第2章 电波传播与传播预测模型
精品课件-移动通信技术(余晓玫-第2章 移动信道电波传播理论
2.2 移动无线信道的多径传播衰落特性 2.1.1 移动信道的时变特性
· 移动信道是一种时变信道。 · 无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的 衰减损害。
· 按收信号功率可表示为
(2.21)
式中， d 表示移动台与基站的距离。 · 式（2.21）是信道对传输信号作用的一般表示式。
· 发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称 系统损耗。
· 经推导可得出传输损耗Ls的表达式为
（2.3a）
Gt和Gr为发射和接收天线增益（dB）
· 损耗常用分贝表示。 · 式（ 2.3a ）也可表示成
（ 2.3b）
d的单位是Km，频率f 的单位是MHz
自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为 （2.4）
图2.3 反射波与直射波
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表示。它可以用以下公式表示：
(2.5)
R R e j
反射波与直射波的路径差为
(2.6) d d
1
ht
hr
2
1
ht
hr
2
d
d
式中， d=d1+d2。
解：自由空间传播的损耗Lfs为
［Lfs］ = 32.45+ 20lg150 +20lg(5+10) = 99.5dB
第一菲涅尔区半径x1为
x1
d1d2
d1 d2
2 5 103 10 103 15 103
81.7m
式中，λ=c/f, c为光速，f为频率。
现代无线通信原理：第二章无线电波传播原理1(2018)
传播损耗与接收功率关系
◼ 在无线通信系统中，接收电平的动态范围很大，常 用dBW或dBm为单位表示接收电平。
➢Pr(dBm)=10lgPr(mW); Pr(dBW)=10lgPr(W)
➢0 dBW=30 dBm
dB表示了了諔 关系
例：2W 换算dBW、dBm为多少？
10lg2W=3dBW=33dBm
◼ 不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传 播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。 f 反射：主要考虑地面反射 f 地面散射：表现为乱反射，对主波束的影响小，不 需考虑。 f 绕射：在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过 障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射，将在 下节讨论。
地面反射对电波传播的影响
◼ 无线信道模型形式 f物理模型 考虑到传播环境的严格物理特性。应用电磁传播理论 分析电波传播特性来建立预测模型。物理模型可提供 传播特性的最可靠估计，但必须仔细计算。 f统计模型 采用实验的方法，测量各种无线环境下的传播特性， 然后基于各类环境测得的统计量应用电磁传播理论分 析电波在移动环境中的传播特性来建立预测模型。易 于描述和使用，但不提供相同的精度。
f 自由空间的电波传播 f 地面反射对电波的影响 f对流层对电波的影响
◼ 3 移动通信系统中的电波传播
自由空间的电波传播
◼ 电波与自由空间的概念
f微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～300GHz ， 是全部电磁波频谱的一个有限频段。
f根据微波传播的特点，可视其为平面波。平面波 沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称
d12
+
F2 1
+
d
2 2
+
F2 1
2
第2章 移动通信信道的电波传播 2.1 VHF、UHF频段的电波传播特性2.2 阴 影 效 应2.3 移动信道的多径传播
• 2.1 VHF、UHF频段的电波传播特性 • 2.2 阴 影 效 应 • 2.3 移动信道的多径传播特性 • 2.4 多径衰落的时域特征和频域特征 • 2.5 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗
预测
2.1 VHF、UHF频段 的电波传播特性
2.1.1 自由空间电波传播方式 2.1.2 视距传播的极限距离 2.1.3 绕射损耗 2.1.4 反射波
d0 3.57( hR (m) hT (m)) (km)
即视距取决于收、发天线的高度。天线架设越高，
视线距离越远。考虑空气不均匀性对电波传播轨迹的
影响，在标准大气折射情况下，等效地球半径
R=8500 km，可得修正后的视距传播的实际极限距
离 重点2
d0 4.12( hR (m) hT (m)) (km)
通过电场实测可以得到慢衰落的统计规 律。统计分析表明，接收信号的局部均值rlm 近似服从对数正态分布，其概率密度函数为
P(rlm )
1
e
rlm rlm
2 2
2π
式中， rlm 为整个测试区的平均值，即
rlm的期望值，取决于发射机功率、发射和接
收天线高度以及移动台与基站的距离。σ为标
准偏差，取决于测试区的地形地物、工作频率
慢衰落速率主要决定于传播环境，即移 动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分 布与高度，街道走向，基站天线的位置与高 度，移动台行进速度等，而与频率无关。
慢衰落的深度，即接收信号电平变化的 幅度取决于信号频率与障碍物状况。频率较 高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物， 而频率较低的信号比频率较高的信号更具有 较强的绕射能力。
作业
W2-1，简述移动通信中电波传播的方式
第2章移动信道的传播特性
超视距传播
假设A点架设一部发信机，天线的架高是H1，AB是 和地球相切的一条射线。若要接收到来波，接收天线
的架高必须超出这条切线。
A
d1 C d2 B
H1
H2
➢OO
视线传播极限距离
PT GT GR2 (4 )2 d 2
PT
