2011 LX 移动通信_第二章_移动通信电波传播与传播预测模型 ver3.3 part1
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移动通信中电波传播损耗的预测模型
移动通信中 的一个基本问题就 是计算接收信号的 功率
Pr , 这是 为保证移动通信系统电磁兼容性所必须的。信号在 信道 中传输时总 是有衰减 的: 一方 面, 随 着电波传 播距离 的 增加, 由于球面波的自然扩散会引起衰减; 另 一方面, 周 围的 传播 环境包括各 种障碍物 等对电波的 吸收、散射、绕射或 反 射等作用也会使信号产生衰减。通常用传播损 耗来对电波通 过移动信道时的这种衰减特性进行度量 。
在 第二台计算机上 运行: “开始”→ “程序”→ “N or to n Gho st”→ “M ulticast Ser ver ”。在 SessionN ame 处输入多播 的 节目名 称, 这里 我们 输入 a. 然 后选 中 L oa d T o Clien; 在 Imag e 处 填 入 d: dbak. g ho; 选 择 Disk, 然 后 单 击 [ A cceptClient ] 按钮。
在移动通信的环境中, 传播损耗不仅和频率、距离有关, 还和收发天线的高度有关, 更和地形、地物有关。如何计算电 波传 播损耗, 必须在系 统设计前加 以预测, 这不仅 是模拟 蜂 窝网, 在当前更是数字蜂窝移动通信网组网规划工作中 极为 重要的组成部分。
1 自由空间传播损耗模型
无线 电波在自由 空间中的 传播是电波 传播研 究中最 基 本、最简单的一种, 它是一种理想化的电波传 播方式, 在 这种 空间中传播的电磁波不会产生反射、折射、绕 射、吸收和 散射 等现 象, 也就 是说, 电磁波的总 能量并没 有被上述 作用损 耗
摘 要: 在自由 空间电波 传播损耗模 型基础上, 基于微 小区内电 波传播新特 点, 给出 了电波传 播损耗的一 般预测 模型, 其特点是用最 小拐点距离 D 来统一反映天线高度 和系统工作频率对 电波传播损耗的影 响, 同时对 电波在传播过 程中经过的不同环境, 分别用不同的路径衰减指数 n 来反映。
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
移动通信理论与实战第2章 无线电波传播与天馈系统PPT课件
多径效应
两径传播的叠加（加强和减弱）
由于多径现象引起的干扰称为多径干扰 或多径效应，产生的衰落称为多径衰落。
解决方案： 时域均衡、OFDM、Rake接收
阴影效应
由移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它 障碍物对电波路径的阻挡而形成的接收区域的半盲区/盲区
补盲——室内分布系统
远近效应
无线电波的传播方式
由于高大建筑物或远处高山等阻挡物的存在，电磁波传播路径
可分为直射传播和非直射传播
直射波
L 1 0 l g P P r t 1 0 l g 4 d 2 G t 1 G r 3 2 .4 5 2 0 l g d 2 0 l g f 1 0 l g ( G tG r )
课程内容
无线电波的传播特性 无线信道的损耗与效应 信道传播模型 天馈系统
路径损耗的经验模型
无线信道存在着随机性，工程实践中大量使用统计模型，统 计模型一般只需知道地理环境的统计数据和信息，由大量实 验测试数据拟合出经验公式或半经验半理论公式，也可以是 经验曲线。根据统计模型预测的结果在实际应用中必须进行 修正。
▪ f ↑→L↑，则Gt↑、Gr↑可以补偿这些损耗；
课程内容
无线电波的传播特性 无线信道的损耗与效应 信道传播模型 天馈系统
多径效应
基站天线
3 1
4
2
➢ 接收端接收到的信号是来自直射、反射、折射、绕射、散射等多条 不同路径传播过来的信号的矢量之和。
➢ 一般来说，直射信号最强，反射、透射信号次之，绕射信号再次之， 散射信号最弱。
天线性能指标
天线基础知识——天线增益
天线增益的定义：天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向集中 辐射的能力
3 第二章之二 电波传播特性
20
传播模型
一般规划软件模型：
Lp=K1+K2lgd+K3(hm)+K4lg(hm)+K5lg(Heff)+K6lg(Heff)lgd＋ K7diffn+Kclutter
K1—与频率(MHz)有关的常数 K3,K4—移动台天线高度(m)修正系数 K7—绕射修正系数 d—基站和移动台之间的距离(km) K2— 与距离(km)有关的常数 K5,K6—基站天线高度(m)修正系数 Kclutter—地物衰减修正系数 hm,Heff—移动台天线和基站天线有效高度(m)
可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等 不同情况的路径损耗 两种情况 视距传播情况，路径损耗 L 42.6 26 log d 20 log f
非视距传播情况，路径损耗 L L0 L1 L2
式中 L0 —自由空间损耗 L1 —由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗
L2 —沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射） L2 L21 ka kd log d k f log f 9 log b
