第三章　移动信道的传播特性

按信道特性参数随外界各种因素影响变化的快慢分 一、信道的分类 按信道特性参数随外界各种因素影响变化的快慢分 －恒参信道：在足够长的时间内，其参数基本不变 －变参信道：传输特性随时间的变化极快，又叫time-variant channel。 移动通信 电子工程系　李明

二、无线电波传播特性 电波的传播方式 图３－１　频率大于30MHz的电波的传播通路 移动通信 电子工程系　李明

直射波：从发射天线直接到达接收天线的电波 地面反射波：经过地面发射达到接收机的电波 地表面波：沿地球表面传播的电波 移动通信 电子工程系　李明

自由空间传播：指天线周围为无限大的真空时的电波传播，是理想的传播条件。 直射波 自由空间传播：指天线周围为无限大的真空时的电波传播，是理想的传播条件。 在此状态下，无反射、折射、绕射、散射和吸收，但是衰减依然存在。 移动通信 电子工程系　李明

在采用全向天线时，假设接收天线和发射天线之间的距离为d，发射天线的发射功率为PT瓦，接收处的电场强度有效值为E0，则有 磁场强度有效值H0为 单位面积上的电波功率密度S为 移动通信 电子工程系　李明

在采用天线增益为GT的方向性天线时 移动通信 电子工程系　李明

假设接收天线的接收功率为PR，接收天线的有效面积AR，则有 当收、发天线增益为0dB时，即GR=GT=1时，接收功率为 移动通信 电子工程系　李明

自由空间的传播损耗Lfs为 d的单位为km，频率单位是MHz。 此时，接收电平为 式中，Lft、Lfr分别为发送端、接收端天线馈线系统损耗；Lbt、Lbr分别为发送端、接收端分路系统损耗，PT、PR的单位是dBm，其余的是dB。 移动通信 电子工程系　李明

例题： 发送站和接收站的距离为50km，发信功率PT=5W，工作频率f=1.8GHz，天线增益为GT=GR=39dB，馈线和分路系统损耗LT=LR=3dB，求自由空间传播条件下的收信电平及功率？ 移动通信 电子工程系　李明

折射定律：电波传播速度v与大气折射率n成反比，式中c为光速 大气中的电波传播 １.大气折射 折射定律：电波传播速度v与大气折射率n成反比，式中c为光速 当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲。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。 移动通信 电子工程系　李明

等效地球半径：为了使得电波轨迹与地面之间的高度差保持不变，仍然将电波射线看成是直线，以等效地球半径Re代替实际地球半径R0。两者关系如下： dn/dh为折射率梯度。 移动通信 电子工程系　李明

图3-２　不同大气折射的电波传播轨迹

2.视线传播极限距离 图３－３　视线传播极限距离 移动通信 电子工程系　李明

式中，ht、hr的单位是m，d的单位是km，Re为地球等效半径。 天线顶点A到切点C的距离d1为 切点C到天线顶点B的距离d2为 因此，视线传播的极限距离d为 式中，ht、hr的单位是m，d的单位是km，Re为地球等效半径。 移动通信 电子工程系　李明

绕射损耗：由于电波的直射路径上存在各种障碍物而引起的附加传播损耗。 障碍物的影响与绕射损耗 绕射损耗：由于电波的直射路径上存在各种障碍物而引起的附加传播损耗。 移动通信 电子工程系　李明

菲涅尔余隙：障碍物顶点至发送天线和接收天线直线间的距离。未受阻挡视通时为正，阻挡时为负。 假设x1是第一菲涅尔区在某一点横截面的半径，则有 移动通信 电子工程系　李明

图３－４　(a)负余隙 (b)正余隙

图３－５　绕射损耗与余隙的关系 当x/x1>0.7时，附加损耗为0 dB，障碍物对直射波传播基本上没有影响。

形成的原因：电波传播过程中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多时，就会产生镜面反射。 反射波 形成的原因：电波传播过程中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多时，就会产生镜面反射。 移动通信 电子工程系　李明

