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1、第第2章章 移动通信信道的电波传播移动通信信道的电波传播 n移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通信移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通信电波传播特性对移动通信无线传输技术的研究、开发和移动通电波传播特性对移动通信无线传输技术的研究、开发和移动通信的系统设计具有十分重要的意义。信的系统设计具有十分重要的意义。n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。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就是衰落特性移动信道的基本特性就是衰落特性,包括包括大尺度衰落大尺度衰落和和小尺度衰小尺度衰落落。这种衰落特性取决于。这种衰落特性取
2、决于无线电波的传播环境无线电波的传播环境，不同的传播环，不同的传播环境，其传播特性也不尽相同。而传播环境的复杂，就导致了移境，其传播特性也不尽相同。而传播环境的复杂，就导致了移动信道特性十分复杂。动信道特性十分复杂。引言：引言：n 本章主要介绍了移动通信电波传播的基本概念和原理，并介本章主要介绍了移动通信电波传播的基本概念和原理，并介绍了常用的几种传播预测模型。首先介绍了电波传播的基本特绍了常用的几种传播预测模型。首先介绍了电波传播的基本特性，在此基础上讲解了影响电波传播的三种基本的机制反射、性，在此基础上讲解了影响电波传播的三种基本的机制反射、绕射和散射。然后较详细地论述了移动无线信道及其特
3、性参数。绕射和散射。然后较详细地论述了移动无线信道及其特性参数。最后将在介绍主要的用于无线网络工程设计的无线传播损耗预最后将在介绍主要的用于无线网络工程设计的无线传播损耗预测模型。同时，还给出了传播模型校正的例子测模型。同时，还给出了传播模型校正的例子。要求要求n n理解电波传播的基本特性理解电波传播的基本特性理解电波传播的基本特性理解电波传播的基本特性n n了解三种电波传播的机制了解三种电波传播的机制了解三种电波传播的机制了解三种电波传播的机制n n掌握握自由空间和阴影衰落的概念掌握握自由空间和阴影衰落的概念掌握握自由空间和阴影衰落的概念掌握握自由空间和阴影衰落的概念n n掌握多径衰落的特性
4、和多普勒频移掌握多径衰落的特性和多普勒频移掌握多径衰落的特性和多普勒频移掌握多径衰落的特性和多普勒频移n n掌握多径信道的统计分析及多径信道的分类掌握多径信道的统计分析及多径信道的分类掌握多径信道的统计分析及多径信道的分类掌握多径信道的统计分析及多径信道的分类n n掌握多径衰落信道的特征量的概念和计算掌握多径衰落信道的特征量的概念和计算掌握多径衰落信道的特征量的概念和计算掌握多径衰落信道的特征量的概念和计算n n理解传播损耗和传播预测模型的基本概念，理解几种典型理解传播损耗和传播预测模型的基本概念，理解几种典型理解传播损耗和传播预测模型的基本概念，理解几种典型理解传播损耗和传播预测模型的基本概
5、念，理解几种典型模型模型模型模型n n了解模型校正的概念和基本方法了解模型校正的概念和基本方法了解模型校正的概念和基本方法了解模型校正的概念和基本方法2.1 无线电传播特性无线电传播特性2.1.1 电波传播方式及特点电波传播方式及特点 电电电电磁磁磁磁波波波波从从从从发发发发射射射射机机机机发发发发出出出出，传传传传播播播播到到到到接接接接收收收收天天天天线线线线，可可可可以以以以有有有有不同的传播方式，主要的传播方式四种不同的传播方式，主要的传播方式四种不同的传播方式，主要的传播方式四种不同的传播方式，主要的传播方式四种:地球面地球面地球面地球面电离层电离层电离层电离层地波传播：是一种沿着地
6、球表面传播的电磁波，称为地面波或地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面波或地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面波或地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面波或表面波传播，简称地表波。表面波传播，简称地表波。表面波传播，简称地表波。表面波传播，简称地表波。天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方式称为天波传播，也称电离层传播。式称为天波传播，也称电离层传播。式称为天波传播，也称电离层传播
7、。式称为天波传播，也称电离层传播。直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播，其信号最强。为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播，其信号最强。为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播，其信号最强。为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播，其信号最强。散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如对流散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如对流散射传播：这种传播主要是由
