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1、移动信道中的电磁波移动信道中的电磁波传播传播第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.1VHF、UHF电磁波传播特性电磁波传播特性2.1.1电磁波传播方式电磁波传播方式当频率f30MHz时，典型的传播通路：沿路径直射波直射波，主要传播方式主要传播方式；沿路径地面反射波地面反射波；路径地表面波，地表面波，可忽略。除此之外，在移动信道中，电波遇到各种障碍物时会发生反反射射和散散射射现象，它对直射波会引起干涉，即产生多径衰落现象。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.1.2直射波传播特性直射波传播可按自由空间传播自由空间传播来考虑。自由空间传播，自由空间传
2、播，是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播实际情况下，满足以下两个条件即视为自由空间传播实际情况下，满足以下两个条件即视为自由空间传播第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播（2.4）（2.5）（2.3）（2.6）（2.7）（2.8）第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播自由空间传播损耗自由空间传播损耗Lfs可定义为可定义为:Lfs(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)(2.10)第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.1.3大气中的电
3、波传播1.大气折射 在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率n与相对介电系数r的关系为大气的相对介电系数与温度、湿度和气压有关。大气高度不同，r也不同，即dn/dh是不同的。根据折射定律，电波传播速度v 与大气折射率n成反比，即式中，c为光速。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“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(6.37106m)变成了等效半径Re,Re与R0之间的关系为(2.11)式中，k称作地球等效半径系数。标准大气折射情况下，等效地球半径Re=8500km第第2 2章章移动信道
4、中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.视线传播极限距离视线传播的极限距离可右图计算，天线的高度分别为ht和hr，两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。由于地球等效半径Re远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播可见，视线传播的极限距离d为在标准大气折射情况下，在标准大气折射情况下，Re=8500km,故故(2.12)式中，式中，ht、hr的单位是的单位是m,d的单位是的单位是km。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.1.4菲涅尔余隙与绕射损耗
5、菲涅尔余隙与绕射损耗电波的直射路径上可能存在障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗绕射损耗。设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图2.3所示。图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲菲涅涅尔尔余余隙隙。规定阻挡时余隙为负，如图2.3(a)所示；无阻挡时余隙为正，如图2.3(b)所示。图2.3障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图2.4所示。图2.4绕射损耗与余隙关系第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播由图2.4可见，当x/x10.5时，附加损耗约为0dB
6、，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可可能能使使服服务务区区内内各各处处的的菲菲涅涅尔尔余余隙隙x0.5x1;当x0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为6dB。图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播损耗的分贝数。横坐标为x/x1,其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式可求得：(2.13)第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播例3.1设图2.3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试
7、求出电波传播损耗。解：先由式(2.10)求出自由空间传播的损耗Lfs为Lfs=32.44+20lg(5+10)+20lg150=32.44+23.52+43.54=99.5dB由式(2.13)求第一菲涅尔区半径x1为第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播由图2.4查得附加损耗(x/x1-1)为16.5dB,因此电波传播的损耗L为L=Lfs+16.5=116.0dB第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.1.5反射波反射波当电波传播中遇到两两种种不不同同介介质质的的光光滑滑界界面面时，如果界面尺寸比电波波长大得多，就会产生镜镜面面反反射射。由于大地和大气
8、是不同的介质，所以入射波会在界面上产生反射（平面反射平面反射，反射角等于入射角），如图2.5所示。图2.5反射波与直射波第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播通常，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。不不同同界界面面的的反反射射特特性性用用反反射射系系数数R表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，R可表示为R=|R|e-j(2.14)式中，|R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振振幅幅比比，代表反射波相对于入射波的相移相移。对于水平极化波和垂直极化波的反射系数和分别由下列公式计算：(2.15)(2.16)式中，是反射媒介的等效复介
