第二章信道傳播特性

第二章信道傳播特性第1頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/15《移動通信》通信理論教研中心2-2

了解3種電波傳播的機制

理解移動信道的衰落特性

掌握多徑衰落的特性和多普勒頻移

掌握多徑信道模型的原理和主要參數(shù)41235

掌握多徑信道的統(tǒng)計分析及分類第2頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/15《移動通信》通信理論教研中心2-3第二章移動信道的傳播特性

無線電波傳播特性移動信道的特征移動信道的傳播模型123自由空間傳播（直射波）基本傳播（反射、繞射、散射）三類損耗自由空間傳播損耗慢衰落損耗快衰落損耗四種效應陰影效應遠近效應多徑效應多普勒效應第3頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/15《移動通信》通信理論教研中心2-4當頻率f＞30MHz時，典型的傳播通路主要有①直射波、②反射波、③地表面波圖3–1典型的傳播通路1無線電波傳播方式第4頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/15《移動通信》通信理論教研中心2-51.1自由空間傳播（直射波）條件：自由空間傳播是指天線周圍為無限大真空時的電波傳播?，F(xiàn)象：不發(fā)生反射、折射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象，但電波經過一段路徑傳播之后，由電磁波能量擴散而引起的傳播損耗（彌散損耗），導致能量衰減。自由空間的傳播損耗？廣義上，只要地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質，其相對介電常數(shù)ε和相對導磁率μ都等于1，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，在這樣情況下，電波可視作在自由空間傳播。第5頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一單位面積上的電波功率密度S為電磁場理論：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PT瓦，則距輻射源dm處：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，則上述公式應改寫為1.1自由空間傳播（直射波）第6頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一接收天線獲取的電波功率等于該點的電波功率密度乘以接收天線的有效面積，即AR為接收天線的有效面積，它與接收天線增益GR滿足下列關系：式中，λ2/4π為各向同性天線的有效面積。1.1自由空間傳播（直射波）第7頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一由上面式子可得：當收、發(fā)天線增益為0dB，即當GR=GT=1時，接收天線上獲得的功率為：以dB計，得［Lfs］(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)1.1自由空間傳播（直射波）第8頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1.2.1移動環(huán)境中的電波傳播(反射波）

現(xiàn)象：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，就會產生鏡面反射。通常，在考慮地面對電波的反射時，按平面波處理，即電波在反射點的反射角等于入射角。

不同界面的反射特性用反射系數(shù)R表征，它定義為反射波場強與入射波場強的比值，R可表示為第9頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一R=|R|e-jψ式中，|R|為反射點上反射波場強與入射波場強的振幅比，ψ代表反射波相對于入射波的相移。1.2.1移動環(huán)境中的電波傳播(反射波）第10頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一對于水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)Rh和Rv分別由下列公式計算：式中，εc是反射媒質的等效復介電常數(shù)，它與反射媒質的相對介電常數(shù)εr、電導率δ和工作波長λ有關，即1.2.1移動環(huán)境中的電波傳播(反射波）第11頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一對于地面反射，當工作頻率高于150MHz(λ＜2m)時，θ＜1°，取極限由上式近似可得Rv=Rh=-1即反射波場強的幅度與入射波場強的幅度相等，而相差為180°。1.2.1移動環(huán)境中的電波傳播(反射波）第12頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1.2.1移動環(huán)境中的電波傳播(反射波）直射波+反射波：由發(fā)射點T發(fā)出的電波分別經過直射線(TR)與地面反射路徑(ToR)到達接收點R，由于兩者的路徑不同，從而會產生附加相移。由圖3-5可知，反射波與直射波的路徑差為第13頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一式中，d=d1+d2。1.2.1移動環(huán)境中的電波傳播(反射波）第14頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一

通常(ht+hr)<<d,故上式中每個根號均可用二項式定理展開，并且只取展開式中的前兩項。例如：1.2.1移動環(huán)境中的電波傳播(反射波）第15頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一式中，2π/λ稱為傳播相移常數(shù)。這時接收場強E可表示為由路徑差Δd引起的附加相移Δφ為注：直射波與反射波的合成場強將隨反射系數(shù)以及路徑差的變化兒變化，有時會反相抵消，有時會同向相加，造成合成波的衰落現(xiàn)象。1.2.1移動環(huán)境中的電波傳播(反射波）第16頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一接收信號場強：接收信號功率：兩徑（直射+反射）傳播模型第17頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2移動環(huán)境中的電波傳播(繞射波）定義：繞射波是指從較大的建筑物或山丘繞射后到達接收點的傳播信號，它需要滿足電波產生繞射的條件，其信號強度較直射波弱?，F(xiàn)象：無線傳播路徑被尖利邊緣阻擋時，由阻擋表面產生的二次波散布于空間，即波在傳播的過程中，行進中的波前上的每一個點，都可作為產生次級波的點源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前。第18頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一障礙物的影響與繞射損耗電波的直射路徑上存在各種障礙物，由障礙物引起的附加傳播損耗稱為繞射損耗。定義：x表示障礙物頂點P至直射線TR的距離，稱為菲涅爾余隙。規(guī)定阻擋時余隙為負，障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙有關系。1.2.2移動環(huán)境中的電波傳播(繞射波）

