第四章移动无线电传播：大尺度路径损耗

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1、第四章 移动无线电传播 大尺度路径损耗o无线信道是影响无线通信系统性能的主要因素。o无线信号的传播路径及其复杂，具有极度的随机性。 无线信道的物理过程无线信道的物理过程天线天线天线天线无线发无线发无线收无线收直射直射反射反射散射散射绕射绕射地面地面散射体散射体移动移动障碍物障碍物干扰干扰热噪声热噪声o无线信道的复杂性n信号路径衰耗n反射，衍射等过程n多径叠加（衰落深度可达3040dB）n发射机与接收机的相对运动o研究无线信道的方法：以恰当的信道传播模型 （以波长或时间作为参考值）为基础，再结合实测，加以修正。电磁波传播的三种机制：反射、绕射和散射。 大多数蜂窝系统 : 市区城区 传播模型的研究

2、 A、距发射机一定距离处信号的平均场强； B、特定位置附近信号场强的变化；4.1 无线电传播介绍对于A，预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机和接收机之间长距离（百米-千米）上的信号场强变化，称为大尺度传播模型。对于B，通常描述短距离（波长）或短时间（ms-s）内接收信号场强的快速波动。这种模型称为小尺度衰落模型。o移动信道的典型特征移动信道的典型特征小尺度衰落：小尺度衰落： 变化范围：变化范围： 3040dB 速率：速率： 40次次/s左右左右大尺度衰落：大尺度衰落： 信号的局部中信号的局部中值。值。作用：用于预测接收机和发射机之间完全无 阻挡的视距路径时接收信

3、号的场强； 实例：卫星通信系统、微波视距无线链路等。 预测公式（Friis 公式）：4.2 自由空间传播模型Pr-接收功率； Pt-发射功率；Gr-接收天线增益； Gt-发射天线增益； -波长（米）；d -接收机与发射机之间的距离（米）；L -系统损耗因子（L 1，与传播无关），通常归因于传输线损耗、滤波损耗等例题1：假设基站发送信号到移动台的场景。已知基站处天线增益为10dB, 发射功率为10W, 移动台接收天线增益为3dB, 传输距离为10km, 工作频率为900MHz。求自由空间传播下的接收信号功率。路径损耗：表示信号衰减，定义为有效发射功率和接收功率的差，单位为dB(正值) -Frii

4、s自由空间模型有无适用条件？Friis自由空间模型的适用条件： （1）远场预测 Fraunhofer距离： 且 （2）参考距离 且小于系统中所有接收机的距离。于是 或（3）在用低增益天线的1GHz 到2GHz 频段的系统中，参考距离在室内环境选取 ，而室外选取 。例题2 求解最大尺寸为1m，工作频率为900MHz的天线的远场距离。例题3 如果发射机发射50W的功率，将其换算成dBm和dBW。如果该发射机采用单位增益天线，载频为900MHz，求出在自由空间中距离天线100m处的接收功率，10km处呢？设接收天线为单位增益。 补充：分贝（dB）o什么是分贝dB(decibel)n用于描述比值的对数

5、单位例如两个量P1和P2，比值用dB作为单位，用下式计算： 10*log (P1/P2)dB例：发射功率P1=100W 接收功率P2=1W 则发射功率与接收功率的比值为 10*log(100/1)=20dB o单位dB可将大比值等价表示成适当的大小，例如：n发射功率100W，接收功率1W，发射功率是接收功率的100倍，用dB表示为20dBn发射功率100W，接收功率1mW，发射功率是接收功率的100,000倍，用dB表示为50dBdBmo功率的比值，还可使用dBm作为单位，dBm是以1mW作为参考。n例如：发射功率Tx为100W，以dBm为单位，Tx是多少？ 答：Tx(dBm)=10log(1

6、00W/1mW) =10log(100W/0.001W) =10log(100,000) =50dBmo“1个基准”：30dBm1W o“2个原则”：1)3dBm，功率乘2倍；3dBm，功率乘1/2 例：33dBm30dBm+3dBm1W2=2W 27dBm30dBm3dBm1W1/2=0.5W2)10dBm，功率乘10倍；10dBm，功率乘1/10 例：40dBm30dBm+10dBm1W10=10W 20dBm30dBm10dBm1W0.1=0.1W o以上可以简单的记作：30是基准，等于1W整，互换不算难，口算可完成。加3乘以2，加10乘以10；减3除以2，减10除以10。 将dBm转换

7、为W的口算规律：dBWo功率的比值，还可使用dBW作为单位，dBW是以1W作为参考。n例如：发射功率Tx为100W，以dBW为单位，Tx是多少？ 答：Tx(dBW)=10log(100W/1W)=10log(100) =20dBWodBW与dBm之间的换算关系为： 0 dBW = 10log1W = 10log1000 mW= 30 dBmo注意：用一个dBm（或dBW）减另外一个dBm（dBW）时，得到的结果是dB，如：30dBm - 0dBm = 30dB。4.3 电场和功率发射电磁场1/d 表示辐射场成分1/d2 表示感应场成分1/d3 表示静电场成分在远场区，静电场和感应场可忽略不计，