18, hB hR 15hB hR kd 18 , hB hR hR
hB 发射天线高度， b相邻行建筑物中心距离
f 0.7 1 , 925 k f 4 f 1.5 1 , 925
式中 C M —大城市中心校正因子
CM 0 dB 中等城市和郊区 大城 市中心 3 dB
12
两种Hata模型的主要区别
频率衰减系数不同
•ta模型的频率衰减因子为26.16
COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减，大城市 中心地区路径损耗增加3dB。
传播模型
一般规划软件模型：
Lp=K1+K2lgd+K3(hm)+K4lg(hm)+K5lg(Heff)+K6lg(Heff)lgd＋ K7diffn+Kclutter
K1—与频率(MHz)有关的常数 K3,K4—移动台天线高度(m)修正系数 K7—绕射修正系数 d—基站和移动台之间的距离(km) K2— 与距离(km)有关的常数 K5,K6—基站天线高度(m)修正系数 Kclutter—地物衰减修正系数 hm,Heff—移动台天线和基站天线有效高度(m)
可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等 不同情况的路径损耗 两种情况 视距传播情况，路径损耗 L 42.6 26 log d 20 log f
非视距传播情况，路径损耗 L L0 L1 L2
式中 L0 —自由空间损耗 L1 —由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗
L2 —沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射） L2 L21 ka kd log d k f log f 9 log b
18, hB hR 15hB hR kd 18 , hB hR hR
hB 发射天线高度， b相邻行建筑物中心距离
f 0.7 1 , 925 k f 4 f 1.5 1 , 925
式中 C M —大城市中心校正因子
CM 0 dB 中等城市和郊区 大城 市中心 3 dB
12
两种Hata模型的主要区别
频率衰减系数不同
•ta模型的频率衰减因子为26.16
COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减，大城市 中心地区路径损耗增加3dB。
2 第二章 无线信道——无线电波传播与预测模型
-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。试求出
电波传播损耗。
解： 先求出自由空间传播的损耗Lfs为 [Lfs ] 32.45 201 g(5 10) 201 g150 99.5dB
求第一菲涅尔区半径x1为
x1
d1d2
d1 d2
2 5103 1104 15 103
第二章 无线信道
无线电波传播与预测模型
大连交通大学 动车学院
1
• 2.1. 电磁波的传播方式 • 2.2．电磁波的传播机制 • 2.3．信道容量 • 2.4．无线信道的衰落 • 2.5. 多径信道的描述 • 2.6．电波传播损耗预测模型
大连交通大学 动车学院
2
2.1 电磁波的传播方式
用于通信的电磁波频率都比较高，这是由天线定理所 决定的。
(5)误码率(error rate)：差错发生率
(6)信噪比(SNR signal to noise ratio)：衡量信号功率相对于噪
声功率的强度，值越大说明信号越好
SNR(dB)=10lg(Ps/PN)=20lg(大V连交s通/大V学N动)车学院
17
无噪声的完美信道—奈奎斯特带宽
高斯白噪声无处不在；
解：已知载频fc=1850MHz, 所以波长
λ=c/fc=
3× 108 =0.162m 1850× 106
车速v=60mph=26.82m/s
大连交通大学 动车学院
27
(a) 汽车沿直线朝向发射机运动时，多普勒频移为正
接受频率为：
f
fc
fd
1850106
26.82 0.162
1850.00016MHz
电波传播损耗。
解： 先求出自由空间传播的损耗Lfs为 [Lfs ] 32.45 201 g(5 10) 201 g150 99.5dB
求第一菲涅尔区半径x1为
x1
d1d2
d1 d2
2 5103 1104 15 103
第二章 无线信道
无线电波传播与预测模型
大连交通大学 动车学院
1
• 2.1. 电磁波的传播方式 • 2.2．电磁波的传播机制 • 2.3．信道容量 • 2.4．无线信道的衰落 • 2.5. 多径信道的描述 • 2.6．电波传播损耗预测模型
大连交通大学 动车学院
2
2.1 电磁波的传播方式
用于通信的电磁波频率都比较高，这是由天线定理所 决定的。
(5)误码率(error rate)：差错发生率
(6)信噪比(SNR signal to noise ratio)：衡量信号功率相对于噪
声功率的强度，值越大说明信号越好
SNR(dB)=10lg(Ps/PN)=20lg(大V连交s通/大V学N动)车学院
17
无噪声的完美信道—奈奎斯特带宽
高斯白噪声无处不在；
解：已知载频fc=1850MHz, 所以波长
λ=c/fc=
3× 108 =0.162m 1850× 106
