电波传播与传播预测模型
概述电波传播特性 传播特性及其研究 概述电波传播特性及其研究 自由空间的电波传播 自由空间的电波传播 三种基本电波（反射、绕射、散 三种基本电波（反射、绕射、 射）的传播机制 阴影衰落的基本特性 阴影衰落的基本特性 移动无线信道及特性参数 移动无线信道及特性参数 电波传播损耗预测模型 电波传播损耗预测模型
直射波
接 收 天 线
2 λ Pr = Pt Gr Gt 1 + Re ∆Φ + ( 1 − R ) Ae ∆Φ + .... 4πd 2
简化后
直射波
2
θ
λ Pr = Pt G r G t 1 + Re 4πd
反射波
∆Φ
2
径传播模型
N 径 收信号 功率
ห้องสมุดไป่ตู้
∆Φ =
原理
波在传播过程中，行进中的波前（ 波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次 上的每一点， 级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（ 级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。 绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。 绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻 挡物所有次级波的矢量和。 挡物所有次级波的矢量和。
对惠更斯－ 图2-3 对惠更斯－菲涅尔原理说明
d + 2λ / 2
d +λ /2
θ
自由空间Q点是波源，P点是接收点，以Q、P为焦点的旋转椭 自由空间 点是波源， 点是接收点， 、 为焦点的旋转椭 点是波源 点是接收点 球面所包含的空间区域，称为菲涅尔区。 球面所包含的空间区域，称为菲涅尔区。图2中S1是空间的一 中 是空间的一 其所在与直线QP垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆 垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆C1， 点，其所在与直线 垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆 ， 该圆半径为： 该圆半径为：
阴影衰落的基本特性
阴影衰落（慢衰落 阴影衰落 慢衰落） 慢衰落
移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、 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 传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应
特点
衰落与传播地形和地物分布、 衰落与传播地形和地物分布、高度有关
电波传播的基本特性
电波传播的基本特性即移动信道的基本特性 ——衰落特性 ——衰落特性
移动通信信道
基站天线、 基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径
衰落的原因
复杂的无线电波传播环境
无线电波传播方式
直射、反射、 直射、反射、绕射和散射以及它们的合成
衰落的表现
传播损耗和弥散 阴影衰落 多径衰落 多普勒频移
F1 = λd1d 2 / d
其中d 其中d为Q、P点间的距离，d1、d2分别是Q点和P 点间的距离，d1、d2分别是Q点和P 分别是 点到圆C1圆心的距离， C1圆心的距离 点到圆C1圆心的距离，这个圆所在的菲涅尔区域称 为第一菲涅尔区。在自由空间，从波源Q点辐射到P 为第一菲涅尔区。在自由空间，从波源Q点辐射到P 点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的， 点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只 要第一菲涅尔区不被阻挡， 要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空 间的传播条件。为保证系统正常通信， 间的传播条件。为保证系统正常通信，收发天线架 设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过 其菲涅尔区的20％，否则电磁波多径传播就会产生 20％， 其菲涅尔区的20％，否则电磁波多径传播就会产生 不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。 不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。
s 2 π σ h s in θ i = exp −8 λ
电波传播与传播预测模型
概述电波传播特性 传播特性及其研究 概述电波传播特性及其研究 自由空间的电波传播 自由空间的电波传播 三种基本电波（反射、绕射、散 三种基本电波（反射、绕射、 射）的传播机制 阴影衰落的基本特性 阴影衰落的基本特性 移动无线信道及特性参数 移动无线信道及特性参数 电波传播损耗预测模型 电波传播损耗预测模型
说明
点处的次级波前中， 在P’点处的次级波前中， 点处的次级波前中 只有夹角为θ（即 ∠ '） TPR 的次级波前能到达接收点R 的次级波前能到达接收点
每个点均有其对应的θ角 每个点均有其对应的 角， θ将在 º到180º之间变化 将在0º 180º之间变化 θ越大，到达接收点辐射能量越大 越大， 越大