➢ PT = 发射功率 (W) ➢ GT = 发射天线增益 ➢ GR = 接收天线增益 ➢ = c/f 波长(m)，c = 光速 (3×108 m/s)
➢ d = 发射机和接收机之间的距离(m)
自由空间传播损耗
自由空间传播损耗可以定义为：(不考虑天线增益)
前言
无线电波传播特性的研究结果可以用某种统计描述，也 可以建立电波传播模型，如图表、近似计算公式或计算 机仿真模型等。
本章在阐述陆地无线电波传输特性的基础上，重点讨论 陆地移动通信信道的特征、场强（或损耗）的计算方法 ，并对移动通信信道仿真作简要介绍。
内容安排
2.1 陆地无线电波传播特性 2.2 移动通信信道的多径传播特性 2.3 描述多径衰落信道的主要参数 2.4 阴影衰落的基本特性 2.5 电波传播损耗预测模型
Lfs
PT PR
4d
2
以dB计，得到：
或
L fs
(dB)
10
lg
4d
2
Lfs(dB) 32.44 20 lg d (km) 20 lg f (MHz )
可见，自由空间电波传播损耗只与工作频率 f 和传 播距离 d 有关。
2.1.3 大气中的电波传播
在实际移动通信信道中，电波在低层大气中传播。 整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平
移动通信原理与系统(北京邮电出版社)课后习题答案
第一章概述1．1简述移动通信的特点：答：①移动通信利用无线电波进行信息传输；②移动通信在强干扰环境下工作；③通信容量有限；④通信系统复杂；⑤对移动台的要求高。
1．2移动台主要受哪些干扰影响？哪些干扰是蜂窝系统所特有的？答：①互调干扰；②邻道干扰；③同频干扰（蜂窝系统所特有的）；④多址干扰。
1．3简述蜂窝式移动通信的发展历史，说明各代移动通信系统的特点。
答：第一代（1G）以模拟式蜂窝网为主要特征，是20世纪70年代末80年代初就开始商用的。
其中最有代表性的是北美的AMPS（Advanced Mobile Phone System）、欧洲的TACS（Total Access Communication System）两大系统，另外还有北欧的NMT 及日本的HCMTS系统等。
从技术特色上看，1G以解决两个动态性中最基本的用户这一重动态性为核心并适当考虑到第二重信道动态性。
主要是措施是采用频分多址FDMA 方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。
在信道动态特性匹配上，适当采用了性能优良的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。
第二代（2G）以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它于20世纪90年代初正式走向商用。
其中最具有代表性的有欧洲的时分多址（TDMA）GSM（GSM原意为Group Special Mobile，1989年以后改为Global System for Mobile Communication）、北美的码分多址（CDMA）的IS-95 两大系统，另外还有日本的PDC 系统等。
从技术特色上看，它是以数字化为基础，较全面地考虑了信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。
主要的实现措施有：采用TDMA（GSM）、CDMA（IS-95）方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率（相位）规划实现载频（相位）再用方式，从而扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。
移动通信原理与系统.(优选)
移动通信原理与系统第1章概论1.（了解）4G网络应该是一个无缝连接的网络，也就是说各种无线和有线网络都能以IP协议为基础连接到IP核心网。
当然为了与传统的网络互连则需要用网关建立网络的互联，所以将来的4G网络将是一个复杂的多协议的网络。
2.所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式。
移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。
无线通信是移动通信的基础。
3.移动通信主要的干扰有：互调干扰、邻道干扰、同频干扰。
（以下为了解）1）互调干扰。
指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生与有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰。
2）邻道干扰。
指相邻或邻近的信道（或频道）之间的干扰，是由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰。
3）同频干扰。
指相同载频电台之间的干扰。
4.按照通话的状态和频率的使用方法，可以将移动通信的工作方式分成：单工通信、双工通信、半双工通信。
第2章移动通信电波传播与传播预测模型1.移动通信的信道是基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径。
对移动无线电波传播特性的研究就是对移动信道特性的研究。
移动信道的基本特性是衰落特性。
2.阴影衰落：由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的衰落。
多径衰落：无线电波呢在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用而产生的反射、绕射和散射，使其到达接收机时是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播多引起的信号在接收端幅度、相位和到达时间的随机变化将导致严重的衰落。
无线信道分为大尺度传播模型和小尺度传播模型。
大尺度模型主要是用于描述发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米）上信号强度的变化。
小尺度衰落模型用于描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。
