移动通信的传播特性课件

第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性3.1无线电波传播特性无线电波传播特性3.2移动信道的特征移动信道的特征3.3陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗3.4移动信道的传播模型移动信道的传播模型思考题与习题思考题与习题第第3章章移动信道的传播特性移动信道的传播特性3.1无线电波传播特性无线电波传播特性第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 概述概述o无线信道研究的重要性无线信道研究的重要性o无线信道的研究方法无线信道的研究方法o无线信道的研究目的无线信道的研究目的概述无线信道研究的重要性概述无线信道研究的重要性2第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 1.电磁场和电磁波电磁场和电磁波oo电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。oo电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为光速。电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为光速。电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为光速。电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为光速。oo光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、散射和吸收等现象。散射和吸收等现象。散射和吸收等现象。散射和吸收等现象。oo电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。相垂直。相垂直。相垂直。1.电磁场和电磁波电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载电磁场和电磁波电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载3第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 oo如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、线、线、线、X X射线及射线及射线及射线及 射线。射线。射线。射线。1.电磁场和电磁波电磁场和电磁波如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、4第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 频段名称频段名称频率范围频率范围波段名称波段名称波长范围波长范围极低频（极低频（ELF）330Hz极长波极长波108107m（10010Mm）超低频（超低频（SLF）30300Hz超长波超长波107106m（101Mm）特低频（特低频（ULF）3003000Hz特长波特长波106105m（1000100Km）甚低频（甚低频（VLF）330KHz甚长波甚长波105104m（10010Km）低频（低频（LF）30300KHz长波长波104103m（101Km）中频（中频（MF）3003000KHz中波中波103102m（1000100m）高频（高频（HF）330MHz短波短波10210m（10010m）甚高频（甚高频（VHF）30300MHz超短波（米波）超短波（米波）101m特高频（特高频（UHF）3003000MHz微微波波分米波分米波10.1m超高频（超高频（SHF）330GHz厘米波厘米波101cm极高频（极高频（EHF）30300GHz毫米波毫米波101mm至高频（至高频（THF）3003000GHz亚毫米波亚毫米波10.1mm10010000THz光波光波310-3310-5mm频段名称频率范围波段名称波长范围极低频（频段名称频率范围波段名称波长范围极低频（ELF）3 305第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 oo无线通信中经常会提到无线通信中经常会提到无线通信中经常会提到无线通信中经常会提到“射频射频射频射频”，射频就是射频电流，简称射频就是射频电流，简称射频就是射频电流，简称射频就是射频电流，简称RFRF，它是一种高频交流变化电磁波的简称。，它是一种高频交流变化电磁波的简称。，它是一种高频交流变化电磁波的简称。，它是一种高频交流变化电磁波的简称。oo在电磁波频率低于在电磁波频率低于在电磁波频率低于在电磁波频率低于100KHz100KHz时，电磁波会被地表吸收，不能时，电磁波会被地表吸收，不能时，电磁波会被地表吸收，不能时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输形成有效的传输形成有效的传输形成有效的传输。oo但电磁波频率高于但电磁波频率高于但电磁波频率高于但电磁波频率高于100KHz100KHz时，电磁波可以在空气中传播，时，电磁波可以在空气中传播，时，电磁波可以在空气中传播，时，电磁波可以在空气中传播，形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。oo我们我们我们我们有时也有时也有时也有时也把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信号。号。号。号。1.电磁场和电磁波电磁场和电磁波无线通信中经常会提到无线通信中经常会提到“射频射频”，射频就是射频电流，简称，射频就是射频电流，简称RF，它，它6第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与无线通信密切相关。无线通信密切相关。n n趋肤效应趋肤效应趋肤效应趋肤效应n n自由空间损耗自由空间损耗自由空间损耗自由空间损耗n n吸收吸收吸收吸收n n反射反射反射反射1.电磁场和电磁波电磁场和电磁波电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与无线通信密切相关。电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与无线通信密切相关。