9、电常数：第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播对于地面反射，当工作频率高于150MHz(2m)时，1，由式(3-23)和式(3-24)可得Rv=Rh=-1(2.18)即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为180。(2.17)第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播在图2.5中，由发射点T发出的电波分别经过直射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R，由于两者的路径不同，从而会产生附加相移。由图3-5可知，反射波与直射波的路径差为(2.19)式中，d=d1+d2。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播通常(ht+hr)相关
10、带宽时，发生频频率率选选择择性性衰衰落落，即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机响应，信号中各分量衰落不一致，衰落信号波形将产生失真。当信号的带宽1/T0时，信道表现为慢衰落；当码时，信道表现为慢衰落；当码率率1/Ts1/T0时，信道表现为快衰落；为避免快衰落失真和多普勒影响引时，信道表现为快衰落；为避免快衰落失真和多普勒影响引起的误码率，信号速率必须超过衰落速率的起的误码率，信号速率必须超过衰落速率的100200倍倍第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.3陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗2.3.1接收机输入电压、功率与场强的关系图2.18 接收机输入电
11、压的定义Us天线感应电势Rs内阻Ri接收机输入内阻Us/2接收机端电压接收机端电压第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播图2.19半波振子天线的有效长度图2.20半波振子天线的阻抗匹配电路第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播图2.21典型的统计服务区第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播图2.22小区覆盖结构和服务区第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.3.3地形、地物分类1.地形的分类与定义中等起伏地形中等起伏地形:是指在传播路径的地形剖面图上，地面
12、起伏高度不超过20m，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统称为不规则地形。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播hts基站天线顶点的海拔高度 hga从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度移动台天线的有效高度：hm总是指天线在当地地面上的高度。图2.23 基站天线有效高度基站天线的有效高度为：第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.地物(或地区)分类不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区开阔地。开阔地。在电波
13、传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等。郊区。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。市区。有较密集的建筑物和高层楼房。2.3.4传播模式的分类根据传播模式的性质，它可以分为以下三种：(1)经验模式；(2)半经验或半确定性模式；(3)确定性模式。经验模式是根据大量的测量结果统计分析后导出的公式。用经验模式预测路径损耗的方法很简单，不需要相关环境的详细信息，应用简单快速，但是无法提供非常精确的路径损耗估算值。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播确定性模式应用电磁理论对具体的现场环境直
14、接计算。从地形地物数据库中得到环境的描述，环境描述分成不同的精度等级。在确定性模式中，通常使用的几种技术，基于射线跟踪的电磁方法：几何绕射理论、物理光学以及一些精确方法，如积分方程法或有限差分时域法。在市区、山区和室内环境情况中，确定性的无线传播预测，是一种极其复杂的电磁问题。电磁覆盖的数学复杂度，决定了它不可能预测高度精确的无线传播。半经验或半确定性模式，把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出等式，为了改善它们和实验结果的一致性，根据实验结果对等式进行修正，得到的等式是天线周围地区某个规定特性的函数。半经验或半确定性模式的应用同样很容易、速度很快。因为移动通信所处环境的具有多样性，所以每
15、个传播模式都是针对某一特定类型环境设计的。因此，可以根据传播模式的应用环境对它进行分类。通常考虑的3类环境(小区)是：宏小区、微小区(或微蜂窝)、微微小区(或微微蜂窝)。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播宏小区是面积很大的区域，覆盖半径约130km，基站发射天线通常架设在周围建筑物上方，收发之间没有直达射线。微小区的覆盖半径在0.11km之间，覆盖面积并不一定是圆的。发射天线的高度可以和周围建筑物高度相同或者略高或略低。通常，根据收发天线和环境障碍物的相对位置分成两类情况；(视距)和(非视距)。微微小区的典型尺寸是在0.010.1km之间。微微小区可分为两类：室内和室外
16、，发射天线在屋顶上面或在建筑物内。无论在室内还是在室外情况中，和通常要分别考虑。一般地，3种类型的模式和3种小区类型之间有相互对应的关系。例如，经验模式和半经验模式适用于具有均匀特性的宏小区。半经验模式还适用于均匀的微小区，在这里，半经验模式所考虑的参数能够很好地表征整个环境。确定性模式适用于微小区和微微小区，无论它们是什么形状的小区。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.4.1 Okumura 2.4.1 Okumura 模型模型OkumuraOkumura模型模型是使用不同频率，不同天线高度，选择不同的距离以及在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信号强度,根据测
