电波传播及信道模型第二章

电波传播及信道模型第二章2.1电波传播的特点2.2自由空间的电波传播2.3地面电磁波传输机制2.4地面电磁波的射线跟踪建模2.5路径传输损耗2.6

2.7多径衰落2.8移动信道统计模型第2章电波传播及信道模型201603232Multipathfading多径衰落 约1m Shadowing 阴影衰落 约100m Pathloss 路径传输损耗距离Distance基站Basestation2.1电波传播的特点2016032332.1电波传播的特点传播特征传播的开放性。无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的。它不同于固定的有线通信，是基于全封闭式的传输线来实现信息传输的。接收环境的复杂性。接收点地理环境的复杂多样，一般可将接收点地理环境分为高楼林立的城市繁华区、以一般性建筑为主的近郊区、以山区和湖泊等为主的农村及远郊区。通信用户的随机移动性。用户通信一般有3种状态：准静态的室内用户通信、慢速步行用户通信、高速车载用户通信。2016032342.1电波传播的特点三种损耗路径损耗：即电波在空间中传播产生的损耗。它反映出电波在宏观范围内的空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。慢衰落损耗：主要是指电波在传播路径上受到建筑物等阻挡所产生阴影效应时的损耗。它反映出电波在中等范围内的接收信号点评平均值起伏变化趋势。快衰落损耗：它是反映微观小范围接收电平平均值的起伏变化趋势。其电平幅度分布一般遵从瑞利分布、莱斯分布和纳卡伽米分布，变化速度比慢衰落快，因此称为快衰落。快衰落还可分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。2016032352.1电波传播的特点四种效应阴影效应：由于大型建筑物和其他物体遮挡，在电波传播的接收区域产生传播半盲区。远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机的变化，若各种移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近的信号强，反之则弱。2016032362.1电波传播的特点多径效应：由于接收者所处地理环境复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。所接收到的信号实际上是各路径信号的矢量和。多径效应是移动信道中较主要干扰。多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只在高速车载通信时出现。201603237大尺度衰落与小尺度衰落对无线电波传播模型的研究，传统上集中于距发射机一定距离处平均接收信号场强的预测，以及特定位置附近信号场强的变化。对于预测平均信号场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机与接收机之间长距离（T-R）长距离（几百米或是几千米）上的信号场强变化，所以称为大尺度传播模型；描述无线电信号在短距离或短时间传播后其幅度、相位或多径时延快速变化的称为小尺度衰落传播模型。2.1电波传播的特点201603238当移动台在极小范围内移动时，可能引起瞬时接收场强的快速波动，即小尺度衰落，其原因是接收信号由不同方向信号合成。小尺度衰落也称为快衰落。由于小尺度衰落变化速度较快，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传播信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干扰所引起的。2.1电波传播的特点2016032392.1电波传播的特点无线信道的衰落特性可以用下式描述h(t)表示信道的衰落因子，指接收功率与发射功率之比。d-α表示路径传输损耗的影响，同传输距离成反比，一般取2~5之间。表示阴影衰落的影响，服从正态分布。表示小尺度衰落的影响，包括多径等。2016032310(2-1)自由空间传输损耗视距传播2.2自由空间的电波传播2016032311自由空间传输损耗所谓自由空间，严格来说应指真空。通常把均匀无损耗的无限大空间视为自由空间。该空间具有各向同性、电导率为零、相对介电系数和相对磁导率均恒为1的特点，这是一种理想情况。现实的电波传播媒质是有损耗的且是不均匀的，因而电波传播的过程中除有衰减外，还会出现折射、反射、散射和绕射现象。为了能提供一个比较各种传播情况的标准，并简化场强和传输损耗的计算方法，才引入了自由空间电波传播这一概念。2016032312电波传播方式：发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，典型的传播通路如图。直射波：沿路径d从发射天线直接到达接收天线反射波：沿路径d1经过地面反射到达接收机天线散射波：沿路径d2经建筑物散射到达接收机天线自由空间传输损耗2016032313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，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。由电磁场理论可知，若各向同性天线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT瓦，则距辐射源dm处的电场强度有效值E0为自由空间传输损耗2016032314自由空间传输损耗磁场强度有效值H0为单位面积上的电波功率密度S为2016032315自由空间传输损耗若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则上述公式应改写为2016032316自由空间传输损耗接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即

PR=SAR

式中，AR为接收天线的有效面积，它与接收天线增益GR满足下列关系：式中，λ2/4π为各向同性天线的有效面积。2016032317由前面的公式可导出当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，接收天线上获得的功率为

自由空间传输损耗(2-2)(2-3)2016032318自由空间传输损耗

由上式可见，自由空间传播损耗Lfs可定义为以dB计，得或

［Lfs］(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz)式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。Lossincreased6dBwithadoublefrequencyor

distanced(2-5)(2-6)(2-4)2016032319例2.1假设发射机发射50W的功率，将其换算成(a)

dBm和(b)

dBW。如果该发射机为单位增益天线，并且载频为900MHZ，求出在自由空间中距天线100m处的接收功率为多少dBm?

