第2章移動信道電波傳播理論

1、第第2章章移動信道電波傳播理論移動信道電波傳播理論無線電波傳播的基本特性無線電波傳播的基本特性 2.12.1移動無線信道的多徑傳播衰落特性移動無線信道的多徑傳播衰落特性2.22.2描述多徑信道的主要參數(shù)描述多徑信道的主要參數(shù) 2.32.3 多徑信道電波傳播損耗模型2.42.42.1 無線電波傳播的基本特性無線電波傳播的基本特性 移動通信信道的基本特點(diǎn)有移動通信信道的基本特點(diǎn)有3個個： （1）帶寬有限，它取決于使用的頻率資源和帶寬有限，它取決于使用的頻率資源和信道的傳播特性；信道的傳播特性； （2）干擾和噪聲影響大，這主要是移動通信）干擾和噪聲影響大，這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的；工作

2、的電磁環(huán)境所決定的； （3）存在著多徑衰落。）存在著多徑衰落。 移動信道的衰落特性取決于無線電波的傳播環(huán)境。移動信道的衰落特性取決于無線電波的傳播環(huán)境。 移動信道移動信道復(fù)雜、惡劣的傳播條件復(fù)雜、惡劣的傳播條件這一特征是由在運(yùn)動這一特征是由在運(yùn)動中進(jìn)行無線通信這一方式本身所決定的。中進(jìn)行無線通信這一方式本身所決定的。 2.1.1 概況概況 對移動信道進(jìn)行研究的基本方法有對移動信道進(jìn)行研究的基本方法有3種。種。 （1）理論分析）理論分析 ：缺陷是數(shù)學(xué)模型往往過：缺陷是數(shù)學(xué)模型往往過于簡化導(dǎo)致應(yīng)用范圍受限。于簡化導(dǎo)致應(yīng)用范圍受限。 （2）現(xiàn)場電波傳播實(shí)測：缺陷是費(fèi)時費(fèi)）現(xiàn)場電波傳播實(shí)測：缺陷是費(fèi)時

3、費(fèi)力且往往只針對某個特定傳播環(huán)境。力且往往只針對某個特定傳播環(huán)境。 （3）移動信道的計(jì)算機(jī)模擬：能靈活快）移動信道的計(jì)算機(jī)模擬：能靈活快速地模擬出各種移動通信信道，應(yīng)用廣泛。速地模擬出各種移動通信信道，應(yīng)用廣泛。 移動環(huán)境中電波傳播特性研究的結(jié)果移動環(huán)境中電波傳播特性研究的結(jié)果往往用兩種方式給出。往往用兩種方式給出。 方式一：對移動環(huán)境中電波傳播特性方式一：對移動環(huán)境中電波傳播特性給出某種統(tǒng)計(jì)描述。給出某種統(tǒng)計(jì)描述。 方式二：建立電波傳播模型：如圖表、方式二：建立電波傳播模型：如圖表、近似計(jì)算公式或計(jì)算機(jī)仿真模型等。近似計(jì)算公式或計(jì)算機(jī)仿真模型等。 無線電波傳播特性無線電波傳播特性波波 段段波

4、波 長長頻頻 率率主主 要要 用用 途途長波長波10km10km1km1km30kHz30kHz300kHz300kHz中波中波1km1km100m100m300kHz300kHz3MHz3MHz調(diào)幅無線電廣播調(diào)幅無線電廣播短波短波100m100m10m10m3MHz3MHz30MHz30MHz微波微波米波（米波（VHFVHF）10m10m1m1m30MHz30MHz300MHz300MHz調(diào)頻無線電廣播調(diào)頻無線電廣播分米波（分米波（UHFUHF）1m1m0.1m0.1m300MHz300MHz3GHz3GHz電視、雷達(dá)、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、導(dǎo)航、移動通信移動通信厘米波厘米波10cm10cm1c

5、m1cm3GHz3GHz30GHz30GHz毫米波毫米波10mm10mm1mm1mm30GHz30GHz300GHz300GHz2.1.2 無線電波的傳播方式無線電波的傳播方式 無線電波從發(fā)射天線發(fā)出，可以沿著無線電波從發(fā)射天線發(fā)出，可以沿著不同的途徑和方式到達(dá)接收天線，這與電不同的途徑和方式到達(dá)接收天線，這與電波頻率和極化方式有關(guān)。波頻率和極化方式有關(guān)。f30MHz時，主要傳播方式有以下三種：時，主要傳播方式有以下三種：直射波直射波地面反射波地面反射波地表面波地表面波圖圖2.1電波傳播的主要方式電波傳播的主要方式 在在VHF(米波米波)、UHF(分米波分米波)移動信道中，電波移動信道中，電波