8、只考虑辐射场元素o接收功率n自由空间中，能流密度由下式给出(W/m2) 其中，|E|表示远场电厂辐射部分的幅度，Rfs是固有阻抗，自由空间中为 = 120或(377)。n接收功率可以表示为(等价于Friis公式中L=1)：o接收机输入电压的定义：Us天线的感应电势Rs天线的等效内阻Ri接收机的阻抗显然，UUso接收功率和接收电场电压的关系：n自由空间中， d处的接收功率为n接收机电压和功率的一般表示： 电压：dBV以1 V为基准； 功率：dBm以1mW为基准。例例 4.3 4.3 假设接收机距离50W的发射机有10km，载频为900MHz且在自由空间传播，Gt=1和Gr=2，求(a)接收机功率

9、；(b)接收天线电场幅度；(c)假定接收天线具有50理想阻抗并和接收机匹配，则接收机的输入电压是多少？解解: : 已知 发送功率 Pt=50W; 载波频率 fc=900MHz; 发送天线增益 Gt=1; 接收天线增益 Gr=2; 接收天线阻抗 =50 (c) 使用式 (4.16) ，接收机输入处的均方根电压为(b) 使用式 (4.15) , 接收电场幅度为(a) 使用式 (4. 5) , d=10km处的接收功率为4.4 三种基本传播机制o反射 当电波所投射到的表面尺寸远大于电波波长，并且该表面比较光滑，将发生电波的反射o绕射 当电波传播过程中遇到与电波波长具有可比性的阻挡物时，电波会绕过阻挡

10、物而传播到它的背面去o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，将发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其他不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等，可以理解为“乱”反射。 注意：要与一般意义上电波的对流层散射区分开。4.5 4.5 反射反射o反射的条件：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面的尺寸远大于电波的波长时，产生反射。o平面波入射到两种理想电介质的交界面，一部分进入第二介质（透射），一部分返回原介质（反射），无能量损耗。n若第二介质为理想导体，则仅有反射，无透射，无损耗；n若是非理想电介质，则有能量损耗。o反射波与传输波的电场强度取决于费涅

11、尔(Fresnel)系数；反射系数与介质的属性有关，并且与电波的极化方式、入射角、频率有关。o天线极化在鞭式天线的激励下，发射的电磁波一般是极化的。在处理反射问题时，极化矢量可分解为两个相互垂直的分量。定义入射平面为包含入射波、反射波和透射波的平面， 则极化矢量分解为平行于入射平面分量（垂直极化）和垂直于入射平面的分量（水平极化），如图4.4所示。图中角标i , r , t 分别标志入射波， 反射波和透射波； 参数 和 分别表示第一介质和第二介质的介电常数，透射率和导电性。4.5.1 4.5.1 电介质的反射电介质的反射n(a) 电场极性平行于入射波平面n(b) 电场极性垂直于入射波平面o理想

12、电介质（无损耗）的绝缘常数与介质常数有关，即： 其中 。o如果电解质是电磁能量损耗介质， 则介电常数可表为一复数：其中： ，为材料的导电性 ，f 为振动频率。o在介质边界处，垂直和平行两种极化场的反射系数为：o以下公式成立o当第一个介质是自由空间且 时，电磁波在两介质截面上的反射系数可简化为：式中：式中： 是第二介质的相对介电系数是第二介质的相对介电系数 。 o当 时， ， ，即不管极化情况或地面电介质的性质，可将地面建模成单位反射系数的理想反射体。（例4.4）o反射系数数值解：n电磁波投射到介质分界面上而不发生反射时的入射角为Brewster角。nBrewster角只在水平极化时出现，此时

13、， Brewster角 满足：n当第一介质为自由空间，第二介质相对介质系数为 时，Brewster角为4.5.2 Brewster角4.5.3 理想导体的反射oEt=0n电场在入射波平面n电场垂直于入射波平面4.6 4.6 地面反射（双线）模型地面反射（双线）模型p自由空间模型的局限性自由空间模型的局限性：在移动无线信道中，MS和BS之间很少存在单一LOS传播，所以只考虑了直射波的自由空间模型在很多情况下不准确。p地面反射双线模型地面反射双线模型：直达径+地面反射路径p该模型以几何光学为基础，考虑了直射、反射路径。并且认为地面发生全反射，相差180，反射系数 。p地面反射双线模型o自由空间电磁