障礙物與余隙(a)負余隙；(b)正余隙第19頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2移動環(huán)境中的電波傳播(繞射波）繞射損耗與余隙關系第20頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2移動環(huán)境中的電波傳播(繞射波）定義：x1是第一菲涅爾區(qū)在P點橫截面的半徑，它由下列關系式可求得：第21頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/15《移動通信》通信理論教研中心2-22A.由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙的關系如圖3-4所示。當直射線TR從障礙物頂點擦過時，繞射損耗約為6dB；當直射線TR低于障礙物頂點時，損耗急劇增加。1.2.2移動環(huán)境中的電波傳播(繞射波）第22頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2移動環(huán)境中的電波傳播(繞射波）例3-1設圖3-3(a)所示的傳播路徑中，菲涅爾余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。解：先求出自由空間傳播的損耗Lfs為求第一菲涅爾區(qū)半徑x1為［Lfs］=32.44+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB第23頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一查繞射損耗表得附加損耗(x/x1≈-1)為16.5dB,因此電波傳播的損耗L為［L］=［Lfs］+16.5=116.0dB1.2.2移動環(huán)境中的電波傳播(繞射波）第24頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1.2.3移動環(huán)境中的電波傳播(散射波）散射的定義：散射發(fā)生在介質中存在小于波長的物體并且單位體積內阻擋體的個數(shù)非常巨大時。散射波產生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體，反射能量由于散射而散布于所有方向。當入射角為

時，則表面平整度的參數(shù)高度為：第25頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一粗糙表面的反射時需要乘以散射損耗系數(shù)

，表示減弱的反射場1.2.3移動環(huán)境中的電波傳播(散射波）平面上最大的突起高度h散射波相對于直射波、反射波和繞射波都較弱。第26頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/15《移動通信》通信理論教研中心2-27在移動通信系統(tǒng)中，存在三種影響信號傳播的基本機制：反射、繞射和散射。阻擋體反射比傳輸波長大的多的物體（地面、墻面）繞射尖利邊緣（山丘）散射比傳輸波長小的多的物體（粗糙表面、不規(guī)則物體）第27頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2移動信道的特征在VHF、UHF移動信道中，電波傳播方式除了上述的直射波和地面反射波之外，還需要考慮傳播路徑中各種障礙物所引起的反射波與散射波。注：多條路徑合成場強與什么有關？１、幅度２、相位（相位如何影響幅度的波動？）因此關鍵點是關注信道中幅度與相位的改變規(guī)律。第28頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.1傳播路徑與信號衰落hb為基站天線高度,hm為移動臺天線高度。直射波的傳播距離為d,地面反射波的傳播距離為d1，散射波的傳播距離為d2。移動臺接收信號的場強由上述三種電波的矢量合成。Δd1=d1-dΔd2=d2-dE0是直射波場強，λ是工作波長，α1和α2分別是地面反射波和散射波相對于直射波的衰減系數(shù)，而第29頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.1傳播路徑與信號衰落第30頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落（快衰落）產生背景:移動臺往往受到各種障礙物和其它移動體的影響，以致到達移動臺的信號是來自不同傳播路徑的信號之和第31頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落基站發(fā)射的信號(幅度+頻率+相位）ω0為載波角頻率，φ0為載波初相。第i條徑接收到的信號(幅度+頻率+相位）傳播損耗距離差引入的相位偏移多普勒頻率偏移第32頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落*假設N個信號的幅值和到達接收天線的方位角是隨機的且滿足統(tǒng)計獨立，則接收信號為令：第33頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落則S(t)可寫成