6、在移動通信信道中傳播時遇到各種障礙物時會發(fā)生在移動通信信道中傳播時遇到各種障礙物時會發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象。因此，通過不同路徑到反射、折射和散射等現(xiàn)象。因此，通過不同路徑到達(dá)接收機(jī)的電波信號會產(chǎn)生衰落現(xiàn)象。達(dá)接收機(jī)的電波信號會產(chǎn)生衰落現(xiàn)象。 直射波傳播按直射波傳播按自由空間傳播自由空間傳播來考慮。自由空來考慮。自由空間傳播指的是天線周圍為無限大真空時的電波傳間傳播指的是天線周圍為無限大真空時的電波傳播，是無線電波的理想傳播模式。播，是無線電波的理想傳播模式。 在自由空間傳播時，電波的能量既不會被障在自由空間傳播時，電波的能量既不會被障礙物所吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射。礙物所吸收，也不會產(chǎn)生

7、反射或散射。2.1.3 直射波傳直射波傳播播 如果地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒如果地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對介電常數(shù)質(zhì)，其相對介電常數(shù)和相對導(dǎo)磁率和相對導(dǎo)磁率都等于都等于1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達(dá)接收天線的地傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號場強(qiáng)也可以忽略不計(jì)，則電波可視作面反射信號場強(qiáng)也可以忽略不計(jì)，則電波可視作在在自由空間傳播自由空間傳播。 雖然電波在自由空間里傳播不受阻擋，不產(chǎn)雖然電波在自由空間里傳播不受阻擋，不產(chǎn)生反射、折射、繞射、散射和吸收，但當(dāng)電波經(jīng)生反射、折射、繞射、散射和吸收，但當(dāng)電波經(jīng)過一段路徑傳播之后，能量仍有衰減，這是由輻

8、過一段路徑傳播之后，能量仍有衰減，這是由輻射能量的擴(kuò)散而引起的。射能量的擴(kuò)散而引起的。 設(shè)該球面上電波的功率密度為設(shè)該球面上電波的功率密度為S，發(fā)射天線的增益，發(fā)射天線的增益為為qr，則有，則有 （2.1） （2.2） 在球面處的接收天線接收到的功率為在球面處的接收天線接收到的功率為Ar為接收天線的有效接收面積為接收天線的有效接收面積圖圖2.2 自由空間的傳輸損耗自由空間的傳輸損耗 發(fā)送功率發(fā)送功率Pt與接收功率與接收功率Pr之比定義為之比定義為傳傳輸損耗，輸損耗，或稱系統(tǒng)損耗。或稱系統(tǒng)損耗。 經(jīng)推導(dǎo)可得出傳輸損耗經(jīng)推導(dǎo)可得出傳輸損耗Ls的表達(dá)式為的表達(dá)式為（2.3a）Gt和和Gr為發(fā)射和接收

9、天線增益（為發(fā)射和接收天線增益（dB） 損耗常用損耗常用分貝分貝表示。表示。 式（式（ 2.3a ）也可表示成）也可表示成 （ 2.3b）d的單位是的單位是Km，頻率，頻率f 的單位是的單位是MHz自由空間路徑損耗或自由空間基本傳輸損自由空間路徑損耗或自由空間基本傳輸損耗可以表示為耗可以表示為（2.4） Lbs單位：單位：dB(分貝分貝)。表示自由空間中兩個表示自由空間中兩個理想點(diǎn)源天線（增益系數(shù)理想點(diǎn)源天線（增益系數(shù)G=1的天線）之間的天線）之間的傳輸損耗。的傳輸損耗。自由空間是不吸收電磁能量的理想介質(zhì)。自由空間是不吸收電磁能量的理想介質(zhì)。 2.1.4 反射波傳播反射波傳播 當(dāng)電波在傳播中遇

10、到兩種不同介質(zhì)的光滑面當(dāng)電波在傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑面時，如果界面尺寸比電波波長大得多時會產(chǎn)生時，如果界面尺寸比電波波長大得多時會產(chǎn)生鏡面反射，由于大地和大氣是不同的介質(zhì)，所鏡面反射，由于大地和大氣是不同的介質(zhì)，所以入射波會在界面上產(chǎn)生反射，如圖以入射波會在界面上產(chǎn)生反射，如圖2.3所示。所示。圖圖2.3 反射波與直射波反射波與直射波 通常，在考慮地面對電波的反射時，按通常，在考慮地面對電波的反射時，按平面波處理，即電波在反射點(diǎn)的反射角等平面波處理，即電波在反射點(diǎn)的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系于入射角。不同界面的反射特性用反射系數(shù)數(shù)R表示。它可以用以下公式表示：表示。它可