14、波传播规律可由下面的公式表述:式中 和c 分别代表角频率和光速。 o直达波经过长为 的路径到达接收机， 反射波经 的路径到达接收机。 它们的电场可分别表示为 和 。其中 为反射系数。 接收电场幅值为：o反射波与直射波的路径差反射波与直射波的路径差由镜像法可得由镜像法可得:o假设： 并且 ，接收信号可表为： 得到其中当满足条件可以得到o由公式（1） 和（2） 得o由公式（3） 及 表达式得：o接收信号电场幅值与距离的平方成反比，而接收功率则反比于距离的4次方，信号随路径的衰落远快于自由空间模型o接收功率与天线高度平方成正比；o在存在直射波的情况下， 2-Ray 模型对预测几千米范围内的大尺度衰落

15、是非常准确的，对城区视距内的微蜂窝环境也非常准确。例4.6 移动台距离基站5km，使用垂直的/4单极天线，增益为2.55dB，距离发射机1km处的场强为0.001v/m，载频为900Mhz。（a）求接收机天线的长度；（b）使用地面反射模型求解接收功率，假定发射机天线距离地面高度50m，接收机天线距离地面高度1.5m.解：已知： T-R距离 = 5km； 1 km处场强 = 10-3V/m； 工作频率 f = 900MHz， =c/f=3x108/(900x106)=0.333m(a)天线长度 L= /4=0.333/4=0.0833m=8.33cm 天线有效孔径 Ae=G* 2/2=0.016

16、m2.(b) 由于 , 场强为： 使用式（4.15）得到距离d处的接收功率：o由于绕射效应，电磁波可以绕过障碍物传播到它的后面。 这意味着在阴影区接收机仍然可以收到发射信号。但是，随着接收机向阴影区纵深移动，信号迅速衰落。o绕射效应可以由Huygens原理解释，即所有波前的点都可以视作次波源。 这些次波源的辐射形成在波传播方向形成新的波前。场强等于障碍物附近的所有次波源电磁场向量和。 4.7 4.7 绕射绕射 ( (衍射衍射) )4.7.1 费涅尔区的几何特征绕射的两种情况： 情况A：情况B：等效图： 假设：ho直射和绕射路径的差（附加路径长度）为：相位差：当 很小时，泰勒展开绕射时，路径损耗

17、是路径差的函数，这种损耗可以用菲涅尔区来解释。费涅尔区：菲涅尔（菲涅尔（FresnelFresnel）带域）带域TxTxRxRxd dd d1 1d d2 2 几何问题求解：几何问题求解： , n=1,2,3, 。求。求rn 。r rn nd dn1n1d dn2n2oo推导推导推导推导： 由二项式定理：由二项式定理：，由于，由于d1rn，由于，由于d2rn即：即：o菲涅尔带域菲涅尔带域：对于给定的对于给定的n n值，所有满足值，所有满足 d dn1n1d dn2n2d dn n/2/2 的点在三维空间构成以的点在三维空间构成以TxTx和和RxRx为焦点的旋转椭球为焦点的旋转椭球面。不同的面。

18、不同的n n对应于不同的对应于不同的椭球面（焦点不变）。我椭球面（焦点不变）。我们称这些椭球体为们称这些椭球体为菲涅尔菲涅尔菲涅尔菲涅尔区区区区。这些椭球在竖直方向这些椭球在竖直方向的剖面将呈现出一层又一的剖面将呈现出一层又一层的圆形带域，我们称之层的圆形带域，我们称之为为菲涅尔带域菲涅尔带域菲涅尔带域菲涅尔带域。 oo第一菲涅尔带域第一菲涅尔带域第一菲涅尔带域第一菲涅尔带域：n n1 1时对应的圆面称作第一菲涅尔带时对应的圆面称作第一菲涅尔带域。显然其半径域。显然其半径r r1 1为：为： 当当d d1 1=d=d2 2=d/2=d/2时有，时有，oo传播主区传播主区传播主区传播主区：相邻两

19、个菲涅尔带域上的次级源在接收端相邻两个菲涅尔带域上的次级源在接收端（RxRx）处对电磁波场的贡献是反相的。理论分析表明，）处对电磁波场的贡献是反相的。理论分析表明，要在要在RxRx处达到自由空间的场强，不一定需要许多的菲涅处达到自由空间的场强，不一定需要许多的菲涅尔区，也不一定需要全部的第一菲涅尔区，只要第一菲尔区，也不一定需要全部的第一菲涅尔区，只要第一菲涅尔区截面积的涅尔区截面积的1 13 3就可以获得自由空间场强。这样，就可以获得自由空间场强。这样，最小菲涅尔半径为：最小菲涅尔半径为：（续）要保证电波的有效传播（获得与自由空间相当的接收场强），在这个最小菲涅尔椭球的范围内应该不存在阻挡物