8、于电磁波投射到大气层（如对流散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如对流层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收地点。其信号最弱。地点。其信号最弱。地点。其信号最弱。地点。其信号最弱。电磁波的波长不同，传播方式与特点也不一样。但电磁波在传电磁波的波长不同，传播方式与特点也不一样。但电磁波在传电磁波的波长不同，传播方式与特点也不一样。但电磁波在传电磁波的波长不同，传播方式与特点也不一样。但电磁波在传播过程中有些特
9、性，主要有下列几点：播过程中有些特性，主要有下列几点：播过程中有些特性，主要有下列几点：播过程中有些特性，主要有下列几点：1.1.电波在均匀媒质中沿直线传播电波在均匀媒质中沿直线传播电波在均匀媒质中沿直线传播电波在均匀媒质中沿直线传播一般辐射到空间的电磁波都是球面波，即以场源为中心的球面一般辐射到空间的电磁波都是球面波，即以场源为中心的球面一般辐射到空间的电磁波都是球面波，即以场源为中心的球面一般辐射到空间的电磁波都是球面波，即以场源为中心的球面上电场的大小、相位都相同。但是当我们仅考虑离开场源很远上电场的大小、相位都相同。但是当我们仅考虑离开场源很远上电场的大小、相位都相同。但是当我们仅考虑
10、离开场源很远上电场的大小、相位都相同。但是当我们仅考虑离开场源很远的一小部分空间范围内的波面时，可以近似地看成均匀平面波。的一小部分空间范围内的波面时，可以近似地看成均匀平面波。的一小部分空间范围内的波面时，可以近似地看成均匀平面波。的一小部分空间范围内的波面时，可以近似地看成均匀平面波。在均匀媒质中，电波的各射线的传播速度相同，传播过程中各在均匀媒质中，电波的各射线的传播速度相同，传播过程中各在均匀媒质中，电波的各射线的传播速度相同，传播过程中各在均匀媒质中，电波的各射线的传播速度相同，传播过程中各射线互相平行，电磁场方向不变，所以传播方向不变，即按原射线互相平行，电磁场方向不变，所以传播方
11、向不变，即按原射线互相平行，电磁场方向不变，所以传播方向不变，即按原射线互相平行，电磁场方向不变，所以传播方向不变，即按原先的方向直线向前传播。先的方向直线向前传播。先的方向直线向前传播。先的方向直线向前传播。2.2.能量的扩散与吸收能量的扩散与吸收能量的扩散与吸收能量的扩散与吸收当电磁波离开天线以后，向四面八方扩散，随着传播距离的增当电磁波离开天线以后，向四面八方扩散，随着传播距离的增当电磁波离开天线以后，向四面八方扩散，随着传播距离的增当电磁波离开天线以后，向四面八方扩散，随着传播距离的增加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐射的总加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐
12、射的总加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐射的总加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐射的总能量一定，因此分布的面积越大，则通过能量一定，因此分布的面积越大，则通过能量一定，因此分布的面积越大，则通过能量一定，因此分布的面积越大，则通过单位面积上的能量就越小。所以离开天线的距离越远，空间的单位面积上的能量就越小。所以离开天线的距离越远，空间的单位面积上的能量就越小。所以离开天线的距离越远，空间的单位面积上的能量就越小。所以离开天线的距离越远，空间的电磁场就越来越弱电磁场就越来越弱电磁场就越来越弱电磁场就越来越弱。假若发射天线置于自由空间（一个无任何能反射或吸收电磁波假若发
13、射天线置于自由空间（一个无任何能反射或吸收电磁波假若发射天线置于自由空间（一个无任何能反射或吸收电磁波假若发射天线置于自由空间（一个无任何能反射或吸收电磁波物体的无穷大空间）中，若此天线无方向性，辐射功率为物体的无穷大空间）中，若此天线无方向性，辐射功率为物体的无穷大空间）中，若此天线无方向性，辐射功率为物体的无穷大空间）中，若此天线无方向性，辐射功率为P P P Pr r r r瓦，瓦，瓦，瓦，则距辐射天线则距辐射天线则距辐射天线则距辐射天线d d d d米处的电场强度米处的电场强度米处的电场强度米处的电场强度E E E E0 0 0 0为：为：为：为：（V/m）（2-1）式式(2-1)(2
14、-1)表明，电场强度与传播距离成反比，这种随着传播距表明，电场强度与传播距离成反比，这种随着传播距离的增加而电场强度逐渐减弱的现象，完全是由电波在自由空离的增加而电场强度逐渐减弱的现象，完全是由电波在自由空间中能量的扩散而引起的。间中能量的扩散而引起的。实际情况下，电磁波在大气中传播时，会遇到各种有损耗的介实际情况下，电磁波在大气中传播时，会遇到各种有损耗的介质、导体或半导体，因而损耗了一部分能量。这种现象叫做电质、导体或半导体，因而损耗了一部分能量。这种现象叫做电磁波能量吸收。因此当考虑了电波吸收后，空间任一点场强的磁波能量吸收。因此当考虑了电波吸收后，空间任一点场强的大小将小于大小将小于(