S(t)=(x+jy)exp［j(ω0t+φ0)］由于x和y都是獨立隨機變量之和，因而根據(jù)概率的中心極限定理，大量獨立隨機變量之和的分布趨向正態(tài)分布，即有概率密度函數(shù)為復數(shù)表示x與y共同影響收到多徑信號的幅度與相位的變化第34頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落σx、σy分別為隨機變量x和y的標準偏差。x、y在區(qū)間dx、dy上的取值概率分別為p(x)dx、p(y)dy，由于它們相互獨立，所以在面積dxdy中的取值概率為

p(x,y)dxdy=p(x)dx·p(y)dy

假設

，且p(x)和p(y)均值為零，則第35頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落簡化：二維分布的概率密度函數(shù)使用極坐標系(r,θ)表示比較方便。此時，接收天線處的信號振幅為r,相位為θ，對應于直角坐標系為第36頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落

幅度的統(tǒng)計分布，對θ積分，可求得包絡概率密度函數(shù)p(r)為r≥0

相位的統(tǒng)計分布，對r積分可求得相位概率密度函數(shù)p(θ)為0≤θ≤2π第37頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落瑞利衰落信號的特征：均值均方值第38頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落

當r=σ時，p(r)為最大值，表示r在σ值出現(xiàn)的可能性最大當r=σ≈1.177σ時，有第39頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落信號包絡低于σ的概率為信號包絡r低于某一指定值kσ的概率為第40頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2多徑效應與瑞利衰落重要結論：一個均值為0、方差為的平穩(wěn)高斯窄帶過程，它的包絡的一維概率密度服從瑞利分布，相位的一維概率密度分布是均勻分布。第41頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2三類主要的快衰落1．時間選擇性衰落時域頻域假設移動臺運動方向之間的夾角為θ,其多普勒頻移值為第42頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2．頻率選擇性衰落2.2三類主要的快衰落頻率選擇性衰落是指在不同頻段上衰落特性不一樣。頻域時域第43頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）圖：多徑時散示例第44頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）定義：假設基站發(fā)射一個極短的脈沖信號Si(t)=a0δ(t)，經過多徑信道后，移動臺接收信號呈現(xiàn)為一串脈沖，結果使脈沖寬度被展寬了。這種因多徑傳播造成信號時間擴散的現(xiàn)象，稱為多徑時散。時變性：多徑性質是隨時間而變化的。如果進行多次發(fā)送脈沖試驗，則接收到的脈沖序列是變化的，它包括脈沖數(shù)目N的變化、脈沖大小的變化及脈沖延時差的變化。第45頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）第46頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）ai是第i條路徑的衰減系數(shù)；τi(t)為第i條路徑的相對延時差。實際上，情況要復雜得多，各個脈沖幅度是隨機變化的，它們在時間上可以互不交疊，也可以相互交疊，甚至隨移動臺周圍散射體數(shù)目的增加，所接收到的一串離散脈沖將會變成有一定寬度的連續(xù)信號脈沖。第47頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）統(tǒng)計測試結果：E(t)為歸一化的時延強度曲線，它是以不同時延信號強度所構成的時延譜，也有人稱之為多徑散布譜E(t)的一階矩平均多徑時延E(t)的均方根多徑時延散布(簡稱時散、時延擴展)ΔΔ的意義：表示多徑時延散布的程度。Δ越大，時延擴展越嚴重；Δ越小，時延擴展越輕第48頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一表多徑時散參數(shù)典型值1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）第49頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一相關帶寬從頻域觀點而言，多徑時散現(xiàn)象將導致頻率選擇性衰落，即信道對不同頻率成分有不同的響應。若信號帶寬過大，就會引起嚴重的失真。討論兩條射線的情況，即雙射線信道。為分析簡便，不計信道的固定衰減，用“1”表示第一條射線，信號為Si(t);用“2”表示另一條射線，其信號為rSi(t)ejωΔ(t)，這里r為一比例常數(shù)。于是，接收信號為兩者之和，即1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）第50頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一雙射線信道等效網絡的傳遞函數(shù)為信道的幅頻特性為當ωΔ(t)=2nπ時(n為整數(shù))，雙徑信號同相疊加，信號出現(xiàn)峰點；而當ωΔ(t)=(2n+1)π時，雙徑信號反相相消，信號出現(xiàn)谷點。1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）第51頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一雙射線信道等效網絡1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）第52頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一雙射線信道的幅頻特性1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）第53頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一相鄰兩個谷點的相位差為Δφ=Δω×Δ(t)=2π結論：相鄰場強為最小值的頻率間隔是與相對多徑時延差Δ(t)成反比的，通常稱Bc為多徑時散的相關帶寬。若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與Bc可比擬時，則所傳輸?shù)男盘枌a生明顯的畸變。1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）第54頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一式中，Δ為時延擴展。