10km处为多少？假定接收天线为单位增益天线。PT(dBm)=10log[PT(mW)]自由空间传输损耗=10log[50

×103

mW]=47.0dBm2016032320自由空间传输损耗当d=100m时，利用公式确定接收功率：当d=10km时，接收功率：2016032321自由空间传输损耗也可利用公式先计算自由空间的传输损耗，再用发射功率和传输损耗计算接收功率：2016032322视距传播视线传播极限距离如图，天线的高度分别为ht和hr，两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。由于地球等效半径Re远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为(2-7)2016032323同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为图2-2视线距离示意图视距传播视线传播极限距离将Re＝6370km,

h1，h2以米为单位代入，可得H1=10m,h2=2m，可得d0=16.34km在标准大气折射情况下，Re=8500km,故(2-9)(2-8)2016032324(2-10)视距传播对于球形地面，通常依据接收点离开发射天线的距离将通信区域分成三种情况：工程计算时尽量保证在亮区范围

d

0.7d00.7d0

d

(1.2~1.4)d0

d

(1.2~1.4)d0亮区半阴影区阴影区2016032325作业思考题与习题23420160323262.3地面电磁波传输机制反射(Reflection)绕射(Diffraction)散射20160323272.3地面电磁波传输机制三种最基本的机制：反射、绕射和散射。可以用来描述大尺度传播，也可以用来描述小尺度或多径衰落模型。2016032328阻挡体比传输波长大的多的物体产生多径衰落的主要因素产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体阻挡体为尖利边缘反射散射绕射当电波传播中遇到两种不同介电常数的介质交界处时，一部分被反射，另一部分则折射进入新介质中。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。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表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，R可表示为式中，|R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比，ψ代表反射波相对于入射波的相移。R=|R|e-jψ反射(Reflection)2016032329反射(Reflection)理想介质表面反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来反射系数(R)是反射波与入射波的比值

垂直极化水平极化2016032330对于垂直极化波和水平极化波的反射系数Rv和Rh分别由下列公式计算：反射(Reflection)(2-11)(2-12)式中，ε0是反射媒质的等效复介电常数，它与介电常数ε、电导率σ和工作波长λ有关。2016032331对于地面反射，当工作频率高于150MHz(λ＜2m)时，θ＜1°，由式(2-11)和式(2-12)可得即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为180°。Rv=Rh=-1反射(Reflection)2016032332电磁场的极化特性极化：电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态。分类：线极化、圆极化、椭圆极化水平极化：电场方向平行于地面垂直极化：电场方向垂直于地面接收特性：接收天线的极化方式只有与被接收的电磁波极化方式一样时，才能有效地接收信号。极化失配：影响接收信号质量。反射(Reflection)2016032333图2-4绕射(Diffraction)绕射绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。具有无限宽度、有效高度为h的阻挡屏放在距发射机d1、接收机d2处。波的实际传播距离与直线距离是不同的。(其中h<<d1,

d2,

h>>λ,

发射机高度与接收机高度相差不多。)2016032334图2-5刃形绕射接收机和发射机附加路径长度：相应的相位差：绕射(Diffraction)2016032335(h<<d1,

d2,

h>>λ,)

绕射(Diffraction)绕射现象可由惠更斯-菲涅尔原理来解释惠更斯－菲涅尔原理菲涅尔区基尔霍夫公式2016032336惠更斯－菲涅尔原理原理波前上每点产生的次级波组合形成传播方向上新的波前绕射由次级波的传播进入阴影区而形成场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和说明任一P’点，只有夹角为θ即(∠TP′R

)的次级波前能到达接收点R。

θ在0º到180º之间变化，

到达接收点辐射能量与θ成正比。绕射(Diffraction)2016032337菲涅尔区从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大nλ/2的连续区域。接收点信号的合成n为奇数时，两信号抵消n为偶数时，两信号叠加菲涅尔区同心半径绕射(Diffraction)(2-15)2016032338绕射(Diffraction)第一菲涅尔区半径（n=1）特点在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以达到接收机。rn=h2016032339基尔霍夫公式从波前点到空间任何一点的场强式中，E是波面场强，是与波面正交的场强导数。2016032340绕射(Diffraction)菲涅尔余隙：设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图所示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙。2016032341（a）负余隙（b）正余隙图

菲涅尔余隙绕射(Diffraction)障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图所示。其中x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径）。结论：当横坐标x/x1>0.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约6dB；当x<0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。2016032342绕射(Diffraction)2016032343图

绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系

绕射(Diffraction)例

设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。解先由式(3-13)求出自由空间传播的损耗Lfs为［Lfs］=32.44+20lg150+20lg(5+10)=99.5dB