11、以用以下公式表示： (2.5)jRR e反射波與直射波的路徑差為反射波與直射波的路徑差為 (2.6) 式中，式中， d=d1+d2。2211dhhdhhddrtrt 通常通常ht+hrd,，故，故 (2.7)反射路徑與直射路徑的相位差反射路徑與直射路徑的相位差 (2.8)2/稱為傳播相移常數(shù)。稱為傳播相移常數(shù)。d2dhhdrt2 當(dāng)傳播路徑遠(yuǎn)大于天線高度時，并假當(dāng)傳播路徑遠(yuǎn)大于天線高度時，并假設(shè)一定的簡化條件，則接收天線設(shè)一定的簡化條件，則接收天線R處的總處的總場強(qiáng)為場強(qiáng)為（2.9）E0是自由空間單徑傳播的場強(qiáng)。是自由空間單徑傳播的場強(qiáng)。 在實(shí)際移動信道中，電波在低層大氣中傳播。在實(shí)際移動信道

12、中，電波在低層大氣中傳播。由于低層大氣不是均勻介質(zhì)，它的溫度、濕度、氣由于低層大氣不是均勻介質(zhì)，它的溫度、濕度、氣壓均隨著時間和空間而變化，因此會產(chǎn)生折射和吸壓均隨著時間和空間而變化，因此會產(chǎn)生折射和吸引現(xiàn)象，從而直接影響視線傳播的極限距離。引現(xiàn)象，從而直接影響視線傳播的極限距離。2.1.5 大氣折射大氣折射 在不考慮傳導(dǎo)電流和介質(zhì)磁化的情況在不考慮傳導(dǎo)電流和介質(zhì)磁化的情況下，可以推出介質(zhì)的下，可以推出介質(zhì)的折射率折射率n與與相對介電常相對介電常數(shù)數(shù) r的關(guān)系為的關(guān)系為（2.10）rn 大氣折射率大氣折射率n通常很接近于通常很接近于1。 大氣的相對介電常數(shù)與溫度、大氣的相對介電常數(shù)與溫度、 濕

13、度和氣壓有關(guān)。濕度和氣壓有關(guān)。大氣高度不同，大氣高度不同，r 不同。不同。 當(dāng)一束電波通過折射率當(dāng)一束電波通過折射率n隨高度變化的大隨高度變化的大氣層時，由于不同高度上的電波傳播速度不氣層時，由于不同高度上的電波傳播速度不同，從而使電波射束發(fā)生彎曲，彎曲的方向同，從而使電波射束發(fā)生彎曲，彎曲的方向和程度取決于和程度取決于dn/dh（大氣折射率的垂直梯（大氣折射率的垂直梯度）。度）。l 這種由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生這種由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象彎曲的現(xiàn)象，稱為，稱為大氣對電波的折射大氣對電波的折射。 在實(shí)際傳輸中，大氣最典型的折射出現(xiàn)在實(shí)際傳輸中，大氣最典型的折射出現(xiàn)在電

14、波的水平傳播中。在電波的水平傳播中。 在工程上，大氣折射對電波傳播的影響通在工程上，大氣折射對電波傳播的影響通常用常用地球等效半徑地球等效半徑來表征，即認(rèn)為電波依然來表征，即認(rèn)為電波依然按直線方向行進(jìn)，只是地球的實(shí)際半徑按直線方向行進(jìn)，只是地球的實(shí)際半徑R0(6.37106 m)變成了等效半徑變成了等效半徑Re。 等效地球半徑：等效地球半徑：電波在以等效地球半徑電波在以等效地球半徑Re為半徑的球面為半徑的球面上空沿直線傳播與電波在實(shí)際地球上空沿曲線傳播等效。上空沿直線傳播與電波在實(shí)際地球上空沿曲線傳播等效。等效地球半徑示意圖等效地球半徑示意圖 定義定義K為為等效地球半徑系數(shù)等效地球半徑系數(shù)，即

15、，即（2.11）e001d1dRKnRRh 則等效地球半徑與實(shí)際地球半徑的關(guān)則等效地球半徑與實(shí)際地球半徑的關(guān)系為系為 e0RKR 在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，等效地球半徑系在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，等效地球半徑系數(shù)數(shù)k=4/3，等效地球半徑，等效地球半徑Re=8500km。電波傳播在大氣中折射分為電波傳播在大氣中折射分為3種類型種類型：（1）無折射：）無折射：dn/dh=0,K=1,Re=R0。此情況下，大氣是均勻的，電波沿。此情況下，大氣是均勻的，電波沿直線傳播。直線傳播。如圖如圖2.4所示所示 （2）負(fù)折射：）負(fù)折射：dn/dh0,K1,ReR0。此情況下，大氣折射率隨高度的。此情況下，大氣折射率隨