17、试结果绘成经验曲线构成的模型。奥村信号预测方法奥村信号预测方法:把“准平坦地形准平坦地形”作为分析和描述传播特性的基准。另一种地形定义为“不规则地形不规则地形”，它分为丘陵地形、孤立丘陵地形、孤立山峰、倾斜地形和水陆混合路径山峰、倾斜地形和水陆混合路径。地面障碍物分成三类：(1)开阔开阔区区；(2)郊区郊区；(3)市区市区。因此，使用奥村预测方法首先需要对所预测的地形判断属于哪类环境。除了选择合适的环境类型外，还需要根据特殊地形对得到的平均路径损耗预测值进行修正。基准：基准：中等起伏地形的市区，基站有效天线高度hb为200米，移动天线高度hm为3米的传播损耗基本中值的预测曲线,其它地形通过修正
18、因子来修正。2.4几个常用的传播模型几个常用的传播模型第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播1 1、准平坦地形大城市、准平坦地形大城市其中，其中，L LM M为传播路径的损耗中值，为传播路径的损耗中值，L Lfsfs为自由空间传播损耗，为自由空间传播损耗，A Am m为中等为中等起伏地形市区，基站天线高度为起伏地形市区，基站天线高度为200m,200m,移动台天线高度为移动台天线高度为3m3m时相对时相对于自由空间的中值损耗，又称基本于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗。中值损耗。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)准平坦地形大城市地区
19、的中值路径损耗准平坦地形大城市地区的中值路径损耗LM(dB):图2.24第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播图2.25天线高度增益因子(a)基站Hb(hb,d);(b)移动台Hm(hm,f)当基站或移动台天线高度不是基准高度时，通过修正因子当基站或移动台天线高度不是基准高度时，通过修正因子H Hb b(h(hb b,d),d)或或H Hm m(h(hm m,f),f)进行修正。进行修正。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播图2.26街道走向修正曲线第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.郊区和开阔地损耗的中值郊区和开阔地损耗的中
20、值郊区的建筑物一般是分散、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子，记作Kmr。图2.27郊区修正因子图2.28开阔地、准开阔地修正因子为了求出郊区、为了求出郊区、开阔地及准开阔地的损耗中值，开阔地及准开阔地的损耗中值，应先求出相应的市区传应先求出相应的市区传播损耗中值，播损耗中值，然后再减去由图然后再减去由图2.27或图或图2.28查得的修正因子即可。查得的修正因子即可。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播3.不规则地形上传播损耗的中值不规则地形上传播损耗的中值1).丘陵地的修正因子丘陵地的修正因子Kh丘陵地的地形参数用地形起伏高度
21、h表征。它的定义是：自接收点向发射点延伸10km的范围内，地形起伏的90%与10%的高度差(参见图2.29)上方)即为h。分为丘陵地平均修正因子Kh、微小修正因子Khf图2.29丘陵地场强中值修正因子(a)修正因子Kh;(b)微小修正因子Khf第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2).孤立山岳修正因子孤立山岳修正因子Kjs当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时，若求山背后的电场强度，一般从相应的自由空间场强中减去刃峰绕射损耗即可。但对天线高度较低的陆上移动台来说，还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗。(450-900M，110-350m)图2.30孤立山岳修正因
22、子Kjs其中，d1是发射天线至山顶的水平距离，d2是山顶至移动台的水平距离。如果实际的山岳高度不为200m，则上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数，计算的经验公式为第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播3).斜波地形修正因子斜波地形修正因子Ksp斜坡地形系指在510km范围内的倾斜地形。若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角为+m；反之为负斜坡，倾角为-m，如图2.31的下部所示。图2.31斜坡地形修正因子Ksp第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播4).水陆混合路径修正因子水陆混合路径修正因子KS在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，接收信号的
23、场强往往比全是陆地时要高。为估算水陆混合路径情况下的场强中值，用水面距离dSR与全程距离d的比值作为地形参数。此外，水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有关。曲线A表示水面靠近移动台一方的修正因子图2.32水陆混合路径修正因子第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播地形地物修正因子地形地物修正因子KT一般可写成一般可写成KT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+KS(2.57)式中：Kmr郊区修正因子，可由图2.27求得；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图2.28求得；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正因子，可由图2.29求得；Kjs孤立山