由式(2-15)求第一菲涅尔区半径x1为式中，λ=c/f,c为光速，f为频率。2016032344绕射(Diffraction)由图查得附加损耗(x/x1≈-1)为16.5dB,因此电波传播的损耗L为［L］=［Lfs］+16.5=99.5+16.5=116.0dB2016032345散射散射(Scattering)粗糙表面，反射能量于所有方向表面光滑度的判定粗糙表面下的反射场强2016032346在实际的移动通信环境中，接收信号强度比单独绕射和反射模型预测的要强。这是因为当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，这种散射给接收机提供了额外的能量。散射(Scattering)2016032347给定入射角下的表面平整度的参考高度如果平面上最大的凸起高度h小于hc，则认为表面是光滑的；否则是粗糙的。粗糙平面的的反射系数要乘以一个散射损耗ρs，以代表减弱的反射场。散射损耗系数σh为表面高度与平均表面高度的标准偏差。当h>hc时，可以用粗糙表面的修正反射系数Γrough来表示反射场强Γ，即散射(Scattering)2016032348射线跟踪：根据电磁波传播理论计算每条射线的幅度、相位、延迟和极化，然后结合天线方向图和系统带宽得到接收点所有射线的相干合成的结果。几何光学原理：反射、折射和阴影绕射理论：几何绕射理论(GTD)一致绕射理论(UTD)2.4地面电磁波传播的射线跟踪建模2016032349双射线传播模型在图2-7中，由发射点A发出的电波分别经过直射线(AB)与地面反射路径(AOB)到达接收点B，由于两者的路径不同，从而会产生附加相移。由图可知，反射波与直射波的路径差为通常(ht+hr)<<d图2-7双射线模型(2-22)2016032350由路径差Δd引起的附加相移Δφ为式中，2π/λ称为传播相移常数。这时接收点场强E可表示为(2-24)(2-23)双射线传播模型接收点信号功率为2016032351η0为自由空间特性阻抗，因为双射线传播模型2016032352并考虑到地面传播环境下R≈-1，Δφ<<1(弧度)，所以并接收功率对距离增大呈4次方衰减，这比自由空间中的损耗要快得多。(2-25)(2-27)多射线传播模型当存在建筑物和起伏地形时，接收信号中将包括建筑物等反射的电波。此时可用三径、四径等多径模型来描述移动信道。2016032353(2-28)陆地移动通信的随参信道大尺度衰落：路径传输损耗、阴影衰落小尺度衰落：多谱勒频移、多径对移动信道来说，其传输环境比较复杂，和自由空间有比较大的区别，而无线传播环境决定了电波传播的损耗，所以人们通常根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确。2.5路径传输损耗20160323541.Okumura模型Okumura模型是在无线传播模型中应用最广泛的一种，适用于频率在500MHz~1920MHz的宏蜂窝设计。L

Lfs

Amu

f,

d

GT

hte

GR

hre

GAREAL为传播路径损耗中值，单位为dB；

Lfs为自由空间传播损耗，单位为dB；

Amu为与电磁波工作频率f和收发天线之间距离d相关的损耗因子；GT

hte

为发射天线的增益，单位为dB；

GR

hre

为接收天线的增益，单位为dB；

GAREA为与地形有关的增益因子，单位为dB。室外传播模型20160323552.Okumura-Hata模型Okumura-Hata模型是在Okumura模型的基础上简化推演得出的，适用于频率范围为150MHz~1500MHz之间，小区半径大于1km的宏蜂窝系统的路径损耗的预测。L

69.55

26.16lgfc

13.82lghb

hre

44.9

6.55lghb

lgd

Ccell

Cterrainfc为电磁波工作频率，单位为MHz；

hb为基站天线高度，单位为m，定义为基站天线实际海拔高度与基站沿传播方向实际距离内的平均地面海拔高度之差；hre为接收天线的有效高度，单位为m；

d为基站天线和移动台天线之间的水平距离，单位为km。Cterrain为地形因子，单位为dB室外传播模型20160323562.Okumura-Hata模型L

69.55

26.16lgfc

13.82lghb

hre

44.9

6.55lghb

lgd

Ccell

Cterrain

hre

为有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数，可由下式计算得到：

Ccell

为小区类型校正因子，可由下式计算得到：室外传播模型2016032357中小城市大城市、郊区、乡村城市郊区乡村3.COST231-Hata模型COST欧洲研究委员会开发的Hata模型的扩展版本，其应用频率扩展到 1500MHz至2000MHz之间，而其他适用条件与Okumura-Hata模型相同，因此，也有专家称COST231-Hata模型是Hata模型在2G频段上的扩展。L

dB

46.3

33.9lgfc

13.82lghte

hre

44.9

6.55lghte

lgd

Ccell

Cterrain

CMCM为大城市中心校正因子，单位为dB：COST231-Hata模型除了频率衰减系数、常数偏移有所改变之外，还加入了大城市中心校正因子CM

，增加了3dB。室外传播模型2016032358中等城市和郊区大城市中心地区4.

COST231-Walfisch-Ikegami模型在实际应用中发现，COST231-Hata模型在高楼密集的城区的预测值与实测值之间的误差比较大。为了改善高楼密集城区的链路计算，根据实测数据并参考Walfisch-Bertoni模型和Ikegami模型的理论基础，将COST231-Hata模型分成自由空间传播损耗、屋顶到街道衍射和散射损耗以及多次屏蔽三个部分。因此这种模型就被称为COST231-Walfisch-Ikegami模型。由于它考虑了自由空间损耗、从建筑物顶到街面的损耗以及街道方向的影响，因此，它可以适用于发射天线高于、等于或低于周围建筑物的传播预测，并广泛适用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境。其适用的频率范围为800MHz~2000MHz。26室外传播模型2016032359室外传播模型4.

