《移动通信技术》课件-模块二：移动信道中的电波传播

移动通信技术MobileCommunicationTechnology模块二：移动信道中的电波传播

——模块引入

移动通信系统是有线与无线的综合体，它是移动通信网络在其覆盖范围内，通过空中接口（无线）将移动台与基站联系起来，并进而与移动交换机相联系（有线）的复合体。而在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接收都是依靠移动天线来实现的，因此，天线对于移动通信网络来说，起着举足轻重的作用。模块二：移动信道中的电波传播整体结构基本技术单元1：天线的基本知识单元2：移动通信的电波传播特性单元3：移动通信信道特征单元4：电波传播的路径损耗预测实训项目天线认知实训

单元5：噪声与干扰单元1天线基本知识

天线的功能1主要内容23天线的基本特性基站天线的类型学习目标了解天线的基本特性和类型，熟悉天线在移动通信系统的功能。学生团队协作能力得到锻炼。学生沟通能力表达能力得到锻炼。

重点与难点重点：熟悉天线在移动通信系统的功能。难点：天线辐射方向图、天线极化。

1.天线的功能天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。在移动网络通信中从基站天线到用户手机天线，或从用户手机天线到基站天线通过电磁波进行无线连接。天线的功能是什么?1.天线的功能把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间。收集无线电波并产生电信号。图2-1：

无线电波的发射1.天线的功能无线电波类似一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。如图2-2所示图2-2池塘上的波纹1.天线的功能图2-3常见的天线示例2.天线的基本特性天线对于移动通信网络来说起着举足轻重的作用，那么天线有什么特性呢?2.天线的基本特性1.天线辐射的方向图2.天线的增益3.天线的驻波比4.天线的极化5.天线的频率范围6.天线的下倾7.天线前后比天线的基本特性有：2.天线的基本特性天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方向辐射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。天线辐射的方向图2.天线的基本特性60°

(eg)峰值

-3dB点

-3dB点3dB波束宽度峰值-3dB点-3dB点15°

(eg)

通常用水平平面（图2-5所示）及垂直平面（图2-6所示）上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。同时用半功率点之间的夹角表示水平波束宽度及垂直波束宽度。

图2-5水平面方向图图2-6垂直面方向图2.天线的基本特性图1.3.1c水平面方向图图1.3.1b垂直面方向图图1.3.1a立体方向图图2-4天线的方向图2.天线的基本特性图2-7天线的立体方向图2.天线的基本特性天线的增益

天线增益是将天线辐射电磁波进行聚束以后比起理想的参考天线，在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值。

天线增益与其方向图有关。方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。如图2-8所示2.天线的基本特性dBd和dBi的区别一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射

一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBi2.17dB对称振子的增益为2.17dB图2-8天线的增益2.天线的基本特性

驻波比定义：表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。如图2-9所示Umax——馈线上波腹电压