16、高度的增加而增大，電波傳播向上彎曲。增加而增大，電波傳播向上彎曲。如圖如圖2.4所示。所示。 （3）正折射：）正折射：dn/dh0,K1,ReR0。此情況下，大氣折射率隨高度的。此情況下，大氣折射率隨高度的增加而減小，電波傳播向下彎曲。增加而減小，電波傳播向下彎曲。如圖如圖2.4所示。所示。 圖圖2.4 大氣折射的幾種情況大氣折射的幾種情況 由前面的分類可知，大氣折射有利于由前面的分類可知，大氣折射有利于超視距超視距的傳的傳播，但在視線距離內(nèi)，因?yàn)橛烧凵洮F(xiàn)象所產(chǎn)生的折射播，但在視線距離內(nèi)，因?yàn)橛烧凵洮F(xiàn)象所產(chǎn)生的折射波會同直射波同時存在，從而也會產(chǎn)生多徑衰落。視波會同直射波同時存在，從而也會產(chǎn)生

17、多徑衰落。視線傳播的極限距離可由圖線傳播的極限距離可由圖2.5計(jì)算。計(jì)算。 圖圖2.5 視距傳播的極限距離視距傳播的極限距離 假設(shè)天線的高度為假設(shè)天線的高度為ht和和hr，兩副天線頂點(diǎn)，兩副天線頂點(diǎn)的連線的連線AB與地面相切于與地面相切于C點(diǎn)，點(diǎn)，Re為等效地球?yàn)榈刃У厍虬霃健Ｓ捎诎霃?。由于Re遠(yuǎn)大于天線高度，可以證明，遠(yuǎn)大于天線高度，可以證明，自發(fā)射天線頂點(diǎn)自發(fā)射天線頂點(diǎn)A到切點(diǎn)到切點(diǎn)C的距離為的距離為 (2.12) 同理，由切點(diǎn)同理，由切點(diǎn)C到接收天線頂點(diǎn)到接收天線頂點(diǎn)B的距離為的距離為 (2.13)12etdR h12erdR h在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射的情況下，在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射的情況下，Re=85

18、00 km，故上式可寫為故上式可寫為（2.14）則視距傳播的極限距離為則視距傳播的極限距離為d可以表示為可以表示為 (2.13)122()etrdddRhh4.12()trdhh2.1.6 障礙物的影響及繞射損耗障礙物的影響及繞射損耗 在實(shí)際移動信道中，電波的直射路徑在實(shí)際移動信道中，電波的直射路徑上存在各種障礙物，上存在各種障礙物，由障礙物引起的附加由障礙物引起的附加傳播損耗稱為繞射損耗傳播損耗稱為繞射損耗。 設(shè)發(fā)射天線為設(shè)發(fā)射天線為T，是一個點(diǎn)源天線；接收天線為，是一個點(diǎn)源天線；接收天線為R。 發(fā)射電波沿球面?zhèn)鞑?。發(fā)射電波沿球面?zhèn)鞑?。TR連線交球面于連線交球面于A0點(diǎn)。點(diǎn)。 根據(jù)惠更斯根據(jù)

19、惠更斯-菲涅耳原理，對于處于遠(yuǎn)區(qū)場的菲涅耳原理，對于處于遠(yuǎn)區(qū)場的R點(diǎn)來說，點(diǎn)來說，波陣面上的每個點(diǎn)都可視為二次波源。波陣面上的每個點(diǎn)都可視為二次波源。 1電波傳播的菲涅耳區(qū)電波傳播的菲涅耳區(qū)圖圖2.6 菲涅耳區(qū)的概念菲涅耳區(qū)的概念（a）圖圖2.6 菲涅耳區(qū)的概念菲涅耳區(qū)的概念（a） 在球面上選擇在球面上選擇A1點(diǎn)，使得點(diǎn)，使得（2.16）102A RA R 則有一部分能量是沿著則有一部分能量是沿著TA1R傳送的。傳送的。 這條路徑與直線路徑這條路徑與直線路徑TR的路徑差為的路徑差為（2.17）110010 ()() 2dTAARTAA RARA R 所引起的相位差為所引起的相位差為（2.18）

20、 也就是說，沿這兩條路徑到達(dá)接收點(diǎn)也就是說，沿這兩條路徑到達(dá)接收點(diǎn)R的射的射線之間的相位差為線之間的相位差為 。2d 同樣，可以在球面上選擇點(diǎn)同樣，可以在球面上選擇點(diǎn)A2，A3，An，使得使得（2.19）這些點(diǎn)在球面上可以構(gòu)成一系列圓，并將球面分成這些點(diǎn)在球面上可以構(gòu)成一系列圓，并將球面分成許多環(huán)形帶許多環(huán)形帶Nn，如圖，如圖2.6（b）所示。）所示。圖圖2.6 菲涅耳區(qū)的概念菲涅耳區(qū)的概念（b）02nA RA Rnl 當(dāng)電波傳播的波陣面的半徑變化時，具有相同相當(dāng)電波傳播的波陣面的半徑變化時，具有相同相位特性的環(huán)形帶構(gòu)成的空間區(qū)域就是位特性的環(huán)形帶構(gòu)成的空間區(qū)域就是菲涅耳區(qū)菲涅耳區(qū)。 l第第I