COST231-Walfisch-Ikegami模型该模型中的主要参数有：hroof(m)：建筑物屋顶平均高度；w(m)：移动台所在街道宽度；b(m)：相邻建筑物中心的距离；φ：街区轴线与发射机和接收机天线的夹角。这些参数的定义见图2-8。2016032360室外传播模型4.

COST231-Walfisch-Ikegami模型

(a)模型中所用的参数；(b)街道方位的定义图2-8

COST231-WI模型参数(NLOS)2016032361室外传播模型4.

COST231-Walfisch-Ikegami模型该模型适用的范围：频率f：800～2000MHz；距离d：0.02～5km；基站天线高度hb：4～5m；移动台天线高度hm：1～3m。2016032362室外传播模型4.

COST231-Walfisch-Ikegami模型视距传播(LOS)非视距传播(NLOS)

1)可视传播路径损耗视传播路径损耗的计算公式为

L=42.6+26lgd+20lgf(2-35)式中损耗L以dB计算，距离d以km计算，频率f以MHz计算。(下面公式中的参量单位与该式相同。)2016032363室外传播模型

2)非可视传播路径损耗非可视传播路径损耗的计算公式为

(2-36)式中，Lfs是自由空间传播损耗；Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗；Lmsd是多重屏障的绕射损耗。

(1)自由空间传播损耗的计算公式为

Lfs=32.45+20lgd+20lgf

(2-37)2016032364室外传播模型(2)屋顶至街道的绕射及散射损耗(基于Ikegami模型)的计算公式为(2-38)式中：w为街道宽度(m)；Δhm

=hroof

-hm为基站天线所在公交车处建筑物高度hroof与移动台天线高度hm之差(m)；Lori是考虑到街道方向的实验修正值，且0≤φ<35°35°≤φ<55°55°≤φ<90°(2-39)式中的φ是入射电波与街道走向之间的夹角。2016032365室外传播模型(3)多重屏障的绕射损耗(基于Walfish模型)的计算公式为(2-40)式中，b为沿传播路径建筑物之间的距离(m)；Lbsh和Ka表示由于基站天线高度降低而增加的路径损耗；Kd和Kf表示相互独立的多重衍射损耗，分别是距离d和频率f相关的函数，与传播环境有关。2016032366参数的值如下：

(2-41)hb>hroofhb≤hroof

hb>hroof

hb≤hroof且d≥0.5kmhb≤hroof且d＜0.5km

(2-42)室外传播模型2016032367以上参数的值如下：室外传播模型hb>hroof

hb≤hroof

(2-43)用于中等城市及具有中等密度树木的郊区中心用于大城市中心(2-44)20160323685.CCIR模型CCIR模型综合考虑了自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗对无线电波传播的影响。计算公式为:L

69.55

26.16lgfc

13.82lghte

hre

44.9

6.55lghte

lgd

B引模型为Hata模型在城市传播环境下的应用，式中B为地物覆盖校正因子

B=30-25lg(地面建筑覆盖率)如果15%的区域被建筑物覆盖，则

B=30-25lg15=0dB室外传播模型20160323696.SPM模型现在很多的网络规划软件中经常使用标准传播模型，即SPM（StandardPropagationModel）模型，它是建立在COST231-Hata经验模型的基础上的。其计算公式为：Loss

K1+K2log10

d+K3log10hb

K4Diff_loss+K5log10hblog10d

K6hre

Clutter_OffsetK1为常数偏移，单位为dB;K2为与距离有关的衰落系数，单位为dB;K3为与发射天线有关的衰落系数，单位为dB;K4为与衍射有关的衰落系数，单位为dB；K5为与发射天线高度和距离都相关的衰落系数，单位为dB；K6为与接收天线高度相关的衰落系数；室外传播模型20160323706.SPM模型Loss

K1+K2log10

d+K3log10hb

K4Diff_loss+K5log10hblog10d

K6hre

Clutter_Offsetd为发射天线与接收天线之间的距离，单位为km;hb为发射天线高度，单位为m;hre为接收天线高度，单位为m;Clutter_loss为地貌引起的加权平均损耗，单位为dB;表2-1

SPM模型系数默认值室外传播模型2016032371系数默认值系数默认值K123.5K244.9K35.83K41K5-6.55k60Kclutter1路径传输损耗的室外基本模型：六种模型考虑因素：距离、频率、天线高度、地形、地貌。计算方法：在大量实验的基础上，找出准平滑市区地形的传输损耗中值，然后将地形地物划分为几种不同类型，利用图表找出特殊地形的中值变动和瞬时值变动的数值，对由模型得来的传输损耗中值进行修正，最终得到整个电波传播特性的预测值。陆地移动通信传输

损耗的图表计算法20160323721.地形地物的分类及天线有效高度按照地面起伏高度的不同，地形可分为两大类：一类是“准平滑地形（Quasi-SmoothTerrain）”，表面起伏在20m以下，而且峰点和峰谷之间水平距离大于波动幅度，在以公里计的量级内，其平均地面高度的起伏变化也在20m以内；另一类是不规则地形（irregulartopography），按地形状态它又分成丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和海陆混合地形等。传输损耗的图表计算法2016032373按照环境地物的密集状况，又可将移动通信环境分为三类：开阔地(openarea)

