1、第第2章章移动通信电波传播及移动通信电波传播及损耗模型损耗模型无线电波传播的基本特性无线电波传播的基本特性 2.12.1移动无线信道的多径传播特性移动无线信道的多径传播特性2.22.2描述多径衰落信道的主要参数描述多径衰落信道的主要参数 2.32.3 电波传播损耗预测模型2.52.5阴影衰落阴影衰落2.42.42.1 无线电波传播的基本特性无线电波传播的基本特性 移动通信信道的基本特点有移动通信信道的基本特点有3个个：（1）带宽有限，它取决于使用的频率资源和带宽有限，它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；信道的传播特性；（2）干扰和噪声影响大，这主要是移动通信）干扰和噪声影响大，这主要是移动
2、通信工作的电磁环境所决定的；工作的电磁环境所决定的；（3）存在着多径衰落。）存在着多径衰落。移动信道的衰落特性取决于无线电波的传播环境。移动信道的衰落特性取决于无线电波的传播环境。移动信道移动信道复杂、恶劣的传播条件复杂、恶劣的传播条件这一特征是由在运动这一特征是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。中进行无线通信这一方式本身所决定的。2.1.1 概况概况 对移动信道进行研究的基本方法有对移动信道进行研究的基本方法有3种。种。（1）理论分析）理论分析：缺陷是数学模型往往过：缺陷是数学模型往往过于简化导致应用范围受限。于简化导致应用范围受限。（2）现场电波传播实测：缺陷是费时费）现场电波传
3、播实测：缺陷是费时费力且往往只针对某个特定传播环境。力且往往只针对某个特定传播环境。（3）移动信道的计算机模拟：能灵活快）移动信道的计算机模拟：能灵活快速地模拟出各种移动通信信道，应用广泛。速地模拟出各种移动通信信道，应用广泛。移动环境中电波传播特性研究的结果移动环境中电波传播特性研究的结果往往用两种方式给出。往往用两种方式给出。方式一：对移动环境中电波传播特性方式一：对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。给出某种统计描述。方式二：建立电波传播模型：如图表、方式二：建立电波传播模型：如图表、近似计算公式或计算机仿真模型等。近似计算公式或计算机仿真模型等。无线电波传播特性无线电波传播特性波波
4、 段段波波 长长频频 率率主主 要要 用用 途途长波长波10km10km1km1km30kHz30kHz300kHz300kHz中波中波1km1km100m100m300kHz300kHz3MHz3MHz调幅无线电广播调幅无线电广播短波短波100m100m10m10m3MHz3MHz30MHz30MHz微波微波米波（米波（VHFVHF）10m10m1m1m30MHz30MHz300MHz300MHz调频无线电广播调频无线电广播分米波（分米波（UHFUHF）1m1m0.1m0.1m300MHz300MHz3GHz3GHz电视、雷达、电视、雷达、导航、导航、移动通信移动通信厘米波厘米波10cm10
5、cm1cm1cm3GHz3GHz30GHz30GHz毫米波毫米波10mm10mm1mm1mm30GHz30GHz300GHz300GHz2.1.2 无线电波的传播方式无线电波的传播方式 无线电波从发射天线发出，可以沿着无线电波从发射天线发出，可以沿着不同的途径和方式到达接收天线，这与电不同的途径和方式到达接收天线，这与电波频率和极化方式有关。波频率和极化方式有关。f30MHz时，主要传播方式有以下三种：时，主要传播方式有以下三种：直射波直射波地面反射波地面反射波地表面波地表面波图图2.1电波传播的主要方式电波传播的主要方式 在在VHF(米波米波)、UHF(分米波分米波)移动信道中，电波移动信道
6、中，电波在移动通信信道中传播时遇到各种障碍物时会发生在移动通信信道中传播时遇到各种障碍物时会发生反射、折射和散射等现象。因此，通过不同路径到反射、折射和散射等现象。因此，通过不同路径到达接收机的电波信号会产生衰落现象。达接收机的电波信号会产生衰落现象。直射波传播按直射波传播按自由空间传播自由空间传播来考虑。自由空来考虑。自由空间传播指的是天线周围为无限大真空时的电波传间传播指的是天线周围为无限大真空时的电波传播，是无线电波的理想传播模式。播，是无线电波的理想传播模式。在自由空间传播时，电波的能量既不会被障在自由空间传播时，电波的能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。碍物所吸收，也不会
7、产生反射或散射。2.1.3 直射波传直射波传播播 如果地面上空的大气层是各向同性的均匀媒如果地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数质，其相对介电常数和相对导磁率和相对导磁率都等于都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，则电波可视作面反射信号场强也可以忽略不计，则电波可视作在在自由空间传播自由空间传播。虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但当电波经生反射、折射、绕射、散射和吸收，但当电波经过一段路径传播之后，能量仍有衰减，这是由