21、菲涅耳區(qū)：菲涅耳區(qū)：n=1時構(gòu)成的菲涅耳區(qū)。時構(gòu)成的菲涅耳區(qū)。l理論分析表明：通過理論分析表明：通過第第I菲涅耳區(qū)菲涅耳區(qū)到達(dá)接收天線到達(dá)接收天線R的電磁波能量約占的電磁波能量約占R點(diǎn)接收到的總能量的點(diǎn)接收到的總能量的1/2。如。如果在這個區(qū)域內(nèi)有障礙物存在，將會對電波傳播果在這個區(qū)域內(nèi)有障礙物存在，將會對電波傳播產(chǎn)生較大的影響。產(chǎn)生較大的影響。2電波傳播的繞射損耗電波傳播的繞射損耗 為了衡量障礙物對傳播通路的影響程度，定為了衡量障礙物對傳播通路的影響程度，定義了菲涅爾余隙的概念。設(shè)障礙物與發(fā)射點(diǎn)和義了菲涅爾余隙的概念。設(shè)障礙物與發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的相對位置如圖接收點(diǎn)的相對位置如圖2.7所示。所示

22、。 負(fù)余隙負(fù)余隙正余隙正余隙 如圖如圖2.7所示，障礙物的頂點(diǎn)所示，障礙物的頂點(diǎn)P到發(fā)射端與接收端的連線到發(fā)射端與接收端的連線TR的距離的距離x稱為稱為菲涅耳余隙。菲涅耳余隙。2.7 障礙物與余隙障礙物與余隙12112d dxdd 圖中，縱坐標(biāo)圖中，縱坐標(biāo)為繞射損耗（即相為繞射損耗（即相對于自由空間傳播對于自由空間傳播損耗的分貝數(shù)），損耗的分貝數(shù)），橫坐標(biāo)為橫坐標(biāo)為x/x1。x為為菲涅爾余隙菲涅爾余隙；x1稱稱為第一菲涅爾區(qū)在為第一菲涅爾區(qū)在P點(diǎn)橫截面的半徑，點(diǎn)橫截面的半徑，由下列關(guān)系式可求由下列關(guān)系式可求得：得：（2.20）圖圖2.8 繞射損耗與余隙的關(guān)系繞射損耗與余隙的關(guān)系 結(jié)論：結(jié)論：

23、（1）當(dāng)）當(dāng)x/x10.5 時，繞射損耗約為時，繞射損耗約為0dB，障礙物對直，障礙物對直射波傳播基本上沒射波傳播基本上沒有影響。有影響。 因此，在選擇天因此，在選擇天線高度時，根據(jù)地線高度時，根據(jù)地形應(yīng)盡可能使服務(wù)形應(yīng)盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾余隙余隙x0.5x1 。圖圖2.8 繞射損耗與余隙的關(guān)系繞射損耗與余隙的關(guān)系（2）當(dāng)）當(dāng)x0時，直射波時，直射波低于障礙物的頂點(diǎn)，衰低于障礙物的頂點(diǎn)，衰減急劇增加；減急劇增加；（3）當(dāng)）當(dāng)x=0，即，即TR射線射線從障礙物頂點(diǎn)擦過時，從障礙物頂點(diǎn)擦過時，附加損耗為附加損耗為6 dB。圖圖2.8 繞射損耗與余隙的關(guān)系繞射損耗與余隙的關(guān)系

24、 例例2.1 電波傳播路徑如圖所示，設(shè)菲涅爾余隙電波傳播路徑如圖所示，設(shè)菲涅爾余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作頻率為工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。試求出電波傳播損耗。 例例2.1 電波傳播路徑如圖所示，設(shè)菲涅爾余隙電波傳播路徑如圖所示，設(shè)菲涅爾余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作頻率為工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。試求出電波傳播損耗。 解：自由空間傳播的損耗解：自由空間傳播的損耗Lfs為為 Lfs = 32.45+ 20lg150 +20lg(5+10) = 99.5dB第一菲涅爾區(qū)半徑第一菲涅爾區(qū)半徑x1為為 mdd

25、ddx7 .8110151010105233321211式中，式中，=c/f, c為光速，為光速，f為頻率。為頻率。 解：所以，解：所以，x/x1-1 查繞射損耗與余隙關(guān)系表，得繞射損耗為查繞射損耗與余隙關(guān)系表，得繞射損耗為16.5dB 因此，電波傳播的損耗因此，電波傳播的損耗L為為 L = Lfs+16.5 = 116.0dB2.1.1 移動信道的時變特性移動信道的時變特性 移動信道是一種時變信道。移動信道是一種時變信道。 無線電信號通過移動信道時會遭受來無線電信號通過移動信道時會遭受來自不同途徑的衰減損害。自不同途徑的衰減損害。2.2 移動無線信道的多徑傳播衰落特性移動無線信道的多徑傳播衰