在电波传播方向上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野和广场等。郊区地(Suburb)

是指在移动台近处存在障碍物但不稠密的地区。例如，树木、房屋稀少的田园地带。市区地(Urban)

是指有两层以上建筑物稠密地区，除大、中城市外，还有建筑物和树木混合密集的大村庄，都属于此类地区。传输损耗的图表计算法2016032374天线有效高度：设基地台天线顶端海拔高度为htn，从基地台天线设置点起3～15km距离内地平面平均海拔高度为hgn，则基地台天线有效高度hb=

htn-

hgn。而移动台天线高度hm则是指路面以上的高度。传输损耗的图表计算法2016032375图2-9

基地台天线有效高度hb的定义2.准平滑市区地形传输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，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。图2-10给出了典型准平滑地形市区的基本中值Am(f,d)与频率、距离的关系曲线。传输损耗的图表计算法2016032376传输损耗的图表计算法纵坐标刻度以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。L(实际)=Lfs+Am(f,d)图2-10(a)准平滑地形市区损耗中值2016032377传输损耗的图表计算法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2-10(b)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。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2-10(c)。当hm

＞3m时，Hm(hm,f)＞0dB；反之，当hm＜3m时，Hm(hm,f)＜0dB。2016032378基地台天线高度增益因子Hb(hb,d)Hm(hm,f)传输损耗的图表计算法20160323792-10(b)基地台天线高度增益因子2-10(c)移动台天线高度增益因子传输损耗的图表计算法由图2-10(c)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)不仅与天线高度、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，故其屏蔽作用较小，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；若移动台天线高度在1～4m范围内，Hm(hm,

f)受环境条件的影响较小，移动台天线高度增高一倍时，Hm(hm,f)变化约为3dB。2016032380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2-11给出了它们相对于基准场强中值的修正曲线。传输损耗的图表计算法2016032381图2-11市区街道走向对损耗中值的修正曲线传输损耗的图表计算法2016032382综合各种因素，可以写出路径传输损耗中值的公式：LT

Lfs

Am(f,d)

Hb(hb,d)

Hm(hm,f)通常，由曲线上查得的基本损耗中值Am(f,d)加上自由空间的传播损耗Lfs才是实际路径损耗LT。LT

Lfs

Am(f,d)传输损耗的图表计算法2016032383若基地站天线有效高度不是200m，可利用图2-10(b)查出修正因子Hb(hb,d)，对基本损耗中值加以修正，称为基站天线高度的增加因子。若移动台天线高度不等于3m时，可利用图2-10(c)查出修正因子Hm(hm,f)，对基本损耗中值进行修正，称为移动台天线高度的增益因子。在考虑基站天线高度因子与移动台天线高度因子的情况下，市区路径传播损耗中值应为：

LT

Lfs

Am(f,d)

Hb(hb,d)

Hm(hm,f)传输损耗的图表计算法2016032384(2-49)例：计算准平滑地形，城市地区的路径损耗中值。已知：hb=200m,hm=3m,d=10km,f=900MHz

解：首先求得自由空间的传播损耗中值Lfs为：

查图2-10(b)可求得Am(f,d)，即利用式(2-49)就可以计算出准平滑地形，城市街道地区的传播损耗中值：传输损耗的图表计算法fdLfslg20lg2045.32++=2016032385若hb=50m,hm=2m，其他条件不变，求损耗中值。

在上题结果的基础上，要再加入基站和移动台的高度增益因子。

查图2-10(b)得查图2-10(c)得则修正后的路径损耗中值为：传输损耗的图表计算法20160323863.地物状况修正值按照地物密集程序，移动通信环境可以分为市区、郊区、和开阔地三类。郊区和开阔地传播条件要供大于求市区，路径损耗必然低于市区。市区损耗中值与郊区损耗中值之差称为郊区修正因子kmr，kmr为增益因子。它随工作频率和传播距离的变化关系如图2-12所示。

传输损耗的图表计算法2016032387传输损耗的图表计算法kmr随着工作频率提高而增大，与基地台天线高度关系不大。在距离小于20km时，kmr随着距离增加而减小；但当距离大于20km时，kmr大体为固定值。2016032388图2-12郊区修正因子

传输损耗的图表计算法3.地物状况修正值开阔地，准开阔地（开阔地与郊区之间的过渡地区）的损耗中值相对于市区损耗中值的修正曲线，如图2-13所示。Q0为开阔地修正因子；Qr为准开阔地修正因子。在求郊区或开阔地，准开阔地的传播损耗中值时，应在市区损耗中值的基础上，减去由图2-12或2-13查得的修正因子。

2016032389传输损耗的图表计算法开阔地传播条件明显好于市区和郊区；在同样天线高度和距离情况下，开阔地典型的接收信号中值比市区约高出20dB。2016032390图2-13开阔区、准开阔区修正因子