8、辐过一段路径传播之后，能量仍有衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。射能量的扩散而引起的。设该球面上电波的功率密度为设该球面上电波的功率密度为S，发射天线的增益，发射天线的增益为为qr，则有，则有 （2.1）（2.2）在球面处的接收天线接收到的功率为在球面处的接收天线接收到的功率为Ar为接收天线的有效接收面积，即投射到为接收天线的有效接收面积，即投射到 上的电磁波功率全部被接收上的电磁波功率全部被接收机负载所吸收。机负载所吸收。图图2.2 自由空间的传输损耗自由空间的传输损耗 可以推出，无方向性接收天线的有效接可以推出，无方向性接收天线的有效接收面积为收面积为（2.3）由式（由式（2.1）、式（
9、）、式（2.2）和式（）和式（2.3）可）可得接收功率为得接收功率为（2.4）发送功率发送功率Pt与接收功率与接收功率Pr之比定义为之比定义为传传输损耗，输损耗，或称系统损耗。或称系统损耗。经推导可得出传输损耗经推导可得出传输损耗Ls的表达式为的表达式为（2.5a）Gt和和Gr为发射和接收天线增益（为发射和接收天线增益（dB）损耗常用损耗常用分贝分贝表示。表示。式（式（2.5a）也可表示成）也可表示成 （2.5b）d的单位是的单位是Km，频率，频率f 的单位是的单位是MHz自由空间路径损耗或自由空间基本传输损自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为耗可以表示为（2.6b）Lbs单位：单
10、位：dB(分贝分贝)。表示自由空间中两个表示自由空间中两个理想点源天线（增益系数理想点源天线（增益系数G=1的天线）之间的天线）之间的传输损耗。的传输损耗。自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。sbstrLLGG式式(2.5a)和和(2.5b)也可以表示为也可以表示为 (2.6a)2.1.4 反射波传播反射波传播 当电波在传播中遇到两种不同介质的光滑面当电波在传播中遇到两种不同介质的光滑面时，如果界面尺寸比电波波长大得多时会产生时，如果界面尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射如图镜面反射如图2.3所示。所示。图图2.3 反射波与直射波反射波与直射波 通常，在考
11、虑地面对电波的反射时，按通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等平面波处理，即电波在反射点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数数R表示。它可以用以下公式表示：表示。它可以用以下公式表示：(2.7)jRR e反射波与直射波的路径差为反射波与直射波的路径差为 (2.8)式中，式中，d=d1+d2。2211dhhdhhddrtrt 通常通常ht+hr700丘陵地形丘陵地形4080实际上，各类地形中的主要特征是地形波动高度实际上，各类地形中的主要特征是地形波动高度h。各类地形中。各类地形中h的估计值如表的估计值如表2.1所示
12、。所示。表表2.1 各类地形中各类地形中h的估计值的估计值 3.传播环境分类传播环境分类（1）开阔地区）开阔地区（2）郊区）郊区（3）中小城市地区）中小城市地区（4）大城市地区）大城市地区2.5.1 奥村模型奥村模型l 该模型的该模型的特点特点：以大城市地区准平坦地形的场：以大城市地区准平坦地形的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。和地形条件等因素用校正因子加以修正。l 该模型的该模型的适用范围适用范围：载波频率在：载波频率在1502000MHz；离基站不能太近，有效距离为离基站不能太近，有效距离为1100k
13、m;天线高度要天线高度要在在30m以上。以上。Okumura模型中大城市地区准平坦地形的中模型中大城市地区准平坦地形的中值路径损耗（值路径损耗（dB）由下式给出）由下式给出 （2.32）Mbsmbbmm(,)(,)(,)LLAf dHh dHhf Lbs为自由空间路径损耗（为自由空间路径损耗（dB）。）。Am(f,d)为大城市地区当基站天线高度为大城市地区当基站天线高度hb=200m、移动台、移动台天线高度天线高度hm=3m时相对自由空间的中值损耗。又称为基本时相对自由空间的中值损耗。又称为基本中值损耗。中值损耗。Hb(hb,d)是基站天线高度增益因子。是基站天线高度增益因子。Hm(hm,f)
14、是移动台天线高度增益因子。是移动台天线高度增益因子。图图2.16 准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗图图2.17 基站天线高度增益因子基站天线高度增益因子图图2.18 移动台天线高度增益因子移动台天线高度增益因子例例2.3 某一移动信道，工作频段为某一移动信道，工作频段为450MHz，基，基站天线高度为站天线高度为50m，天线增益为，天线增益为6dB，移动台天线，移动台天线高度为高度为3m，天线增益为，天线增益为0dB；在市区工作，传播路；在市区工作，传播路径为准平坦地形，通信距离为径为准平坦地形，通信距离为10km，求传播路径的，求传播路径的