1.7第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2.无线信道研究的重要性无线信道研究的重要性o无线电波传播特性直接关系到通信设备的性无线电波传播特性直接关系到通信设备的性能，天线高度的确定，通信距离的估算。能，天线高度的确定，通信距离的估算。o多径多径、时变、衰落、时变、衰落2.无线信道研究的重要性无线电波传播特性直接关系到通信设备的无线信道研究的重要性无线电波传播特性直接关系到通信设备的8第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 11193.无线信道的研究方法无线信道的研究方法o理论分析理论分析o实测法实测法o模拟法模拟法11193.无线信道的研究方法理论分析无线信道的研究方法理论分析第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 4.无线信道的研究目的无线信道的研究目的o最终要解决：最终要解决：o无线信号在移动信道中可能发生的变化及发无线信号在移动信道中可能发生的变化及发生变化的原因，从而找出措施来克服这些不生变化的原因，从而找出措施来克服这些不利影响。利影响。4.无线信道的研究目的最终要解决：无线信道的研究目的最终要解决：10第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.1 3.1.1 电波的传播方式电波的传播方式图图3-1 典型的电波传播通路典型的电波传播通路3.1.1 电波的传播方式图电波的传播方式图3-1 典型的电波传播通路典型的电波传播通路11第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.2 3.1.2 直射波直射波o移动通信移动通信系统的无线传播系统的无线传播主要主要是利用了电磁波是利用了电磁波的的直直射射波波和和反射波反射波。o在设计移动通信系统在设计移动通信系统或对移动通信系统的覆盖进行分析或对移动通信系统的覆盖进行分析时，时，研究研究电磁波的传播是非常重要的，这主要电磁波的传播是非常重要的，这主要有有以下以下两个原因两个原因：o第一，第一，用于用于计算不同覆盖小区的计算不同覆盖小区的信号强度。信号强度。在大多数情况下，在大多数情况下，每每个个覆盖区域从几百米到几公里，覆盖区域从几百米到几公里，覆盖信号包括直达波和反射波。覆盖信号包括直达波和反射波。o第二，第二，用于用于计算相同和相邻信道之间的干扰。计算相同和相邻信道之间的干扰。移动通信系统由于移动通信系统由于采用频率复用技术，同频和邻频干扰是必须解决的问题。采用频率复用技术，同频和邻频干扰是必须解决的问题。3.1.2 直射波移动通信系统的无线传播主要是利用了电磁波直射波移动通信系统的无线传播主要是利用了电磁波12第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.2 3.1.2 直射波直射波o电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。直射波可电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。直射波可近似按自由空间传播来考虑。近似按自由空间传播来考虑。o自由空间的传播衰耗自由空间的传播衰耗Lfs定义为：定义为：(式3-1)式中，式中，是电磁波的波长，是电磁波的波长，d d是收发天线间距离。是收发天线间距离。3.1.2 直射波电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。直射直射波电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。直射13第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o直射波的传播途径如图直射波的传播途径如图3-1中路径中路径2所示。所示。直射波传播距离一般限于视距范围。直射波传播距离一般限于视距范围。o在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。和微波通信就是利用直射波传播的。3.1.2 直射波直射波直射波的传播途径如图直射波的传播途径如图3-1中路径中路径2所示。直射波传播距离一般限所示。直射波传播距离一般限14第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗o研究传播损耗，首先要研究两个天线在自由空间（各向同研究传播损耗，首先要研究两个天线在自由空间（各向同性、无吸收、电导率为零）的均匀介质条件下的特性。性、无吸收、电导率为零）的均匀介质条件下的特性。3.1.2 直射波直射波o在研究电磁波传播时，收信机接收的信号电平是一个主要特在研究电磁波传播时，收信机接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号会减小，这种信号性。由于传播路径和地形干扰，传播信号会减小，这种信号强度的减小称为传播损耗。强度的减小称为传播损耗。自由空间的传播损耗研究传播损耗，首先要研究两个天线在自由空自由空间的传播损耗研究传播损耗，首先要研究两个天线在自由空20第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 二、自由空间的传播衰耗二、自由空间的传播衰耗o什么是自由空间：无源、理想、均匀、线性、什么是自由空间：无源、理想、均匀、线性、各向同性。各向同性。o自由空间是指相对介电常数和导磁率为自由空间是指相对介电常数和导磁率为1的均的均匀介质所存在的空间匀介质所存在的空间,该空间具有各向同性、该空间具有各向同性、电导率为零的特点电导率为零的特点,它是一种理想的传播环境。它是一种理想的传播环境。电波在自由空间传播时与在真空中传播一样电波在自由空间传播时与在真空中传播一样,只有直线传播的扩散损耗。只有直线传播的扩散损耗。o电波沿直线传播，不被吸收，不反射、折射、电波沿直线传播，不被吸收，不反射、折射、绕射、散射（能量无损失）绕射、散射（能量无损失）二、自由空间的传播衰耗什么是自由空间：无源、理想、均匀、线性二、自由空间的传播衰耗什么是自由空间：无源、理想、均匀、线性21第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗o传播损耗传播损耗Lo是指发信天线的辐射功率是指发信天线的辐射功率Pt与收信机输入功率与收信机输入功率Pr之比，即：之比，即：（式3-8）o自由空间传播损耗是指收、发天线都是各向同性辐射器时，自由空间传播损耗是指收、发天线都是各向同性辐射器时，两者之间的传播损耗。