實際上，移動信道中的傳播路徑通常不止兩條，而是多條，且由于移動臺處于運動狀態(tài)，相對多徑時延差Δ(t)也是隨時間而變化的，因而合成信號振幅的谷點和峰點在頻率軸上的位置也將隨時間而變化，使信道的傳遞函數(shù)呈現(xiàn)復雜情況，這就很難準確地分析相關帶寬的大小。工程上，對于角度調制信號，相關帶寬可按下式估算：1．頻率選擇性衰落（多徑時散與相關帶寬）第55頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.2三類主要的快衰落3．空間選擇性衰落所謂空間選擇性衰落是指在不同的地點與空間位置衰落特性不一樣。時域空域第56頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一在實際移動通信中，三類選擇性衰落都存在，根據(jù)其產生的條件大致可以劃分為以下三類。并可以用下列示意圖表示2.2三類主要的快衰落第57頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一第一類多徑干擾：是由于快速移動用戶附近的物體的反射而形成的干擾信號，其特點是由于用戶的快速移動因此在信號的頻域上產生了多普勒(Doppler)頻移擴散，而引起信號在時域上時間選擇性衰落。2.2三類主要的快衰落第二類多徑干擾：用戶信號由于遠處的高大建筑物與山丘的反射而形成的干擾信號。其特點是傳送的信號在空間與時間上產生了擴散。空域上波束角度的擴散將引起接收點信號產生空間選擇性衰落，時域上的擴散將引起接收點信號產生頻率選擇性衰落。第三類多徑干擾：它是由于接收信號受基站附近建筑物和其它物體的反射而引起的干擾。其特點是嚴重影響到達天線的信號入射角分布，從而引起信號在空間的選擇性衰落。第58頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.3慢衰落特性和衰落儲備定義：統(tǒng)計測試表明：信號電平發(fā)生快衰落的同時，其局部中值電平還隨地點、時間以及移動臺速度作比較平緩的變化，其衰落周期以秒級計，稱作慢衰落或長期衰落。第59頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.3慢衰落特性和衰落儲備特性：慢衰落近似服從對數(shù)正態(tài)分布。所謂對數(shù)正態(tài)分布，是指以分貝數(shù)表示的信號電平為正態(tài)分布。研究方法：把同一類地形、地物中的某一段距離(1~2km)作為樣本區(qū)間，每隔20m(小區(qū)間)左右觀察信號電平的中值變動，以統(tǒng)計分析信號在各小區(qū)間的累積分布和標準偏差。第60頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一信號慢衰落特性曲線

(a)市區(qū)；(b)郊區(qū)不管是市區(qū)還是郊區(qū)，慢衰落均接近虛線所示的對數(shù)正態(tài)分。標準偏差σ取決于地形、地物和工作頻率等因素第61頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.3慢衰落特性和衰落儲備圖：慢衰落中值標準偏差σ也隨工作頻率升高而增大第62頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.3慢衰落特性和衰落儲備圖：衰落儲備量可通率T分別為90%、95%和99%的三組曲線，根據(jù)地形、地物、工作頻率和可通率要求，由此圖可查得必須的衰落儲備量。例如：f=450MHz，市區(qū)工作，要求T=99%，則由圖可查得此時必須的衰落儲備約為22.5dB。第63頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.4.1地形、地物分類

1.地形的分類與定義將地形分為兩大類，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。所謂中等起伏地形，是指在傳播路徑的地形剖面圖上，地面起伏高度不超過20m，且起伏緩慢，峰點與谷點之間的水平距離大于起伏高度。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陸混合地形等統(tǒng)稱為不規(guī)則地形。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算目的：計算移動信道中信號電場強度中值(或傳播損耗中值)方法：地形

==》參數(shù)

==》基準損耗中值

==》修正因子第64頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一基站天線有效高度(hb)2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第65頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一hb=hts-hga由于天線架設在高度不同地形上，天線的有效高度是不一樣的。

(例如，把20m的天線架設在地面上和架設在幾十層的高樓頂上，通信效果自然不同。)因此，必須合理規(guī)定天線的有效高度，其計算方法參見上圖。若基站天線頂點的海拔高度為hts，從天線設置地點開始，沿著電波傳播方向的3km到15km之內的地面平均海拔高度為hga，則定義基站天線的有效高度hb為2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第66頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一

2.地物(或地區(qū))分類不同地物環(huán)境其傳播條件不同，按照地物的密集程度不同可分為三類地區(qū)：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，如農田、荒野、廣場、沙漠和戈壁灘等。②郊區(qū)。在靠近移動臺近處有些障礙物但不稠密，例如，有少量的低層房屋或小樹林等。③市區(qū)。有較密集的建筑物和高層樓房。自然，上述三種地區(qū)之間都有過渡區(qū)，但在了解以上三類地區(qū)的傳播情況之后，對過渡區(qū)的傳播情況就可以大致地作出估計。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第67頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.4.2中等起伏地形上傳播損耗的中值