3.在自由空间中，设发射点处地发射功率为P t，以球面波辐射；设接收的功率为P r，则P r=（A r/4πd2）P t G t式中，A r=λ2G r/4π，λ为工作波长，G t、G r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。
3_电波传播与传播预测模型
表达式
传播路径损耗和阴影衰落 分贝式
10 log l ( r , ζ ) = 10m log r + ζ
l ( r , ζ ) = r m × 10 10
ζ
式中, 式中 r 移动用户和基站之间的距离 ζ 由于阴影产生的对数损耗（dB），服从均值为0和标准偏差为 ），服从均值为 由于阴影产生的对数损耗（ ），服从均值为 和标准偏差为 σdB的正态分布 的正态分布 m 路径损耗指数 16 实验数据表明m＝ ，标准差σ＝ 实验数据表明 ＝4，标准差 ＝8dB，是合理的 ，
2
用分贝表示： 用分贝表示：[ L]dB = 10lg L = 32.45 + 20lg f + 20lg d
6
接收电平: r 接收电平 P (dBm) = 10lg P (mW) P (dBW ) = 10lg P (W ) r r r
3 电波的三种基本传播机制
阻挡体 反射 绕射 散射 比传输波长大得多的物体 尖利边缘 粗糙表面
d+2λ/2
d+λ/2
θ
13
惠更斯－ 惠更斯－菲涅尔原理
绕射-（ 绕射 （2）菲涅尔区 基尔霍夫公式
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 的连续区域 从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大 接收点信号的合成 Pn d+nλ/2 n为奇数时，两信号抵消 为奇数时， 为奇数时 P3 d+3λ/2 n为偶数时，两信号叠加 为偶数时， 为偶数时 d+2λ/2 菲涅尔区同心圆半径
衰落的分类 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{ 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{
大尺度衰落 小尺度衰落
北邮《移动通信系统与原理》期末复习
第一章概述1、个人通信的主要特点是：每个用户有一个属于个人的唯一通信号码，取代了以设备为基础的传统通信的号码。
2、目前最具发展潜力的宽带无线移动技术是：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMAX。
3、移动通信的主要特点有：（1）利用无线电波进行信息传输；（2）在强干扰环境下工作；（3）通信容量有限；（4）通信系统复杂；（5）对移动台的要求高。
4、移动通信产生自身产生的干扰：互调干扰，邻道干扰，同频干扰，多址干扰。
第二章移动通信电波传播与传播预测模型1、移动信道的基本特性就是衰落特性。
2、移动信道的衰落一般表现为：（1）随信号传播距离变化而导致的传播损耗和弥散；（2）由于传播环境中的地形起伏，建筑物以及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的衰落，一般称为阴影衰落；（3）无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用而产生的反射、绕射和散射，使得其到达接收机时，是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播所引起的信号在接收端幅度、相位和到达时间的随机变化将导致严重的衰落，即所谓多径衰落。
3、大尺度衰落主要是由阴影衰落引起的，小尺度衰落主要是由多径衰落引起的。
4、一般认为，在移动通信系统中一项传播的3种最基本的机制为反射、绕射和散射。
5、移动无线信道的主要特征是多径传播。
6、多径衰落的基本特性表现在信号的幅度衰落和时延扩展。
一般来说，模拟移动通信系统主要考虑多径效应引起的接收信号的幅度变化；数字移动通信系统主要考虑多径效应引起的脉冲信号的时延扩展。
7、描述多径信道的主要参数：（1）时间色散参数和相关带宽；（2）频率色散参数和相关时间；（3）角度色散参数和相关距离。
P288、相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关。
9、相关带宽：频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同的时延，这可使两个信号变得相关，使得这一情况经常发生的频率间隔就是相关带宽。
10、相关时间：一段间隔，在此间隔内，两个到达信号具有很强的相关性，换句话说在相关时间内信道特性没有明显的变化。
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大尺度衰落
小尺度衰落（主要特征是多径）
描述 长距离上信号强度的缓慢变化 短距离上信号强度的快速波动
原因 信道路径上固定障碍物的阴影 移动台运动和地点的变化
影响
业务覆盖区域
信号传输质量
衰落特性的算式描述
衰落特性的算式描述
r(t ) m(t ) r0 (t )
式中，r(t)表示信道的衰落因子；m(t)表示
L Pt
当Gt=Gr=1时，
L
4d
2
Pr
分贝式
L 32.45 20 log f 20 log d
接收换算
Pr (dBm) 10 log Pr (mW ) Pr (dBW ) 10 log Pr (W )
基本电波的传播机制
阻挡体
反射
比传输波长
（引起多径衰落） 大的多的物体
绕射
尖利边缘
自由空间的电波传播
自由空间的传播损耗
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
接收功率 Pr
Ar
4d 2
Pt Gt
式中，Pt为发射功率，以球面波辐射
, Ar
2Gr 4
,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。
自由空间的传播损耗
衰落的原因
复杂的无线电波传播环境
无线电波传播方式
直射、反射、绕射和散射以及它们的合成
衰落的表现