4.不规则地形的修正丘陵地的修正因子Correctionfactortohillyland孤立山岳的修正因子Correctionfactortoisolatedhill斜坡地形的修正因子Correctionfactortoslope/slantground水陆混合路径的修正因子Correctionfactortomixtureoflandandwaterterrain传输损耗的图表计算法2016032391传输损耗的图表计算法4.不规则地形的修正丘陵地修正因子丘陵地的地形参数可用“地形起伏”高度△h表示。其定义是：自接收点向发射点延伸10km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差。2016032392丘陵地修正因子基本损耗中值与丘陵地损耗中值之差。常称为丘陵地形修正因子kh，kh为增益因子。20160323932-14丘陵地损耗中值修正因子丘陵地修正因子丘陵地上起伏的顶部和谷部的微小修正值khf

。它是在kh的基础上，进一步修正的微小修正值。20160323942-14丘陵地微小修正因子传输损耗的图表计算法4.不规则地形的修正孤立山岳地形的修正因子在使用450MHz，900MHz频段，山岳高度H=110~350m时，基本损耗中值与实测的损耗中值的差值，并归一化为H=200m时的值，即孤立山岳修正因子kjs

。kjs亦为增益因子。当山岳高度不等于200m时，查得的kjs值还需乘以一个系数201603239520160323962-15孤立山岳修正因子传输损耗的图表计算法4.不规则地形的修正斜坡地形的修正因子斜坡地形系指在5~10km内倾斜的地形。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。斜坡地形修正因子ksp也是增益因子。2016032397斜坡地形的修正因子图2-16斜波地形修正因子传输损耗的图表计算法2016032398传输损耗的图表计算法4.不规则地形的修正水陆混合地形的修正因子在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，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dSR与全程距离d的比值作为地形参数。此外，水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有关。图2-17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，则应取上述两条曲线的中间值。2016032399Fig.2-17水陆混合地形修正因子201603231004.不规则地形的修正任意地形的信号中值预测(1)计算自由空间的传输损耗。根据节可得自由空间传输损耗Lfs为 Lfs

32.45

20lgf

20lgd(dB)(2)市区准平滑地形的损耗中值。根据节可得上市区准平滑地形的传播损耗中值为LT

Lfs

Am(f,d)

Hb(hb,d)

Hm(hm,f)如果发射机送至天线的发射功率为P

T，则市区准平滑地形的接收功率中值P

R为 PR

PT

LT

P

Lfs

Am(f,d)

Hb(hb,d)

Hm(hm,f)传输损耗的图表计算法20160323101传输损耗的图表计算法任意地形的信号中值预测(3)任意地形地物情况下的信号中值。任意地形地物情况下的传播信号中值LA为 LA

LT

KT式中，LT为准平滑地形市区的传输损耗中值；KT为地形地物修正因子。KT由如下项目构成：KT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+Ks式中：Kmr：郊区修正因子；Q0，Qr：开阔区，准开阔区修正因子；Kh，Khf：丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值；20160323102传输损耗的图表计算法Kjs：孤立山丘地形修正因子；Ksp：斜坡地形修正因子；Ks：水路混合地形修正因子根据实际的地形地物情况，KT因子可能只有其中的某几项或为零。如传播路径为开阔地、丘陵地形，则

KT=Qo+Kh+Khf任意地形地物情况下接收信号的功率中值PPC是以市区准平滑地形的接收功率中值PR为基础，加上地形地物修正因子KT，即PPC=PR+KT

20160323103例1：某一移动系统，工作频率为450MHZ，基地站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的损耗中值？解：⑴求自由空间的传播损耗Lbs由图2-10(a)查得：由图2-10(b)查得：由图2-10(c)查得：⑵计算准平滑地形市区的损耗中值

传输损耗的图表计算法20160323104所以准平滑地形市区损耗中值为：

⑶计算任意地形地物情况下的损耗中值根据已知条件可知：

传输损耗的图表计算法20160323105例2：若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且θm=15mrad，其它条件不变，再求传播路径的损耗中值？

解：根据已知条件，由图2-12查得：由图2-16查得：斜坡修正因子所以地形地物修正因子KT为：因此传播路径损耗中值LA为：郊区修正因子传输损耗的图表计算法20160323106室内传播模型室内通话占到了3G语音话务总量的70%左右。室内无线信道具有两个显著的特点：其一，室内覆盖面积更小；其二，收发机间的传播环境变化更大。研究表明，影响室内传播的因素主要是建筑物的布局、建筑材料和建筑类型等。实验研究表明，建筑物内部接收到的信号强度随楼层高度增加而增强。因而对室内传播特性的预测，需要使用针对性更强的模型。室内传播模型20160323107室内传播模型室内（办公室）路径损耗模型对数距离路径损耗模型Ericsson多重断点模型衰减因子模型Keenan-Motley模型多墙模型超宽带模型室内传播模型20160323108室内传播模型1.室内(办公室)路径损耗模型室内(办公室)路径损耗的基础是COST-231模型，定义如下：式中：Lfs—发射机和接收机之间的自由空间损耗；Lc—固定损耗；kwi—被穿透的i类墙的数量；n—被穿透楼层数量；Lwi—i类墙的损耗；Lf—相邻层之间的损耗；b—经验参数。(2-58)20160323109表对损耗分类的加权平均室内传播模型20160323110室内路径损耗(dB)模型可用下面的简化形式表示:式中：d为收发信机的距离间隔(m)，

n为在传播路径中楼层的数目。

L在任何情况下应小于自由空间的损耗，对数正态阴影衰落标准偏差为12dB。(2-59)室内传播模型201603231115.

