第二章移動信道傳播特性

2.4移動信道的傳播模型2.3陸地移動信道的場強估算2.2移動信道的特征2.1無線電波傳播機制第2章移動信道的傳播特性第2章移動信道的傳播特性§2.1無線電波傳播機制

1.電波傳播方式 無線電波從發(fā)射機天線發(fā)出，可以沿著不同的途徑和方式到達接收天線。圖2-1電波傳播典型路徑第2章移動信道的傳播特性①直射波，也稱為視距傳播（LOS）

②地面反射波；③地表面波。 除此之外，在移動信道中，電波遇到各種障礙物時會發(fā)生反射、繞射和散射現(xiàn)象。

2.直射

直射波傳播可按自由空間傳播來考慮。自由空間傳播是理想的傳播條件。滿足如下條件的電波可視作在自由空間傳播： ①地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質； ②媒質的相對介電常數(shù)εr和相對導磁率μr都等于1③傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計。第2章移動信道的傳播特性由電磁場理論可知，若各向同性天線（亦稱全向天線或無方向性天線）的輻射功率為PTW，則距輻射源d（單位m）處的電場有效值Eo為：磁場有效值H0為：第2章移動信道的傳播特性單位面積上的電波功率密度S為：若用發(fā)射天線增益為GT的方向性天線取代各向同性天線第2章移動信道的傳播特性接收天線獲取的電波功率：

PR=SAR

AR與GR關系為：

λ2/4π為各向同性天線的有效面積。可以得到：第2章移動信道的傳播特性當GR

=

GT

=

1時，自由空間傳播損耗Lfs為以dB計，得：或：第2章移動信道的傳播特性3.反射 當電波傳播中遇到兩種不同介質的光滑界面時，如果界面尺寸比電波波長大得多，就會產(chǎn)生鏡面反射。 （1）平滑表面的反射

圖2-2平滑表面的反射第2章移動信道的傳播特性（2）兩徑傳播模型

圖2-3兩徑傳播模型第2章移動信道的傳播特性

d

=

d1

+

d2。 考慮到（ht

+

hr）<<d，可以得到第2章移動信道的傳播特性由路徑差Δd引起的附加相移Δφ為

式中，2π/λ稱為傳播相移常數(shù)。 這時接收場強E可表示為：

可見，直射波與地面反射波的合成場強將隨反射系數(shù)以及路徑差的變化而變化，有時會同相相加，有時會反相抵消，這就造成了合成波的衰落現(xiàn)象。|R|越接近于1，衰落就越嚴重。第2章移動信道的傳播特性4.折射（1）基本概念 當電波從一種介質進入到另一種介質時，傳播方向會發(fā)生變化。

圖2-4電波的折射第2章移動信道的傳播特性 （2）大氣折射 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，彎曲的方向和程度取決于大氣折射率的垂直梯度dn/dh。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，稱為大氣對電波的折射。第2章移動信道的傳播特性大氣折射對電波傳播的影響，在工程上通常用“地球等效半徑”來表征，即認為電波依然按直線方向行進，只是地球的實際半徑Ro(6.27×106m)變成了等效半徑Re，Re與Ro之間的關系為：k稱為地球等效半徑系數(shù)。第2章移動信道的傳播特性（3）視線傳播極限距離 視線傳播的極限距離可由右圖計算，假定天線的高度分別為ht和hr，兩個天線頂點的連線AB與地面相切于C點。圖2-5視線傳播極限距離第2章移動信道的傳播特性

d1和d2可近似為：

視線傳播的極限距離d為：

在標準大氣折射情況下：第2章移動信道的傳播特性注意：ht和hr的單位是m，d的單位是km。5.繞射

在實際的移動環(huán)境中，發(fā)射機與接收機之間的傳播路徑上存在山丘、建筑物、樹木等各種障礙物，無線電波被尖利的邊緣阻擋時會發(fā)生繞射，其所引起的電波傳播損耗稱為繞射損耗。

