无线电波传播2主要内容l 电波传播概述l 大尺度路径损耗l 小尺度路径损耗l 对数正态阴影模型l 链路预算第一部分 电波传播概述4l 移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制：l 反射：当电磁波遇到比其波长大得多得物体时发生反射，发射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面l 绕射：当接收机与发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射l 散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体概述5l 绕射使得无线电信号能够传播到阻挡物后面，绕射损耗可用费涅尔区解释l 费涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距长度大 n?/2的连续区域l 费涅尔区的半径为：2121ddddnrn +=l67l 由于不同物体间的反射、绕射和散射，产生了：l 大尺度路径损耗 —— 幂定律l 小尺度路径损耗 —— 瑞利分布l 对数正态阴影衰落 —— 正态分布8第二部分 大尺度路径损耗10大尺度路径损耗l 发射机与接收机之间长距离（几百米或几千米）上的场强变化l 传播模型l 经验模型：根据大量的测量结果统计分析后导出的公式，如HATA模型、 COST 231模型 ；l 确定性模型：对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法，如自由空间模型；l 半确定性模型：基于确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的等式，如 WIM模型。
11自由空间传播模型l 预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强l 适用范围：卫星通信系统和微波视距无线链路l 自由空间路径损耗为：( )=2224log10)( lprtGGddBPL12HATA模型l 适用范围：适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区l 频率 f： 100～ 1500MHzl 距离 d： 1～ 20kml 基站天线高度 hb： 30～ 200ml 移动台天线高度 hm： 1～ 10m 13l 路径损耗公式：l 市区：L (dB)= 69.55+26.16logf-13.82log(hb)+ [44.9-6.55log(hb)]log(d)-a (hm)l 中小城市： a(hm)=(1.1logf-0.7)hm-(1.56logf-0.8)l 大城市： a(hm)=3.2(log11.75hm)2-4.9714l 郊区：L(dB)=L(市区 )-2[log(f/28)]2-5.4l 乡村（准开放）：L(dB)=L(市区 )-[log(f/28)]2-2.39(logf)2 +9.17logf-23.17l 乡村（开放）：L(dB)=L(市区 )－ 4.78(logf)2 +18.33logf-40.94 15频率基站高度移动台高度900MHz50 m1.5 m16COST 231模型l 适用范围： HATA模型的扩展，适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。
l 频率 f： 1500～ 2000MHzl 距离 d： 1～ 20kml 基站天线高度 hb： 30～ 200ml 移动台天线高度 hm： 1～ 10m 17l 路径损耗公式：L (dB)=46.3+33.9logf-13.82log(hb)+ [44.9-6.55log(hb)]logd-a (hm)+Cml a(hm)与 HATA模型相同l Cm=0dB 中等城市和郊区Cm=3dB 大城市中心18COST231- Walfish-Ikegami模型l 适用范围：适用于宏小区和微小区，但不适用于微微小区l 频率 f： 800～ 2000MHzl 距离 d： 0.02～ 5kml 基站天线高度 hb： 4～ 50ml 移动台天线高度 hm： 1～ 3m19l 路径损耗公式：l 视距路径：L(dB)=Lfs+10.19+6logd其中， Lfs=自由空间损耗 =32.45+20logd+20logfl 非视距路径：L(dB)=Lfs+Lrts+LmdsLrts = 从屋顶到街面的衍射和散射损耗Lmds= 多遮蔽物衍射损耗第三部分 小尺度路径损耗21小尺度路径损耗l 无线信号在经过短距离（几个波长）或短时间（秒级）的传播后其幅度快速衰落。
这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的l 多径衰落通常是围绕由大尺度路径损耗模型和阴影衰落所确定的平均电平而随机起伏，其统计分布服从瑞利分布22l 小尺度衰落的影响：多径传播时延扩展多普勒频移频率选择性衰落时间选择性衰落l 现代移动通信系统中，一般采用分集技术对付多径衰落，对接收到的几路信号进行合并或选择其中最好的一个信号23相关概念（ 1）l 多普勒频移 fd： 移动台或周围物体运动时的路径差造成接收信号相位的变化引起多普勒频移多普勒频移与移动台运动速度及运动方向、与电波入射方向之间的夹角有关l 多普勒扩展 Bd： 多普勒功率谱不为 0的频率范围其值等于最大多普勒频移 fmqln cos⋅=dflvfBmd ==24相关概念（ 2）l 相干时间 Tc： 多普勒扩展在时域的表示，信道特性没有显著变化的持续时间l 比特持续时间小于信号相干时间 Tc时，信道衰减和相移对于至少一个比特持续时间内基本上固定不变，此时，信道呈现慢衰落性否则，信道呈现快衰落性，引起信号失真因此，必须保证数据速率大于信道的频率衰落速率 