2(d1 + d 2 ) 2d1d 2 v=h =α λd1d 2 λ (d1 + d 2 )

刃形绕射波场强Ed为：
( Ed 1 + j ) ∞ exp − jπt 2 dt = F (v ) = ∫ v E0 2 2
(
)

其中：E0为自由空间场强，F(v)为费涅尔数。 对比自由空间，刃形绕射增益为： Gd = 20 log F (v )
散射因子

粗糙表面临界高度为 hc(λ,入射角)：hc =


散射损耗因子用高斯分布来建模。 πσ h sin θ i 2 πσ h sin θ i 2 ρ s = exp − 8 I 0 8 λ λ h>hc的时反射场强：Γrough = ρ s Γ

环境特征不同


应用区域不同

大尺度传播模型

大尺度模型预测距离 >> λ 的电波传 播行为：
距离和主要环境特征的函数，粗略地认 为与频率无关 当距离减小到一定程度时，模型就不成 立了 用于无线系统覆盖和粗略的容量规划建 模

小尺度传播模型

小尺度（衰落）模型描述信号在 λ 尺度内的变化
多径效应（相位抵消）为主，路径 损耗可认为是常数 与载波频率和信号带宽有关 着眼于“衰落”建模：在短距离或数 个波长范围内信号快速变化。

内容 研究无线信道的意义和方法 无线电波传播特性分析 陆地移动通信的场强估算 覆盖设计

电波传播---传播方式

传播路径

直射波---视距传播 反射波 地表面波


x和y是独立随机变量之和。根据中心极限定 律，x和y趋于正态分布，因此合信号复包络为
瑞利分布。
莱斯(Rician)分布

指含有一个强直射波的N个路径，传播时 若每条路径的信号幅度为高斯分布、相位 在0~2π为均匀分布，则合成信号包络分 布为莱斯分布
Nakagami 分布

M=1，瑞利分布 M=0.5，单边指数分布 ，莱斯分布

费涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径比LOS路径长nλ /2 的连续区域。假设h<<d1、d2，并且h>>λ、α和β很小，则费 涅尔区同心圆半径rn为：
nλd1d 2 rn = (d1 + d 2 )
T · hT-hR d1

α
hobs-hR d2
β
γ
R
一般来说，当阻挡体不阻挡第一费涅尔区时绕射损失最小，绕射的 影响可以忽略不计。经验表面，在视距微波链路设计时，只要55 ％的第一费涅尔区无阻挡，其它费涅尔区的情况基本不影响绕射损 耗。

距离 ⇒ 路径衰减 多径 ⇒ 相位差
绿色信号比蓝色信号到达红接收点的 传输距离长 1/2λ 。对 2.4 GHz信号， λ (波长) =12.5cm。
模型是特定的

尺度不同

大尺度（数米范围内的平均值） 小尺度（在波长量级范围内的测量值） 室外、室内、陆地、海洋、空间、等等 宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微微 蜂窝
传播到阴影区的信号功率

绕射传播功率是多少?

第一费涅尔区：与自由空间相比低5至25 dB
0 -10 -20 dB -30 -40 -50 -60
LOS
0o 90 180o
Obstruction
Tip of Shadow
费涅尔区⇒
1st
2nd
散射



在实际移动无线环境中，接收信号比单独 绕射和反射模型预测的要强，这是因为当 电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射 而散布于所有方向，给接收机提供了额外 的能量。 临近金属物体（街头标志等）：通常采用 统计模型 若平面上的最大突起高度h小于临界高度 hc，则认为表面光滑，反之则认为粗糙。

信号带宽的增加


智能天线的引入

无线电波

无线电发射包括电磁场

电场分量 ∝ 1/d3 感应场分量 ∝ 1/d2 辐射场分量 ∝ 1/d 在距离 d = E×B 处的场强 ∝ 1/d2 以发射机为球心的表面区域

辐射场具有 E 和 B 分量

一般直觉

影响接收信号强度的两个因素：
λ 4πd
2
f：载波频率； hb：基台天线高度； d：传输距离； hm：移动台天线高度。
电波传播路径地形分类
移动通信环境分类
按照地物的密集程度分为： 开阔地环境：在电波传播路径上无高大树木、 建筑物等障碍物，呈开阔状地面 郊区环境平坦地形：在移动台附近有些障碍 物，但稠密建筑物多为1~2层楼房 城市环境：有较稠密的建筑物和高层楼房
4π A e G = 2 λ