（1）菲涅爾區(qū)的概念

第2章移動信道的傳播特性圖2-6惠更斯-菲涅爾原理第2章移動信道的傳播特性圖2-7菲涅爾區(qū)的概念第2章移動信道的傳播特性（2）刃形繞射模型 當障礙物是單個物體，且障礙物的寬度與其高度相比很小，稱為刃形障礙物。第2章移動信道的傳播特性圖2-8障礙物與余隙圖2-9繞射損耗與余隙關系第2章移動信道的傳播特性例：上圖所示的傳播路徑中，菲涅爾余隙x=?80m，d1=5km，d2=10km，工作頻率為150MHz。試計算電波傳播損耗。解：（1）首先計算出自由空間傳播的損耗

（2）計算第一菲涅爾區(qū)半徑

第2章移動信道的傳播特性（3）求x/x1，查圖2-9，得出附加損耗為16.5dB。 （4）計算總傳輸損耗[L]

=

[Lfs]

+

16.5

=

116.0dB第2章移動信道的傳播特性第二章移動信道的傳播特性§2.2移動信道的特征

1.傳播路徑與信號衰落

圖2-10移動信道的傳播路徑假設反射系數(shù)R

=

?1（鏡面反射），則合成場強E為：

第二章移動信道的傳播特性圖2-11典型信號衰落特性第二章移動信道的傳播特性

衰落：是由多徑傳播的同一信號的接收所產(chǎn)生的。根據(jù)這些到達信號相位的不同，合成信號相消或者相長，根據(jù)這些到達信號相位的不同，合成信號相消或者相長，即使只經(jīng)過很短的距離，觀測到的接收信號的幅值也會有非常大的不同。第二章移動信道的傳播特性圖2-12fc=2.5GHz時相長干擾（上圖）和相消干擾（下圖）的相位差變化不到0.1ns，相應的距離3cm。第二章移動信道的傳播特性

2.陰影效應 接收信號除其瞬時電平產(chǎn)生深度且快速的衰落之外，其局部中值也是變化的，這是由于移動無線信道傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其他障礙物對電波傳播路徑的遮擋而形成的電磁場陰影效應而造成的，稱為陰影衰落。第二章移動信道的傳播特性

2.多普勒效應由于移動臺的高速移動而產(chǎn)生的傳播信號頻率的擴散，稱為多普勒效應。多普勒效應引起的多普勒頻移可表示為

圖2-13多普勒效應第二章移動信道的傳播特性圖2-14多徑與多普勒頻移第二章移動信道的傳播特性

2.多徑效應移動信道由于多徑傳播和移動臺運動導致小尺度衰落的產(chǎn)生，其主要效應表現(xiàn)為：①信號強度隨距離（或時間）在短距離內(nèi)（或短時間間隔內(nèi)）發(fā)生急劇變化；②多徑信號不同的多普勒頻移引起隨機頻率調制，或頻率色散；③多徑傳播不同時延引起的時間彌散，不同到達角引起角度色散。第二章移動信道的傳播特性

(1)多徑信道的沖激響應模型時不變性沖激響應信道可表示為:

此沖激響應模型在工程上可用抽頭延遲線實現(xiàn)。第二章移動信道的傳播特性

(2).多徑信道的主要參數(shù):(3對)

時間色散參數(shù)和相關帶寬:用功率延遲譜描述;

時延擴展Δ--相干帶寬Bc

頻率色散參數(shù)和相干時間:用多普勒功率譜密度描述;

相干時間Tc--多普勒擴展Bd

角度色散參數(shù)和相關距離:用角度譜描述.

相關距離Dc--角度擴展rms

第二章移動信道的傳播特性

a.時間色散參數(shù)和相關帶寬：①多徑時散:多徑效應在時域上將導致接收信號波形

被展寬。

圖2-15多徑色散圖2-16時變多徑信道響應示例第二章移動信道的傳播特性第二章移動信道的傳播特性

圖2-17歸一化多徑時延信號強度第二章移動信道的傳播特性

②時間色散參數(shù)平均附加時延定義為E()的一階矩:

時延擴展Δ為E()的均方根:

在市區(qū)環(huán)境中,常將功率時延譜近似為指數(shù)分布:圖2-18功率延遲分布圖第二章移動信道的傳播特性

參數(shù)市區(qū)郊區(qū)平均附加時延i

/s對應路徑距離差/m1.5～2.5450～7500.1～2.030～600時延擴展Δ

/s1.0～3.00.2～2.0最大附加時max

/s5.0～123.0～12第二章移動信道的傳播特性

②相關帶寬相干帶寬Bc是一頻率范圍的統(tǒng)計度量值，在此頻率范圍內(nèi)，信道可認為是平坦的，即此范圍內(nèi)所有頻率分量具有近似相等的增益和線性相位。

第二章移動信道的傳播特性

兩徑信道

圖2-19兩徑信道模型

兩路徑信道的等效網(wǎng)絡傳遞函數(shù):第二章移動信道的傳播特性

第二章移動信道的傳播特性b.頻率色散參數(shù)和相干帶寬：①頻率色散:由于發(fā)射機和接收機之間的相對移動或信道內(nèi)物體的移動會造成傳播路徑的改變，因而移動信道是典型的時變信道。圖2-21正弦波經(jīng)時變信道傳輸后接收端波形示意圖。第二章移動信道的傳播特性圖2-22時變（衰落）信道與數(shù)字鍵控頻譜擴展的相性第二章移動信道的傳播特性②

多普勒擴展:多普勒擴展用來度量移動信道時變（或移動和多徑傳播）所引起的頻譜展寬。

圖2-23多徑與多普勒頻移第二章移動信道的傳播特性

接收信號瞬時頻率為

其導數(shù)為第二章移動信道的傳播特性

多普勒功率譜:

第二章移動信道的傳播特性

對Pav歸一化，并假設G(

)

=

1，p(

)

=

1/2，?≤＜，得到典型的多普勒功率譜為

第二章移動信道的傳播特性③

相干時間:

相干時間用來表征信道頻率色散對應的時域時變特性。相干時間是信道沖激響應維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值。

時間選擇性衰落對數(shù)字信號誤碼有明顯的影響，為了減少這種影響,要求基帶信號的符號周期要遠小于信道的相干時間。第二章移動信道的傳播特性c.角度色散參數(shù)和相關距離

移動通信中，由于基站和移動臺周圍散射環(huán)境不同,從而產(chǎn)生了角度色散，使得位于不同位置的天線經(jīng)歷的衰落不同，即產(chǎn)生了空間選擇性衰落。①

角度擴展

角度擴展rms是用來表征空間選擇性衰落的重要參數(shù)，它與角度功率譜p()有關。

第二章移動信道的傳播特性②相關距離相關距離Dc是指信道沖激響應保證一定相關度的空間距離。隨著角度擴展的增加，相關距離減少，反之亦然。估計相關距離的一個經(jīng)驗公式為

Dc≈2/rms第二章移動信道的傳播特性

(3)多徑接收信號統(tǒng)計特性移動無線信道接收端的信號是來自不同傳播路徑信號之和，由于移動信道是典型的隨參信道，這樣接收信號將不是確定和可預見的，而是具有很強的隨機性，屬于時變信號。對于這樣的信號，需采用統(tǒng)計方法加以分析。分析表明，依據(jù)不同的無線環(huán)境，接收信號的包絡服從瑞利和萊斯分布。圖2–25移動臺接收N條路徑信號第二章移動信道的傳播特性①

瑞利分布設基站發(fā)射的信號為

則第i個接收信號第二章移動信道的傳播特性接收信號為

令 則接收信號s(t)可寫成

第二章移動信道的傳播特性由于x和y都是獨立隨機變量之和，根據(jù)概率論中心極限定理，假設

，由于x和和y相互獨立，因而其聯(lián)合概率密度函數(shù)p(x,y)可寫為

第二章移動信道的傳播特性

將其變換到極坐標系(r，θ),

x

=rcos，y

=rsin，相應的雅克比行列式為

所以接收信號的聯(lián)合概率密度函數(shù)為

第二章移動信道的傳播特性對θ積分，可求得包絡概率密度函數(shù)p(r)為同理，對r積分可求得相位概率密度函數(shù)p(θ)為多徑衰落信號的包絡服從瑞利分布，故把這種多徑衰落稱為瑞利衰落。相位服從0～2π間的均勻分布。