Keenan-Motley(马特内-马恩纳模型)用于模拟室内路径损耗。这是一个实验模型，用以考察从发射机到接收机的路径中，由墙壁和地板造成的损耗，模型预测的路径损耗(dB)为：L0表示在参考点(1m)处的损耗，γ依赖于周围和环境和建筑物类型。Lwj和Lfi

表示发射信号穿过不同种类的墙和地板的数量Nwj和Nfi代表不同种类的墙和地板所对应的损耗因子参考值：L0=37dB、Lfi=12~15dB、Lwj=1~5dB、γ=2室内传播模型20160323112作业思考题与习题61120160323113Shadowing（阴影衰落）：是指当电波在无线传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被等障碍物时，在障碍物的后面形成电波的阴影区，如下图所示，阴影区的电波信号场强较弱，移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就会导致接收 天线场强的变化，从而引起衰落。其特点是衰落与无线电波传播的地形和地物的分布、高度有关。）2.6阴影衰落201603231142.6阴影衰落移动信道是随机时变的变参信道。1.阴影衰落的统计特性（1）阻挡引起衰落（2）大气折射变化引起衰落（小）当移动台通过不同障碍物的阴影时，导致接收场强中值随着地理位置改变而出现的缓慢变化称为慢衰落（阴影衰落）。

20160323115典型信号衰落特性2.6阴影衰落201603231162.6阴影衰落阴影衰落使所预测的路径损耗会产生很大的变化，通过大量统计测试表明，阴影衰落近似服从对数正态分布，其概率密度函数如下：式中，r为接收信号的局部场强中值，m为r的期望值，μs为标准偏差。这三个参数均用dB表示，其中标准偏差μs，取决于测试区的地形、地物和工作频率等因素。(2-72)201603231172.6阴影衰落2.阴影效应对移动通信系统的影响影响移动通信小区覆盖范围。导致移动通信覆盖盲区。影响移动通信的切换。影响信噪比或载噪比等的大小。这四个方面的影响可以通过在系统设计设置衰落余量和网络规划时对基站站址的合理选取加以克服。20160323118多径衰落导致接收信号包络的快速变化，它的形成是因为平面波以随机相位从不同的方向达到，并且在接收天线上进行矢量合成。典型的情况为，因为同相叠加和反相叠加，接收包络波长的某些部分能够出现大约30～40dB的变化。其一般服从于瑞利衰落或莱斯衰落。多径还能由于时间弥散而引起码间干扰，时间弥散在TDMA系统中需要进行时域均衡，在CDMA系统中需要进行RAKE接收。HITCRC482.7多径衰落201603231192.7多径衰落多径衰落的基本特性幅度衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落空间角度模拟系统主要考虑原因本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落201603231202.7多径衰落多径衰落的基本特性时延扩展脉冲宽度扩展时间角度数字系统主要考虑原因信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号201603231212.7.1多普勒频移原因移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移表达式多普勒频移 最大多普勒频移201603231222.7.1多普勒频移说明多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关：若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。20160323123推导冲击响应只考虑多径效应再考虑多普勒效应多径和多普勒效应对传输信号的影响多径信道的冲击响应多径信道基本模型20160323124多径信道基本模型只考虑多径效应传输信号假设第i径的路径长度为xi、衰落系数(或反射系数)为接收信号式中，c为光速；λ为波长。又因为所以式中为时延。实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时延都不同的各个路径的总和。再考虑多普勒效应考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为路径的变化量输出复包络简化得

多径信道基本模型在相位中不可忽略数量级小可忽略多径信道基本模型多径信道的冲击响应多径和多普勒效应对传输信号的影响令式中代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟（实际迟延减去所有分量取平均的迟延），它随时间变化在任何时刻t，随机相位都可产生对的影响，引起多径衰落。冲击响应由（＊）式得冲击响应式中，、表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位包含了在第i个增量延迟内一个多径分量所有的相移；为单位冲击函数。如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离具有不变性，信道冲击响应可以简化为此冲击响应完全描述了信道特性，相位服从的均匀分布多径延迟影响多普勒效应影响多径信道主要参数时间色散参数

平均附加延时

rms时延扩展最大附加延时扩展(XdB)相关带宽多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，可使两个信号变得相关。这一频率间隔称为“相干”或“相关”带宽（Bc）从时延扩展角度说明从包络相关性角度说明多径衰落的分类及判定1.时间色散参数 宽带多径信道的时间色散特性通常用平均附加时延(

)

和rms时延扩展(

)来定量描述。平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为rms时延扩展是功率延迟分布的二阶矩的平方根定义为多径信道主要参数20160323129时间色散参数功率延迟分布（PDP）