Umin——馈线上波节电压图2-9驻波比产生示意图2.天线的基本特性驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射）如图2-10所示、产生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。图2-10入射波的反射2.天线的基本特性天线的极化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。图2-11垂直极化图2-12水平极化2.天线的基本特性天线辐射电磁波中电场的方向就是天线的极化方向。分为垂直线极化的天线如图2-11所示、水平线极化的天线如图2-12所示和圆极化天线。分为单极化，如图2-13所示和双极化，如图2-14所示。定向小区一般使用双极化定向天线；全向小区目前采用单极化全向天线。2.天线的基本特性图2-13单极化示意图垂直极化水平极化+45度倾斜的极化-45度倾斜的极化2.天线的基本特性图2-14双极化示意图两个天线为一个整体，传输两个独立的波。2.天线的基本特性天线的频率范围天线总是在一定频率范围内工作，通常，天线工作在设计频率时（称为中心频率），天线所能传送的功率最大，偏离中心频率时它所传送的功率都将减小。频率宽度两种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频率宽度。一种是指在规定驻波比下的天线频率宽度2.天线的基本特性天线下倾用于：控制覆盖、减小交调两种方法:机械下倾、电下倾图2-15天线的下倾2.天线的基本特性图2-16天线波束下倾的演示2.天线的基本特性天线下倾机械下倾：通过机械装置调节天线向下倾斜所需的角度。电下倾：通过调节天线各振子单元的相位使天线的垂直方向图主瓣下倾一定的角度，而天线本身仍保持和地面成垂直放置的位置。2.天线的基本特性机械下倾时其水平方向图将变形。当下倾角度达到10度时，水平方向图严重变形，所以机械下倾的角度不宜过大。而电下倾时，水平方向图基本保持不变。无下倾电下倾机械下倾图2-17天线的电下倾与机械下倾2.天线的基本特性无下倾电下倾图2-17电下倾情况下的波束覆盖2.天线的基本特性图2-18机械下倾情况下的波束覆盖无下倾机械下倾2.天线的基本特性图2-19下倾方法的比较10°电下倾10°机械下倾6°电下倾+4°机械下倾2.天线的基本特性天线前后比天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比，其值越大，天线定向接收性能就越好。以dB表示的前后比=10lg(前向功率/反向功率)图2-20天线前后比3.基站天线的类型你对天线的类型了解多少？3.基站天线的类型1.全向天线2.定向天线3.特殊天线基站天线的类型有：3.基站天线的类型在水平方向上功率均匀地辐射；在垂直方向上辐射能量是集中的，因而可以获得天线增益，典型增益值是6～9dBd；主要用于广覆盖全向小区。1.全向天线图2-21全向天线的水平与垂直方向图3.基站天线的类型2.定向天线水平和垂直辐射方向图是非均匀的；辐射功率集中在一个方向，所以天线增益一般较高，增益值是9～16dBd；常用在定向小区；分为以下几种：120°、90°、65°、33°等。图2-22定向天线的水平与垂直方向图3.基站天线的类型3.特殊天线指用于特殊场合信号覆盖的天线，如室内、隧道等。泄漏同轴电缆就是一种特殊天线，用于解决室内或隧道中的覆盖问题。泄漏同轴电缆的外层窄缝允许所传送的信号能量沿整个电缆长度不断泄漏辐射，接收信号能从窄缝进入电缆传送到基站。泄漏同轴电缆适用于任何开放的或是封闭形式的，需要局部覆盖的区域。使用泄漏同轴电缆时，没有增益，为了延伸覆盖范围可以使用双向放大器。单元小结这次课介绍了天线的基础知识，主要包括天线的功能、天线的特性、天线的类型，通过本模块的学习同学们对移动通信的天线的知识做初步的了解，为以后本课的学习程打下理论基础。课后作业

1.天线下倾分几种？他们有什么区别？

2.移动通信基站常用哪些天线？他们分别用在什么场合？单元2移动通信的电波传播特性

无线电波传播机制1主要内容2直射波传播反射、绕射与散射34大气中的电波传播学习目标了解无线电波的传播机制。理解无线电波的直射、反射、绕射、散射传播机理。熟悉视线传播最大距离的计算。学生团队协作能力得到锻炼。学生沟通能力表达能力得到锻炼。

重点与难点重点:

无线电波的直射、反射、绕射、散射传播机理及视线传播最大距离难点：无。

1.无线电波传播机制移动通信的电波传播方式有哪些？1.无线电波传播机制1、移动通信的电波传播方式电波传播方式与电波频率有关主要类型：直射、反射、绕射、散射。如图2-23所示。1.无线电波传播机制反射波直射波电离层反射波绕射波散射波电离层天线图2-23传播方式1.无线电波传播机制在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为反射、绕射和散射。当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射。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。当电波穿行的介质中存在小于波长的物体，且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。1.无线电波传播机制对于移动通信系统来说，接收机接收到的实际信号,是一个什么样的信号？1.无线电波传播机制三种基本传播机制对于移动通信系统来说，接收机接收到的实际是直射波和经地形地物反射散射绕射后的合成信号。2.直射波传播