第二章移動信道的傳播特性均值均方值圖2-26瑞利分布的概率密度第二章移動信道的傳播特性圖2-27瑞利衰落的累積分布第二章移動信道的傳播特性b.萊斯分布當接收信號中有主導信號分量時，比如視距傳播的信號到達時，視距信號將成為接收信號中的主導分量，而其他不同角度到達的多徑分量將疊加在這個主導信號分量上，接收信號將服從萊斯分布。萊斯分布的概率密度函數(shù)為第二章移動信道的傳播特性數(shù)萊斯因子K，決定了萊斯分布函數(shù)。當A→0時，K→?∞dB，萊斯分布變?yōu)槿鹄植肌ＨR斯分布常用參數(shù)K來描述，,定義為主信號的功率與多徑分量方差之比，用dB表示為第二章移動信道的傳播特性圖2-28萊斯分布的概率密度函數(shù)第二章移動信道的傳播特性5.多徑衰落信道的分類由于移動和多徑傳播，使移動信道呈現(xiàn)時散及時變（頻率色散）特性，進而導致信號通過移動信道傳播時產(chǎn)生衰落，其衰落類型取決于發(fā)送信號和信道的特性。第二章移動信道的傳播特性（1）平坦衰落和頻率選擇性衰落信道信道的時散特性在時域通過時延擴展Δ來描述，在頻域用相關帶寬Bc來描述。若所傳信號的參數(shù)為：符號間隔Ts，帶寬Bs

=

1/Ts，則當Ts>>Δ，信號經(jīng)歷平坦衰落（FlatFading），稱信道為平坦衰落信道；反之，稱為頻率選擇性衰落信道。

第二章移動信道的傳播特性圖2-29平坦衰落信道特性第二章移動信道的傳播特性圖2-30頻率選擇性信道特性第二章移動信道的傳播特性（2）快衰落和慢衰落信道信道的時變性是通過相干時間Tc和多普勒擴展Bd來表征的。如所傳信號的參數(shù)為：符號間隔Ts，帶寬Bs

=

1/Ts，則當Ts＞Tc信號經(jīng)歷快衰落（FastFading），稱信道為快衰落信道；反之，為慢衰落信道。第二章移動信道的傳播特性另外，當考慮角度擴展時，會有角度色散，即空間選擇性衰落。6.衰落儲備移動信道中接收信號具有如下特征：①依賴于收發(fā)距離的平均路徑損耗決定信號中值；②具有陰影效應（又稱大尺度衰落）；③具有多徑效應（小尺度衰落）。第二章移動信道的傳播特性圖2-31衰落儲備量為了防止因衰落引起的通信中斷，在信道設計中，必須使信號的電平留有足夠的余量，這種電平稱為衰落儲備?！?.3陸地移動信道的場強估算1.接收機輸入電壓、功率與場強的關系（1）接收機輸入電壓的定義若接收機的輸入電阻為Ri且Ri

=

Rs，則接收機輸入端的端電壓U

=

Us/2，相應的輸入功率P=Us2/4R。由于Ri

=

Rs

=

R是接收機和信號源滿足功率匹配的條件，因此Us2/4R是接收機輸入功率的最大值，常稱為額定輸入功率。第二章移動信道的傳播特性第二章移動信道的傳播特性圖2-32接收機輸入電壓的定義第二章移動信道的傳播特性為了計算方便，電壓或功率常以分貝計。其中，電壓常以1μV作基準，功率常以1mW作基準，因而有式中，Us以V計。第二章移動信道的傳播特性（2）接收場強與接收電壓的關系

接收場強E是指單位（有效）長度天線所感應的電壓值，常以μV/m作單位。圖2-33半波振子天線的有效長度第二章移動信道的傳播特性圖2-34半波振子天線的阻抗匹配電路第二章移動信道的傳播特性以中點電流為高度構成一個矩形，假定圖中虛線與實線所圍面積相等，則矩形的長度即為半波振子的有效長度。這樣半波振子天線的感應電壓Us為式中，E的單位是μV/m；的單位為m；Us的單位為μV。若場強用dBμV/m計，則第二章移動信道的傳播特性2.地形、地物分類（1）地形的分類與定義