26、落特性 按收信號功率可表示為按收信號功率可表示為 式（式（2.21）是信道對傳輸信號作用的）是信道對傳輸信號作用的一般表示式。一般表示式。式中，式中， 表示移動臺與基站的距離。表示移動臺與基站的距離。d (2.21)這些作用有這些作用有3類。類。（1）傳播損耗，又稱為路徑損耗。其值用）傳播損耗，又稱為路徑損耗。其值用 表示。表示。其中其中n為路徑衰減因子，自由空間傳播時為路徑衰減因子，自由空間傳播時n=2，一般，一般情況下情況下n=35。 nd（2）陰影衰落，用）陰影衰落，用 表示。表示。 ( )S d（3）多徑衰落，用）多徑衰落，用 表示。表示。 ( )R d圖圖2.10 陸地移動傳播陸地移

27、動傳播 陸地移動信道的主要特征是陸地移動信道的主要特征是多徑傳播多徑傳播。 l 在移動通信中，移動臺往往受到各種障礙物在移動通信中，移動臺往往受到各種障礙物(建建筑物、樹木、植被以及起伏的地形筑物、樹木、植被以及起伏的地形)和其它移動體的和其它移動體的影響，會引起電波影響，會引起電波的反射，如的反射，如圖圖2.11所示。所示。2.2.2 移動環(huán)境的多徑傳播移動環(huán)境的多徑傳播圖圖2.11 多徑傳播示意圖多徑傳播示意圖l 通常在移動通信系統(tǒng)中，基站用固定的高通常在移動通信系統(tǒng)中，基站用固定的高天線，移動臺用接近地面的低天線。天線，移動臺用接近地面的低天線。l 電波的反射導(dǎo)致移動臺的接收信號是來自電

28、波的反射導(dǎo)致移動臺的接收信號是來自不同傳播路徑的信號之和，這種現(xiàn)象稱為不同傳播路徑的信號之和，這種現(xiàn)象稱為多徑多徑效應(yīng)效應(yīng)。 多徑效應(yīng)使得接收信號產(chǎn)生深度且多徑效應(yīng)使得接收信號產(chǎn)生深度且快速的衰落，稱為快速的衰落，稱為多徑衰落多徑衰落。 多徑衰落的信號包絡(luò)服從瑞利分布，多徑衰落的信號包絡(luò)服從瑞利分布，故多徑衰落又稱為瑞利衰落。故多徑衰落又稱為瑞利衰落。2.2.3 多普勒頻移多普勒頻移 當(dāng)移動臺在運(yùn)動中通信時，接收信號當(dāng)移動臺在運(yùn)動中通信時，接收信號頻率會發(fā)生變化，稱為頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)。 由多普勒效應(yīng)引起的附加頻移稱為多由多普勒效應(yīng)引起的附加頻移稱為多普勒頻移，可用下式表

29、示普勒頻移，可用下式表示（2.22）DmcoscosvffDmcoscosvff 與入射角度無關(guān)，是與入射角度無關(guān)，是fD的最大值，的最大值，稱為稱為最大多普勒頻移最大多普勒頻移。mvf圖圖2.12 入射角入射角 863 100.5600 10ccmf330 1016.70.5 3600mzzfHH 例例2.2 若載波若載波fc=600MHz，移動臺速度，移動臺速度v= 30km/h,求最大多普勒平移。求最大多普勒平移。解：解：2.3 描述多徑信道的主要參數(shù)描述多徑信道的主要參數(shù) 當(dāng)發(fā)射端發(fā)送一個極窄的脈沖信號當(dāng)發(fā)射端發(fā)送一個極窄的脈沖信號 至移至移動臺時，由于在多徑傳播條件下存在著多條長短不

30、一動臺時，由于在多徑傳播條件下存在著多條長短不一的傳播路徑，發(fā)射信號沿各個路徑到達(dá)接收天線的時的傳播路徑，發(fā)射信號沿各個路徑到達(dá)接收天線的時間就不一樣，移動臺所接收的信號間就不一樣，移動臺所接收的信號 是由多個時延是由多個時延信號構(gòu)成，產(chǎn)生信號構(gòu)成，產(chǎn)生時延擴(kuò)展時延擴(kuò)展（Time Delay Spread）,如如圖圖2.13所示。所示。圖圖2.13 時延擴(kuò)展示意圖時延擴(kuò)展示意圖0( )( )s tat( )rst0( )( )s tat( )rst 當(dāng)發(fā)射端發(fā)送一個極窄的脈沖信號當(dāng)發(fā)射端發(fā)送一個極窄的脈沖信號 至移至移動臺時，由于在多徑傳播條件下存在著多條長短不一動臺時，由于在多徑傳播條件下存