15、2-1)(2-1)式的值。式的值。3.3.反射与折射反射与折射反射与折射反射与折射当当当当电电电电波波波波由由由由一一一一种种种种媒媒媒媒质质质质传传传传到到到到另另另另一一一一种种种种媒媒媒媒质质质质时时时时，在在在在两两两两种种种种媒媒媒媒质质质质的的的的分分分分界界界界面面面面上上上上，传播方向要发生变化，产生反射与折射现象。传播方向要发生变化，产生反射与折射现象。传播方向要发生变化，产生反射与折射现象。传播方向要发生变化，产生反射与折射现象。当电波在两种媒质分界面上改变传播方向以后，又返回到原来当电波在两种媒质分界面上改变传播方向以后，又返回到原来当电波在两种媒质分界面上改变传播方向以
16、后，又返回到原来当电波在两种媒质分界面上改变传播方向以后，又返回到原来的媒质，这种现象称为反射，电磁波的反射和光的反射一样，的媒质，这种现象称为反射，电磁波的反射和光的反射一样，的媒质，这种现象称为反射，电磁波的反射和光的反射一样，的媒质，这种现象称为反射，电磁波的反射和光的反射一样，符合反射定律，即入射角等于反射角，即电波在分界面改变传符合反射定律，即入射角等于反射角，即电波在分界面改变传符合反射定律，即入射角等于反射角，即电波在分界面改变传符合反射定律，即入射角等于反射角，即电波在分界面改变传播方向进入第二种媒质中传播，这种现象称为折射，它同样遵播方向进入第二种媒质中传播，这种现象称为折射
17、，它同样遵播方向进入第二种媒质中传播，这种现象称为折射，它同样遵播方向进入第二种媒质中传播，这种现象称为折射，它同样遵守光学折射定理，即守光学折射定理，即守光学折射定理，即守光学折射定理，即（2-2）上式中，上式中，v v1 1、v v2 2分别为电波在媒质分别为电波在媒质1 1和媒质和媒质2 2中的传播速度，和是中的传播速度，和是媒质媒质1 1和媒质和媒质2 2的介电常数。的介电常数。因此，当两种媒质的介电常数相差越大时，电波在它们中传播因此，当两种媒质的介电常数相差越大时，电波在它们中传播速度相差也就越大，引起的电波传播方向的变化也就越大。速度相差也就越大，引起的电波传播方向的变化也就越大
18、。4.4.电波的干涉电波的干涉电波的干涉电波的干涉 由同一波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点，由同一波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点，由同一波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点，由同一波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点，则该接收点的场强由不同路径来的电波合成。这种现象称为波则该接收点的场强由不同路径来的电波合成。这种现象称为波则该接收点的场强由不同路径来的电波合成。这种现象称为波则该接收点的场强由不同路径来的电波合成。这种现象称为波的干涉，也称作多径效应。的干涉，也称作多径效应。的干涉，也称作多径效应。的干涉，也称作多径效应。合成电场强度与各射线
19、电场的相位有密切关系，当它们同相合成电场强度与各射线电场的相位有密切关系，当它们同相合成电场强度与各射线电场的相位有密切关系，当它们同相合成电场强度与各射线电场的相位有密切关系，当它们同相位时，合成场强最大；当它们反相时，合成场强最小。所以当位时，合成场强最大；当它们反相时，合成场强最小。所以当位时，合成场强最大；当它们反相时，合成场强最小。所以当位时，合成场强最大；当它们反相时，合成场强最小。所以当接收点不同时，合成场强也是变化的。接收点不同时，合成场强也是变化的。接收点不同时，合成场强也是变化的。接收点不同时，合成场强也是变化的。5.5.绕射现象绕射现象绕射现象绕射现象 电波在传播过程中有
20、一定绕过障碍物的能力，这种现象称为电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为绕射。由于平面波有一定的绕射能力，所以能够绕过高低不平绕射。由于平面波有一定的绕射能力，所以能够绕过高低不平绕射。由于平面波有一定的绕射能力，所以能够绕过高低不平绕射。由于平面波有一定的绕射能力，所以能够绕过高低不平的地面或有一定高度的障碍物，然后到达接收点。这也就是在的地面或有一定高度的障碍物，然后到达接收点。这也就是在的地面或有一定高度的障碍物，然后到达接收点。这也就是在的地面或有一定高度的障碍物，然后