20、，否则将造成严重衰减。这个衰减就是由阻挡引起的绕射衰减。 o例：例：工作频率为工作频率为900MHz，收发间距离为，收发间距离为30km，求收发之间中点处的第一菲涅尔区半径及最，求收发之间中点处的第一菲涅尔区半径及最小菲涅尔半径。小菲涅尔半径。 解解 由于由于13 m，d=30 km， 进而，进而，r0=0.577r1=28.85m 。 o习题：若工作频率为习题：若工作频率为300MHz，收发中点处，收发中点处的第一菲涅尔区半径为多少？又若的第一菲涅尔区半径为多少？又若900MHz时，距发射点时，距发射点13收发距离处的第一菲涅收发距离处的第一菲涅尔区半径为多少？与前例对照，这些结果尔区半径为

21、多少？与前例对照，这些结果说明了什么？说明了什么？o费涅尔区特性：费涅尔区特性： n当r是半波长的奇数倍时，绕射波和直射波在接收点的作用相同，此时的场强得到加强；n当r为半波长的偶数倍时，绕射波在接收点的作用相互抵消，此时R点的场强最弱；n一般说来，当障碍物不阻挡第一费涅尔区时，绕射影响可以忽略不计；n阴影效应不仅对频率敏感，并且对障碍物的位置敏感。在移动通信系统中，对次级波的阻挡产生了绕射损耗，仅有一部分能量能绕过阻挡体。也就是说，阻挡体使一些菲涅尔区发出的次级波被阻挡。 根据阻挡体的几何特征，接收能量为非阻挡菲涅尔区所贡献的能量的矢量和。如果第一费涅尔区的55%没有被阻挡，那么可以认为该链

22、路是“Line-of-sight(LOS)”p一般情况下，精确预测绕射损耗是不可能的，通常在预测中采用理论近似加上必要的经验修正的方法。p刃形绕射模型：阻挡体为单个物体，例如山峰，通过把阻挡体看作绕射刃形边缘来估计绕射损耗。p 利用经验公式或图解来计算绕射损耗。4.7.2刃形绕射模型Figure 4.13 Figure 4.13 不同刃形绕射情况下的菲涅尔不同刃形绕射情况下的菲涅尔区区o刃形背后的衍射场可以由Fresnel积分得到。 Fresnel积分可表示为： 式中 和 分别代表接收点电场强度和在无遮掩情况下的电场强度。 称为Fresnel积分。 v为Fresnel-Kirchoff绕射参数

23、：o刃形引起的绕射增益为：o上式的数值解为右图：o为方便计算，可以根据近似解求得绕射增益： o结论：n在实际情况下特别是在山丘地带，信号从发射到接收方经历多个障碍物的衍射。 Bullington 提出了用单障碍物的衍射等效多障碍物衍射的方法。 n下图示意了简化多障碍物衍射模型。 其中实线标出了实际障碍物， 虚线标出的是等效的障碍物。 这种方法可以大大简化计算量。 4.7.3 多重刃形绕射4.8 4.8 散射散射o在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强，这是因为在实际环境中，当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量。 o表面粗糙度的定

24、义：o散射对反射系统的影响： 对于粗糙表面，反射系数需乘以一个散射系数（减弱反射场）o雷达有效截面模型： 当较大的、远距离的物体引起散射时，可用雷达有效截面模型对接收场强进行计算。n雷达有效截面RCS： 在接收方向上，散射信号的功率密度与入射信号的功率密度之比。（RCS可由散射体表面面积近似）n双静态雷达公式模型：o链路预算链路预算：考虑实际系统和传播环境的各种因素，为保证链路传输的有效性而对发射功率和接收信噪比（或信干比）等系统指标进行估算的过程称为链路预算链路预算。4.9 4.9 运用路径损耗模型进行实际的链路预算设运用路径损耗模型进行实际的链路预算设计计o前面介绍的几种传播模型（自由空间

25、传播模型、地面反射双线模型、绕射模型、散射模型）都是理想化的模型。o实际应用环境非常复杂。实际应用的模型大多是通过理论分析和实际测试相结合来获得。n理论分析针对应用环境，找出主要的影响因素，建立模型，通过仿真或计算得出传播模型。n实际测量根据大量实验所得测量数据，绘出传播损耗的曲线或拟合成解析式，再抽象出传播模型。o实测表明，在发射功率、天线参数和高度、电波频率等给定的情况下，平均平均路径损耗 随传播距离（T-R距离）d d的变化规律为：n自由空间损耗模型：n地面反射模型：书中表4.2（P95）给出了几种典型环境下的路径损耗指数。4.9.1 对数距离路径损耗模型o对数距离路径损耗模型： 这就表