31、在著多條長短不一的傳播路徑，發(fā)射信號沿各個路徑到達(dá)接收天線的時的傳播路徑，發(fā)射信號沿各個路徑到達(dá)接收天線的時間就不一樣，移動臺所接收的信號間就不一樣，移動臺所接收的信號 是由多個時延是由多個時延信號構(gòu)成，產(chǎn)生信號構(gòu)成，產(chǎn)生時延擴(kuò)展時延擴(kuò)展（Time Delay Spread）,如如圖圖2.13所示。所示。0( )( )s tat( )rst2.3.1 時延擴(kuò)展時延擴(kuò)展 時延擴(kuò)展時延擴(kuò)展 可用實(shí)測信號的統(tǒng)計(jì)平均可用實(shí)測信號的統(tǒng)計(jì)平均的方法來定義。利用寬帶偽噪聲信號所的方法來定義。利用寬帶偽噪聲信號所測得的典型時延譜曲線如圖測得的典型時延譜曲線如圖2.14所示。所示。圖圖2.14 典型的時延譜曲線

32、典型的時延譜曲線 定義定義P()的一階矩為平均時延的一階矩為平均時延m，P()的均方根值為時延擴(kuò)展，即的均方根值為時延擴(kuò)展，即（2.23）（2.24） m 0( )dP22m()( ) dP圖圖2.14 典型的時延譜曲線典型的時延譜曲線2.3.2 相關(guān)帶寬相關(guān)帶寬 對于移動信道來說，存在一個相關(guān)帶寬。對于移動信道來說，存在一個相關(guān)帶寬。 當(dāng)信號的帶寬小于相關(guān)帶寬時，發(fā)生非頻率選當(dāng)信號的帶寬小于相關(guān)帶寬時，發(fā)生非頻率選擇性衰落（平坦衰落）；當(dāng)信號帶寬大于相關(guān)帶擇性衰落（平坦衰落）；當(dāng)信號帶寬大于相關(guān)帶寬時，發(fā)生頻率選擇性衰落。寬時，發(fā)生頻率選擇性衰落。 非頻率選擇性衰落非頻率選擇性衰落是指信號中

33、各分量的衰落狀況與是指信號中各分量的衰落狀況與頻率無關(guān)。衰落信號的波形不失真。頻率無關(guān)。衰落信號的波形不失真。 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落是指信號中各分量的衰落狀況與頻是指信號中各分量的衰落狀況與頻率有關(guān)，即傳輸信道對信號中不同頻率分量有不同的率有關(guān)，即傳輸信道對信號中不同頻率分量有不同的隨機(jī)響應(yīng)。時延擴(kuò)展將導(dǎo)致頻率選擇性衰落，若信號隨機(jī)響應(yīng)。時延擴(kuò)展將導(dǎo)致頻率選擇性衰落，若信號帶寬過大，會引起嚴(yán)重失真。帶寬過大，會引起嚴(yán)重失真。 考慮頻率分別為考慮頻率分別為f1和和f2的兩個信號的包絡(luò)的兩個信號的包絡(luò)相關(guān)性。相關(guān)性。 這種相關(guān)性可由兩信號的相關(guān)系數(shù)（歸這種相關(guān)性可由兩信號的相關(guān)系數(shù)（歸一化

34、的相關(guān)函數(shù)）得出。一化的相關(guān)函數(shù)）得出。 由由圖圖2.15可知，當(dāng)兩信號頻率間隔增加時，可知，當(dāng)兩信號頻率間隔增加時，相關(guān)系數(shù)減小，也就是信號的不一致性增加。相關(guān)系數(shù)減小，也就是信號的不一致性增加。圖圖2.15 相關(guān)系數(shù)曲線相關(guān)系數(shù)曲線 將信號包絡(luò)相關(guān)系數(shù)等于將信號包絡(luò)相關(guān)系數(shù)等于0.5時所對應(yīng)的頻率間時所對應(yīng)的頻率間隔定義為相關(guān)帶寬隔定義為相關(guān)帶寬Bc，即，即（2.25）c1Bf 實(shí)際應(yīng)用中，常用最大時延實(shí)際應(yīng)用中，常用最大時延Tm的倒數(shù)來規(guī)定相的倒數(shù)來規(guī)定相關(guān)帶寬，即關(guān)帶寬，即（2.26）cm1BT 若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與Bc可比擬可比擬時，則所傳輸?shù)?/p>