两者之间的传播损耗。3.1.2 直射波直射波自由空间的传播损耗传播损耗自由空间的传播损耗传播损耗Lo是指发信天线的辐射功率是指发信天线的辐射功率Pt与与22第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离d到达信到达信点，由式（点，由式（3-2）可计算其功率密度）可计算其功率密度S值。值。o收信天线接收的功率为：收信天线接收的功率为：（式3-9）o式中式中A为收信天线的有效面积。对于各向同性收信天线为收信天线的有效面积。对于各向同性收信天线来说，来说，（式3-10）o式中式中为工作波长（为工作波长（m）。）。3.1.2 直射波直射波电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离d到达信点，由式（到达信点，由式（323第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o自由空间的传播衰耗（发散衰耗）自由空间的传播衰耗（发散衰耗）:o发射点处的发射功率：发射点处的发射功率：PT o接收机输入功率接收机输入功率 o传播衰耗传播衰耗 自由空间的传播衰耗（发散衰耗）自由空间的传播衰耗（发散衰耗）:24第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o由式（由式（3-1）可得自由空间传播损耗为：）可得自由空间传播损耗为：（式3-11）o该式若以该式若以dB表示，则：表示，则：（式3-12）o式中，式中，f为工作频率为工作频率（MHz），），d为传播距离为传播距离（Km）。）。3.1.2 直射波直射波由式（由式（3-1）可得自由空间传播损耗为：（式）可得自由空间传播损耗为：（式3-11）该式若以）该式若以25第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o按上式画出频率为按上式画出频率为150MHz、450MHz和和900MHz的自由的自由空间传播损耗空间传播损耗Lo与距离与距离d的关系，如图的关系，如图3-3所示：所示：图图3-3 3-3 自由空间自由空间按上式画出频率为按上式画出频率为150MHz、450MHz 和和900MHz 的自的自26第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o 由于横坐标采用对数尺度，故损耗（由于横坐标采用对数尺度，故损耗（dB）与距离呈）与距离呈现直线关系。现直线关系。o同时，由（式同时，由（式3-12）可，自由空间的电波传播损耗）可，自由空间的电波传播损耗只与工作频率只与工作频率f和传播距离和传播距离d有关。有关。o由（式由（式3-12）可推算出，在该公式的适用范围内，）可推算出，在该公式的适用范围内，若将若将f或或d增大一倍，则损耗将分别增加增大一倍，则损耗将分别增加6dB。3.1.2 直射波直射波 由于横坐标采用对数尺度，故损耗（由于横坐标采用对数尺度，故损耗（dB）与距离呈现直线关系。）与距离呈现直线关系。27第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 大气折射大气折射o在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率n与相对介电系数与相对介电系数r的关系为：的关系为：（式3-13）o众所周知，大气的相对介电系数众所周知，大气的相对介电系数r不是恒定的，它与不是恒定的，它与温度、湿度和气压有关。因此，大气高度不同，温度、湿度和气压有关。因此，大气高度不同，r也也不同，即不同，即dn/dh也是不同的。也是不同的。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输 大气折射在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率大气折射在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率28第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o根据折射定律，设根据折射定律，设c为光速，则电波传播速度为光速，则电波传播速度v与大与大气折射率气折射率n成反比，即：成反比，即：（式3-14）o这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。象，称为大气对电波的折射。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输根据折射定律，设根据折射定律，设c为光速，则电波传播速度为光速，则电波传播速度v与大气折射率与大气折射率n成反成反29第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o我们用我们用“地球等效半径地球等效半径”来表征大气折射对电波传播的来表征大气折射对电波传播的影响，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实影响，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径际半径Ro（6.37106m）变成了等效半径）变成了等效半径Re，Re与与Ro之之间的关系为：间的关系为：（式3-15）o式中，式中，k称作地球等效半径系数。称作地球等效半径系数。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输我们用我们用“地球等效半径地球等效半径”来表征大气折射对电波传播的影响，即认为来表征大气折射对电波传播的影响，即认为30第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o显然（式显然（式3-15）中，若当）中，若当dn/dh1，ReRo。o在标准大气折射情况下，即当在标准大气折射情况下，即当dn/dh410-8（1/m），等），等效地球半径系数效地球半径系数k=4/3，等效地球半径，等效地球半径Re=8500km。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输显然（式显然（式3-15）中，若当）中，若当dn/dhTc，则会产生时间选择性衰，则会产生时间选择性衰落。落。一般情况下，一般情况下，TTc，多普勒扩展可不考虑。，多普勒扩展可不考虑。