21、到达接收点。这也就是在障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因。电波的绕射能力障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因。电波的绕射能力障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因。电波的绕射能力障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因。电波的绕射能力与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，则与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，则与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，则与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，则绕射能力越弱。绕射能力越弱。绕射能力越弱。绕射能力越弱。2.1.2 VHF2.1.2 VHF、UHFUHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 n
22、 n当前陆地移动通信主要使用的频段为当前陆地移动通信主要使用的频段为当前陆地移动通信主要使用的频段为当前陆地移动通信主要使用的频段为VHFVHF和和和和UHFUHF，即，即，即，即150MHz150MHz，450MHz450MHz、900MHz900MHz和和和和1800MHz1800MHz。n n为何移动通信通信主要使用为何移动通信通信主要使用为何移动通信通信主要使用为何移动通信通信主要使用VHFVHFVHFVHF和和和和UHFUHFUHFUHF频段？频段？频段？频段？1、VHF/UHFVHF/UHF频段适合于移动通信：频段适合于移动通信：频段适合于移动通信：频段适合于移动通信：从从从从VH
23、F/UHFVHF/UHF频段电频段电频段电频段电波的传播特性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，波的传播特性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，波的传播特性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，波的传播特性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内，因此，这而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内，因此，这而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内，因此，这而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内，因此，这个频段适合于移动通信。个频段适合于移动通信。个频段适合于移动通信。个频段适合于移动通信。2 2 2 2、天线长度决定波长，这个频段信号发
24、射和接收时，所使、天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使、天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使、天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使用用用用 的无线较短便于移动。的无线较短便于移动。的无线较短便于移动。的无线较短便于移动。3 3 3 3、抗干扰能力强：、抗干扰能力强：、抗干扰能力强：、抗干扰能力强：VHF/UHFVHF/UHF频段，可以使用较小的发射功频段，可以使用较小的发射功频段，可以使用较小的发射功频段，可以使用较小的发射功率获得及爱好的信噪比。率获得及爱好的信噪比。率获得及爱好的信噪比。率获得及爱好的信噪比。2.1.2 VHF2.1.2 VHF、UHFU
25、HF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 n n移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限。传播距离有限。传播距离有限。传播距离有限。到到达达接接收收天天线线的的信信号号是是直直射射波波、反反射射波波和和绕
26、绕射射波波的矢量合成的矢量合成图图2-1 2-1 典型的移动信道电波传播路径典型的移动信道电波传播路径n自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传自由空间电波传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。播，它是理想传播条件。n电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。n只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，其相对只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，其相对 介电常数介电常数 r r和相对导磁率和相对导磁率rr都等于都等