传播损耗和弥散 阴影衰落 多径衰落 多普勒频移
信道的分类
信道的分类
根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{ 大尺度衰落
小尺度衰落
根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{ 长 期 慢 衰 落
短期快衰落
大尺度衰落与小尺度衰落
尺度衰落；r0(t)表示小尺度衰落。
接
小尺度衰落 r0 (t)
收
功
大尺度衰落m( t )
率
t
图2－1 无线信道中的大尺度和小尺度衰落
电波传播特性的研究
考虑问题
衰落的物理机制 功率的路径损耗 接收信号的变化和分布特性
应用成果
传播预测模型的建立 为实现信道仿真提供基础
基本方法
理论分析方法（如射线跟踪法） 应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预 测模型 现场测试方法（如冲激响应法） 在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统 计分析，来建立预测模型
电波传播与传播预测模型
概述电波传播特性及其研究 自由空间的电波传播 三种基本电波（反射、绕射、散 射）的传播机制 阴影衰落的基本特性 移动无线信道及特性参数 电波传播损耗预测模型
电波传播的基本特性
电波传播的基本特性即移动信道的基本特性 ——衰落特性
移动通信信道
基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径
表面平整度的参数高度 hc 8sini 平面上最大的突起高度 h{ 小于hc 表面光滑
大于hc 表面粗糙
粗糙表面下的反射场强
散射损耗系数
s
exp
8
h
sin
i
2
式中， h 为表面高度h的标准差，h是具有局部平均值的
高斯分布的随机变量。
用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强 rough s
说明
P”
在P’点处的次级波前中，
次级波前 P’
d 2 / 2
只有夹角为θ（即 TP'R）
的次级波前能到达接收点R
90
T
d/2
R
每个点均有其对应的θ角，
P
d
θ将在0º到180º之间变化
θ越大，到达接收点辐射能量越大
扩展波前
图2-3 对惠更斯－菲涅尔原理说明
菲涅尔区 基尔霍夫公式
菲涅尔区
从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大的连续区域
散射
粗糙表面
反射
理想介质表面的反射 极化特性 多径信号
两径传播模型 多径传播模型
理想介质表面的反射
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）
入射波与反射波的比值
R sin z
sin z
式中 z 0 cos2 (垂直极化）
z
0
0 cos2
（水平极化）
入射角θ
• 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。
从 式基波 中尔前 ，霍E点是夫到波公空面间式场任强何，一En点s 是的与场波强面正ER交 4的1 s场E强s n导 e数rjkr 。 erjkr
Es n
ds
散射
起因
无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向
表面光滑度的判定
接收点信号的合成
P”
• n为奇数时，两信号抵消
d n / 2 d 3 / 2
• n为偶数时，两信号叠加
d 2 / 2 d /2
菲涅尔区同心半径
T
90
d1
rn
nd1d2 d1 d2
第一菲涅尔区半径（n=1）特点
Pm
P" r1 P '
R
d2
r3
r2
图2-4 菲涅尔区截面
• 在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半
收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率
绕射
惠更斯－菲涅尔 原理
基尔霍夫公式
菲涅尔区
惠更斯－菲涅尔原理
原理
波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次 级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。
绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻 挡物所有次级波的矢量和。
算得 Rv (垂直极化反射系数) Rh (水平极化反射系数) 1 应用 • 接收天线的极化方式同被接收的电磁波的极化形式一致
时，才能有效地接收到信号，否则将产生极化失配 • 不同极化形式的天线也可以互相配合使用
多径信号
两径传播模型
A
接收信号功率
d
发 射
直射波
Pr
Pt
4d
2
Gr
Gt
1
Re ( 1 R )Ae
阴影衰落的基本特性
阴影衰落（慢衰落）
移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波 传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应
而
0 j60
其中，ε为介电常数，σ为电导率，λ为波长。
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
电磁波的极化形式 线极化、圆极化和椭圆极化 线极化的两种特殊情况 • 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） 极化反射系数
对于地面反射，当工作频率高于150MHz（ 2m）时， 1 ，
2
....
天 线
hb
直射波
简化后
B
接 收 天
线
反射波
hm
Pr
Pt
4d
2
Gr
其中，相位差
Gt 1 Re 2
2l ，l (
AC
CB)
AB
ห้องสมุดไป่ตู้
图2-2
C
两径传播模型
多径传播模型
Pr
Pt
4d
2
Gr
Gt
N 1
1 Ri
i1
exp(
j i
2
)
其中，N为路径数。当N很大时，无法用公式准确计算出接