多普勒扩展和相关时间的关系多普勒扩展和相关时间的关系第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 衰落信道的类型衰落信道的类型按多径时延扩展分按多径时延扩展分平衰落平衰落频率选择性衰落频率选择性衰落(1)信号带宽信号带宽BW信道带宽信道带宽BW(2)时延扩展时延扩展信道带宽信道带宽BW(2)时延扩展时延扩展码元周期码元周期T衰落信道的类型按多径时延扩展分平衰落频率选择性衰落衰落信道的类型按多径时延扩展分平衰落频率选择性衰落(1)信号信号第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 按多普勒频展分按多普勒频展分快衰落快衰落慢衰落慢衰落(1)多普勒频展大多普勒频展大(2)相干时间相干时间码元时间码元时间(3)信道变化慢于基带信号变化信道变化慢于基带信号变化按多普勒频展分快衰落慢衰落按多普勒频展分快衰落慢衰落(1)多普勒频展大多普勒频展大(1)多普勒频展多普勒频展第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.3.2地形环境分类地形环境分类1.地形特征定义地形特征定义2.地形分类地形分类3.传播环境分类传播环境分类3.3陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗3.3.2地形环境分类地形特征定义地形环境分类地形特征定义3.3陆地移动信道的陆地移动信道的第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 1.地形特征定义地形特征定义地形波动高度地形波动高度h沿通信方向，距接收地点沿通信方向，距接收地点10公里范围内，公里范围内，10高度线与高度线与90高度线之高度差高度线之高度差1.地形特征定义地形波动高度地形特征定义地形波动高度h第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 天线有效高度hb移动台天线基站天线：沿电波传播方向，距基站315公里范围内平均地面高度以上的天线高度。天线有效高度天线有效高度hb第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-22基站天线有效高度(hb)图图3-22基站天线有效高度基站天线有效高度(hb)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2.地形分类地形分类准平坦地形：准平坦地形：以中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地形，是指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。不规则地形：不规则地形：其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。地形分类准平坦地形：以中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地地形分类准平坦地形：以中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.传播环境分类传播环境分类开阔地区：开阔地区：在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等。郊区：郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等。市区：市区：有较密集的建筑物和高层楼房。中小城市地区中小城市地区大城市地区大城市地区传播环境分类开阔地区：在电波传播的路径上无高大树木、传播环境分类开阔地区：在电波传播的路径上无高大树木、建筑物建筑物第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.4.1传播损耗预测模型传播损耗预测模型1.Hata模型模型Hata模型是针对3.3节讨论的由Okumura用图表给出的路径损耗数据的经验公式，该公式适用于1501500MHz频率，范围大于1公里范围的宏小区。Hata将市区的传播损耗表示为一个标准的公式和一个应用于其他不同环境的附加校正公式。3.4移动信道的传播模型移动信道的传播模型3.4.1传播损耗预测模型传播损耗预测模型3.4移动信道的传播模型移动信道的传播模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 OkumuraHata模型是规划软件通常采用的传播模型，适用于1500MHz以下的大于1公里范围的宏小区。COST231模型适用于15002000MHz，在1km以内预测不准。COST231-hata模型也是奥村等人的测试结果作为依据，通过对较高频段的传播曲线进行分析，得到所建议的公式。OkumuraHata模型是规划软件通常采用的传播模型，适模型是规划软件通常采用的传播模型，适第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 在市区的中值路径损耗的标准公式为在市区的中值路径损耗的标准公式为(CCIR采纳的建议采纳的建议)Lurban(dB)=69.55+26.16lgfc-13.82lghb-a(hb)+(44.9-6.55lghb)lgd（3-69）fc是在是在1501500MHz内的工作频率；内的工作频率；hb是基站发射机的有效天线高度（单位为是基站发射机的有效天线高度（单位为m，适用范围适用范围30200m），），其定义为天线相对海平面高度其定义为天线相对海平面高度hts减去距离从减去距离从3km到到15km之间的平均地面高度之间的平均地面高度hga;hre是移动台接收机的有效天线高度是移动台接收机的有效天线高度(单位为单位为m，适用范围适用范围110m);d是收发天线之间的距离是收发天线之间的距离(单位为单位为km，适用范围适用范围110km)；a(hre)是移动台接收机的有效天线高度的修正因子。是移动台接收机的有效天线高度的修正因子。