24、岳修正因子，可由图2.30求得；Ksp斜坡地形修正因子，可由图2.31求得；KS水陆混合路径修正因子，可由图2.32求得。任意地形地区的传播损耗中值任意地形地区的传播损耗中值LM=LT-KT(2.58)式中，式中，LT为中等起伏地市区传播损耗中值，为中等起伏地市区传播损耗中值，即即LM=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)(Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+KS)(2.59)任意地形地区的传播损耗的中值任意地形地区的传播损耗的中值:第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld根根据据已已得得出出的
25、的中中值值路路径径损损耗耗，可可求求出出移移动动台台接接收收到到的的信号功率为：信号功率为：PR接收机收到的中值信号功率（dBW）；PT发射机输出功率（dBW）；LM中值路径损耗（dB）；Gb、Gm分别为基站、移动台天线增益（dB）；Lb基站馈线损耗（dB）；Lm移动台馈线损耗（dB）；Ld基站天线公用器损耗（dB）；第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播例3-2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
26、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。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播解(1)根据已知条件，KT=0,LM=LT，式(2.58)可分别计算如下：由式(2.10)可得自由空间传播损耗Lfs=32.44+20lgf+20lgd=32.44+20lg450+20lg10=105.5dB第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播由图2.24查得市区基本损耗中值 Am(f,d)=27dB由图2.25(a)可得基站天线高度增益因子 Hb(hb,d)=-12dB移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)=0dB把上述各项代入式(2.58)，可
27、得传播路径损耗中值为LM=LT=105.5+27+12=144.5dB第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播(2)中等起伏地市区中接收信号的功率中值dB、dBW、dBm第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播Hata模型是由Okumura用图表给出的路径损耗数据的经验公式，该公式适用于1001500MHz频率范围，距离在l-20km之间，基站天线高度在30-200m之间，移动台天线高度1-10mHata将市区的传播损耗表示为一个标准的公式标准的公式和一个应用于其他不同环境的附加校正公式附加校正公式。在市区的中值路径损耗市区的中值路径损耗的标准公式为(CCI
28、R采纳的建议)Lccir(dB)=69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)lgd（2.60）2.4.2Okumura-Hata模型模型-宏蜂窝（宏蜂窝（1501000MHz）第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播对于小城市到中等城市，a(hm)移动台高度修正因子移动台高度修正因子的表达式为 a(hm)=(1.1lgf-0.7)hm-(1.56lgf-0.8)dB对于大城市,a(hm)的表达式为 a(hm)=8.29(lg1.54hm)2-1.1dBf 300MHz a(hm)=3.2(lg11.754hm)2-4.97dB
29、f 300MHz(2.61)为了得到郊区的路径损耗郊区的路径损耗，式（2.60）可以修正为 Ls(dB)=Lccir+Lps=Lccir+(-2lg(f/28)2-5.4)（2.62）对于开阔地的路径损耗开阔地的路径损耗，式（2.60）可以修正为 Ls(dB)=Lccir+Lop=Lccir+(-4.78(lgf)2+18.33lgf-40.94)（2.63)Hata模型没有考虑奥村报告中的所有地形修正。Hata模型适用于大区制移动系统，不适合覆盖距离不到模型适用于大区制移动系统，不适合覆盖距离不到1km的个人通信系统。的个人通信系统。第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播
30、例题：设基站天线高度为40m，发射频率为800 MHz，移动 台天线高度为2 m，通信距离为15 km，求大城市地区的中值路径损耗。解：应用Hata模型求解因为是大城市地区，工作频率大于300MHz，则a(hm)=3.2(lg11.754hm)2-4.97dB=3.2lg(11.75*2)2dB-4.97dB=1.045dB中值路径损耗为LM=69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)lgd=69.55+26.16lg800-13.82lg40-1.045+(44.9-6.55lg40)lg15=164.1dB第第2 2章章移动信道中的电磁波传
31、播移动信道中的电磁波传播2.4.3Cost231-Hata模型模型-宏蜂窝（宏蜂窝（15002000MHz）第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播2.4.4IMT-2000模式模式第三代移动通信网络，工作环境可分为室内办公环境、室外到室内步行的环境、车载环境。1.室内办公环境模型室内办公环境模型特点是小区小，反射功率低，室内既有基站又有步行用户。时延扩展在35460ns2.室外到室内徒步环境室外到室内徒步环境特点是小区小，反射功率低，低天线基站位于室外，用户位于街道、建筑物或室内。时延扩展在1001800ns3.车载环境车载环境特点是小区较大，反射功率较高。时延扩展在412
32、s第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播模型名称适用范围Okumura-Hata适用于150-1000MHz宏蜂窝预测Cost231-Hata适用于1500-2000MHz宏蜂窝预测COST-231-Walfish-Ikegami适用于900和1800MHz微蜂窝预测Keenan-Motley适用于900和1800MHz室内环境预测ASSET（用于（用于ASSET规划软规划软件）件）适用于900和1800MHz宏蜂窝预测IMT-2000模式模式适用于2000MHz预测常用的传播模型第第2 2章章移动信道中的电磁波传播移动信道中的电磁波传播小结小结P48书上小结名词解释：多径衰落、瑞丽衰落、阴影效应、阴影衰落、多普勒效应习题：1、6、8、9