图３-６　平坦地形对电波的反射

式中，E0为自由空间传播时的场强有效值；r为反射波与直射波的行程差。为反射系数，值与地面条件有关。 在接收点产生的合成场强为： 式中，E0为自由空间传播时的场强有效值；r为反射波与直射波的行程差。为反射系数，值与地面条件有关。 衰落因子： 移动通信 电子工程系　李明

－接收点地理环境的复杂性和多样性(城市中心繁华区、近郊小城镇区、农村及远郊区) 三、移动信道的特性 移动信道的主要特点 －传播的开放性 －接收点地理环境的复杂性和多样性(城市中心繁华区、近郊小城镇区、农村及远郊区) －通信用户的随机移动性(慢速步行、高速车载) 移动通信 电子工程系　李明

是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。 移动通信系统中信号的损耗 １.路径传播损耗 见电波在自由空间的传播部分 ２.慢衰落损耗 是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。 由于慢衰落表示接收信号的长期变化，因此又叫做长期衰落(long term fading)。 慢衰落损耗近似服从对数正态分布。 移动通信 电子工程系　李明

由于快衰落表示信号的短期变化，所以又称短期衰落(short term fading)。 ３.快衰落损耗 主要是由于多径传播而产生的衰落。 移动通信中，沿着不同的路径，经过了不同的距离的信号到达接收端后叠加形成了不同相位的到达信号，合成的信号幅度快速的起伏变化，其变化率比慢衰落快。 由于快衰落表示信号的短期变化，所以又称短期衰落(short term fading)。 移动通信 电子工程系　李明

图３－７　移动台接收N条路径信号

－空间选择性衰落 －频率选择性衰落 －时间选择性衰落 移动通信 电子工程系　李明

角度展宽：多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。 空间选择性衰落 角度展宽：多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。 角度展宽给出信号的主要能量的范围，产生空间选择性衰落。 移动通信 电子工程系　李明

相关距离：两根天线上的信道响应应保持强相关时的最大空间距离。 空间选择性衰落用相干距离R描述: 式中，为波长， 为天线扩散角。 相关距离：两根天线上的信道响应应保持强相关时的最大空间距离。 相关距离越短，角度扩展越大；相关距离越长，角度扩展越小。 接收天线距离小于相关距离，信号的相关性很好，信道呈平坦性衰落；大于相关距离，信号的相关性变差，信道呈空间选择性衰落； 移动通信 电子工程系　李明

一个信号中包含的不同频率分量在信道的传输过程中表现出的衰落特性不一样，从而引起频率选择性衰落。 频率选择性衰落 一个信号中包含的不同频率分量在信道的传输过程中表现出的衰落特性不一样，从而引起频率选择性衰落。 移动通信 电子工程系　李明

用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散，从而引起时间选择性衰落 。 时间选择性衰落 用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散，从而引起时间选择性衰落 。 移动通信 电子工程系　李明

瑞利衰落是莱斯衰落的特殊形式，如果多径中存在一条直射主径，则接收到的信号包络服从莱斯分布，这样的衰落就是莱斯衰落。 瑞利衰落和莱斯衰落 由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径，各条路径延时时间是不同的，而各个方向分量波的叠加形成了不同相位的到达信号，从而形成信号快衰落称为瑞利衰落。 瑞利衰落是莱斯衰落的特殊形式，如果多径中存在一条直射主径，则接收到的信号包络服从莱斯分布，这样的衰落就是莱斯衰落。 移动通信 电子工程系　李明

慢衰落：信号起伏时间长的衰落，是近似服从对数正态分布的。 慢衰落特性和衰落储备 慢衰落：信号起伏时间长的衰落，是近似服从对数正态分布的。 为了防止因衰落引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。 移动通信 电子工程系　李明

多径时散：因为多径传播造成信号时间扩散的现象，即因为不同路径的时延差。 多径时散与相关带宽 多径时散：因为多径传播造成信号时间扩散的现象，即因为不同路径的时延差。 现象：一个极短的脉冲信号经过多径传输后，在接收端会产生一串脉冲，从而使脉冲宽度被展宽了。 多径性质随时间变化而变化的，它所带来的脉冲数目、脉冲大小和脉冲延时差的变化是随机的。 移动通信 电子工程系　李明