27、于1 1，传播路径上没有障，传播路径上没有障 碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽 略不计，在这种情况下，电波可视作在自由空间传播。略不计，在这种情况下，电波可视作在自由空间传播。n虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。2.2 自由空间电波传播自由空间电波传播2.2.1
28、 2.2.1 自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式n n由电磁场理论可知，若各向同性天线（亦称全向天线或无由电磁场理论可知，若各向同性天线（亦称全向天线或无由电磁场理论可知，若各向同性天线（亦称全向天线或无由电磁场理论可知，若各向同性天线（亦称全向天线或无方向性天线）的辐射功率为方向性天线）的辐射功率为方向性天线）的辐射功率为方向性天线）的辐射功率为P P P PT T T T瓦时，则距辐射源瓦时，则距辐射源瓦时，则距辐射源瓦时，则距辐射源d d d d米处的米处的米处的米处的电场强度有效值电场强度有效值电场强度有效值电场强度有效值E E E E0 0 0 0为为为为n n磁场强度有效值磁
29、场强度有效值磁场强度有效值磁场强度有效值H H H H0 0 0 0为为为为n n单位面积上的电波功率密度单位面积上的电波功率密度单位面积上的电波功率密度单位面积上的电波功率密度S S S S为为为为n n若用天线增益为若用天线增益为若用天线增益为若用天线增益为G G G GT T T T的方向性天线取代各向同性天线，则式的方向性天线取代各向同性天线，则式的方向性天线取代各向同性天线，则式的方向性天线取代各向同性天线，则式（2-12-12-12-1）、式（）、式（）、式（）、式（2-22-22-22-2）、式（）、式（）、式（）、式（2-32-32-32-3）应分别改写为）应分别改写为）应分别
30、改写为）应分别改写为n n接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即收天线的有效面积，即收天线的有效面积，即收天线的有效面积，即n n式中，式中，式中，式中，A A A AR R R R为接收天线的有效面积，它与接收天线增益为接收天线的有效面积，它与接收天线增益为接收天线的有效面积，它与接收天线增益为接收天线的有效面积，它与接收天线增益G G G GR R R R满满满满足下列关系：足下列关系：足下列关系：足下列关系：
31、n n式中，式中，为各向同性天线的有效面积。为各向同性天线的有效面积。n n由式（由式（由式（由式（2-62-62-62-6）至式（）至式（）至式（）至式（2-82-82-82-8）可得）可得）可得）可得n n当收、发天线增益为当收、发天线增益为当收、发天线增益为当收、发天线增益为0dB0dB0dB0dB，即当，即当，即当，即当G G G GR R R R=G G G GT T T T=1 1 1 1时，接收天时，接收天时，接收天时，接收天线上获得的功率为线上获得的功率为线上获得的功率为线上获得的功率为：n n由上式可见，自由空间传播损耗由上式可见，自由空间传播损耗由上式可见，自由空间传播损耗
32、由上式可见，自由空间传播损耗L L L Lbsbsbsbs可定义为：可定义为：可定义为：可定义为：n n以以以以dBdBdBdB计，得计，得计，得计，得n n或或或或 n n式中，式中，式中，式中，d d d d是距离的千米数，是距离的千米数，是距离的千米数，是距离的千米数，f f f f是频率的兆赫数。是频率的兆赫数。是频率的兆赫数。是频率的兆赫数。n n由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率工作频率工作频率工作频率f f
33、f f和传播距离和传播距离和传播距离和传播距离d d d d 有关，当有关，当有关，当有关，当f f f f或或或或d d d d 增大一倍时，增大一倍时，增大一倍时，增大一倍时，L L L Lbsbsbsbs将分别增加将分别增加将分别增加将分别增加6dB6dB6dB6dB。n n自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度。从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度。从而需
34、要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度。从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度。自由空间传播模型一般用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径是接受的场强，比如卫星通信系统和微波视距通信的无线链路就是典型的自由空间传播。视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离 n n图图图图2-2 2-2 2-2 2-2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离n n由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。由于地球是球形的，凸起的地表面会挡