為了計算移動信道中信號電場強度中值（或傳播損耗中值），可將地形分為兩大類，即中等起伏地形和不規(guī)則地形，并以中等起伏地形作傳播基準。地形起伏高度△h定義為沿傳播方向，在傳播路徑的地形剖面圖上，距接收地點10km范圍內(nèi)，10%高度線和90%高度線的高度差。第二章移動信道的傳播特性圖2-35地形起伏高度Δh第二章移動信道的傳播特性圖2-36基站天線有效高度hb第二章移動信道的傳播特性（2）地物（或地區(qū)）分類①開闊地。在電波傳播的路徑上無高大樹木、建筑物等障礙物，呈開闊狀地面。②郊區(qū)。在靠近移動臺近處有些障礙物但不稠密。③市區(qū)。有較密集的建筑物和高層樓房。第二章移動信道的傳播特性3.中等起伏地形上傳播損耗的中值（1）市區(qū)傳播損耗的中值

在估算各種地形地物上的傳播損耗時，均以中等起伏地面上市區(qū)的損耗中值或場強中值作為基準，因而把它稱作基準中值或基本中值。第二章移動信道的傳播特性圖2-37中等起伏地上市區(qū)基本損耗中值第二章移動信道的傳播特性如果基站天線的高度不是200m，則損耗中值的差異用基站天線高度增益因子Hb(hb,d)表示。同理，當移動臺天線高度不是3m時，需用移動臺天線高度增益因子Hm(hm,f

)加以修正。第二章移動信道的傳播特性圖2-38天線高度增益因子第二章移動信道的傳播特性

此外，市區(qū)的場強中值還與街道走向（相對于電波傳播方向）有關?？v向路線（與電波傳播方向相平行）的損耗中值明顯小于橫向路線（與傳播方向相垂直）的損耗中值。第二章移動信道的傳播特性圖2-39街道走向修正曲線第二章移動信道的傳播特性2.郊區(qū)和開闊地損耗的中值

郊區(qū)的建筑物一般是分散、低矮的，故電波傳播條件優(yōu)于市區(qū)。郊區(qū)場強中值與基準場強中值之差稱為郊區(qū)修正因子，記作Kmr。第二章移動信道的傳播特性圖2-40郊區(qū)修正因子圖2-41開闊地、準開闊地修正因子第二章移動信道的傳播特性4.不規(guī)則地形上傳播損耗的中值（1）丘陵地的修正因子

對于地形起伏達數(shù)次以上的情況，丘陵地的地形參數(shù)用地形起伏高度Δh表征。丘陵地的場強中值修正因子分為兩類：一是丘陵地平均修正因子Kh；二是丘陵地微小修正因子。第二章移動信道的傳播特性圖2-42丘陵地場強中值修正因子第二章移動信道的傳播特性隨著丘陵地起伏高度Δh的增大，由于屏蔽影響的增大，傳播損耗隨之增大，因而場強中值隨之減小。此外，在丘陵地中，場強中值在起伏地的頂部與谷部必然有較大差異，需要對場強中值進一步加以修正。第二章移動信道的傳播特性（2）孤立山岳修正因子Kjs

當電波傳播路徑上有近似刃形的單獨山岳時，若求山背后的電場強度，一般從相應的自由空間場強中減去刃峰繞射損耗即可。但對天線高度較低的陸上移動臺來說，還必須考慮障礙物的陰影效應和屏蔽吸收等附加損耗。由于附加損耗不易計算，故仍采用統(tǒng)計方法給出修正因子Kjs曲線。第二章移動信道的傳播特性圖2-43孤立山岳修正因子Kjs第二章移動信道的傳播特性（3）斜波地形修正因子Ksp斜坡地形系指在5～10km范圍內(nèi)的傾斜地形。若在電波傳播方向上，地形逐漸升高，稱為正斜坡，傾角為