图３－８　时变多径信道响应示例 (a) N=3; (b) N=4; (c) N=5

两个相邻场强为最小值的频率间隔Bc与相对多径时延差(t)成反比， Bc=1/(t) 。 相关带宽 两个相邻场强为最小值的频率间隔Bc与相对多径时延差(t)成反比， Bc=1/(t) 。 对于角调制信号来说，假设多径传播时的最大时延差为(t)s，则相邻两个零点间的频率间隔为 式中，为时延扩展。 移动通信 电子工程系　李明

当一个传输信号的频谱宽于Bc时，传输信号的频谱将受到畸变，致使某些分量被衰落－－频率选择性衰落。 因此，为了减小频率选择性衰落，传输信号的频带必须小于多径传输信道的相关带宽。工程设计中，通常选择信号带宽为相关带宽的1/5～1/3。 移动通信 电子工程系　李明

中等起伏地形：指的是在传输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。 四、陆地移动信道的场强估算 地形、地物分类 １.地形的分类与定义 中等起伏地形：指的是在传输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：除中等起伏地形之外的其他地形，如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等地形的统称。 移动通信 电子工程系　李明

hts hb hga 图３－９　基站天线有效高度

式中，hts为基站天线顶点的海拔高度； hga为从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3 km到15 km之内的地面平均海拔高度。 －基站天线的有效高度 hb=hts-hga 式中，hts为基站天线顶点的海拔高度； hga为从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3 km到15 km之内的地面平均海拔高度。 移动通信 电子工程系　李明

－考察基站天线有效高度的原因： 考虑到无线覆盖的均匀性，避免一个地区所设的基站间的高度差过大(大于10米)时，网络的性能变差。因为当覆盖控制难度较大时，容易造成很强的站间干扰。 移动通信 电子工程系　李明

开阔地：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。 ２.地物(或地区)分类 按地物的密集程度不同分为： 开阔地：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。 郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密。 市区：有较密集的建筑物和高层楼房。 移动通信 电子工程系　李明

基准中值(或基本中值)：在计算传播损耗时，作为基准的中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值。 中等起伏地形上传播损耗的中值 基准中值(或基本中值)：在计算传播损耗时，作为基准的中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值。 移动通信 电子工程系　李明

影响传播损耗的因素有：传播距离d、工作频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm。 １.市区传播损耗的中值 影响传播损耗的因素有：传播距离d、工作频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm。 移动通信 电子工程系　李明

图３－１０　中等起伏地上市区基本损耗中值

郊区的电波传播条件优于市区，因此郊区场强中值大于市区场强中值，郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。 ２．郊区和开阔地损耗的中值 郊区的电波传播条件优于市区，因此郊区场强中值大于市区场强中值，郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。 修正因子：场强中值与基准中值之差。 移动通信 电子工程系　李明

图３－１１　开阔地、准开阔地修正因子

任意地形地区的传播损耗的中值 原则：根据地形的具体情况应用不同的参数，如增益因子、郊区修正因子、丘陵地的修正因子、孤立山岳修正因子、斜坡地形修正因子、水陆混合路径修正因子等。 移动通信 电子工程系　李明

１．中等起伏地市区中接收信号的功率中值Pp 式中，P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率；Am(f, d)是中等起伏地市区的基本损耗中值；Hb(hb, d)是基站天线高度增益因子；Hm(hm, f)是移动台天线高度增益因子。 移动通信 电子工程系　李明

其中，PT为发射机的发射功率；为工作波长；d收发天线间的距离；Gb基站天线增益；Gm移动台天线增益。 移动通信 电子工程系　李明

PPC是在中等起伏地市区接收信号的功率中值PP的基础上加上地形地物修正因子KT。 式中，Kmr为郊区修正因子；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值；Kjs孤立山岳修正因子；Ksp斜坡地形修正因子；Ks水陆混合路径修正因子。 移动通信 电子工程系　李明

式中，LT为中等起伏地市区传播损耗中值， 任意地形地区的传播损耗中值 式中，LT为中等起伏地市区传播损耗中值， 移动通信 电子工程系　李明

小结： 了解场强的估算，熟悉VHF、UHF波的传播特性，掌握电磁波在自由空间的传播计算和移动信道的特征。 移动通信 电子工程系　李明