车速v=60mph=26.82m/s
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27
(a) 汽车沿直线朝向发射机运动时，多普勒频移为正
接受频率为：
f
fc
fd
1850106
26.82 0.162
1850.00016MHz
移动通信电波传播
第二章 移动通信的电波传播本章从工程设计的需要出发，着重分析陆地移动（包括点――点及点――面固定通信）无线电波的传播特性，论述适用于不同条件的几种传播模式，即Bullington 模式、Okumura 模式及Egli 模式。
对于室内传播，介绍了用于室内无线覆盖的Motley 模式。
第一节 固定无线通信的电波传播在讨论移动通信的电波传播之前，有必要首先讨论固定无线通信的电波传播，因为这不仅有助于比较移动和固定无线通信电波传播之间的差别及特点，而且由于在移动通信系统中，除了移动用户外，也会有少量的固定用户。
此外，固定无线通信电波传播的某些模式和数据在适当条件下也适用于移动通信。
因此，对移动通信的工程设计人员而言，既要掌握移动通信的电波传播规律，也要掌握固定通信的电波传播规律。
一、自由空间传播在无线通信电波传播研究中，最简单的是自由空间传播。
当讨论到其他传播方式时，通常都要用它作为参考，故在许多场合，需要用到自由空间传播的计算公式。
所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为1（即介电常数ε和磁导率μ分别等于真空介电常数ε0及真空磁导率μ0）的均匀介质所存在的空间，该空间具有各向同性、电导率为零等特点。
自由空间传播与真空中传播一样，只有扩散损耗的直线传播，即在此空间中没有反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子分裂等现象，而且电波传播速度等于真空中的光速C ，因此，自由空间是某些实际空间的一种科学的抽象。
原则上电波传播总是要受到实际介质或障碍物不同程度的影响。
但在研究具体的无线电波传播时，如果实际介质与障碍物对电波传播的影响可以忽略，则这种情况下的电波传播可认为是自由空间传播。
当离开发信天线的距离为d 米时，自由空间场强可用下式表示：d P g E tt 30= （2－1）式中，E 为场强（V/m ）；P t 为辐射功率（W ）；g t 为发信天线功率增益。
理想的全向天线在所有方向上均匀辐射，故g ＝1。
《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 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
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AB : Pr ,1,dBm Pt ,dBm L1,dB L1,dB 78dB
Pr ,1,dBm 68 dBm） （ ACB : Pr ,2,dBm Pt ,dBm L2,dB
L2,dB 79.6dB
2l / d 4 / 3
2 2
Pr ,2,dBm 69.6 dBm） （
LdB PT ,dBm - PR ,dBm PT ,dBm =10log(10mW)=10dBm
PR,dBm =10log(1 105 mW)=-50dBm
LdB PT ,dBm - PR,dBm 60dB
19
自由空间的路径损耗：L (4 d / )2 / (GT GR ) d 2
移动通信
第二章
移动通信电波与传播预测模型
雷霞 通信抗干扰技术国家级重点实验室
主要内容
2.1概述
2.2自由空间的电波传播
2.3 3种基本电波传播机制
2.4阴影衰落的基本特性 2.5移动无线信道及特性参数
2.6电波传播损耗预测模型
2.1 概述
2.1. 概述
为什么研究无线信道的电波传播特性？
s
信道h
2.2 自由空间的电波传播
当Gt ，Gr 非1时，自由空间的传播损耗为
L (4 d / )2 /(GT GR )
得到，LdB 32.45 20lg f 20lg d 10lg GT 10lg GR
[举例] PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ；
令第一菲涅尔区的半 径为F1，则根据第一 菲涅尔区半径的定义
d1
F d F d d
2 1 2 1 2 1 2 2
2
通常d1>>F1,d2>>F1，因此将上式作一级近似，可得
d
1
F / 2d1 d 2 F / 2d 2 d
2 1 2 1
2
d1d 2 d1d 2 1/ 2 F1 d d1 d2
GT (4
则接收天线所截获的功率为
PR SD AR
PR PT GT GR (W ) 4 d
2
13
[1] Dipak L. Sengupta Valdis，应用电磁学与电磁兼容
因为接收功率PR PT GT GR (w) 4 d
30
F1 d1d2 / d
课堂练习1：如果工作频率调整为300MHz， 收发间距离为30Km，求收发之间中点处 的第1菲涅尔区半径 波长越长，F1
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 300e6( Hz ) 2 1 3000 27.38(m) 2
2.2 自由空间的电波传播
(2)
PR 的计算