+θm；反之為負斜坡，傾角為?θm。第二章移動信道的傳播特性圖2-44斜坡地形修正因子Ksp第二章移動信道的傳播特性（4）水陸混合路徑修正因子Ks

在傳播路徑中如遇有湖泊或其他水域，接收信號的場強往往比全是陸地時要高。為估算水陸混合路徑情況下的場強中值，用水面距離dSR與全程距離d的比值作為地形參數(shù)。此外，水陸混合路徑修正因子Ks的大小還與水面所處的位置有關。第二章移動信道的傳播特性圖2-45水陸混合路徑修正因子第二章移動信道的傳播特性5.任意地形地區(qū)的傳播損耗的中值（1）中等起伏的市區(qū)中接收信號的功率中值PP

中等起伏的市區(qū)接收信號的功率中值PP（不考慮街道走向）可由下式確定：第二章移動信道的傳播特性P0：自由空間傳播條件下的接收信號的功率PT：發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率；：工作波長；d：收發(fā)天線間的距離；Gb：基站天線增益；Gm：移動臺天線增益；Am(f,d)：中等起伏的市區(qū)的基本損耗中值，Hb(hb,d)：基站天線高度增益因子Hm(hm,f)：移動臺天線高度增益因子第二章移動信道的傳播特性2.任意地形地區(qū)接收信號的功率中值Ppc任意地形地區(qū)接收信號的功率中值以中等起伏的市區(qū)接收信號的功率中值Pp為基礎，加上地形地物修正因子KT，即第二章移動信道的傳播特性地形地物修正因子KT一般可寫成Kmr：郊區(qū)修正因子；Q0、Qr：開闊地或準開闊地修正因子；Kh、Khf：丘陵地修正因子及微小修正因子；Kjs：孤立山岳修正因子；Ksp：斜坡地形修正因子；Ks：水陸混合路徑修正因子。第二章移動信道的傳播特性任意地形地區(qū)的傳播損耗中值LT為中等起伏的市區(qū)傳播損耗中值第二章移動信道的傳播特性例：某一移動信道，工作頻段為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動臺天線高度為3m，天線增益為0dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為中等起伏地形，通信距離為l0km，試求：（1）傳播路徑損耗中值；（2）基站發(fā)射機送至天線的信號功率為10W，求移動臺天線得到的信號功率中值。解：（1）根據(jù)巳知條件，KT

=

0，LA

=

LT，第二章移動信道的傳播特性自由空間傳播損耗

=

32.44

+

20lgf

+

20lgd=32.44

+

20lg450

+

20lg10=105.5dB市區(qū)基本損耗中值基站天線高度增益因子

移動臺天線高度增益因子第二章移動信道的傳播特性傳播路徑損耗中值中等起伏的市區(qū)中接收信號的功率中值第二章移動信道的傳播特性若上題改為郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且，其他條件不變，再求傳播路徑損耗中值及接收信號功率中值。解：LA

=

LT-KT，由上例已求得。地形地區(qū)修正因子KT只需考慮郊區(qū)修正因子和斜坡修正因子查表得=12.5dB第二章移動信道的傳播特性=3dB所以傳播路徑損耗中值接收信號功率中值或第二章移動信道的傳播特性§2.4移動信道的傳播模型1.Hata模型Hata模型適用的頻率范圍為150～1

500MHz。與Okumura處理方法一樣，以市區(qū)傳播損耗為基準，其他地形地物在此基礎上進行修正。

市區(qū)的中值路徑損耗的標準公式為（CCIR采納的建議）（單位為dB）第二章移動信道的傳播特性是移動臺接收機的有效天線高度的修正因子，取決于所處傳播環(huán)境。在Hata模型中，郊區(qū)修正因子的公式為第二章移動信道的傳播特性郊區(qū)路徑損耗為開闊的農(nóng)村地帶的修正因子

的公式為開闊的農(nóng)村地帶路徑損耗為第二章移動信道的傳播特性2.COST-231/Walfish/Ikegami模型

歐洲研究委員會COST-231在Walfish和Ikegami分別提出的模型的基礎上，對實測數(shù)據(jù)加以完善而提出了COST-231/Walfish/Ikegami模型。COST-231適用于微小區(qū)的工程設計。該模型中的主要參數(shù)有：

建筑物高度hroof(m)；

道路寬度w(m)；

建筑物的間隔b(m)；第二章移動信道的傳播特性圖2-46COST-231/Walfish/Ikegami模型中的參數(shù)定義第二章移動信道的傳播特性