径上有近似刀刃形的单独山岳时，若求山背后的电场强度，一般可从相应的自由空间场强中减去刃峰绕射损耗即可。但对天线高度较低的陆地上移动台来说，还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗。由于附加损耗不易计算，故仍采用统计方法给出的修正因子Kjs曲线。图3.29给出的是适用于工作频段为450~900MHz、山岳高度在110~350m范围，由实测所得的弧立山岳地形的修正因子Kjs的曲线。其中，d1是发射天线至山顶的水平距离，d2是山顶至移动台的水平距离。图中，Kjs是针对山岳高度H=200m所得到的场强中值与基准场强的差值。如果实际的山岳高度不为200m时，上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数α，计算α的经验公式为式中，H的单位为m。（2）孤立山岳修正因子Kjs当电波传播路径上有近似刀刃形的35第三章-移动信道的传播特性课件36（3）斜波地形修正因子Ksp斜坡地形系指在5~10km范围内的倾斜地形。若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角为+θm；反之为负斜坡，倾角为-θm。图3.30给出的斜坡地形修正因子的Ksp曲线是在450MHz和900MHz频段得到的，横坐标为平均倾角，以毫弧度（mrad）作单位。图中给出了三种不同距离的修正值，其它距离的值可用内插法近似求出。此外，如果斜坡地形处于丘陵地带时，还必须增加由Δh引起的修正因子Kh。（3）斜波地形修正因子Ksp斜坡地形系指在5~10km范围内37第三章-移动信道的传播特性课件38（4）

水陆混合路径修正因子KS

在传播路径中遇到有湖泊或其它水域，接收信号的场强往往比全是陆地时要高。为估算水陆混合路径情况下的场强中值，用水面距离与全程dSR距离d的比值作为地形参数。此外，水陆混合路径修正因子的KS大小还与水面所处的位置有关。图3.31中，曲线A表示水面靠近移动台一方的修正因子，曲线B（虚线）表示水面靠近基站一方时的修正因子。在同样dSR/d情况下，水面位于移动台一方的修正因子KS较大，即信号场强中值较大。如果水面位于传播路径中间时，应取上述两条曲线的中间值。（4）水陆混合路径修正因子KS

在传播路径中遇到有湖泊或其39返回返回40四、任意地形地区的传播损耗中值我们已经分别阐述了各种地形地区情况下信号的传播损耗中值与距离、频率及天线高度等的关系，利用上述各种修正因子就能较准确地估算各种地形地物条件下的传播损耗中值，进而求出信号的功率中值。四、任意地形地区的传播损耗中值我们已经分别阐述了各种地形地区41（1）中等起伏地市区中接收信号的功率中值PP式中，P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即

中等起伏地市区接收信号的功率中值PP(不考虑街道走向)可由下式确定：（1）中等起伏地市区中接收信号的功率中值PP式中，P0为自由42PT——发射机送至天线的发射功率；λ——工作波长；d——收发天线间的距离；Gb——基站天线增益；Gm——移动台天线增益。

Am(f,d)是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由空间损耗为0dB，基站天线高度为200m,移动台天线高度为3m的情况下得到的损耗中值，它可由图3.12求出。Hb(hb,d)是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高度200m为基准得到的相对增益，其值可由图3.13(a)求出。Hm(hm,f)是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为基准得到的相对增益，可由图3.13(b)求得。若需要考虑街道走向时，式（3－17）还应再加上纵向和横向路径的修正值。PT——发射机送至天线的发射功率；若需要考虑街道走向时，式（43（2）任意地形地区接收信号的功率中值PPC（3－19）

地形地区修正因子KT一般可写成（3－20）

任意地形地区接收信号的功率中值是以中等起伏地市区接收信号的功率中值PP为基础，加上地形地区修正因子KT，即（2）任意地形地区接收信号的功率中值PPC（3－19）地形44式中：Kmr——郊区修正因子，可由图3.15求得；Qo、Qr——开阔地或准开阔地修正因子，可由图3.16求得；Kh、Khf——丘陵地修正因子及微小修正值，可由图3.17求得；Kjs——孤立山岳修正因子，可由图3.18求得；Ksp——斜坡地形修正因子，可由图3.19求得；KS——水陆混合路径修正因子，可由图3.20求得。式中：45根据地形地区的不同情况，确定KT包含的修正因子，例如传播路径是开阔地上斜坡地形，那么KT=Qo+Ksp，其余各项为零；又如传播路径是郊区和丘陵地，则KT=Kmr+Kh+Khf。

其它情况类推。任意地形地区的传播损耗中值

（3－21）

式中，

LT为中等起伏地市区传播损耗中值，

即

（3－22）

根据地形地区的不同情况，确定KT包含的修正因子，例如传播路径46例题例3-1某一移