35、住视线。n n视线所能到达的最远距离称为视线距离视线所能到达的最远距离称为视线距离视线所能到达的最远距离称为视线距离视线所能到达的最远距离称为视线距离d d d d0 0 0 0（见图（见图（见图（见图2-22-22-22-2）。）。）。）。图图图图2-2 2-2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离n n已知地球半径为已知地球半径为已知地球半径为已知地球半径为RRRR=6 370km=6 370km=6 370km=6 370km，设发射天线和接收天线，设发射天线和接收天线，设发射天线和接收天线，设发射天线和接收天线高度分别为高度分别为高度分别为高度分别为
36、h h h hT T T T和和和和h h h hR R R R（单位为（单位为（单位为（单位为m m m m），理论上可得视距传播的极），理论上可得视距传播的极），理论上可得视距传播的极），理论上可得视距传播的极限距离限距离限距离限距离d d d d0 0 0 0为为为为n n由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。视线距离越远。视线距离越远。视线距离越远。n n实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响
37、实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径后，在标准大气折射情况下，等效地球半径后，在标准大气折射情况下，等效地球半径后，在标准大气折射情况下，等效地球半径RRRR=8=8=8=8 500km500km500km500km，可得修正后的视距传播的极限距离，可得修正后的视距传播的极限距离，可得修正后的视距传播的极限距离，可得修正后的视距传播的极限距离d d d d0 0 0 0为为为为 n n 一般认为，在移动通信系统中，影响传播的三种一般认为，在移动
38、通信系统中，影响传播的三种一般认为，在移动通信系统中，影响传播的三种一般认为，在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。最基本的传播机制为反射、绕射和散射。最基本的传播机制为反射、绕射和散射。最基本的传播机制为反射、绕射和散射。2.2 2.2 三种基本电波传输机制三种基本电波传输机制反射反射反射反射：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射。反射是产波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射
39、。反射是产波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射。反射是产波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的主要因素。生多径衰落的主要因素。生多径衰落的主要因素。生多径衰落的主要因素。绕射：绕射：绕射：绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。由阻挡表面产生的二次波分布于整个空挡时会发生绕射。由阻挡表面产生的二次波分布于整个空挡时会发生绕射。由阻挡表面产生的二次波分布于整个空挡时会发生绕射。由阻挡表面产生的二次波分布于整个空间
40、，甚至绕射于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不间，甚至绕射于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不间，甚至绕射于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不间，甚至绕射于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不存在视距路径（存在视距路径（存在视距路径（存在视距路径（LOSLOS，Line of sightLine of sight）（视距路径是指移动台）（视距路径是指移动台）（视距路径是指移动台）（视距路径是指移动台可以看见基站天线；非视距（可以看见基站天线；非视距（可以看见基站天线；非视距（可以看见基站天线；非视距（NLOSNLOS）（非视距是指移动台）（非视距是指移动台）（非视距是指移动台）（非视距是
41、指移动台看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯曲。看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯曲。看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯曲。看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯曲。散射：散射：散射：散射：散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射