直射波的传播可用自由空间传播模型来分析衰减特性。自由空间：均匀无损耗的无限大空间，其电波传播具有各向同性自由空间特点：电波传播时能量不会被障碍物吸收、反射、散射而产生损耗。2.直射波传播自由空间损耗的根本原因是什么？2.直射波传播自由空间损耗球面波在传播过程中，随着传播距离增大，球面单位面积上的能量减小了，而接收天线的有效截面积是一定的，因而接收天线所捕获的信号功率减小了，这就是自由空间损耗。自由空间损耗的根本原因——能量扩散3.反射、绕射与散射反射电波传播中遇到两种不同介质的介面时，会产生镜面反射；按平面波处理，电波的反射角等于入射角；镜面反射时，反射波场强幅度等于入射波场强幅度，而相位发生反向。3.反射、绕射与散射直射波与地面反射波存在相位差，如图2-24所示，使得它们的合成场强有时会同相相加，有时会反相抵消，这就造成了合成波的衰落现象。图2-24直射波与地面反射波存在相位差3.反射、绕射与散射绕射电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为绕射如图2-25所示。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。图2-25电波的绕射3.反射、绕射与散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障碍物，然后到达接收点。绕射会使部分信号偏转，致使绕射信号与直达信号之间有相位差，干扰了直达信号。因此如果树林或山丘突入绕射区，此时尽管收发信机处于视距内，也并不表示信号传输良好。3.反射、绕射与散射由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗；绕射损耗的取值与传播路径的菲涅尔余隙有关，一般可通过查表获得；当菲涅尔余隙为零时，其附加损耗约为6dB，即信号减弱为1/4。3.反射、绕射与散射散射电波遇到粗糙表面时，会发生散射而散布于各个方向；实际移动无线环境的接收信号比单独绕射和反射模型预测的信号强；对于阻挡面起伏远大于波长的平滑表面可建模成反射面，而对于颗粒小于波长的粗糙表面，反射系数需乘以一个散射损耗系数，以代表减弱的反射场。4.大气中的电波传播大气折射

电波通过折射率不同的大气层时，由于不同高度的电波传播速率不同，使电波射束发生弯曲。图2-26大气的折射4.大气中的电波传播图2-27大气折射使得直射电波也能够实现超视距传播发射天线接收天线折射线发射天线将折射线拉成直线接收天线4.大气中的电波传播大气折射对电波传播的影响常用“地球等效半径”来表征。在标准大气折射情况下，将地球实际半径6370公里转变为等效半径Re＝8500km4.大气中的电波传播视线传播极限距离（如图2-28所示）在标准大气折射情况下，用地球等效半径Re计算；图2-28视线传播极限距离4.大气中的电波传播视线传播极限距离标准大气折射下的地球等效半径为：Re＝8500km()rtehhRddd+»+=221()km

12.4rthhd+=单元小结这次课介绍了移动通信的电波传播特性，主要包括电波的传播方式、直射波、反射波以及视线传播极限距离，通过本模块的学习同学们对移动通信的电波传播特性做初步的了解，为以后本课的学习程打下理论基础。课后作业1.试简述移动信道中电波传播的方式和特点。

2.在标准大气压下，发射天线高度为200m，接收天线为2m，试求视线传播极限距离。单元3移动通信信道特征

自由空间传播损耗1主要内容2多径衰落阴影衰落3学习目标熟悉多径衰落、阴影衰落、衰落储备及特点。掌握自由空间传播损耗的计算。学生团队协作能力得到锻炼。学生沟通能力表达能力得到锻炼。重点与难点重点:

自由空间传播损耗的计算难点：阴影衰落与多径衰落的比较

1.自由空间传播损耗直射波在自由空间里传播不受阻挡，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。但是，当电波经过一段路径传播后，能量仍会受到衰减，这是什么原因引起的哪？如何计算其损耗量？1.自由空间传播损耗直射波在自由空间里传播不受阻挡，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。但是，当电波经过一段路径传播后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散引起的。1.自由空间传播损耗对于移动通信系统而言，自由空间传播损耗与传播距离和工作频率有关，可定义为：（以dB计）式中，d为距离,单位为，f为频率,单位为。传播距离越远，自由空间传播损耗越大，当传播距离加大一倍，自由空间传播损耗就增加6dB；工作频率越高，自由空间传播损耗越大，当工作频率提高一倍，自由空间传播损耗就增加6dB。2.多径衰落什么是多径衰落？它有什么特点？2.多径衰落图2-29电波的多径传播2.多径衰落