基于固定时延参考的附加时延的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到市区环境中近似为指数分布式中，T是常数，为多径时延的平均值时间色散特性参数平均附加延时

rms时延扩展

其中最大附加延时扩展(XdB)

高于某特定门限的多径分量的时间范围，即多径能量从初值衰落到低于最大能量

(XdB)处的时延图2-21中，为归一化的最大附加延时扩展(XdB)；为归一化平均附加延时；为归一化rms时延扩展

多径信道主要参数

t0dB

-XdB

D

计算以下功率延迟分布的rms时延扩展多径信道主要参数201603231312.相关带宽两衰落信号相关时的频率间隔就称为相关带宽，它是对信道传输信号带宽能力的统计度量。如输入信号的带宽远小于信道相关带宽，则输出信号频谱中谱分量幅度与相位关系就是确定的(不同时间可以有不同的常数因子)；反之，如输入信号的带宽大于信道相关带宽，则会引起输出信号的失真，对于数字通信将会引起误码。一般来说两衰落信号的包络相关系数可以近似为：rms时延扩展多径信道主要参数201603231322.

相关带宽当频率间隔增加时，包络的相关性降低。如果要求相关性系数

r(

f)=0.9，则有：一般根据

r(

f)=0.5来测度相关带宽，此时有相关带宽：时延扩展越大，相关带宽越窄，信道容许传输的不失真频带就越窄；时延扩展越小，相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。多径信道主要参数20160323133模拟无线通信中主要考虑多径效应所引起接收信号的幅度变化。数字无线通信中则要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。这是因为，时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。(ISIintersymbol

interference)多径信道主要参数20160323134

判定

由信道和信号两方面决定衰落的分类及判定分类

不同频率分量的衰落

信号波形频率选择性衰落

不一致

失真非频率选择性衰落（平坦衰落）

相关的一致的

不失真数字通信系统信号带宽小于信道相关带宽Bs<Bc信号带宽远大于信道相关带宽Bs>>Bc平坦衰落频选衰落码间干扰3.

相关时间(Coherencetime)相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。也就是说，相关时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到 达信号有很强的幅度相关性。相关时间是多普勒频移（多普勒扩展）在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特性，一般定义为：如果将相关时间定义为信号包络相关度为0.5，则相关时间为多径信道主要参数20160323136多径信道主要参数在现代数字通信中，一种普遍的定义是将相关时间定义为上面两式的几何平均，即：201603231373.

相关时间由相关时间的定义可知，时间间隔大于Tc的两个到达信号受到信道的影响各不相同。例如，移动台的移动速度为50m/s，信道的载频为1900MHz，则相关时间为1.336ms，所以要保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须保证传输的符号速率大于0.75kbit/s。多径信道主要参数20160323138时间选择性衰落时间选择性衰落是由多普勒效应引起的，信道在时域具有选择性要保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须保证传输符号速率远大于相关时间的倒数码元间隔大于信道相关时间Ts>Tc时选衰落多径信道主要参数误码ClassificationofWirelessChannel移动无线信道的时间色散和频率色散可能产生4种衰落效应，这是由信号、信道以及发送速率的特性引起的。多径时延扩展引起时间色散和频率选择性衰落，多普勒扩展会引起频率色散和时间选择性衰落，这两种传播机制彼此独立。根据多径时延可以将信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道。根据多普勒扩展可以将信道分为快衰落信道和慢衰落信道。移动通信信道分类20160323140ClassificationofWirelessChannelTs为信号周期(信号带宽Bs的倒数)；Bc为相关带宽；στ为信道的rms时延扩展。Bs<BcBs>BcTs<TcTs>Tc频率选择性慢衰落

信道频率选择性快衰落信道（时频双弥散

信道）非频率选择性慢

衰落信道非频率选择性快

衰落信道

移动通信信道分类20160323141HITCRC602.8移动信道统计模型多径信道的统计分析衰落信道的建模和仿真简介20160323142多径信道的统计分析主要讨论多径信道的包络统计特性。接收信号的包络根据不同的无线环境一般服从：瑞利分布莱斯分布Nakagami-m分布瑞利分布环境条件发射机和接收机之间没有直射波路径通常在离基站较远、反射物较多的地区（如下图）存在大量反射波，到达接收天线的方向角随机且0~2π均匀分布各反射波的幅度和相位都统计独立Play包络r服从瑞利分布θ在0～2π内服从均匀分布瑞利分布的均值瑞利分布的方差满足的值称为信号包络样本区间的中值

接收信号的幅度相位分布图2-24瑞利分布的概率分布密度

莱斯分布环境条件概率密度函数莱斯因子莱斯分布的环境条件直射系统：接收信号中有视距信号成为主导分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上非直射系统：源自某一个散射体路径的信号功率特别强Play莱斯分布的概率密度函数概率密度函数

式中,A是主信号的峰值I0(·)是0阶第一类修正贝塞尔函数常用参数K来描述，(莱斯因子K)主信号的功率与多径分量方差之比分贝式意义参数K完全决定了莱斯的分布：当，莱斯分布变为瑞利分布强直射波的存在使接收信号包络从瑞利变为莱斯分布当直射波进一步增强