26、明，平均路径损平均路径损 耗的分贝值耗的分贝值(dB)(dB)按每十 倍距离增加10n 10n dBdB的规 律线性递增。平均路径损耗变化规律平均路径损耗变化规律o对数距离路径损耗模型（以平均接收功率表示）：平均平均平均平均接收功率变化规律接收功率变化规律o对数距离损耗模型未考虑环境变化的影响。oo阴影衰落，大尺度衰落阴影衰落，大尺度衰落： 信号在无线信道传播过程中遇到的障碍物会使信号发生随机变化，从而造成给定距离处接收信号功率的随机变化，反射面和散射体的变化也会造成接收功率的随机变化。因此，需要建立一个模型来描述这些因素需要建立一个模型来描述这些因素造成的信号随机衰减造成的信号随机衰减。我们

27、将主要由障碍物的阻挡（如建筑物会形成电波传播的阴影）所造成的这种 信号的随机变化称为阴影衰落阴影衰落（ShadowingShadowing）。4.9.2 对数正态阴影模型 造成信号随机衰减的因素，包括障碍物的位置、大小和介电特性及反射面和散射体的变化情况等，这些因素一般都是未知的，因此只能用统计模型统计模型来表征这种随机衰减。最常用的描述这种附加衰减附加衰减的模型是对数正态阴影对数正态阴影模型，它已经被实测数据证实，可以精确地建模室外和室内无线传播环境中接收功率的变化。o如果考虑上环境的影响，路径损耗服从对数正态分布，即：其中，方差描述了不同阴影的特征。 该模型可用于无线系统设计和分析过程中，

28、对任意位置的接收功率进行计算机仿真。4.9.2 对数正态阴影模型o由于PLd为正态分布的随机变量，对于接收场强常用Q函数（误差函数）表示其超过特定值的概率。o根据上述模型，我们知道给定距离上的接收功率根据上述模型，我们知道给定距离上的接收功率为：为： 。 所以，接收功率（以所以，接收功率（以dBmdBmdBmdBm计的）也服计的）也服从正态分布。从正态分布。平均接收功率平均接收功率例例例例已知已知Pt=10mW，Pmin=-110.5dBm，求出距离，求出距离150m处处的中断概率。设阴影衰落的标准差为的中断概率。设阴影衰落的标准差为3.65dB，路径损耗指，路径损耗指数数n=3.71，参考距

29、离，参考距离d0=1m处的平均路径损耗为处的平均路径损耗为31.54dB。 解解解解：PrdBm服从正态分布，其均值为服从正态分布，其均值为 ， 标准差为标准差为3.65dB。 中断概率中断概率Proboutage=ProbPr(150m)-110.5dB 所以，可以利用所以，可以利用Q函数计算得到：函数计算得到： Proboutage=0.0121 。n n中断概率中断概率中断概率中断概率：在给定距离上，接收功率小于系统最小可用功率的概率，称为：在给定距离上，接收功率小于系统最小可用功率的概率，称为中断中断中断中断概率概率概率概率（outage probabilityoutage proba

30、bility）。）。o小区覆盖范围小区覆盖范围：设基站位于小区中心，并采用全向天线，小区覆盖范围指的是在小区内所有位置之中，接收功率超过最小可用接收功率的位置所占的百分比。 教材上，称之为“有效服务区域百分比有效服务区域百分比”（见pp97 4.9.3标题下第3行）。有的文献中，也将其称作小区的面积覆盖率面积覆盖率。 4.9.3 确定覆盖面积的百分率o小区的边缘覆盖率小区的边缘覆盖率小区的边缘覆盖率小区的边缘覆盖率：在基站位于小区中心并采用全向天线时，如果小区范围内不存在阻挡物的话（但可以存在平坦地面），小区覆盖的边缘近似为圆周此时不存在阴影衰落。但实际的传播环境往往更复杂，并存在由于阻挡物引

31、起的阴影衰落，所以如果以接收机实时接收功率达到最小可用接收电平作为形成小区边缘的实际标准的话，实际的等接收功率线将不再实际的等接收功率线将不再实际的等接收功率线将不再实际的等接收功率线将不再是正规的圆周，而可能呈现出不规则的形状是正规的圆周，而可能呈现出不规则的形状是正规的圆周，而可能呈现出不规则的形状是正规的圆周，而可能呈现出不规则的形状（这跟传播环境有关）（这跟传播环境有关）（这跟传播环境有关）（这跟传播环境有关），并且由于阴影衰落的随机性，这个形状还可能会随时间而改变。oo小区的边缘覆盖率小区的边缘覆盖率小区的边缘覆盖率小区的边缘覆盖率（续（续1 1）：我们定义概率 为小区的边缘覆盖概率

