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
《现代移动通信》课件第2章
图2-9 在路径损耗、阴影效应和多径传播与距离的关系
2.3 小尺度衰落模型
2.3.1 影响小尺度衰落的因素 (1) 多径效应。 (2) 多普勒效应。 (3) 信号的传输带宽。
2.3.2 移动多径信道参数 1. 时延扩展和相干带宽 时延扩展和相干带宽是用来描述无线信道的时间色散特性，
而信道的时间色散是由多径效应所引起的。
归纳为直射波、反射波、绕射波和散射波四种基本传播方式， 如图2-1所示。
图2-1 移动信道电波传播类型示意图
1. 直射波 在图2-2所示的自由空间中，设在原点O有一辐射源，均匀 地向各方向辐射，辐射功率为PT，经辐射后，能量均匀地分布 在以O点为球心，d为半径的球面上。已知球面的表面积为4πd2， 则单位面积上的电波功率密度S为
2.1.3 移动信道中的几种效应 1. 阴影效应 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物等障碍物的阻
挡时，会在障碍物的后面产生传播半盲区，这种现象称为阴影 效应。移动台在运动中通过不同障碍物阴影时，就构成接收天 线处场强中值的变化，从而引起阴影衰落。
2. 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 也是在随机变化的，若各移动用户发射信号功率一样，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。
(2.22)
当信道中存在一个固定的直射分量时(LOS情况)，不失一 般性，设式(2.14)中n=0为直射分量，此时，rL(t)和rQ(t)的包络 服从莱斯(Rician)分布，其概率密度函数(PDF)为
(2.23)
式中，ρ2=α20是直射分量的功率， 是其他非直射分量的平均功率。J0(·)是0阶第一类修正贝塞尔 函数。莱斯衰落的平均接收功率为
(2.19)
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？
14
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