1.市區(qū)傳播損耗的中值在計算各種地形、地物上的傳播損耗時，均以中等起伏地上市區(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。由電波傳播理論可知，傳播損耗取決于傳播距離d、工作頻率f、基站天線高度hb和移動臺天線高度hm等。在大量實驗、統(tǒng)計分析的基礎上，可作出傳播損耗基本中值的預測曲線。即典型中等起伏地上市區(qū)的基本中值Am(f,d)與頻率、距離的關系曲線。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第68頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一中等起伏地上市區(qū)基本損耗中值2.4移動信道的傳輸損耗中值計算注：縱坐標刻度以dB計，是以自由空間的傳播損耗為0dB的相對值。換言之，曲線上讀出的是基本損耗中值大于自由空間傳播損耗的數(shù)值。由圖可見，隨著頻率升高和距離增大，市區(qū)傳播基本損耗中值都將增加。圖中曲線是在基準天線高度情況下測得的，即基站天線高度hb=200m，移動臺天線高度hm=3m。第69頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一修正1：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。下圖給出了不同通信距離d時，Hb(hb,d)與hb的關系。顯然，當hb＞200m時，Hb(hb,d)＞0dB；反之，當hb＜200m時，Hb(hb,d)＜0dB。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第70頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一天線高度增益因子(a)基站Hb(hb,d);(b)移動臺Hm(hm,f)2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第71頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一修正2：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。當hm

＞3m時，Hm(hm,f)＞0dB；反之，當hm＜3m時，Hm(hm,f)＜0dB。由上圖還可見，當移動臺天線高度大于5m以上時，其高度增益因子Hm(hm,f)不僅與天線高度、頻率有關，而且還與環(huán)境條件有關。例如，在中小城市，因建筑物的平均高度較低，故其屏蔽作用較小，當移動臺天線高度大于4m時，隨天線高度增加，天線高度增益因子明顯增大；若移動臺天線高度在1～4m范圍內，Hm(hm,f)受環(huán)境條件的影響較小，移動臺天線高度增高一倍時，Hm(hm,f)變化約為3dB。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第72頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一修正3：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。這是由于沿建筑物形成的溝道有利于無線電波的傳播(稱溝道效應)，使得在縱向路線上的場強中值高于基準場強中值，而在橫向路線上的場強中值低于基準場強中值。圖3-25給出了它們相對于基準場強中值的修正曲線。

2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第73頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一街道走向修正曲線2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第74頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一

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，它與頻率和距離的關系如圖3-26所示。由圖可知，郊區(qū)場強中值大于市區(qū)場強中值?；蛘哒f，郊區(qū)的傳播損耗中值比市區(qū)傳播損耗中值要小。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第75頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一圖3-26郊區(qū)修正因子2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第76頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一

如何求出郊區(qū)、開闊地及準開闊地的損耗中值？方法：一、確定相關參數(shù)（頻率、傳播距離…)二、查圖求出相應的市區(qū)傳播損耗中值（基準）三、減去由圖查得的修正因子即可。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第77頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一開闊地、準開闊地修正因子2.4移動信道的傳輸損耗中值計算開闊地、準開闊地(開闊地與郊區(qū)間的過渡區(qū))的場強中值相對于基準場強中值的修正曲線。Qo表示開闊地修正因子,Qr表示準開闊地修正因子。

結論：開闊地的傳播條件優(yōu)于市區(qū)、郊區(qū)及準開闊地，在相同條件下，開闊地上場強中值比市區(qū)高近20dB。第78頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.4.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值

1.丘陵地的修正因子Kh

丘陵地的地形參數(shù)用地形起伏高度Δh表征。它的定義是：自接收點向發(fā)射點延伸10km的范圍內，地形起伏的90%與10%的高度差(參見下圖(a)上方)即為Δh。這一定義只適用于地形起伏達數(shù)次以上的情況，對于單純斜坡地形將用后述的另一種方法處理。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第79頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一丘陵地場強中值修正因子(a)修正因子Kh;(b)微小修正因子Khf2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第80頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.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)計方法給出的修正因子Kjs曲線。

適用范圍：工作頻段為450~900MHz、山岳高度在110~350m范圍，由實測所得的弧立山岳地形的修正因子Kjs的曲線。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第81頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一孤立山岳修正因子Kjs