Gλ Ae = 4π
2
接收功率 (Pr) = 功率通量密度 (Pd) * Ae
自由空间 c
1 Pt Gt G r λ Pr ( d ) = 2 Watts 2 d (4π ) L

2
式中：L 为系统损耗因子 Pt 为发射机输出功率 Gt 和 Gr 为天线增益 λ 为载波波长

大都市高楼大厦稠密建筑区 中等稠密建筑区：多为2~8层间或40层高楼 中小建筑区：多为2~5层间或20层高楼 平房建筑区：多为2~4层
在远场选择 d0 测量 PL(d0) 或计算自由空间损耗 测量并根据经验得到n

传播损耗采用实验图表计算法
LT = L fs + Am ( f , d ) − H b ( hb , d ) − H m ( hm , f ) − KT
自由空 间损耗 中等起伏地区 基本衰耗中值 基台天线 移动台天线 高度因子 高度因子 地形地物 修正因子


无干扰，无阻挡。
反射波

反射系数

水平极化波 垂直极化波
Rh
( = sin θ + (ε
sin θ − ε c − cos θ
2 2 c

Rv =
ε c sin θ + (ε c − cos θ )
2
ε c sin θ − (ε c − cos θ ) 2
2 1 1 2
) − cos θ )
1 1
两径地面反射模型

对于 d >> hr和ht，
“低”入射角使地面成为一个反射器 反射信号相移 180° 4 (β=4) Pr ∝ 1/d

T ht
相移!
R hr
地面反射 1

接收信号功率为： ht2 hr2 Pr = Pt G t G r d4

由Pr = |E|2Ae，可推算出场强 E ； Ae 为天线孔径。
内容 研究无线信道的意义和方法 无线电波传播特性分析 陆地移动通信的场强估算 覆盖设计

自由空间传播模型

在距离 d 处，接收信号功率为：
Pt Pr (d ) = K 2 Watts d

式中，Pt 为发射机输出功率，单位 Watts 常数 K 取决于天线增益，系统损耗因子，和 载波波长。

当波撞击在障碍物 边缘时发生绕射



“次级” 传播进入 阴影区 与LOS的路径差导 致相移 费涅尔区表达了相 对于障碍物位置相 移
T R
第一费涅尔区
障碍物
绕射

绕射由次级波的传播进入阴影区而形成，阴影区的绕射 波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。
α
T ·
β
d1
h
γ
d2 hobs
R
hT
hR
绕射---费涅尔区几何特征
移动通信---第二课
移动环境下的电波传播、 场强估计（大尺度） 和覆盖设计
内容 研究无线信道的意义和方法 无线电波传播特性分析 陆地移动通信的场强估算 覆盖设计

为什么研究无线信道？

研究无线移动信道模型，预测接收信号场强：

衰减、吸收、折射、散射、绕射... 移动环境... 自然和人为无线电环境... 接收信号场强情况如何？ GSM的均衡 CDMA的多径合并 开发时域多径资源 开发空域多径资源

剩余时延造成的相移 < 180° 反射造成额外的 180° 相移 地面反射路径恶化了 LOS 传播
180°
T ht
p0 p1
R hr
陡峭的小山区



传播可以是LOS， 或由一个或多个峭 壁造成的绕射。 LOS 传播可用地面 反射模型：绕射损 耗 但若无LOS，绕射 可帮助覆盖
绕射（衍射）
2 2


当f>150MHz 时，Rv=Rh=-1 反射波与入射波 相差180°
折射

良导体反射无衰减 绝缘体只反射入射 波能量的一部分


“Grazing角”， 100%反射 直角入射，100% 透射
θ
θr θt

反射造成 180° 相移
电波传播---反射波附加相移
地面反射

直觉：地面阻挡属于第一费涅尔区
典型的移动通信环境多径衰落
场强测试曲线
接收信号的统计分析
移动通信的场强特征
移动通信环境下场强变化剧烈 场强变化的平均值随距离增加而 衰减 场强特性曲线的中值呈慢速变化 ---慢衰落 场强特性曲线的瞬时值呈快速变 化---快衰落

移动通信环境的几个效应



空间传播损耗---Path loss 阴影效应：由地形结构引起，表现为慢衰 落 多径效应：由移动体周围的局部散射体引 起的多径传播，表现为快衰落 多普勒效应：由于移动体的运动速度和方 向引起多径条件下多普勒频谱展宽