《移動(dòng)通信技術(shù)與系統(tǒng)》課件第3章 移動(dòng)通信的電波傳播

目錄ONTENTS3.1無(wú)線電波的傳播特性3.2移動(dòng)通信的信道特征3.3陸地移動(dòng)信道的傳播損耗與場(chǎng)強(qiáng)估算目錄02

無(wú)線電波的傳播特性3.1

3.1.1電波傳播04無(wú)線電波是一種能量的傳輸形式。發(fā)射天線或者自然產(chǎn)生的輻射源發(fā)出的電磁波，在自然條件下的各種媒質(zhì)中向前行進(jìn)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替變換，稱之為無(wú)線電波的傳播。

3.1.1電波傳播05在傳播的過(guò)程中，無(wú)線電波中的磁場(chǎng)振動(dòng)方向和電場(chǎng)振動(dòng)方向保持相互垂直的狀態(tài)，兩者又同時(shí)垂直于傳播的方向。

3.1.1電波傳播06受到傳播媒質(zhì)的影響，不同的媒質(zhì)中，無(wú)線電波的傳播速度v是不同的。在真空中，無(wú)線電波的傳播速度v等于光速C，C=3×108m/s；在其他媒質(zhì)中，傳播的速度v=C/n，其中，C是光速，n是媒質(zhì)的折射率。一般認(rèn)為，真空的折射率為1，而空氣的折射率與真空非常接近，略大于1，因此常常將空氣的折射率也定義為1，認(rèn)為無(wú)線電波在空氣中的傳播速度等于光速。根據(jù)發(fā)射源的不同，無(wú)線電波的頻率f（單位赫茲，Hz）和波長(zhǎng)λ（單位米，m）也不相同，但兩者都滿足關(guān)系式v=fλ，即無(wú)線電波的傳播速度等于其頻率與波長(zhǎng)的乘積。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的標(biāo)準(zhǔn)，常見的無(wú)線電波波長(zhǎng)與頻率的分類如下表

3.1.1電波傳播07國(guó)際電信聯(lián)盟波段號(hào)碼頻段名稱縮寫頻率范圍波段波長(zhǎng)范圍用法

≤3Hz

≥100,000km

1極低頻ELF3Hz–30Hz極長(zhǎng)波100,000km–10,000km潛艇通訊或者直接換成聲音2超低頻SLF30Hz–300Hz超長(zhǎng)波10,000km–1,000km直接轉(zhuǎn)換成聲音或交流輸電系統(tǒng)（50-60Hz)3特低頻ULF300Hz–3KHz特長(zhǎng)波1,000km–100km礦場(chǎng)通訊或直接轉(zhuǎn)換成聲音4甚低頻VLF3KHz–30KHz甚長(zhǎng)波100km–10km直接轉(zhuǎn)換成聲音、超聲、地球物理學(xué)研究5低頻LF30KHz–300KHz長(zhǎng)波10km–1km國(guó)際廣播、全向信標(biāo)6中頻MF300KHz–3MHz中波1km–100m調(diào)幅(AM)廣播、全向信標(biāo)、海事及航空通訊7高頻HF3MHz–30MHz短波100m–10m短波、民用電臺(tái)8甚高頻VHF30MHz–300MHz米波10m–1m調(diào)頻(FM)廣播、電視廣播、航空通訊9特高頻UHF300MHz–3GHz分米波1m–0.1m電視廣播、無(wú)線電話通訊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、微波爐10超高頻SHF3GHz–30GHz厘米波0.1m–0.01m無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、人造衛(wèi)星接收11極高頻EHF30GHz–300GHz毫米波0.01m–0.001m射電天文學(xué)、遙感、人體掃描安檢儀

≥300GHz

≤0.001m

3.1.1電波傳播08不同波長(zhǎng)的電磁波在傳播的過(guò)程中能夠顯示出不同的特性，表現(xiàn)形式主要是在反射、折射、繞射、散射、吸收的過(guò)程中，電磁波的強(qiáng)度、傳播方向、傳播速度和極化形式等特性發(fā)生變化的情況有所區(qū)別。因此，其使用的方法也有所區(qū)別。在移動(dòng)通信中，使用的電磁波頻段主要屬于微波，即波長(zhǎng)在0.001m至1m，頻率范圍是300MHz至300GHz之間的無(wú)線電波。

3.1.2直射波09在沒有遮擋的情況下，電磁波以直線的形式進(jìn)行傳播，形成直射波。直射波也叫視距傳播，指的是收發(fā)天線處于相互“看得見”的狀態(tài)，中間沒有遮擋物。一般來(lái)說(shuō)，如果接收天線和發(fā)射天線間形成了直射波，則直射波的接收功率相對(duì)于其他種類的傳播方式而言是最強(qiáng)的。

3.1.2直射波10假設(shè)地球半徑為R，發(fā)射天線高度為h1，接收天線高度為h2，傳播距離為d，

由于地球半徑可以看成是定值，因此直射波的傳播距離可以由發(fā)射天線和接收天線的高度決定。

3.1.3大氣中的電波傳播111．大氣層對(duì)地表直射波的影響由于移動(dòng)通信發(fā)射的電磁波是在地球表面附近的大氣中進(jìn)行傳播的，在實(shí)際計(jì)算中，可能需要考慮地球大氣的影響，例如地球大氣對(duì)無(wú)線電波可能產(chǎn)生的折射和衰減的效果。

