第二章移动通信电波传播环境与传播预测模型
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移动通信技术与网络优化(第2版)第2章 电波传播、天线、抗衰落技术
值的概率与该电平所对应的电平通过率之比，可用下
式表示：
R
e2
f m
1
2
（3-11）
式中f m
是最大多普勒频移，
R
， R RMS
Rm 2 为信号包络的均方根电平。
设： 0
1 fm 2
得归一化 R 1 (e2 1)
0
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2.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征
1 时延扩展
图3-11 时延扩展示意图
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
B．移动环境的多径传播 • 陆地移动信道的主要特征是多径传播。
• 传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏 的地形，会引起电波的反射，如图3-8所示。
• 这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而 是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各 个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同， 相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加， 有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样， 接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰 落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落。
信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。如果用 公式表示，按接收信号功率可表示为
式中，| d |表示移动台与基站的距离。上式是信道 对传输信号作用的一般表示式，这些作用有三类。
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2.1.3 移动信道的多径传播特性
① 自由空间传播损耗与弥散，用| d |−n表示，其中n 一般为3～4。
顶点，损耗急剧增加。
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2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
4 反射波 • 电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界
第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
2.1 VHF、 UHF频段电波传播特性 、 频段电波传播特性
移动通信中， 移动台是处在运动状态之中的， 电 波传播的条件随着移动而发生较大的变化， 接收信号 的场强起伏也很大， 可达几十分贝， 极易出现严重的 衰落现象。 图2 - 1示出了一个场强的实测记录。 由此 可见， 接收信号出现严重的衰落现象是移动通信电波 传播的一个基本特点。
第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
接符接接 基斜(传传损损) 在区区发(多水长长)
移移分水
图 2 - 9 移动场强测试与模拟信号的场强特性
第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
－97
900 MHz , 发发移纵在 20 m , 发发相符 7 W , 接接接距距 5.6 km
－100
接接接符 / dBm
－103
－106
－109
0
2
4
6
8
10
距距 / m
图 2 - 10 移动场强特性的移动体测试的场强特性。 ① 移动体变速运动时的场强特性。 图2 - 11所示为 移动体变速运动时的场强的变化曲线。 ② 移动体恒速运动时的场强特性。 图2 - 12所示为 移动体恒速运动时的场强变化曲线。
1 ht + hr (ht + hr ) 1+ ≈1+ 2 d d
2
2
由此可得到
2ht hr ∆d = d
(2 - 6)
第2章 移动信道电波传播及无线链路计算
由路径差∆d引起的附加相移为
∆ϕ =
2π
λ
∆d
(2 - 7)
式中， 2π/λ称为传播相移常数。 这时， 接收场强E可表示为
移动通信(第二章)
❖ 相干距离与空间选择性衰落
空间选择性衰落用相干距离描述。相干距离定义为两根天 线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短， 角度扩展越大，反之，相干距离越长，角度扩展越小。 典型的角度扩展值为：室内环境 360，城市环境为 20 ，平坦 的农村为 1。
传播损耗模型
❖ Okumura模型（奥村模型） ❖ Okumura-Hata模型 ❖ Hata模型扩展 ❖ COST-231模型 ❖ COST-231-Walfish-Ikegami模型
四种主要的效应
❖ 远近效应 由于接收用户的移动性，移动用户与基站之 间的距离也在随机变化，若各移动用户发射 信号的功率一样，那么到达基站时信号的强 弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者 信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重 信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的 现象，即为远近效应。
四种主要的效应
✓若频率管理或系统设计不当,就会造成同
频干扰；
✓在移动通信系统中，为了提高频率利用
✓农村：K 4 .7 8 lg f2 1 8 .3 3 lg f 4 0 .9 4
传播损耗模型
❖ Hata模型扩展（适合于个人通信系统）
适用条件： 频率：1500MHz-2000MHz 距离：1km-20km 基站天线高度：30m-200m 移动台天线高度：1m-10m
传播损耗公式 ：
L 5 0 ( u r b a n ) 4 6 . 3 3 3 . 9 l g ( f c ) 1 3 . 8 2 l g ( h b ) ( h m ) ( 4 4 . 9 6 . 5 5 l g ( h b ) ) l g ( d ) C M
信号损耗