可得，PR PT / L 可得，L 10^ ( LdB /10)
L PT / PR
LdB 10 lg( L)
因此，PR PT / 10^(LdB / 10)
PR = PT / ( 10^(L_dB/10) ) = PT / ( 10^7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10^7.807 ) = 156 ( mμW )
2
传播损耗，也称为路径损耗
定义，L PT / PR
所以，L (4 d / )2 /(GT GR )
因为， c / f
2
当Gt = Gr=1时，自由空间的传播损耗为
L= (4 d / )2
所以，L (4 df / c ) (4 / c ) d f
2 2
4.散射波(最弱)
7
典型的移动信道电波传播方式
2.1. 概述
信道按是否存在视距分类
视距信道：
直射传播（LOS：Light-Of-Sight），如
卫星传播信道
非视距信道：
非直射传播（Non-LOS）：绕射、散射、
反射
8
2.2 自由空间的电波 传播
回顾
各向同性天线 没有体积、不存在损耗的点源辐射器。其方 向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强 度 天线增益 方向性天线在某方向的某位置达到
2
用dB描述，LdB 10lg( L)
代入光速，c =3 108 (m / s)
所以，LdB 20 lg
将f 的单位改为MHz，d 的单位为改Km，取对数 4 1e 6 1e 3
3e 8 20 lg f 20 lg d 14
得到，LdB 32.45 20lg f 20lg d
2.1. 概述
h (t )
1e-3 高斯信道 传输性能 7dB
h i exp ji
i 0
N
瑞利信道传输性能
1e-3 25dB
6
2.1. 概述
移动信道下的电波传播机制
视距信道 散射体
1.直射波(最强)
非视距信道
2.反射波(次强) 3.绕射波(次强)
29
F1 d1d2 / d
举例：工作频率为900MHz，收发间距离 为30Km，求收发之间中点处的第1菲涅尔 区半径 d1 d2 d / 2
1 d F1 d1d2 / d F1 d / 4d 2 c / f
2
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 900e6( Hz ) 2 1 1000 15.8(m) 2
r
n是白高斯噪声
r hs n
h (t ) H=1
r s+n
h i exp ji
i 0
N
r ?
2.1. 概述
白高斯噪声的定义和特点 定义：
如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，
而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为 高斯白噪声 为什么叫“白” 由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合 而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性 质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作 白噪声
反射波场强的幅度等于入射波场强的幅 23 度，而相差为180°
2.3.1 反射与多径信号
两径传播模型 L= PT/PR= (4d/)2/(GtGr)
Pr Pt Gr Gt 1 R e j 4 d
2 2
2l / ;(路位的相位差) l ( AC CB) AB;(路位的距离差)
非理想自由空间的传输损耗 路径损耗指数： 实测表明，在发射功率，天线参数和工 作频率给定的条件下，平均路径损耗
d P (d ) 对于d d 0 d0
n
d0为靠近发端的参考点距发端的距离， 该处的损耗可以由实测获取 n为路径损耗指数，取决于传播环境
参考点也必须在天线的远场
多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功
率
26
2.3.2 绕射
绕射(diffraction) ： 当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻
挡时，发生绕射。
惠更斯.菲涅尔原理
行进中的波前(面）上的每一点都可以作为产生次级
波的点源 绕射由次级波进入阴影 区域而形成 绕射波场强为围绕阻挡\ 物所有次级波的矢量和
20
2.2 自由空间的电波传播
典型环境的路径损耗指数
传播环境 自由空间 市区蜂窝通信 有传播阴影的市区蜂窝 通信 路径损耗指数，n 2 2.7-3.5 3-5
典型取值：4
21
2.3 3种基本电波传播机制
2.3.1 反射与多径信号
反射:
当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，
反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面 反射系数：
W和dBm的转换
都是功率单位 折算为dB更利于计算
PdBm (dBm ) 10log( P ( mW ))
例：
1(W ) 30(dBm )
LdB PT ,dBm - PR ,dBm
18
2.2 自由空间的电波传播