32、，它表示在我们设想的小区边界上（半径为R的圆周）实际接收功率（注意注意：不是平均接收功率！：不是平均接收功率！）大于最小可用接收功率(dBm)的概率。显然，如果我们使得半径为R的圆周上的平均接收功率 恰好等于接收机的最小可用接收功率的话，小区的边缘覆盖率就等于50。o归纳归纳： 小区覆盖范围（即小区的面积覆盖小区覆盖范围（即小区的面积覆盖率）率）就是从覆盖面面的角度来衡量的覆盖率；而小区的边缘覆盖率小区的边缘覆盖率就是从线线的角度来衡量的覆盖率。下面来推导噪声受限条件下噪声受限条件下关于小区覆盖问题的结论，并总结二者之间的关系。o设：覆盖区半径为R，接收机门限为， 则有效服务区域百分比：由式（

33、4.71）又由则4.10 4.10 室外传播模型室外传播模型 在实际应用中，电波传播的环境往往是不规则的，在计算传播损耗时，不仅要考虑地形地貌的影响，还要考虑地物的影响。可见移动信道的模型是非常复杂的。 为了描述信道特性，人们建立了大量的信道模型来预测不规则的地形和路径损耗。这些模型一般都是根据测试数据总结得到的，旨在预测特定区域的信号场强。现在讨论一些最常用的室外传播模型。o应用范围：n频率：40MhHz100GHz；n各种地形；n点对点通信。o应用理论：n几何光学理论（地面反射双线模型、刃形绕射模型）n对流层散射理论（长距离对流层散射预测）n双地平线路径对远地绕射损耗预测。4.10.1 L

34、ongley-Rice模型o应用方式：n有详细的地形地貌数据时：确定特定的路径参数，实现点对点的预测；n无详细的地形地貌数据时：估计特定路径的参数（区域预测）o缺点：没有考虑接收机附近环境杂波的影响；没有考虑多径传播。o改进：增加“城区因子”，补偿在城区时接收机附近的杂波引起的额外衰落。4.10.2 Durkin模型o类似于Longley-Rice模型的典型传播预测。o应用环境：n预测大尺度路径损耗；n研究不规则地区的电波传播损耗。o仿真过程：n访问地形数据库（二维阵列），并沿着发射机到接收机的路径重构地形地貌信息；n计算沿射线方向的路径损耗n重复执行，可构造服务区不同位置信号场强的轮廓o损耗

35、的计算：n计算路径上所有点的绕射参数，并找出最大值j。n绕射损耗的计算：1）视距：以j进行计算；2）非视距：a. 单绕射边；b. 双绕射边；c. 三绕射边；d.多绕射边；o也称电波传播损耗的图表预测法，是根据 Okumura 在东京地区进行大量实测的基础上提出来的，是预测城区信号使用最广泛的模型。4.10.3 Okumura （奥村）模型oo模型的由来模型的由来模型的由来模型的由来： 20世纪60年代初，Okumura等人在日本东京地区进行了大量的场强测试。测试环境（地物特征）包括市区、郊区和开阔区等不同传播环境，测量频率分布在400MHz2GHz范围内。发射天线高度范围301000m，接收天

36、线高度范围27m。测量设备（场强计和记录仪）装在汽车上，在汽车行驶中实施测量，测量数据由记录仪记录。oo模型的由来模型的由来（续）： 在20m左右的距离段（称作小段）内对测量数据进行平均得到小段均值。然后在11.5km的距离内计算小段均值的中值。最后，绘出经验曲线。 所以，使用奥村模型进行链路预测的方法就是针对特定的待预测环境，利用经验曲线得到预测结果。该模型并不提供任何理论解释。o概率中值概率中值：某随机变量X，设a是其取值范围内的一个数值，如果该数值满足： 我们就称a为X的中值。 对于正态分布，中值就是均值。但对于其他的概率分布，中值未必等于均值。在在不能确知概率分布的情况下，一般采用概率

37、中不能确知概率分布的情况下，一般采用概率中值作为统计分析的结果。值作为统计分析的结果。 o预测对象预测对象：由基站到移动台（前向链路）的路径损耗的中值(dB)。o预测条件预测条件：n频率范围：150MHz150MHz1920MHz1920MHz（高端可扩展至3000MHz3000MHz）；n距离范围：距离范围：1 1100km100km；n基站天线高度基站天线高度30301000m1000m，移动台天，移动台天 线高度线高度1 110m10m。o天线的有效高度n基站天线的有效高度：n移动台天线的有效高度：天线距当地地面的高度。o地形的分类 地形指传播环境中地形剖面的不同变动状况，Okumura

38、将其区分为两大类：n中等起伏地形准平滑地形 地面起伏高度不超过 20m ，起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。n不规则地形，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。o地物（或地区）的分类 地物指传播环境中地面障碍物分布的不同情况。 按照地物的密集程度不同可以分为三类地区n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，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；n郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，如有少量的低层房屋或小树林等n市区：有较密集的建筑物和高层楼房oo预测公式预测公式：Okuruma模型在自由空间路径损耗基础上，首先在天线高度给定情况

