移动通信---第三讲 移动信道的传播特性
内容
无线电波传播特性分析
电波传播方式 直射波 大气中的电波传播 障碍物的影响与绕射损耗 反射波
移动信道的特征
传播路径与信号衰落 多径效应与瑞利衰落 满衰落特性和衰落储备 多径时散与相关带宽
陆地移动信道的传输损 耗
(a)负余隙； (b)正余隙
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：
x1
d1d2
d1 d2
图 3 – 4 绕射损耗与余隙关系
例 3 – 1 设图 3 - 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。试求出 电波传播损耗。
反射波 地表面波
移动信道 多径衰落
室内电波传播示意图
3.1.2 直射波
自由空间电波传播：指理想的、均匀的、各向同性的介 质中传播，电波不发生反射、折射、绕射、散射和吸收 现象，只存在电磁能量扩散而引起的传播损耗。 假设为远场(Fraunhofer region)
d>> D且d>> λ，其中 D为天线最大直线长度 λ为载波波长
自由空间中的电波传输损耗
在距离d处，接收信号功率为：
接收功率PR=功率通量密度S×接收天线有效面积AR
2 AR 4 GR
式中:λ为载波波长，λ2/4π为各向同性天线的有效面 积。 GR接收天线增益������
接收功率:
PR

PT
GT
GR

4d
2

自由空间中的电波传输损耗
d：距辐射源的距离，单位米
自由空间中的电波传输损耗
若用天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则 上述公式应改写为:
电场强度：
E0
30 PTGT (V / m) d
磁场强度：
H0
30PTGT ( A / m)
120d
自由空间功率通量密度：
S

PT GT
4d 2
(W
/
m2 )
在此覆盖区域范围内，接收机天线“捕获”此通量的 一小部分。
自由空间： α=2 双路模型： α=4 路径损耗Lp：Lp=L0+10 αlgd
L0: 在发送器参考距离（1m）处的路径损耗。
例
假如基站使用双线信道，在平坦地区的覆盖范围为1km， 如果使用卫星，则它的覆盖范围是多少？
d=1km 双线模型的损耗： Lp=40lgd=40lg1000=120dB 卫星是在自由空间中通信，自由空间模型 Lp=20lgd=120dB d=106m=103km
不考虑传导电流和介质磁化情
况下,介质折射率n与相对介电 系数εr的关系为:
n r
电波传播速度v与大气折射率n成反比
c
n
式中，c为光速。
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(6.37×106 m)变成了等效半径Re, Re与R0之间的关系为
绕射：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， 甚至于阻挡体的背面。
绕射损耗 ：各种障碍物对电波传输所引起的损耗 。 菲涅尔余隙 ：从障碍物顶点到视线传播路径的高差称
为菲涅尔余隙，规定无阻挡时的余隙为正,阻挡时的余 隙为负余隙。
3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗
二、研究无线移动信道的基本方法
理论分析
电磁场理论与统计理论分析电波在移动环境中的
传播特性,用数学模型来描述移动信道. 现场电波实测
在不同的传播环境中，做电波实测实验，验证和
校正理论分析结果。 计算机模拟
灵活快速地模拟各种移动环境。
3.1.1 无线电波传播方式
传播路径
直射波---视距传播
多径+多普勒
多径效应与瑞利衰落
瑞利(Rayleigh)分布（快衰落包络的统计特性）
指在无直射波的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 成信号包络分布为瑞利分布：
多径效应与瑞利衰落
为什么是瑞利分布？
设N个路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随
无干扰，无阻挡。
相对介电常数ε和相对导磁率μ都等于1
自由空间中的电波传输损耗
电场强度有效值E0为
E0
30PT (V / m) d
磁场强度有效值H0为
H0