2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第82頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一其中，d1是發(fā)射天線至山頂?shù)乃骄嚯x，d2是山頂至移動臺的水平距離。圖中，Kjs是針對山岳高度H=200m所得到的場強中值與基準場強的差值。如果實際的山岳高度不為200m，則上述求得的修正因子Kjs還需乘以系數(shù)α，計算α的經驗公式為

式中，H的單位為m。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第83頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一

3.斜波地形修正因子Ksp

斜坡地形系指在5~10km范圍內的傾斜地形。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，如下圖下部所示。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第84頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一斜坡地形修正因子Ksp

2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第85頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一

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它水域，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。

下圖中，曲線A表示水面靠近移動臺一方的修正因子，曲線B(虛線)表示水面靠近基站一方時的修正因子。在同樣dSR/d情況下，水面位于移動臺一方的修正因子KS較大，即信號場強中值較大。如果水面位于傳播路徑中間，則應取上述兩條曲線的中間值。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第86頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一水陸混合路徑修正因子2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第87頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2.4.4任意地形地區(qū)的接收信號功率中值計算1.中等起伏地市區(qū)中接收信號的功率中值PP中等起伏地市區(qū)接收信號的功率中值PP(不考慮街道走向)可由下式確定：［PP］=［P0］-Am(f,d)+Hb(hb,d)+Hm(hm,f)

=［P0］-(Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f))

P0為自由空間傳播條件下的接收信號的功率2.4移動信道的傳輸損耗中值計算傳輸損耗中值第88頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一式中：PT——發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率；λ——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。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第89頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一

Am(f,d)是中等起伏地市區(qū)的基本損耗中值，即假定自由空間損耗為0dB，基站天線高度為200m,移動臺天線高度為3m的情況下得到的損耗中值。

Hb(hb,d)是基站天線高度增益因子，它是以基站天線高度200m為基準得到的相對增益。

Hm(hm,f)是移動臺天線高度增益因子，它是以移動臺天線高度3m為基準得到的相對增益。若需要考慮街道走向，還應再加上縱向或橫向路徑的修正值。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第90頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一

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地市區(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［PPC］=［PP］+KT地形地物修正因子KT一般可寫成

KT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+KS

2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第91頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一式中：

Kmr——郊區(qū)修正因子

Qo、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2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第92頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一任意地形地區(qū)的傳播損耗中值

LA=LT-KT

式中，LT為中等起伏地市區(qū)傳播損耗中值，即

LT=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第93頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一例3-2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，通信距離為10km。試求：

(1)傳播路徑損耗中值；

(2)若基站發(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。2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第94頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一解根據(jù)已知條件，KT=0,LA=LT，可分別計算如下：自由空間傳播損耗［Lfs］=

32.44+20lgf+20lgd=

32.44+20lg450+20lg10=

105.5dB2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第95頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一查得市區(qū)基本損耗中值

Am(f,d)=27dB由圖可得：

基站天線高度增益因子

Hb(hb,d)=-12dB移動臺天線高度增益因子Hm(hm,f)=0dBLA=LT=105.5+27+12=144.5dB2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第96頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一中等起伏地市區(qū)中接收信號的功率中值2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第97頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一若上題改為郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且θm=15mrad,其它條件不變，再求傳播路徑損耗中值及接收信號功率中值。解：可知LA=LT-KT，由上例已求得LT=144.5dB。根據(jù)已知條件，地形地區(qū)修正因子KT只需考慮郊區(qū)修正因子Kmr和斜坡修正因子Ksp，因而

KT=Kmr+Ksp

查得Kmr為

Kmr=12.5dB2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第98頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一查得Ksp為