[课堂练习],发射功率为PT =10mW ，接收灵 敏度为PR=10umW，求LdB
Pr 69.25(dBm)
Pr Pt Gr Gt 1 R e j 4 AB
Pr ,1,dBm
25
2.3.1 反射与多径信号
推广到多径情况
Pr Pt Gr Gt 1 Ri e j 4 i 1
2 N 1 2
R Re
j
sin z( , ) sin z( , )
f , , , 入射角； 介电常数； 波长
工作频率>150MHz(λ＜2m)时，θ＜1°
反射系数为-1
0 z( , ) R 1 0 z( , )
辐射场强Um所用的发射功率为Pt， 而均匀辐射的点源天线所需的功率 为P0，则 G Pt / P0
10
直射：
电波沿直线传播的传播方式 自由空间电波传播损耗
设： 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，
无反射、折射、绕射、散射和吸收现象 在接收天线方向，具有增益Gt 其单位面积中的能量会因扩散引起损耗 在发射天线方向，接收天线的增益为Gr
L PT / PR
LdB 32.45 20 lg f 20 lg d
20lg d LdB - 32.45 20lg f 10lg GT 10lg GR
20 lg d 23.95
d 10^ ( 23.95 / 20) 63.4( m )
17
2.2 自由空间的电波传播
Pr ,1,dBm 68 dBm） （ ACB : Pr ,2,dBm Pt ,dBm L2,dB
L2,dB 79.6dB
2l / d 4 / 3
2 2
Pr ,2,dBm 69.6 dBm） （
LdB PT ,dBm - PR ,dBm PT ,dBm =10log(10mW)=10dBm
PR,dBm =10log(1 105 mW)=-50dBm
LdB PT ,dBm - PR,dBm 60dB
19
自由空间的路径损耗：L (4 d / )2 / (GT GR ) d 2
移动通信
第二章
移动通信电波与传播预测模型
雷霞 通信抗干扰技术国家级重点实验室
主要内容
2.1概述
2.2自由空间的电波传播
2.3 3种基本电波传播机制
2.4阴影衰落的基本特性 2.5移动无线信道及特性参数
2.6电波传播损耗预测模型
2.1 概述
2.1. 概述
为什么研究无线信道的电波传播特性？
s
信道h
2.2 自由空间的电波传播
当Gt ，Gr 非1时，自由空间的传播损耗为
L (4 d / )2 /(GT GR )
得到，LdB 32.45 20lg f 20lg d 10lg GT 10lg GR
[举例] PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ；
令第一菲涅尔区的半 径为F1，则根据第一 菲涅尔区半径的定义
d1
F d F d d
2 1 2 1 2 1 2 2
2
通常d1>>F1,d2>>F1，因此将上式作一级近似，可得
d
1
F / 2d1 d 2 F / 2d 2 d
2 1 2 1
2
d1d 2 d1d 2 1/ 2 F1 d d1 d2
GT (4
则接收天线所截获的功率为
PR SD AR
PR PT GT GR (W ) 4 d
2
13
[1] Dipak L. Sengupta Valdis，应用电磁学与电磁兼容
因为接收功率PR PT GT GR (w) 4 d
30
F1 d1d2 / d
课堂练习1：如果工作频率调整为300MHz， 收发间距离为30Km，求收发之间中点处 的第1菲涅尔区半径 波长越长，F1
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 300e6( Hz ) 2 1 3000 27.38(m) 2
2.2 自由空间的电波传播
(2)
PR 的计算
可得，PR PT / L 可得，L 10^ ( LdB /10)
L PT / PR
LdB 10 lg( L)
因此，PR PT / 10^(LdB / 10)
PR = PT / ( 10^(L_dB/10) ) = PT / ( 10^7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10^7.807 ) = 156 ( mμW )
2
传播损耗，也称为路径损耗
定义，L PT / PR
所以，L (4 d / )2 /(GT GR )
因为， c / f
2
当Gt = Gr=1时，自由空间的传播损耗为
L= (4 d / )2
所以，L (4 df / c ) (4 / c ) d f
2 2
4.散射波(最弱)
7
典型的移动信道电波传播方式
2.1. 概述
信道按是否存在视距分类
视距信道：
直射传播（LOS：Light-Of-Sight），如
卫星传播信道
非视距信道：
非直射传播（Non-LOS）：绕射、散射、
反射
8
2.2 自由空间的电波 传播
回顾
各向同性天线 没有体积、不存在损耗的点源辐射器。其方 向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强 度 天线增益 方向性天线在某方向的某位置达到
2
用dB描述，LdB 10lg( L)
代入光速，c =3 108 (m / s)
所以，LdB 20 lg
将f 的单位改为MHz，d 的单位为改Km，取对数 4 1e 6 1e 3