1/Tcdc BT423.0=251450169220302538317242306345相干时间 ( μ s)292 250 208 167 133 100 67 多普勒扩展 ( Hz)35030025020016012080 速度 ( km/h)26多普勒扩展与速度的关系6710013316720825029205010015020025030035080 120 160 200 250 300 350速度(km/h)多普勒扩展(MHz)27相干时间与速度的关系6345.004230.003172.501450.292030.402538.001692.000.001000.002000.003000.004000.005000.006000.007000.0080 120 160 200 250 300 350速度(km/h)相干时间(μs)28相关概念（ 3）l 时延扩展：经不同路径达到接收机的时间不同引起时延扩展。
时延扩展一般用均方根时延扩展 t rms表示l 相干带宽 Bc： 两个接收信号的幅度、相位具有高度相关性的频率范围l 信号带宽超过相干带宽时，信道呈现平坦衰落性；否则，信道呈现频率选择性衰落，引起码间干扰因此，必须保证数据速率小于信道的时延衰落速率 BcrmscB t51≈29相关概念（ 4）l 电平通过率 NR： 信号包络沿正向通过某一规定电平的速率l 平均衰落持续时间 ：接收信号低于某一特定电平的持续时间22 rrp −= efNmRrptrmfe212 −=t30电平通过率31平均衰落持续时间32l 分集技术分为两类：l 微分集：只利用接收机进行分集，接收同一发射点发射的不相关或微相关的同一信息信号，各接收分支接收到的信号被同时衰落的概率很小用来对付多径效应l 宏分集：允许一个移动台同时接收几个基站来的信号或发给几个基站信号用来对付阴影衰落分集技术（ 1）33l 在实际的移动通信中，存在三种选择性衰落，它们的形成都是由多径传播引起的：l 由于快速移动用户附近物体的反射，在频域上产生多普勒扩散，引起时间选择性衰落；l 由远处山丘与高大建筑物反射，使信号在时域和空间角度上产生扩散，引起频率选择性衰落和空间选择性衰落；l 由基站附近建筑物和其他物体的反射，影响达到天线的信号入射角分布，引起空间选择性衰落。
分集技术（ 2）34l 一般在基站上使用微分集技术l 时间分集：在不同时刻发射相同的信息，时刻间隔大于或等于相干时间，不同时间的衰落是不相关的如交织与纠错编码l 频率分集：由多个载频发射同一信号，载频间隔大于或等于相干带宽，不同频率的衰落是不相关的由于频率资源有限，一般不采用l 空间分集：使用相隔 0.5?~0.8 ?的两个接收天线，接收到的信号可认为是不相关的l 极化分集：使用正交极化的接收天线，可以合并在一个天线单元内分集技术（ 3）第四部分 阴影衰落36阴影衰落l 基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响，接收信号服从均值为 0的对数正态分布l 计算一个移动通信系统的阴影衰落时，通常会用到小区边缘通信概率或区内通信概率l 小区边缘通信概率：小区边缘接收电平高于某一特定值 γ 的概率；l 区内通信概率：小区内接收电平高于某一特定值 γ 的概率37l 小区边缘通信概率l 区内通信概率[ ] =>sgg )d(PQ)( r－dPpr[ ] [ ] qgpgpgprdrd )(1A)(1)U(20R022 ∫∫∫ >=>= rPpRdrPpR rr38小区边缘通信概率与区内通信概率的关系0 1 2 3 4 5 6 7 80.50.550.60.650.70.750.80.850.90.9510.5s/narea coverage probablityarea and bound coverage probablity0.550.60.650.70.750.80.850.90.9539衰落储备的计算 −=sg )(11dPQp r( ) ∆−−= −=sgsg PdPQdPQp rr 122)(404－ 92dBm98%4.5m全线8w列控机车台3－ 95dBm95%4.5m全线8w无线列调机车台2－ 98dBm90%1.5m全线2w沿线手持台1－ 98dBm85%1.5m车箱内2w车上手持台分类最小电平覆盖等级高度通信地点功率等级移动类型4193.5％85％73.5％63.5％边缘通信概率-92-95-98-98最小电平-99-99-97-97未考虑阴影衰落的接收功率-81-87-93-95考虑阴影衰落的接收功率181242阴影衰落储备98％95％90％85％区内通信概率MS4MS3MS2MS1当 s =7， n=3.5 时42衰落储备随标准差变化折线-505101520255 7 10 12标准差（dB）衰落储备（dB）移动台类型1移动台类型2移动台类型3移动台类型4第五部分 链路预算44l 对于陆地移动通信系统，传播路径损耗和阴影衰落将影响系统的覆盖范围，而多径衰落将影响信号的传输质量。
l 发射机和接收机之间增益和损耗一般用链路预算来表示45参数频率基站高度移动台高度环境900MHz40 m1.5 m城市RX TX2W移动台天线增益0 dBi 馈线及接头损耗0dB输出功率33 dBm天线增益电缆及接头损耗接收灵敏度-104 dBm12 dBi选择项接收分集增益 5 dB 路径损耗人体损耗 3 dB区内通信概率90%: -98 dBm阴影衰落储备4dB基站RXm RXd耦合系统快衰落保护储备 3dB环境噪声保护 2dB4dB绝缘子和耦合损耗0dB上行链路预算46参数频率基站高度移动台高度环境900MHz40 m1.5 m城市RX TX移动台天线增益0 dBi 电缆及接头损耗0dB灵敏度-102 dBm天线增益电缆及接头损耗耦合和绝缘子损耗12 dBi3 dB选择项接收分集增益 0 dB 路径损耗人体损耗 3 dB区。