Ksp=3dB所以傳播路徑損耗中值為

LA=LT-KT=LT-(Kmr+Ksp)=144.5-15.5=129dB接收信號功率中值為［PPC］=

［PT］+［Gb］+［Gm］-LA=

10+6-129=-113dBW=-83dBm

或［PPC］=

［PP］+KT=-98.5dBm+15.5dB=-83dBm2.4移動信道的傳輸損耗中值計算第99頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一3移動信道的傳播模型背景：移動信道中電波傳播的條件十分惡劣和復雜，因而要準確地計算信號場強或傳播損耗是很困難的方法：通常采用分析和統(tǒng)計相結合的辦法。測試數(shù)據(jù)采集分析歸納經驗模型校正第100頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一3.1.1傳播損耗預測模型(hata模型）1.Hata模型原理：Hata模型是用圖表給出的路徑損耗數(shù)據(jù)的經驗公式適用范圍：該公式適用于150~1500MHz頻率范圍使用方法：Hata將市區(qū)的傳播損耗表示為一個標準的公式和一個應用于其他不同環(huán)境的附加校正公式第101頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一在市區(qū)的中值路徑損耗的標準公式為(CCIR采納的建議)Lurban(dB)=69.55+26.16lgfc-13.82lghb-a(hre)+(44.9-6.55lghb)lgdfc是在150~1500MHz內的工作頻率；hb是基站發(fā)射機的有效天線高度（單位為m，適用范圍30~200m），其定義為天線相對海平面高度hts減去距離從3km到15km之間的平均地面高度hga;hre是移動臺接收機的有效天線高度（單位為m，適用范圍1~10m）;d是收發(fā)天線之間的距離（單位為km，適用范圍1~10km）；a(hre)是移動臺接收機的有效天線高度的修正因子。3.1.1傳播損耗預測模型(hata模型）第102頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一對于小城市到中等城市，a(hre)的表達式為a(hre)=(1.1lgfc-0.7)hre-(1.56lgfc-0.8)dB

對于大城市,a(hre)的表達式為

a(hre)=8.29(lg1.54hre)2-1.1dBfc≤300MHz

a(hre)=3.2(lg11.754hre)2-4.97dBfc≥300MHz3.1.1傳播損耗預測模型(hata模型）第103頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一郊區(qū)的路徑損耗開闊的農村地帶的路徑損耗

Lsuburban(dB)=Lurban-2［lg(fc/28)］

Lrural(dB)=Lurban-4.78(lgfc)2+18.33lgfc-40.94修正因子3.1.1傳播損耗預測模型(hata模型）第104頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型背景：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模型這種模型考慮到了自由空間損耗、沿傳播路徑的繞射損耗以及移動臺與周圍建筑屋頂之間的損耗。COST-231模型已被用于微小區(qū)的實際工程設計。第105頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型參數(shù)定義：建筑物高度hroof(m)；道路寬度w(m)；建筑物的間隔b(m)；相對于直達無線電路徑的道路方位φ。模型適用的范圍：頻率f：800～2000MHz距離d：0.02～5km基站天線高度hb：4～50m移動臺天線高度hm：1～3m。第106頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一(a)模型中所用的參數(shù)；(b)街道方位的定義3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第107頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一模型適用的范圍：頻率f：800～2000MHz；距離d：0.02～5km；基站天線高度hb：4～50m；移動臺天線高度hm：1～3m。3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第108頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一1)可視傳播路徑損耗可視傳播路徑損耗的計算公式為

Lb=42.6+26lgd+20lgf

損耗Lb以dB計算，距離d以km計算，頻率f以MHz計算。3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第109頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一2)非可視傳播路徑損耗非可視傳播路徑損耗的計算公式為

Lb=L0+Lrts+Lmsd

L0是自由空間傳播損耗；Lrts是屋頂至街道的繞射及散射損耗；Lmsd是多重屏障的繞射損耗。

(1)自由空間傳播損耗的計算公式為

L0=32.4+20lgd+20lgf

3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第110頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一(2)屋頂至街道的繞射及散射損耗(基于Ikegami模型)的計算公式為w為街道寬度(m)；Δhm=hroof-hm為建筑物高度hroof與移動臺天線高度hm之差(m)；Lori是考慮到街道方向的實驗修正值，且3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第111頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一0≤φ<35°35°≤φ<55°55°≤φ<90°φ是入射電波與街道走向之間的夾角。

考慮到街道方向的實驗修正值：3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第112頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一(3)多重屏障的繞射損耗(基于Walfish模型)的計算公式為b為沿傳播路徑建筑物之間的距離(m)；Lbsh和Ka表示由于基站天線高度降低而增加的路徑損耗；Kd和Kf為Lmsd與距離d和頻率f相關的修正因子，與傳播環(huán)境有關。3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第113頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一hb>hroofhb≤hroof

hb>hroof

hb≤hroof且d≥0.5kmhb≤hroof且d≥0.5km3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第114頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一hb>hroof

hb≤hroof

用于中等城市及具有中等密度樹木的郊區(qū)中心用于大城市中心hb和hroof分別為基站天線和建筑物屋頂?shù)母叨?m)，Δhb為兩者之差：

Δhb=hb-hroof

3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第115頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一GSM系統(tǒng)中，f=1800MHz的傳輸損耗在同一條件下，f=1800MHz的傳輸損耗可用900MHz的損耗值求出，即：