3e 8 20 lg f 20 lg d 14
得到，LdB 32.45 20lg f 20lg d
2.1. 概述
h (t )
1e-3 高斯信道 传输性能 7dB
h i exp ji
i 0
N
瑞利信道传输性能
1e-3 25dB
6
2.1. 概述
移动信道下的电波传播机制
视距信道 散射体
1.直射波(最强)
非视距信道
2.反射波(次强) 3.绕射波(次强)
29
F1 d1d2 / d
举例：工作频率为900MHz，收发间距离 为30Km，求收发之间中点处的第1菲涅尔 区半径 d1 d2 d / 2
1 d F1 d1d2 / d F1 d / 4d 2 c / f
2
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 900e6( Hz ) 2 1 1000 15.8(m) 2
r
n是白高斯噪声
r hs n
h (t ) H=1
r s+n
h i exp ji
i 0
N
r ?
2.1. 概述
白高斯噪声的定义和特点 定义：
如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，
而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为 高斯白噪声 为什么叫“白” 由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合 而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性 质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作 白噪声
反射波场强的幅度等于入射波场强的幅 23 度，而相差为180°
2.3.1 反射与多径信号
两径传播模型 L= PT/PR= (4d/)2/(GtGr)
Pr Pt Gr Gt 1 R e j 4 d
2 2
2l / ;(路位的相位差) l ( AC CB) AB;(路位的距离差)
非理想自由空间的传输损耗 路径损耗指数： 实测表明，在发射功率，天线参数和工 作频率给定的条件下，平均路径损耗
d P (d ) 对于d d 0 d0
n
d0为靠近发端的参考点距发端的距离， 该处的损耗可以由实测获取 n为路径损耗指数，取决于传播环境
参考点也必须在天线的远场
多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功
率
26
2.3.2 绕射
绕射(diffraction) ： 当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻
挡时，发生绕射。
惠更斯.菲涅尔原理
行进中的波前(面）上的每一点都可以作为产生次级
波的点源 绕射由次级波进入阴影 区域而形成 绕射波场强为围绕阻挡\ 物所有次级波的矢量和
20
2.2 自由空间的电波传播
典型环境的路径损耗指数
传播环境 自由空间 市区蜂窝通信 有传播阴影的市区蜂窝 通信 路径损耗指数，n 2 2.7-3.5 3-5
典型取值：4
21
2.3 3种基本电波传播机制
2.3.1 反射与多径信号
反射:
当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，
反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面 反射系数：
W和dBm的转换
都是功率单位 折算为dB更利于计算
PdBm (dBm ) 10log( P ( mW ))
例：
1(W ) 30(dBm )
LdB PT ,dBm - PR ,dBm
18
2.2 自由空间的电波传播
[课堂练习],发射功率为PT =10mW ，接收灵 敏度为PR=10umW，求LdB
Pr 69.25(dBm)
Pr Pt Gr Gt 1 R e j 4 AB
Pr ,1,dBm
25
2.3.1 反射与多径信号
推广到多径情况
Pr Pt Gr Gt 1 Ri e j 4 i 1
2 N 1 2
R Re
j
sin z( , ) sin z( , )
f , , , 入射角； 介电常数； 波长
工作频率>150MHz(λ＜2m)时，θ＜1°
反射系数为-1
0 z( , ) R 1 0 z( , )
辐射场强Um所用的发射功率为Pt， 而均匀辐射的点源天线所需的功率 为P0，则 G Pt / P0
10
直射：
电波沿直线传播的传播方式 自由空间电波传播损耗
设： 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，
无反射、折射、绕射、散射和吸收现象 在接收天线方向，具有增益Gt 其单位面积中的能量会因扩散引起损耗 在发射天线方向，接收天线的增益为Gr
L PT / PR
LdB 32.45 20 lg f 20 lg d
20lg d LdB - 32.45 20lg f 10lg GT 10lg GR
20 lg d 23.95
d 10^ ( 23.95 / 20) 63.4( m )
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2.2 自由空间的电波传播