在市区的中值路径损耗的标准公式为在市区的中值路径损耗的标准公式为(CCIR采纳的建议采纳的建议)（3-第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 对于小城市到中等城市，a(hre)的表达式为 a(hre)=(1.1lgfc-0.7)hre-(1.56lgfc-0.8)dB（3-70）对于大城市,a(hre)的表达式为 a(hre)=8.29(lg1.54hre)2-1.1dBfc300MHz（3-71）a(hre)=3.2(lg11.754hre)2-4.97dBfc300MHz(3-72)对于小城市到中等城市，对于小城市到中等城市，a(hre)的表达式为的表达式为第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 为了得到郊区的路径损耗，式（3-69）可以修正为 Lsuburban(dB)=Lurban-2lg(fc/28)2-5.4（3-73）对于开阔的农村地带的路径损耗，式（3-69）可以修正为 Lrural(dB)=Lurban-4.78(lgfc)2+18.33lgfc-40.94（3-74）为了得到郊区的路径损耗，为了得到郊区的路径损耗，式（式（3-69）可）可第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 例题：例题：设基站天线高度为40m，发射频率900MHz，移动台天线高度2m，通信距离15km，求中值路径损耗。解：因是大城市，工作频率450MHz。所以移动台天线修正因子用上式计算。中值路径损耗为：例题：设基站天线高度为例题：设基站天线高度为40m，发射频率，发射频率900MHz，移动台天，移动台天第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2）移动台接收信号功率计算：）移动台接收信号功率计算：根据已得出的中值路径损耗，可求出移动台接收到的信号功率为：2）移动台接收信号功率计算：根据已得出的中值路径损耗，可求出）移动台接收信号功率计算：根据已得出的中值路径损耗，可求出第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 例题：例题：用奥村模型求中值路径损耗，已知d=50km,f=900MHz,基站天线高度为100m,移动台为10m.如果基站发射1KWEIRP功率，求接收机收到的信号功率（假定接收天线增益为0dB）。例题：用奥村模型求中值路径损耗，已知例题：用奥村模型求中值路径损耗，已知d=50km,f=90第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 解：解：先求中值路径损耗接收功率解：先求中值路径损耗解：先求中值路径损耗第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2.COST-231WalfishIkegami模型模型欧洲研究委员会COST-231在Walfish和Ikegami分别提出的模型的基础上，对实测数据加以完善而提出了COST-231WalfishIkegami模型。也是以奥村等人的测试结果作为依据，通过对较高频段的传播曲线进行分析，得到所建议的公式。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。COST-231模型已被用于微小区的实际工程设计。2.COST-231WalfishIkegami模型模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 该模型中的主要参数有：建筑物高度hroof(m)；道路宽度w(m)；建筑物的间隔b(m)；相对于直达无线电路径的道路方位。这些参数的定义见图3-32。该模型中的主要参数有：该模型中的主要参数有：第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-32COST-231/Walfish/Ikegami模型中的参数定义(a)模型中所用的参数；(b)街道方位的定义图图3-32COST-231/Walfish/Ikegami第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 该模型适用的范围：频率f：8002000MHz；距离d：0.025km；基站天线高度hb：450m；移动台天线高度hm：13m。该模型适用的范围：该模型适用的范围：第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 1)可视传播路径损耗可视传播路径损耗的计算公式为Lb=42.6+26lgd+20lgf(3-75)式中损耗Lb以dB计算，距离d以km计算，频率f以MHz计算。(下面公式中的参量单位与该式相同。)1)可视传播路径损耗可视传播路径损耗第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2)非可视传播路径损耗非可视传播路径损耗的计算公式为Lb=L0+Lrts+Lmsd(3-76)式中，L0是自由空间传播损耗；Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗；Lmsd是多重屏障的绕射损耗。(1)自由空间传播损耗的计算公式为L0=32.4+20lgd+20lgf(3-77)2)非可视传播路径损耗非可视传播路径损耗第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 (2)屋顶至街道的绕射及散射损耗(基于Ikegami模型)的计算公式为(3-78)式中：w为街道宽度(m)；hm=hroof-hm为建筑物高度hroof与移动台天线高度hm之差(m)；Lori是考虑到街道方向的实验修正值，且(2)屋顶至街道的绕射及散射损耗屋顶至街道的绕射及散射损耗第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 03535555590(3-79)式中的是入射电波与街道走向之间的夹角。0hroofhbhroofhbhroof hbhroof且d0.5kmhbhroof且d0.5km(3-82)(3-81)hbhroofhbhroofhbhr第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 hbhroofhbhroof(3-83)用于中等城市及具有中等密度树木的郊区中心用于大城市中心(3-84)hbhroofhbhroof(3-83)用于中等城用于中等城第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 以上式中的hb和hroof分别为基站天线和建筑物屋顶的高度(m)，hb为两者之差：hb=hb-hroof(3-85)以上式中的以上式中的hb和和hroof分别为基站天线和建筑物屋顶的高度分别为基站天线和建筑物屋顶的高度(第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3)f=1800MHz的传输损耗在同一条件下，f=1800MHz的传输损耗可用900MHz的损耗值求出，即：L1800=L900+10dB(3-86)一般来说，用COST-231模型作微蜂房覆盖区预测时，需要详细的街道及建筑物的数据，不宜采用统计近似值。