L1800=L900+10dB

注：用COST-231模型作微蜂房覆蓋區(qū)預測時，需要詳細的街道及建筑物的數(shù)據(jù)，不宜采用統(tǒng)計近似值。

3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第116頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一在缺乏周圍建筑物詳細數(shù)據(jù)時，COST-231推薦使用下述缺省值：·

b=20~50m；·w=b/2;·

hroof=3×（樓層數(shù)）+·

φ=90°。3斜頂0平頂注：當基站天線高度與其附近的屋頂高度大致在同一水平時，其高度差的微小變化將引起路徑損耗的急劇變化；此外，

當天線高度遠小于屋頂高度時，誤差也較大。3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第117頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一對COST-231/Walfish/Ikegami模型在某城市的預測值與實測值作比較，平均誤差在±3dB的范圍內，標準偏差為5～7dB。假定f=880MHz，hm=1.5m，hb=30m，hroof=30m，平頂建筑，φ=90°，w=15m，則COST-231/Walfish/Ikegami模型和Hata模型的比較Hata模型給出的路徑損耗要低13~16dB。

3.1.2COST-231／Walfish／Ikegami模型第118頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一電波傳播損耗預測模型（室外）模型應用頻率小區(qū)半徑基站天線高度Hb終端天線高度HmHata150～1500MHz＞1km30～200m1～10mCOST-231Hata1500～2000MHz＞1km30～200m1～10mCOST-231/Wal/Ike800～2000MHz0.02～5km4～50m1～3m第119頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一室內(辦公室)路徑損耗的基礎是COST-231模型，定義如下：3.1.3室內(辦公室)測試環(huán)境路徑損耗模型第120頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一Lfs—發(fā)射機和接收機之間的自由空間損耗；Lc—固定損耗；kwi—被穿透的i類墻的數(shù)量；n—被穿透樓層數(shù)量；Lwi—i類墻的損耗；Lf—相鄰層之間的損耗；b—經驗參數(shù)。3.1.3室內(辦公室)測試環(huán)境路徑損耗模型第121頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一對損耗分類的加權平均3.1.3室內(辦公室)測試環(huán)境路徑損耗模型第122頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一d為收發(fā)信機的距離間隔(m)，n為在傳播路徑中樓層的數(shù)目。L在任何情況下應小于自由空間的損耗，對數(shù)正態(tài)陰影衰落標準偏差為12dB。室內路徑損耗(dB)模型可用下面的簡化形式表示:3.1.3室內(辦公室)測試環(huán)境路徑損耗模型第123頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一3.2多徑信道的沖激響應模型1.基本多徑信道的沖激響應模型在多徑環(huán)境下，信道的沖激響應可以表示為N表示多徑的數(shù)目;ak表示每個多徑的幅值（衰減系數(shù)）；tk表示多徑的時延（相對時延差）；θk表示多徑的相位。第124頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一設最大多普勒頻率為fm。圖中假定每一條路徑的幅度均服從瑞利分布，即每一條路徑的信號幅度可以看成是窄帶高斯過程（該模型稱為Clarke模型，每一路徑由若干個具有相同功率的從不同角度（按均勻分布）到達接收機的信號組成），則其功率譜可以表示為3.2.1基本多徑信道的沖激響應模型,Pav是每一路信號的平均功率。該式被稱為典型的多普勒譜（簡稱為典型譜）第125頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一3.2.1基本多徑信道的沖激響應模型第一步：產生瑞利衰落的信號第二步：多個瑞利衰落的信號疊加第126頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一3.2.1基本多徑信道的沖激響應模型當每一路徑信號中有直射分量時，其信號幅度的功率譜由典型譜和一條直射路徑譜組成，可以表示為該式被稱為萊斯多普勒譜（簡稱為萊斯譜）。第127頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一在COST-207中還用到了兩類高斯多普勒譜(GAUS1和GAUS2)，其表達式為式中：A1=A-10dB，B1=B-15dB。第128頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2GSM中的多徑信道模型類型：在GSM標準中規(guī)定了鄉(xiāng)村地區(qū)(RA)、典型市區(qū)(TU)、典型山區(qū)(HT)等情況下的多徑模型。方法：其中鄉(xiāng)村地區(qū)(RA)和典型市區(qū)(TU)及簡化的典型市區(qū)模型分別如表所示。表中給出了兩組等效的參數(shù)（1）和（2）；表由多徑組成，對于每一條多徑給出了它的相對時間、平均相對功率和其多普勒譜的類型，它們主要由萊斯頻譜和典型譜組成。第129頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一表3-3鄉(xiāng)村地區(qū)(RA)模型(6支路)3.2.2GSM中的多徑信道模型第130頁，共151頁，2023年，2月20日，星期一表3-4典型市區(qū)(TU)模