39、下，给出了准准平滑（平滑（quasi-smooth)quasi-smooth)、市区市区的路径损耗修正曲线，根据该曲线可以对路径损耗值进行修正；然后再根据实际的天线高度和地形、地物情况利用相应曲线进行进一步的修正，最终可以获得特定传播环境下的路径损耗中值。其预测公式为：损耗损耗损耗损耗损耗损耗损耗损耗损耗损耗损耗损耗 增益增益增益增益 增益增益增益增益 增益增益增益增益其中，L LF F(dB)(dB)为自由空间的路径损耗，设定收、发均为各向同性天线，所以计算公式为： 。A Amumu(f,d)(f,d)为准平滑、市区相对于自由空间的损耗修正值，也称作基本中值损耗。G(hG(htrtr) )为

40、发射(BS)天线高度增益，G(hG(hrere) )为接收(MS)天线高度增益，G GAREAAREA为地形、地物增益因子。n n基本中值损耗基本中值损耗Amu(f,d) ： 指准平滑、市区相对于自由空间所增加的中值损耗。天线高度均已给定，发射天线的有效高度为200m200m，接收天线的有效高度3m3m。该经验曲线族随距离变化对应于不同的曲线。横坐标为载频频率。纵坐标为中值损耗。90043dBn n天线高度增益天线高度增益G(hG(htrtr) )、G G(h(hrere) )：见pp103式(4.81)。n n地物增益地物增益G GAREAAREA：见右图。oOkumura 模型的特点与不足

41、：nOkumura 模型对地形、地物进行分类，使用完全客观的实验数据使其能在相应的环境下获得较准确的预测，因此得到广泛的应用。n完全基于测试数据，不提供任何分析解释。n许多情况通过外推曲线来获得测试范围以外的值，尽管这种外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑性。 n模型本身也有不足，如对地形的定性划分不可避免地导致对通信环境的主观判断。n对城区和郊区快速变化的反应较慢。4.10.4 Hata4.10.4 Hata模型模型o根据Okumura模型所作的经验公式模型，是以公式形式表达的路径损耗中值预测模型。n市区路径损耗公式：n郊区路径损耗：n农村路径损耗：p 移动台天线修正因子：4.10.5 Ha

42、ta模型的PCS扩展p 在半径大于1km时，Hata模型比较准确，但不太适用于半径小于1km的PCS系统，为此，科学和技术研究欧洲协会(EURO-COST)开发Hata模型的PCS扩展版本：4.10.6 Walfish和Bertoni的模型o考虑了屋顶和建筑物高度的影响。o路径损耗：4.10.7 宽带PCS微蜂窝模型pFeuwestein等人在1900MHz频段上测试了典型微蜂窝系统的传播参数，证实：n对于LOS环境，地面反射双线模型最佳发射机发射机天线高度天线高度1900MHz LOS1900MHz OBSn1n2n低低(3.7m)2.183.298.762.589.31中中(8.5m)2.

43、173.367.882.567.67高高(13.3m) 2.074.168.772.697.94n对于有阻挡物（OBS）环境，简化的对数距离路径损耗模型最佳4.11 4.11 室内传播模型室内传播模型 随着PCS系统的使用，室内无线传播情况受到人们的重视。 o主要特点：(机理同室外：直射、反射、绕射和散射）n覆盖距离小，远场条件难以满足；n环境变动大，如：开关门、物品布局、人员走动等。o考虑因素：n同楼层分隔损耗：隔墙材料、类型。n楼层间分隔损耗：建筑物外部面积/材料、建筑物类型、窗口大小/数量。o对数距离路径损耗模型：oEriccson多重断点模型：适用于多层办公室建筑。模型假定参考距离处的

44、衰减为30dB，频率为900Mhz。o衰减因子模型：返回目录其它移动通信信道其它移动通信信道o背景背景n随着移动通信业务的发展，移动通信的服务范围也日益扩随着移动通信业务的发展，移动通信的服务范围也日益扩大。大。n在陆地、海上和空中都获得了广泛应用，正逐步由室外扩在陆地、海上和空中都获得了广泛应用，正逐步由室外扩展到室内展到室内(如办分室、住宅、车间、商场等如办分室、住宅、车间、商场等)n从地上扩展到地下（如地铁、坑道、隧道、矿井等）从地上扩展到地下（如地铁、坑道、隧道、矿井等）n从中小城市扩展到边远地区（如矿山、林区、沙漠、草原从中小城市扩展到边远地区（如矿山、林区、沙漠、草原等）等）n要在