电波传播与传播预测模型
概述电波传播特性 传播特性及其研究 概述电波传播特性及其研究 自由空间的电波传播 自由空间的电波传播 三种基本电波（反射、绕射、散 三种基本电波（反射、绕射、 射）的传播机制 阴影衰落的基本特性 阴影衰落的基本特性 移动无线信道及特性参数 移动无线信道及特性参数 电波传播损耗预测模型 电波传播损耗预测模型
2π∆l
λ
2
∆l = ( AC + CB ) − AB
2
2-2 两径传播模型
N −1 λ Pr = Pt G r G t 1 + ∑ Ri exp( j∆Φ i ) 4π d i =1
N 接收信号 功率
接
绕
惠更斯－菲涅尔 惠更斯－ 原理
射
基尔霍夫公式
菲涅尔区
惠更斯－ 惠更斯－菲涅尔原理
求第一菲涅尔区半径x 求第一菲涅尔区半径 1为
2 × 5 ⋅ 103 × 1 ⋅ 104 x1 = = = 81.7m 3 d1 + d 2 15 ⋅ 10
λd1d 2
查得附加损耗(x/x1≈-1)为17dB, 所以电波传播的损耗 为 所以电波传播的损耗L为 由图 2- 4 查得附加损耗 为
[ L] = [ L fs ] + 16.5 = 116dB
z=
ε0
z=
ε 0 − cos 2 θ 水平极化） （水平极化）
ε 0 = ε − j60σλ 而 其中， 为介电常数 为介电常数， 为电导率 为波长 为电导率， 为波长。 其中，ε为介电常数，σ为电导率，λ为波长。
径 信 号
两径传播模型
接收信号功率
发 射 天 线
β hb θ C B θ hm A d
λ 2G r Ar = 4π
自由空间的传播损耗
L =
2
当Gt=Gr=1时， 时 分贝式 [L] = 32.45 + 20 log f
4π d L = λ
Pt Pr
+ 20 log d
接收换算
Pr ( dB m ) = 10 log Pr ( m W ) Pr ( dBW ) = 10 log Pr (W )
自由空间的电波传播
自由空间的传播损耗
在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播， 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波 能量扩散而引起的传播损耗
接收功率
P
r
=
A
4 π d
r 2
Pt G
t
式中， 为发射功率， ,λ为工作 式中，Pt为发射功率，以球面波辐射 , 为工作 波长， 分别表示发射天线和接收天线增益， 为发射 波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射 天线和接收天线间的距离。 天线和接收天线间的距离。
散
射
起因
无线电波遇到粗糙表面时， 无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向
表面光滑度的判定
表面平整度的参数高度 平面上最大的突起高度 h{ {
hc =
λ
8 sin θ i
小于hc ⇒ 表面光滑 大于hc ⇒ 表面粗糙
粗糙表面下的反射场强
散射损耗系数 ρ 式中， 为表面高度h的标准差 的标准差， 是具有 式中， h为表面高度 的标准差，h是具有 σ 的高斯分布的随机变量。 局部平均值 的高斯分布的随机变量。 用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强 Γrough = ρsΓ
信道的分类
信道的分类
大尺度衰落 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{ 小尺度衰落
根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{ 根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{
长期慢衰落 短期快衰落
大尺度衰落与小尺度衰落
大尺度衰落 小尺度衰落（主要特征是多径） 小尺度衰落（主要特征是多径） 描述 长距离上信号强度的缓慢变化 短距离上信号强度的快速波动 原因 信道路径上固定障碍物的阴影 移动台运动和地点的变化 影响 业务覆盖区域 信号传输质量
基本电波的传播机制
阻挡体 反射 比传输波长 引起多径衰落） （引起多径衰落） 大的多的物体 尖利边缘 绕射 散射 粗糙表面
反
射
理想介质表面的反射 极化特性 多径信号
两径传播模型 多径传播模型
理想介质表面的反射
如果电磁波传输到理想介质表面， 如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射 回来 反射系数（ ） 反射系数（R） sin θ − z R= 入射角θ 入射波与反射波的比值 sin θ + z 垂直极化） 式中 垂直极化 ε 0 − cos 2 θ (垂直极化）
2
1
信道中的大尺度和小尺度衰落
t
电波传播特性的研究
考虑问题
衰落的物理机制 功率的路径损耗 接收信号的变化和分布特性
应用成果
传播预测模型的建立 为实现信道仿真提供基础
基本方法
理论分析方法（如射线跟踪法） 理论分析方法（如射线跟踪法） 应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预 测模型 现场测试方法（如冲激响应法） 现场测试方法（如冲激响应法） 在不同的传播环境中做电波实测实验， 在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统 计分析，来建立预测模型 计分析，