35、信號將產(chǎn)生明顯的畸變。時，則所傳輸?shù)男盘枌a(chǎn)生明顯的畸變。2.4 多徑信道電波傳播損耗模型多徑信道電波傳播損耗模型 設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)時，首要的問題是在設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)時，首要的問題是在給定條件下如何算出接收信號的場強(qiáng)或接收給定條件下如何算出接收信號的場強(qiáng)或接收信號中值。信號中值。 這就是電波傳播的路徑損耗預(yù)測問題，這就是電波傳播的路徑損耗預(yù)測問題，又稱為又稱為信號中值預(yù)測信號中值預(yù)測。2.4.1 奧村模型奧村模型 該模型的該模型的特點(diǎn)特點(diǎn)是：以大城市地區(qū)準(zhǔn)平坦是：以大城市地區(qū)準(zhǔn)平坦地形的場強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對于不地形的場強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對于不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子

36、同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。加以修正。 Okumura模型中大城市地區(qū)準(zhǔn)平坦地形模型中大城市地區(qū)準(zhǔn)平坦地形的中值路徑損耗（的中值路徑損耗（dB）由下式給出）由下式給出 （2.27）Mbsmbbmm( , )(, )(,)LLAf dHh dHhf Lbs為自由空間路徑損耗（為自由空間路徑損耗（dB）。）。 Am(f, d) 為大城市地區(qū)當(dāng)基站天線高度為大城市地區(qū)當(dāng)基站天線高度hb = 200m、移動臺、移動臺天線高度天線高度hm= 3m時相對自由空間的中值損耗。又稱為基本時相對自由空間的中值損耗。又稱為基本中值損耗。中值損耗。 Hb(hb, d)是基站天線高度增益因子。是基

37、站天線高度增益因子。 Hm(hm, f)是移動臺天線高度增益因子。是移動臺天線高度增益因子。圖圖2.16 準(zhǔn)平坦地形市區(qū)相對于自由空間的基本中值損耗準(zhǔn)平坦地形市區(qū)相對于自由空間的基本中值損耗圖圖2.17 基站天線高度增益因子基站天線高度增益因子圖圖2.18 移動臺天線高度增益因子移動臺天線高度增益因子例例2.3 某一移動信道，工作頻段為某一移動信道，工作頻段為450MHz，基，基站天線高度為站天線高度為50m，天線增益為，天線增益為6dB，移動臺天線，移動臺天線高度為高度為3m，天線增益為，天線增益為0dB；在市區(qū)工作，傳播路；在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平坦地形，通信距離為徑為準(zhǔn)平坦地形，通信距

38、離為10km，求傳播路徑的，求傳播路徑的中值路徑中值路徑損耗。損耗。 解解 ：自由空間傳播損耗：自由空間傳播損耗 Lfs = 32.45+20lgf+20lgd = 32.45+20lg450+20lg10 = 105.5dB 因?yàn)楣ぷ髟跍?zhǔn)平坦地形，由圖因?yàn)楣ぷ髟跍?zhǔn)平坦地形，由圖2.16查得，市區(qū)基本中值查得，市區(qū)基本中值損耗為損耗為 Am(f,d) = Am(450,10) =27dB 由圖由圖2.17查得，基站天線高度增益因子查得，基站天線高度增益因子 Hb(hb, d) = Hb(50, 10)= -12dB 由圖由圖2.18查得，移動臺天線高度增益因子查得，移動臺天線高度增益因子 Hm

39、(hm, f) = Hm(3, 450) = 0dB 所以，傳播路徑中值損耗為所以，傳播路徑中值損耗為 = 105.5+27+12 = 144.5dBMbsmbbmm( , )(, )(,)LLAf dHh dHhf1. 室內(nèi)辦公環(huán)境模型室內(nèi)辦公環(huán)境模型 這類傳播環(huán)境的特點(diǎn)是小區(qū)小、反射功率這類傳播環(huán)境的特點(diǎn)是小區(qū)小、反射功率低。由于墻壁、地板和各種分隔、阻擋物低。由于墻壁、地板和各種分隔、阻擋物的阻擋和電波的散射，使路徑衰落規(guī)律發(fā)的阻擋和電波的散射，使路徑衰落規(guī)律發(fā)生了變化，衰落特性在萊斯到瑞利之間變生了變化，衰落特性在萊斯到瑞利之間變化。同時，還會產(chǎn)生陰影效應(yīng)?；?。同時，還會產(chǎn)生陰影效應(yīng)。 2.4.2 IMT-2000模型模型 2.室外到室內(nèi)徒步環(huán)境室外到室內(nèi)徒步環(huán)境 小區(qū)小、反射功率低也是這類環(huán)境的特小區(qū)小、反射功率低也是這類環(huán)境的特點(diǎn)?；疚挥谑彝?，天線高度低，步行點(diǎn)?；疚挥谑彝猓炀€高度低，步行用戶在街道上或建筑物內(nèi)時，時延擴(kuò)展用戶在街道上或建筑物內(nèi)時，時延擴(kuò)展在