30 PT
120d
(A/ m)
单位面积上的电波功率密度S为
S

PT
4d 2
(W
/
m2 )
PT：各向同性天线的辐射功率，单位Watts
多径效应 多普勒频移
对系统性能的影响：
场强信号随机快速起伏 时延扩展 随机调频
移动信道的系统特性表征：
瑞利Rayleigh 分布 莱斯Ricean分布
多径效应与瑞利衰落
快衰落三种典型情况
只有多径效应(移动台固定)
基站天线
y Si(t)
θi
x
只有多普勒效应
图 3-8 移动台接收N条路径信号
传播损耗预测模型
多径信道的冲激相应模型
空时信道的传播模型
3.2 移动信道的特征
传播损耗 传播效应
路径传播损耗 慢衰落损耗 快衰落损耗
阴影效应
多普勒效应
3.2.1 传播路径与信号衰落
图 3 – 7 典型信号衰落特性
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
接收机输入电压、功率与 场强的关系
地形、地物分类
中等起伏地形上传播损耗 的中值
不规则地形上传播损耗的 中值
任意地形地区的传播损耗 的中值
移动信道的传播模型
传播损耗预测模型
多径信道的冲激相应模型
空时信道的传播模型
一、为什么研究无线信道？
掌握电波传播是对任何无线网络提供合理设计\ 部署和管理策略的基础。
当f>150MHz时，θ<1o
Rv= Rh=-1 反射波与入射波相差180
两径地面反射传播模型
两径地面反射传播模型: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。
路径差Δd
d a b c (d1 d2 )2 (ht hr )2 (d1 d2 )2 (ht hr )2
由于无线信道的特性使得无线网络比有线网络 复杂得多。
电波传播与特定的场所密切相关,并且会根 据地形\工作频率\移动终端的速度\干扰源和其 他动态因素发生明显的变化。
通过主要参数和数学模型描述的无线信道的准 确特性，对于预测信号的覆盖范围\可达到的数 据速率\可选信号的特定性能属性和接收方案\ 分析不同系统的干扰和决定基站天线安装的最 佳位置都是十分重要的。
移动信道的特征
传播路径与信号衰落 多径效应与瑞利衰落 满衰落特性和衰落储备 多径时散与相关带宽
陆地移动信道的传输损 耗
接收机输入电压、功率与 场强的关系
地形、地物分类
中等起伏地形上传播损耗 的中值
不规则地形上传播损耗的 中值
任意地形地区的传播损耗 的中值
移动信道的传播模型
3.2.3 慢衰落特性和衰落储备
慢衰落
产生原因 阴影效应，特点：衰落速率与频率无关。 大气折射，大气介电常数的变化，时变。
量的一部分：
“Grazing角”，100% 反射
直角入射，100%透射
反射造成180°相移
两径地面反射传播模型
反射系数
水平极化波
垂直极化波
sin Rh sin
c cos2 c cos2
Rv c sin c sin
c cos2 c cos2
两径地面反射传播模型
接收功率: Pr=PtGtGr(ht2hr2/d4) Pr=P0/d4
P0:第一米（d=1m）的接收信号强度
距离功率的关系
描述接收信号功率和距离之间关系的最简单方法是规定 接收信号功率Pr与发送器和接收器之间距离d的某个特 定α次幂成比例，称为距离功率斜率。 Pr=P0d- α 10lg(Pr)=10lg(P0)-10 αlg(d) P0: 在发送器参考距离（1m）处的接收功率。
k

Re R0

1
1 R0
dn dh
式中，k称作地球等效半径系数。 在标准大气折射情况下，即当dn/dh≈-4×10-8(l/m)，
等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km
2. 视线传播极限距离
自发射天线顶点A到切点C 的距离d1为 d1 2Reht
同理，由切点C到接收天线 顶点B的距离d2为
由图 3 - 4 查得附加损耗(x/x1≈-1)为17dB, 所以电波传播的损耗L为
[L] [Lfs ] 17 116 .5dB
3.1.5 反射波
当电波传播中遇到两种 不同介质的光滑界面时， 如果界面尺寸比电波波 长大得多，就会产生镜 面反射。
良导体反射无衰减。 绝缘体只反射入射波能
3.1.6 散射
散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且 单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，能使射线在 各个方向散射，形成球面波 。
散射波产生于粗糙表面，小物体或其他不规则物体。 在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会 引发散射。