42、。引发散射。引发散射。引发散射。2.2.1 2.2.1 绕射损耗绕射损耗 n n在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。种损耗称为绕射损耗。种损耗称为绕射损耗。种损耗称为绕射损耗。n n设障碍物与发射点、接收点的
43、相对位置如图设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图2-32-32-32-3所示，图所示，图所示，图所示，图中中中中x x x x表示障碍物顶点表示障碍物顶点表示障碍物顶点表示障碍物顶点P P P P至直线至直线至直线至直线TRTRTRTR之间的垂直距离，在传播理之间的垂直距离，在传播理之间的垂直距离，在传播理之间的垂直距离，在传播理论中论中论中论中x x x x称为菲涅尔余隙。称为菲涅尔余隙。称为菲涅尔余隙。称为菲涅尔余隙。2.2 2.2 三种基本电波传输机制三种基本电波传输机制绕射损耗绕射损耗绕射损耗绕射损耗 图图2
44、-3 2-3 菲涅尔余隙菲涅尔余隙图图2-32-3（a a）中所示的）中所示的x x被定义为负值。被定义为负值。图图2-32-3（b b）中所示的）中所示的x x被定义为正值。被定义为正值。n n根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图涅尔余隙之间的关系如图涅尔余隙之间的关系如图涅尔余隙之间的关系如图2-42-42-42-4所示。横坐标为所示。横坐标为所示。横坐标为所示。横坐标为x x x x/x x x x1 1
45、 1 1，x x x x1 1 1 1称称称称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有 n n由图由图由图由图2-42-42-42-4可见，当横坐标可见，当横坐标可见，当横坐标可见，当横坐标x x x x/x x x x1 1 1 10.50.50.50.5时，则障碍物对直射波时，则障碍物对直射波时，则障碍物对直射波时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。的传播基本上没有影响。的传播基本上没有影响。的传播基本上没有影响。n n当当当当xxxx=0=0=0=0时，时，时，时，TRTRTRTR直射线从
46、障碍物顶点擦过时，绕射损耗约直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为为为为6dB6dB6dB6dB，当，当，当，当x x x x0 0 0 0时，时，时，时，TRTRTRTR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加加加加。图图2-4 2-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系n n 例例2-1 2-1 设设图图 2-3(a)2-3(a)所所示示的的传传播播路路径径中中，菲菲涅涅尔尔余余隙隙x x=-82m,=-
47、82m,d d1 1=5=5k km,m,d d2 2=10=10k km,m,工工作作频频率率为为150MHz150MHz。试试 求求出出电电波波传传播播损耗。损耗。解：先由式解：先由式(2-13)(2-13)求出自由空间传播的损耗求出自由空间传播的损耗L Lf f s s为为 Lf s=32.44+20lg(5+10)+20lg 150=99.5dB 由式(2-16)求第一菲涅尔区半径x1为 式中，=c/f,c为光速，f为频率。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n nL=Lf s+16.5=116.0dB2.2.22.2.2反射波反射波 n n电
48、波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。发生反射现象。发生反射现象。发生反射现象。n n图图图图2-52-52-52-5所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。射波组成的情况。射波组成的情况。射波组成的情况。图图2-5 2-5 反射波和直射波反射波和直射波n n反射波与直射波
49、的行距差为反射波与直射波的行距差为反射波与直射波的行距差为反射波与直射波的行距差为 n n式中式中 d=d1+d2 n n由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差到达接收天线的时间差换算成相位差到达接收天线的时间差换算成相位差到达接收天线的时间差换算成相位差 0 0 0 0为为为为 n n再加上地面反射时大都要发生一次反相，实际的两路电波再加上地面反射时大都要发生一次反相，实际的两路电波再加上地面反射时大
50、都要发生一次反相，实际的两路电波再加上地面反射时大都要发生一次反相，实际的两路电波相位差相位差相位差相位差 为为为为 2.2.3 2.2.3 散射波散射波n n当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。挡体的背面。挡体的背面。挡体