3)f=1800MHz的传输损的传输损第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3斜顶0平顶但在缺乏周围建筑物详细数据时，COST-231推荐使用下述缺省值：b=2050m；w=b/2;hroof=3（楼层数）+=90。应该说明，当基站天线高度与其附近的屋顶高度大致在同一水平时，其高度差的微小变化将引起路径损耗的急剧变化，此时采用COST-231模型进行场强预测误差较大。此外，当天线高度远小于屋顶高度时，误差也较大。3斜顶但在缺乏周围建筑物详细数据时，斜顶但在缺乏周围建筑物详细数据时，COST-231第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 对COST-231/Walfish/Ikegami模型在某城市的预测值与实测值作比较，平均误差在3dB的范围内，标准偏差为57dB。假定f=880MHz，hm=1.5m，hb=30m，hroof=30m，平顶建筑，=90，w=15m，则COST-231/Walfish/Ikegami模型和Hata模型的比较如图3-33所示。从图中可以看出，Hata模型给出的路径损耗要低1316dB。对对COST-231/Walfish/Ikegami模型在模型在第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-33COST-231/Walfish/Ikegami模型和Hata模型的比较图图3-33COST-231/Walfish/Ikegami第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.室内室内(办公室办公室)测试环境路径损耗模型测试环境路径损耗模型室内(办公室)路径损耗的基础是COST-231模型，定义如下：(3-87)3.室内室内(办公室办公室)测试环境路径损耗模型测试环境路径损耗模型(3-87)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 式中：式中：Lfs发发射射机机和和接接收收机机之之间间的的自自由由空间损耗；空间损耗；Lc固定损耗；固定损耗；kwi被穿透的被穿透的i类墙的数量；类墙的数量；n被穿透楼层数量；被穿透楼层数量；Lwii类墙的损耗；类墙的损耗；Lf相邻层之间的损耗；相邻层之间的损耗；b经验参数。经验参数。式中：式中：第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表表3-2对损耗分类的加权平均对损耗分类的加权平均表表3-2对损耗分类的加权平均对损耗分类的加权平均第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 (3-88)式中，d为收发信机的距离间隔(m)，n为在传播路径中楼层的数目。L在任何情况下应小于自由空间的损耗，对数正态阴影衰落标准偏差为12dB。室内路径损耗(dB)模型可用下面的简化形式表示:(3-88)式中，式中，d为收发信机的距离间隔为收发信机的距离间隔(m)，n为在为在第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.4.2多径信道的冲激响应模型多径信道的冲激响应模型 1.基本多径信道的冲激响应模型基本多径信道的冲激响应模型在3.2.4节中，我们已对多径的传输原理进行了讨论，在多径环境下，信道的冲激响应可以表示为（3-89）式中:N表示多径的数目;ak表示每个多径的幅值（衰减系数）；tk表示多径的时延（相对时延差）；k表示多径的相位。3.4.2多径信道的冲激响应模型（多径信道的冲激响应模型（3-89）式中式中第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 该多径信道可以采用图3-34所示的方法来仿真。设最大多普勒频率为fm。图中假定每一条路径的幅度均服从瑞利分布，即每一条路径的信号幅度可以看成是窄带高斯过程（该模型称为Clarke模型，每一路径由若干个具有相同功率的从不同角度（按均匀分布）到达接收机的信号组成），则其功率谱可以表示为(3-90)该多径信道可以采用图该多径信道可以采用图3-34所示的方所示的方第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 式中,Pav是每一路信号的平均功率。该式被称为典型的多普勒谱（简称为典型谱）。利用该式产生瑞利衰落的过程如图3-35所示。首先产生独立的复高斯噪声的样本，并经过FFT后形成频域的样本，然后与S(f)开方后的值相乘，经IFFT后变换成时域波形，再经过平方，将两路的信号相加和开方运算后，形成瑞利衰落的信号。式中式中,Pav是每一路信号的平均功率。是每一路信号的平均功率。该式被称为典型的该式被称为典型的第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-34多径信道的仿真模型图图3-34多径信道的仿真模型多径信道的仿真模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-35瑞利衰落的产生示意图图图3-35瑞利衰落的产生示意图瑞利衰落的产生示意图第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 当每一路径信号中有直射分量时，其信号幅度的功率谱由典型谱和一条直射路径谱组成，可以表示为（3-91）该式被称为莱斯多普勒谱（简称为莱斯谱）。当每一路径信号中有直射分量时，当每一路径信号中有直射分量时，其信其信第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 在COST-207中还用到了两类高斯多普勒谱(GAUS1和GAUS2)，其表达式为(3-92)(3-93)式中：A1=A-10dB，B1=B-15dB。在在COST-207中还用到了两类高斯中还用到了两类高斯第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2.GSM标准中的多径信道模型标准中的多径信道模型在GSM标准中规定了乡村地区(RA)、典型市区(TU)、典型山区(HT)等情况下的多径模型。其中乡村地区(RA)和典型市区(TU)及简化的典型市区模型分别如表3-3、3-4和3-5所示。