❖ 多径传播引起的损耗（快衰落）： 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，这是由多径传播引 起的，称作快衰落，又称作小尺度衰落。其 电平分布一般服从瑞利（Rayleigh）分布或 莱斯（Rice）分布。
空间选择性衰落用相干距离描述。相干距离定义为两根天 线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短， 角度扩展越大，反之，相干距离越长，角度扩展越小。 典型的角度扩展值为：室内环境 360，城市环境为 20 ，平坦 的农村为 1。
传播损耗模型
❖ Okumura模型（奥村模型） ❖ Okumura-Hata模型 ❖ Hata模型扩展 ❖ COST-231模型 ❖ COST-231-Walfish-Ikegami模型
四种主要的效应
❖ 远近效应 由于接收用户的移动性，移动用户与基站之 间的距离也在随机变化，若各移动用户发射 信号的功率一样，那么到达基站时信号的强 弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者 信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重 信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的 现象，即为远近效应。
四种主要的效应
✓若频率管理或系统设计不当,就会造成同
频干扰；
✓在移动通信系统中，为了提高频率利用
✓农村：K 4 .7 8 lg f2 1 8 .3 3 lg f 4 0 .9 4
传播损耗模型
❖ Hata模型扩展（适合于个人通信系统）
适用条件： 频率：1500MHz-2000MHz 距离：1km-20km 基站天线高度：30m-200m 移动台天线高度：1m-10m
传播损耗公式 ：
L 5 0 ( u r b a n ) 4 6 . 3 3 3 . 9 l g ( f c ) 1 3 . 8 2 l g ( h b ) ( h m ) ( 4 4 . 9 6 . 5 5 l g ( h b ) ) l g ( d ) C M
信号损耗
❖ 多径传播引起的损耗（快衰落）： 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，这是由多径传播引 起的，称作快衰落，又称作小尺度衰落。其 电平分布一般服从瑞利（Rayleigh）分布或 莱斯（Rice）分布。
第二章 信道模型
线性时变 滤波器
+ r(t) = c(t,τ )∗si (t) + n(t)
器c(t)
n(t)
n(t)
c(t,τ)
n(t)
加性高斯噪声信道模型
带有加性噪声的线性滤 波器信道模型
带有加性噪声的线性时 5 变滤波器信道模型
国家重点实验室
2.1 信道模型
• 在无线移动通信工作环境中，电波不仅随着传播距离增加会发生弥散 损耗，并且受地形、建筑物的遮蔽影响将产生“阴影效应”；
• 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预 测。信号的中值是指长区间中值。
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国家重点实验室 Okumura（奥村）模型
Okumura（奥村）模型提供的数据较齐全，应用较广泛， 适用于VHF和UHF频段。
Okumura模型的特点是：
¾ 以准平坦地形大城市地区的场强中值或路径损耗作为基准， ¾ 对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。
Solution: dc = 4ht hr / λ = 800m for the urban microcell and
dc = 4ht hr / λ = 160m for the indoor system.
合适？
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国家重点实验室
一、信道基本特性
A cell radius of 800 m in an urban microcell system is a bit large: urban microcells today are on the order of 100 m to maintain large capacity.
15
国家重点实验室
信道基本特性
β=2 π / λ
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
第二章 移动通信电波传播特性
( mV / m)
245 PD1 2π e2 = | R |cos( ωt − θ − ∆d ) d 1 + ∆d λ
第二节
超短波在光滑平面上 的传播特性
D1 | R| D2 2π cos ωt + cos( ωt − θ − ∆d )] d1 λ d1 + ∆d
B 点的合成电场等于和之总和，对水平极化来说，B 点上之向 量和是顺着垂直于图面的直线取向，因此接收点B的合成电场 为和之代数和。
第三节
地球曲率和大气折射 的影响
三、球形地面扩散作用对反射公式的修正
d0
1 1 Df = = 2 2 d1 d 2 2d 22 d1 1+ 1+ ' kR0dh1 kR0dh2'
173 E= PT GT × 1 + D f2 R 2 − 2 D f | R|cos( 4 πh1'h2' / dλ ) d
∆hMAX ≤ λ / 16 sin ∆
第四节
粗糙不平坦地面电波 传播特性
H d 0C
图2-7 地面起伏波程差
图2-8 传播余隙
实际地形是复杂多样的，因此很难对各种实际地 形引起的电波衰减作出准确的定量计算。参见图2-8， 地形起伏最高点与两天线连线的垂直距离为传播余隙。
第五节
多径衰落和阴影效应
2
E 0 = Z0 H0 = 120πH0
Z0 = µ 0 / ε 0 = 120πΩ
E 0 = 30 PD / d
(V / m)
E 0 = 173 PT GT / d
( mV / m)
第一节 在自由空间的传播
接受点功率为
λ 2 PR = SAe = ( PT GT / 4 πd )( λ / 4 π ) GR = ( ) PT GT GR 4 πd
245 PD1 2π e2 = | R |cos( ωt − θ − ∆d ) d 1 + ∆d λ
第二节
超短波在光滑平面上 的传播特性
D1 | R| D2 2π cos ωt + cos( ωt − θ − ∆d )] d1 λ d1 + ∆d
B 点的合成电场等于和之总和，对水平极化来说，B 点上之向 量和是顺着垂直于图面的直线取向，因此接收点B的合成电场 为和之代数和。
第三节
地球曲率和大气折射 的影响
三、球形地面扩散作用对反射公式的修正
d0
1 1 Df = = 2 2 d1 d 2 2d 22 d1 1+ 1+ ' kR0dh1 kR0dh2'
173 E= PT GT × 1 + D f2 R 2 − 2 D f | R|cos( 4 πh1'h2' / dλ ) d