多径衰落（瑞利衰落）：由于无线电传播环境的影响，在电波传输中，产生了直射波、反射波和绕射波。

当电波到达天线时，信号是多个路径多个信号的叠加。因为电波通过路径的距离不同，到达接收机的时间、相位、幅度也不同。信号在接收机叠加，有时增强有时减弱。所以幅度急剧变化，产生所谓的多径效应，严重影响信号传输质量。由于这种衰落特性符合瑞利分布，也称瑞利衰落。3.阴影衰落什么是阴影衰落？它有什么特点？如何防止快衰落和慢衰落引起的通信中断？3.阴影衰落

电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。 频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。3.阴影衰落阴影衰落：当电波在传播路径上遇到障碍物阻挡时，则会形成由障碍物产生的电磁场阴影，当移动台通过这些阴影时，接收场强中值会随着地理位置改变而出现的缓慢变化；阴影衰落为慢衰落；阴影衰落近似服从对数正态分布。3.阴影衰落图2-30典型信号的衰落特性3.阴影衰落为了防止因衰落（快衰落和慢衰落）引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备（如图2-30所示）。衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性（可通率）。3.阴影衰落图2-30衰落储备单元小结这次课介绍了移动通信的信道特征，主要包括自由空间传播损耗、多径衰落、阴影衰落等，通过本模块的学习同学们对移动通信的信道知识做初步的了解，为以后本课的学习程打下理论基础。课后作业1.某一自由空间传播信道，通信距离为10km，工作频率为450MHz，试求其自由空间传播损耗。2.试分析造成场强中值慢衰落和快衰落的原因，它们服从什么规律？单元4电波传播的路径损耗预测

地形与地物的分类1主要内容2准平坦地形电波传播损耗中值不规则地形电波传播损耗中值3任意地形地区电波传播损耗中值4学习目标熟悉OM模型及地形地物分类特点。掌握准平坦地形电波传播损耗中值、不规则地形电波传播损耗中值、任意地形地区电波传播损耗中值的分析查表计算。学生团队协作能力得到锻炼。学生沟通能力表达能力得到锻炼。重点与难点重点:

准平坦地形电波传播损耗中值、不规则地形电波传播损耗中值、任意地形地区电波传播损耗中值的分析查表计算。难点：接收功率场强的计算

1.地形与地物的分类准平坦地形：指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20米，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度；不规则地形：其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等。1.地形与地物的分类1.地形与地物的分类地物的分类：按照地物的密集程度不同可分为开阔地：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，或在内没有任何阻挡物的场地，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，例如，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.准平坦地形电波传播损耗中值准平坦地形市区电波传播损耗中值如何估算？2.准平坦地形电波传播损耗中值由电波传播理论可知，传播损耗取决于传播距离，工作频率，基站天线高度，和移动台天线高度。在计算各种地形、地物的传播损耗时，均以准平坦地形的损耗中值或场强中值作为基准。2.准平坦地形电波传播损耗中值市区传播损耗的中值(hb=200mhm=3m)2.准平坦地形电波传播损耗中值基站天线高度增益因子

(hb≠200mhm=3m)基站天线有效高度2.准平坦地形电波传播损耗中值移动台天线高度增益因子

(hb＝200mhm≠3m)中等城市大城市移动台天线高度增益因子2.准平坦地形电波传播损耗中值街道走向修正曲线3.不规则地形电波传播损耗中值不规则地形电波传播损耗中值如何估算？3.不规则地形电波传播损耗中值

丘陵地的地形参数可用“地形起伏”高度Δh表示，定义为自接收点向发射点延伸10km范围起伏的90%与10%处的高度差，如图所示。丘陵地场强中值修正因子3.不规则地形电波传播损耗中值

由于在丘陵地中，起伏的顶部与谷部的损耗中值相差较大，为此需要进一步加以修正，如图所示。图中给出了丘陵地上起伏的顶部和谷合的微小修正值Khf。它是在Kh的基础上，进一步修正的微小修正值。