45、不同环境中实现移动通信，首先必须了解无线电波在要在不同环境中实现移动通信，首先必须了解无线电波在该环境中的传播方式和传播特性。该环境中的传播方式和传播特性。一、建筑物的穿透损耗一、建筑物的穿透损耗n无论哪种通信系统只要无线电波要穿过墙壁或楼无论哪种通信系统只要无线电波要穿过墙壁或楼板才能通信时，就必须存在电波的穿透损耗，即板才能通信时，就必须存在电波的穿透损耗，即建筑物的穿透损耗。建筑物的穿透损耗。n人们对电波由建筑物外部进入室内的穿透损耗进人们对电波由建筑物外部进入室内的穿透损耗进行了大量的测试和研究。通常规定，用建筑物附行了大量的测试和研究。通常规定，用建筑物附近道路中央的场强与在室内不同

46、楼层中测得的场近道路中央的场强与在室内不同楼层中测得的场强之差表示此穿透损耗。强之差表示此穿透损耗。n影响因素：影响因素：o建筑物高度建筑物高度o工作频率工作频率o基站天线高度基站天线高度n结论：结论：of损耗损耗o层高的影响：层高的影响：nWalker测试测试:115层：每层减少层：每层减少1.9dB，15层以上层以上递增；递增；nTutkmani测试测试19层：每层减少层：每层减少2dB，9层以上递增；层以上递增；o其它影响因素：有无窗口（差其它影响因素：有无窗口（差6dB）、窗体占墙面）、窗体占墙面的百分比、窗体材料等。的百分比、窗体材料等。二、限定空间中的电波传播二、限定空间中的电波传

47、播n限定空间是指无线电不能穿透的场所。在限定空限定空间是指无线电不能穿透的场所。在限定空间中，因为电波的传播损耗很大，因而通信距离间中，因为电波的传播损耗很大，因而通信距离很短。很短。n在限定空间内，为了增加通信距离，常用导波线在限定空间内，为了增加通信距离，常用导波线传输方式。传输方式。n常见的导波线有两种：平行双导线和泄漏同轴电常见的导波线有两种：平行双导线和泄漏同轴电缆。缆。三、海上移动信道的特点三、海上移动信道的特点n海上移动通信一般是指陆上基站与船、舰之间海上移动通信一般是指陆上基站与船、舰之间的通信，其电波传播路径几乎都是海面，传播的通信，其电波传播路径几乎都是海面，传播条件优于陆

48、地。条件优于陆地。n当传播路径上没有岛屿等障碍物时，传播损耗当传播路径上没有岛屿等障碍物时，传播损耗可按平滑球面大地的传播理论进行分析。可按平滑球面大地的传播理论进行分析。四、航空移动信道的特点四、航空移动信道的特点n对于航空移动信道来说，电波在空间传播与在海对于航空移动信道来说，电波在空间传播与在海上传播相似，且还优于在海上传播。因而在同样上传播相似，且还优于在海上传播。因而在同样条件下，通信距离较远。条件下，通信距离较远。n空中传播的信号场强会随气象条件的变化而变化。空中传播的信号场强会随气象条件的变化而变化。由于飞机的飞行速度很快，信号场强将随时间和由于飞机的飞行速度很快，信号场强将随时

49、间和空间位置的变化而急剧变化，并造成场强中值的空间位置的变化而急剧变化，并造成场强中值的快速变化。快速变化。六、卫星中继信道六、卫星中继信道 是无线电接力信道的一种特殊形式，由通信卫星、是无线电接力信道的一种特殊形式，由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路组成。地球站、上行线路及下行线路组成。n主要特点：主要特点：o卫星与地球站之间的电波传播路径大部分在大气层以外卫星与地球站之间的电波传播路径大部分在大气层以外的空间，其传播损耗可近似按自由空间作估算。的空间，其传播损耗可近似按自由空间作估算。o传播距离远，损耗较大，时延较大。传播距离远，损耗较大，时延较大。o地球站至卫星的仰角较大，不易受地面

50、反射的影响，缓地球站至卫星的仰角较大，不易受地面反射的影响，缓解了多径效应引起的快衰落。地球站附近的高大建筑物解了多径效应引起的快衰落。地球站附近的高大建筑物造成的阴影效应仍会引起慢衰落。造成的阴影效应仍会引起慢衰落。o工作频率超过工作频率超过 1GHz 时，因雨雪等原因将产生附加的时，因雨雪等原因将产生附加的传输损耗。传输损耗。n卫星中继信道优越性卫星中继信道优越性o传输距离远传输距离远o覆盖地域宽覆盖地域宽o传输特性较稳定传输特性较稳定 这些特性对于建立覆盖全球的移动通信网来说这些特性对于建立覆盖全球的移动通信网来说有很大吸引力。因此人们对低轨道卫星通信系统产有很大吸引力。因此人们对低轨道卫星通信系统产生浓厚的兴趣。生浓厚的兴趣。