表中给出了两组等效的参数（1）和（2）；表3-3和3-5由6条多径组成，表3-4由12条多径组成，对于每一条多径给出了它的相对时间、平均相对功率和其多普勒谱的类型，它们主要由莱斯频谱和典型谱组成。2.GSM标准中的多径信道模型标准中的多径信道模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-3乡村地区(RA)模型(6支路)表表3-3乡村地区乡村地区(RA)模型模型(6支路支路)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-4典型市区(TU)模型(12支路)表表3-4典型市区典型市区(TU)模型模型(12支路支路)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-5简化的典型市区(TU)模型(6支路)表表3-5简化的典型市区简化的典型市区(TU)模型模型(6支路支路)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.COST-207多径信道模型多径信道模型描述多径信号的功率分布另一个方法就是采用功率时延谱(PDP)，它表述了不同多径时延下，多径功率的取值。COST-207模型中给出了四种典型环境下的PDP或抽头权重和多普勒频谱。它给出的PDP已被在法国、英国、荷兰、瑞典和瑞士进行的大量实验测量所评估。这四种典型环境是(如图3-36所示)：3.COST-207多径信道模型多径信道模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-36COST-207功率延迟谱(a)RA;(b)TU;(c)BU;(d)HT图图3-36COST-207功率延迟谱功率延迟谱(a)RA;(b)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 乡村地区(RA)：其他(3-94)典型市区(TU)：其他(3-95)乡村地区乡村地区(RA)：其他其他(3-94)典型市区典型市区(T第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 恶劣城市地区(BU)：其他(3-96)恶劣城市地区恶劣城市地区(BU)：其他其他(3-96)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 山区地形(HT)：其他(3-97)山区地形山区地形(HT)：其他其他(3-97)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-6乡村地区(没有山坡)(RA)的参数表表3-6乡村地区乡村地区(没有山坡没有山坡)(RA)的参数的参数第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表表3-7典型市区典型市区(没有山坡没有山坡)(TU)的参数的参数表表3-7典型市区典型市区(没有山坡没有山坡)(TU)的参数的参数第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-8恶劣(有山坡的)城市地区(BU)的参数表表3-8恶劣恶劣(有山坡的有山坡的)城市地区城市地区(BU)的参数的参数第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-9山区地形(HT)的参数表表3-9山区地形山区地形(HT)的参数的参数第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 4.IMT-2000多径信道模型多径信道模型IMT-2000中给出了三种信道冲激响应模型，其对应的时延扩展和所占的百分比如表3-10所示。其不同环境下多普勒谱的形式如表3-11到3-13所示。4.IMT-2000多径信道模型多径信道模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-10IMT-2000多径信道模型的时延扩展和所占的百分比表表3-10IMT-2000多径信道模型的时延扩展和所占的百多径信道模型的时延扩展和所占的百第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-11室内(办公室)测试环境的抽头延迟线参数表表3-11室内室内(办公室办公室)测试环境的抽头延迟线参数测试环境的抽头延迟线参数第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-12室外到室内和步行测试环境的抽头延迟线参数表表3-12室外到室内和步行测试环境的抽头延迟线参数室外到室内和步行测试环境的抽头延迟线参数第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表3-13车辆测试环境、高天线的抽头延迟线参数表表3-13车辆测试环境、车辆测试环境、高天线的抽头延迟线参数高天线的抽头延迟线参数第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.4.3空时信道的传播模型空时信道的传播模型 在上一小节的讨论中，我们隐含地假定接收端的天线是全向天线。当系统中采用方向性天线或自适应波束形成天线时，上面讨论的模型需要修正。在使用方向性天线的系统中，接收机对不同方向到达的信号具有不同的响应特征，在天线方向的主瓣方向内到达的多径信号被正常接受，而在其它方向上到达的多径信号将被大大衰减，如图3-37所示。图中的方块表示反射物，i,j，Ai,j，i,j，i,j分别表示第j个移动台的第i条多径到达基站的角度（AOA）、幅度、相位和时延。3.4.3空时信道的传播模型空时信道的传播模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-37方向性天线的系统中多径信道的传播模型图图3-37方向性天线的系统中多径信道的传播模型方向性天线的系统中多径信道的传播模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 在该模型中，信道的冲激响应可以表示为（以移动台1为例）(3-98)式中 a(l(t)表示阵列响应矢量（或称为导向矢量）。这是由于在接收端使用了阵列天线，从而在不同的方向上具有不同的增益。在全向天线的情况下，a(l(t)=1。