丘陵地形微小修正因子3.不规则地形电波传播损耗中值丘陵地的修正因子Kh孤立山岳修正因子Kjs

斜波地形修正因子Ksp水陆混合路径修正因子KS所以，不规则地形及不同环境中的中值路径损耗可由如下公式计算：均可由图表查出-Kh-Kjs-Ksp-Ks4.任意地形地区电波传播损耗中值任意地形地区电波传播损耗中值如何估算？4.任意地形地区电波传播损耗中值准平坦地形、市区接收信号的功率中值PP

准平坦地形、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：式中，P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即4.任意地形地区电波传播损耗中值式中：

PT——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)是准平坦地形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。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。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。4.任意地形地区电波传播损耗中值

任意地形地区接收信号的功率中值PPC

任意地形地区接收信号的功率中值是以准平坦地形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，即地形地区修正因子KT一般可写成4.任意地形地区电波传播损耗中值式中：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值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。单元小结这次课介绍了电波传播路径损耗预测，主要包括地形与地物的分类、准平坦地形电波传播损耗中值、不规则地形电波传播损耗中值、任意地形地区电波传播损耗中值等，通过本模块的学习同学们对移动通信的电波传播路径损耗预测做初步的掌握，为以后本课的学习程打下理论基础。课后作业某一移动信道，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，传播路径为中等起伏地，通信距离为10km。试求：

(1)传播路径损耗中值；

(2)若基站发射机送至天线的信号功率为10W，求移动台天线得到的信号功率中值单元5噪声与干扰

噪声的分类与特性1主要内容2人为噪声邻道干扰与同频道干扰3互调干扰4远近效应5学习目标了解噪声的分类与特性。理解邻道干扰、同频道干扰、互调干扰、远近效应产生原理及常见的抗干扰措施。学生团队协作能力得到锻炼。学生沟通能力表达能力得到锻炼。重点与难点重点:

邻道干扰、同频道干扰、互调干扰。难点：减小各种干扰的措施。

1.噪声的分类与特性随机噪声外部噪声内部噪声自然噪声人为噪声大气噪声太阳噪声银河噪声郊区人为噪声市区人为噪声1.噪声的分类与特性图2-48几种典型环境的人为噪声系数平均值

1.噪声的分类与特性在移动信道中，外部噪声(亦称环境噪声)的影响较大,各种噪声功率与频率的关系如图所示图2-49各种噪声功率与频率的关系1.噪声的分类与特性在800MHZ到900MHZ波段什么噪声最严重？2.人为噪声所谓人为噪声，是指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸如电动机、电焊机、高频电气装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射，人为噪声主要是有汽车点火系统引起的，其大小与什么有关?1.人为噪声大小不仅与频率有关，而且与交通密度有关；如图2-50所示通常人为噪声的大小还与接收天线的高度以及接收天线离开公路的距离有关系。图2-50交通密度与噪声3.邻道干扰与同频道干扰什么是邻道干扰？它是怎么产生的？邻道干扰3.邻道干扰与同频道干扰概念:相邻的或邻近频道的信号相互干扰；调制边带扩展干扰是语音信号经调频后，它的某些边带频率落入相邻信道形成的干扰。图2-51邻道干扰示意图3.邻道干扰与同频道干扰决定因素:Br为信道间隔Fm为调制信号的最高频率Bi为接收机的带宽ΔfTR为发信机、接收机频率不稳定而造成的频率偏差3.邻道干扰与同频道干扰限制发射信号带宽，提高收、发信机的频率稳定度和准确度，要求发射机的瞬时频偏不超过最大允许值。减少邻道干扰的一些措施:3.邻道干扰与同频道干扰同频道干扰产生原因：频率再用技术。Df1f1RRC1小区C小区显然，同频道再用带来的问题就是同频道干扰，再用距离越近，同频道干扰就越大；再用距离越远，同频道干扰就越小，但频率利用率从而要降低。图2-52同频道再用3.邻道干扰与同频道干扰

同频道再用距离：允许使用相同频道的无线区之间的最小距离为同频道再用的最小安全距离，简称同频道再用距离或共道再用距离。

图2-53同频道再用距离3.邻道干扰与同