∆hMAX ≤ λ / 16 sin ∆
第四节
粗糙不平坦地面电波 传播特性
H d 0C
图2-7 地面起伏波程差
图2-8 传播余隙
实际地形是复杂多样的，因此很难对各种实际地 形引起的电波衰减作出准确的定量计算。参见图2-8， 地形起伏最高点与两天线连线的垂直距离为传播余隙。
第五节
多径衰落和阴影效应
2
E 0 = Z0 H0 = 120πH0
Z0 = µ 0 / ε 0 = 120πΩ
E 0 = 30 PD / d
(V / m)
E 0 = 173 PT GT / d
( mV / m)
第一节 在自由空间的传播
接受点功率为
λ 2 PR = SAe = ( PT GT / 4 πd )( λ / 4 π ) GR = ( ) PT GT GR 4 πd
第2章移动信道电波传播理论详解
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） · Lbs单位：dB(分贝)。表示自由空间中两个 理想点源天线（增益系数G=1的天线）之间 的传输损耗。 · 自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。
2.1.4 反射波传播
当电波在传播中遇到两种不同介质的光滑面 时，如果界面尺寸比电波波长大得多时会产生 镜面反射，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，如图2.3所示。
在工程上，大气折射对电波传播的影响通
常用地球等效半径来表征，即认为电波依然
按直线方向行进，只是地球的实际半径
R0(6.37×106 m)变成了等效半径Re。
等效地球半径示意图
等效地球半径：电波在以等效地球半径Re为半径的球面 上空沿直线传播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效。
· 定义K为等效地球半径系数，即
· 移动环境中电波传播特性研究的结果 往往用两种方式给出。 方式一：对移动环境中电波传播特性 给出某种统计描述。
方式二：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。
2.1.2 无线电波的传播方式
无线电波传播特性
波 长波 段 波 长 频 率 主 要 用 途 — 调幅无线电广播 10km～1km 30kHz～300kHz
中波 短波
米波（VHF）
1km～100m 100m～10m
10m～1m
300kHz～3MHz 3MHz～30MHz
30MHz～300MHz 调频无线电广播
微波
分米波（UHF）
厘米波 毫米波
1m～0.1m
10cm～1cm 10mm～1mm
300MHz～3GHz
3GHz～30GHz 30GHz～300GHz
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） · Lbs单位：dB(分贝)。表示自由空间中两个 理想点源天线（增益系数G=1的天线）之间 的传输损耗。 · 自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。
2.1.4 反射波传播
当电波在传播中遇到两种不同介质的光滑面 时，如果界面尺寸比电波波长大得多时会产生 镜面反射，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，如图2.3所示。
在工程上，大气折射对电波传播的影响通
常用地球等效半径来表征，即认为电波依然
按直线方向行进，只是地球的实际半径
R0(6.37×106 m)变成了等效半径Re。
等效地球半径示意图
等效地球半径：电波在以等效地球半径Re为半径的球面 上空沿直线传播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效。
· 定义K为等效地球半径系数，即
· 移动环境中电波传播特性研究的结果 往往用两种方式给出。 方式一：对移动环境中电波传播特性 给出某种统计描述。
方式二：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。
2.1.2 无线电波的传播方式
无线电波传播特性
波 长波 段 波 长 频 率 主 要 用 途 — 调幅无线电广播 10km～1km 30kHz～300kHz
中波 短波
米波（VHF）
1km～100m 100m～10m
10m～1m
300kHz～3MHz 3MHz～30MHz
30MHz～300MHz 调频无线电广播
微波
分米波（UHF）
厘米波 毫米波
1m～0.1m
10cm～1cm 10mm～1mm
300MHz～3GHz
3GHz～30GHz 30GHz～300GHz
第二章 移动通信电波传播特性
(km)
2 R0 ( h1 h2 )
R0 6370km
10 HITCRC
Line of sight calculation
Considering the misproportion of atmosphere, direct path will curve a little （实际上当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时，直射波传播 所能到达的视线距离的数值稍有变化。例如在标准大气折射的情况下， 上述公式可以修正为下面的式子）
12 HITCRC
Transmission mechanism of electromagnetic wave Figure 2-1 indicates direct (直射) and reflected path (反射) signal as e1 and e2，here, |R| is reflection coefficient (发射系 数)，△d is the path difference between direct and reflected path A
6 HITCRC
Free space propagation
Free space，is a uniform non-loss infinite space. In ideal condition, the space is isotropic, its electric conductivity is 0, and both of its relative permittivity and relative magnetic conductivity are equal to 1.（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。） 实际无线电波传播路径是不可能获得这种条件的。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。在研究移 动通信电波传播问题时，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。