在该模型中，在该模型中，信道的冲激响应可以表示信道的冲激响应可以表示第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-38阵列天线示意图图图3-38阵列天线示意图阵列天线示意图第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 (3-99)对于一个任意几何结构的阵列天线（如图3-38所示，图中每个圆柱体表示一个阵元），阵列响应矢量的表达式为式中：l,i(t)=Xicos(l(t)+Yisin(l(t)(3-99)对于一个任意几何结构的阵列天线（如图对于一个任意几何结构的阵列天线（如图3-38所所第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 采用阵列天线后，基站接收到的信号示意图如图3-39所示。图中画出了两个移动台的接收信号。由于基站天线的主瓣方向是朝向移动台1的第0和1条多径（参见图3-37），所以它们的信号被增强；而移动台1的第2条多径和移动台2的多径信号，在基站天线的主瓣方向以外，所以它们的信号被明显地减弱或抑制。采用阵列天线后，采用阵列天线后，基站接收到的信号示意图如图基站接收到的信号示意图如图3-39所示所示第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-39采用阵列天线后基站接收到的信号示意图(a)移动台1到达基站的信号；(b)移动台2到达基站的信号；(c)移动台1和2在基站合成的信号；(d)基站接收机接收到的信号图图3-39采用阵列天线后基站接收到的信号示意采用阵列天线后基站接收到的信号示意第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 采用阵列天线后，在宏小区情况下的信号传输过程如图3-40所示。基站天线的主瓣宽度为BW。基站天线通常会高于附近的建筑物和地形，多径的形成主要取决于移动台附近的散射体。采用阵列天线后，采用阵列天线后，在宏小区情况下的信号传输过程如图在宏小区情况下的信号传输过程如图3-4第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-40在宏小区情况下的信号传输示意图图图3-40在宏小区情况下的信号传输示意图在宏小区情况下的信号传输示意图第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 1.Lee模型模型Lee模型如图3-41所示，它采用等效的散射体来描述宏小区中移动台附近的多径传播情况。我们知道，一旦散射体的位置给定，则收发之间的传输距离就确定了，相应的传输时延、路径损耗、电波的到达角度（AOA）等就随之确定了，AOA对应的天线增益也就确定了。散射体的个数给定后，多径的条数也就随之确定了。也就是说，一旦给定散射体的模型，式（3-98）中的各参数就确定了，也就确定了信道冲激响应模型。1.Lee模型模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-41Lee模型图图3-41Lee模型模型第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 i=0,1,N-1(3-100)式中,D是移动台与基站之间的传输距离。在该模型中，假定有N个散射体均匀地分布在移动台附近半径为R的圆上，其中有一个散射体处于移动台与基站的视线传播路径上，各条多径的AOA为i=0,1,N-1(3-100)式中式中,第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 各多径信号的相关性由下式表示：(3-101)式中:d是基站天线阵元之间的距离;0是移动台基站之间连线与基站阵元之间连线的夹角，如图3-41所示。各多径信号的相关性由下式表示：各多径信号的相关性由下式表示：(3-101)式中式中:d是是第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2.高斯广义平稳不相关散射模型（高斯广义平稳不相关散射模型（GWSSUS）在高斯广义平稳不相关散射模型（GWSSUS）中，假定散射体组成了很多簇，在给定的信号带宽下，每一簇内的多径是不可区分的，如图3-42所示。假定每簇中的平均AOA为0,k，在数据传输的连续b个突发中，每个簇的位置和时延保持不变，则接收信号矢量可以表示为(3-102)2.高斯广义平稳不相关散射模型（高斯广义平稳不相关散射模型（GWSSUS）(3-第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-42GWSSUS中散射体簇的分布图图3-42GWSSUS中散射体簇的分布中散射体簇的分布第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 式中:d表示散射体簇数;vk,b表示在第b个突发中第k个散射体簇的复合导向矢量，它可以表示为(3-103)式中:Nk表示第k个散射体簇中散射体的个数；k,i、k,i和k,i表示第k个散射体簇中第i个散射体对应的幅度、相位和到达角度；a()是方向上的阵列响应矢量。式中式中:d表示散射体簇数表示散射体簇数;vk,b表示在第表示在第b个突发个突发第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 当Nk足够大（10）时，可以对 vk,b应用中心极限定理。在该条件下，vk,b服从高斯分布，并假定其是广义平稳的，即 vk,b是高斯广义平稳随机过程，其特征由其均值和方差决定，其确定方法如下：在无视线分量的情况下，由于假定相位在0到2内均匀分布，则其均值为0。在有视线分量的情况下，有E vk,b a(0,k)。当当Nk足够大（足够大（10）时，）时，可以对可以对vk,b应用中心极限应用中心极限第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 第k个散射体簇的协方差矩阵为(3-104)第第k个散射体簇的协方差矩阵为个散射体簇的协方差矩阵为(3-104)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 1.试简述移动信道中电波传播的方式及其特点。2.试比较10dBm、10W及10dB之间的差别。3.假设接收机输入电阻为50，灵敏度为1V，试求接收功率为多少dBm。4.在标准大气折射下，发射天线高度为200m，接收天线高度为2m，试求视线传播极限距离。5.某一移动信道，传播路径如图3-3(a)所示，假设d1=10km，d2=5km，工作频率为450MHz，|x|=82m，试求电波传播损耗值。思考题与习题思考