15、中值路径中值路径损耗。损耗。解解：自由空间传播损耗：自由空间传播损耗 Lfs=32.45+20lgf+20lgd-10lg(GtGr)=32.45+20lg450+20lg10-6 =99.5dB 因为工作在准平坦地形，由图因为工作在准平坦地形，由图2.16查得，市区基本中值查得，市区基本中值损耗为损耗为 Am(f,d)=Am(450,10)=27dB 由图由图2.17查得，基站天线高度增益因子查得，基站天线高度增益因子 Hb(hb,d)=Hb(50,10)=-12dB 由图由图2.18查得，移动台天线高度增益因子查得，移动台天线高度增益因子 Hm(hm,f)=Hm(3,450)=0dB 所以
16、，传播路径中值损耗为所以，传播路径中值损耗为 =99.5+27+12=138.5dBMbsmbbmm(,)(,)(,)LLAf dHh dHhf2.5.2 Hata模型模型 Hata模型是根据奥村模型是根据奥村Okumura用图表用图表给出的路径损耗数据归纳出的一个经验给出的路径损耗数据归纳出的一个经验公 式，该 公 式 适 用 的 频 率 范 围 为公 式，该 公 式 适 用 的 频 率 范 围 为1501500 MHz。该模型的该模型的特点特点是：以是：以准平坦地形准平坦地形大城大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用对不同
17、的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。校正因子加以修正。中值路径损耗的经验公式为中值路径损耗的经验公式为 （2.33）2中小城市修正因子中小城市修正因子（除大城市以外的其它所有城市）（除大城市以外的其它所有城市）1大城市修正因子大城市修正因子（建筑物平均高度超过（建筑物平均高度超过15m）(hm)=8.29lg(1.54hm)2-1.1dB 150MHzf300MHz (2.34)(hm)=3.2lg(11.75 hm)2-4.97 dB 400MHz f 1500MHz (2.35)(hm)=（1.1 lgf-0.7）hm（1.56 lgf0.8）(2.36)欧洲研究委员会欧洲研究委
18、员会COST-231对对Hata模型进行了扩展，模型进行了扩展，使它适用于使它适用于PCS系统，适用频率也达到了系统，适用频率也达到了2GHz。这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗。射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗。Hata模型的扩展已被用于微小区的实际工程设计。模型的扩展已被用于微小区的实际工程设计。2.5.3 Hata模型扩展模型扩展 Lb=46.3+33.91gf13.82lghb(hm)+（44.96.55lghb）lgd+CM (2.37)(2.32)式中，式中，(hm)由式由式(2.
19、29)、式、式(2.30)和式和式(2.31)计算，计算，CM由下式给出由下式给出 CM=0dB 中等城市和郊区中等城市和郊区 (2.38a)CM=3dB 市中心市中心 (2.38b)扩展扩展Hata模型的市区路径损耗的计算公式：模型的市区路径损耗的计算公式：1.室内办公环境模型室内办公环境模型 这类传播环境的特点是小区小、反射功率这类传播环境的特点是小区小、反射功率低。由于墙壁、地板和各种分隔、阻挡物低。由于墙壁、地板和各种分隔、阻挡物的阻挡和电波的散射，使路径衰落规律发的阻挡和电波的散射，使路径衰落规律发生了变化，衰落特性在莱斯到瑞利之间变生了变化，衰落特性在莱斯到瑞利之间变化。同时，还会
20、产生阴影效应。化。同时，还会产生阴影效应。2.5.4 IMT-2000模型模型 2.室外到室内徒步环境室外到室内徒步环境 小区小、反射功率低也是这类环境的特小区小、反射功率低也是这类环境的特点。基站位于室外，天线高度低，步行点。基站位于室外，天线高度低，步行用户在街道上或建筑物内时，时延扩展用户在街道上或建筑物内时，时延扩展在在1001800ns间变化。间变化。3.车载环境车载环境 这种环境的特点是小区较大，反射功率这种环境的特点是小区较大，反射功率较高。在丘陵和多山地形环境下，隆起较高。在丘陵和多山地形环境下，隆起的道路上时延扩展在的道路上时延扩展在0.412ms间变化。间变化。某一移动通信系统，基站天线高度为某一移动通信系统，基站天线高度为100m，天线增益，天线增益Gb=6 dB，移动台天线高度为，移动台天线高度为3m，Gm=0dB，市区为中等起，市区为中等起伏地，通信距离为伏地，通信距离为10km，工作频率为，工作频率为150MHz，试求：传播，试求：传播路径上的中值损耗；（注：路径上的中值损耗；（注：lg150=2.176）思考与练习思考与练习