3.1.3大氣中的電波傳播12如果電磁波是向著空中進(jìn)行傳播，則由于大氣的折射作用，其傳播方向會(huì)逐漸向平行于地面進(jìn)行偏折；如果向地面?zhèn)鞑?，則會(huì)向垂直于地面的方向進(jìn)行偏折，如果在這種情況下考慮直射波的視距傳播，需要進(jìn)行一定程度上的修正，在工程上常用的視距傳播公式為：

3.1.3大氣中的電波傳播132.電離層傳播電離層傳播指的是天線發(fā)出的電波在高空被大氣中的電離層反射后到達(dá)地面接收點(diǎn)的傳播方式，也稱為天波傳播，常用于傳輸中波和短波。電離層是高空大氣層的一部分，從地面的60km高度延伸至1000km的高空。電離層是由于太陽(yáng)輻射造成的大氣分子電離所產(chǎn)生的，因此會(huì)隨著太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱變化而產(chǎn)生變化。在靠近太陽(yáng)的位置，電離的情況相對(duì)較強(qiáng)，因此電離層中高度越高，電子濃度越大，越容易導(dǎo)電。從這個(gè)角度看，電離層也是非均勻介質(zhì)，電波在其中傳播會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射的現(xiàn)象。

3.1.3大氣中的電波傳播14由于電子濃度會(huì)隨著高度的增加而變大，所以折射率會(huì)隨著高度的變大而減小，電離層中底層的折射率最大，越向高處則折射率越小。各個(gè)薄層之間可以使用折射率定律得到：

3.1.3大氣中的電波傳播15設(shè)θ0是進(jìn)入電離層的角度，n0=1，電波在到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，θn=90°，那么根據(jù)式3-5可以得到：

3.1.3大氣中的電波傳播161）最高可用頻率fMAX由于電離層的電子濃度不可能無(wú)限增大，當(dāng)發(fā)射角度不變的時(shí)候，電離層能夠反射的最大電波頻率為：

其中，NMAX是電波發(fā)射時(shí)的電離層最大電子濃度。發(fā)射頻率f越高，就要求反射處電子濃度Nn越高，因此需要在更高的地方才能夠進(jìn)行反射，而反射點(diǎn)越高，意味著電磁波能夠到達(dá)的距離就越遠(yuǎn)。當(dāng)電波的頻率超過(guò)最大頻率fMAX時(shí)，由于電離層此時(shí)不存在比NMAX更高的電子濃度，電磁波將不會(huì)被電離層反射回來(lái)，而穿透電離層，進(jìn)入宇宙空間。

3.1.3大氣中的電波傳播172）最小發(fā)射角度θ0min當(dāng)電磁波發(fā)射頻率f固定的時(shí)候，調(diào)整電波的發(fā)射角度可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角度越小，反射時(shí)需要的Nn就越大。

當(dāng)入射角度小于式所得到的最小角度θ0min，則將電磁波反射回來(lái)所需要的電子濃度會(huì)超過(guò)電離層的最大電子濃度，電磁波將穿透電離層不再回來(lái)。

3.1.3大氣中的電波傳播18由此可知，利用電離層進(jìn)行信號(hào)傳播時(shí)，以發(fā)射天線為中心，一定半徑區(qū)域內(nèi)不會(huì)收到電磁波信號(hào)，稱為靜區(qū)。

3.1.4障礙物的影響與繞射損耗19當(dāng)電磁波在傳輸過(guò)程中遇到障礙物的時(shí)候，會(huì)被障礙物反射，或者在障礙物的邊緣處發(fā)生繞射現(xiàn)象。繞射使電磁波能夠繞過(guò)障礙物，到達(dá)障礙物的背面。

3.1.4障礙物的影響與繞射損耗20電磁波的繞射現(xiàn)象可以使用惠更斯-菲涅耳原理進(jìn)行解釋：行進(jìn)中的波陣面上任一點(diǎn)都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的許多次波所形成的包絡(luò)面，就是原波面在一定時(shí)間內(nèi)所傳播到的新波面。同樣的，可以利用惠更斯-菲涅耳原理可以對(duì)繞射產(chǎn)生的電磁波損耗進(jìn)行計(jì)算。

3.1.4障礙物的影響與繞射損耗21假設(shè)電磁波接收點(diǎn)和發(fā)射點(diǎn)之間存在單刃障礙物時(shí)，可以通過(guò)如下公式進(jìn)行損耗計(jì)算。假設(shè)刃形山峰等效高度為H，則繞射常數(shù)v的計(jì)算公式為：

其中，等效高度H的含義是，發(fā)射源與接收源的連線到山峰最高點(diǎn)的高度差。當(dāng)發(fā)射源與接收源的連線高于山峰最高點(diǎn)時(shí)，山峰的等效高度為負(fù)值；相反，當(dāng)連線高于山峰最高點(diǎn)時(shí)，山峰等效高度為正值。

3.1.4障礙物的影響與繞射損耗22對(duì)不同的繞射系數(shù)，對(duì)應(yīng)的繞射損耗近似值為：

如果出現(xiàn)了兩個(gè)或者兩個(gè)以上的刃形障礙物，則可以根據(jù)單刃的計(jì)算公式進(jìn)一步進(jìn)行推導(dǎo)。目前，常見的求取多刃峰繞射損耗的方法有4種，分別為Bullington算法、Epstein算法、Atlas算法、Deygout算法

3.1.5反射波23靠近地面的電磁波在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)受到地面的影響。當(dāng)電磁波發(fā)射至地面，會(huì)被地表反射至接收點(diǎn)，與直射波一起被接收天線收到，此時(shí)，收到的信號(hào)波就是直射波與反射波的疊加。

3.1.5反射波24設(shè)h1為發(fā)射天線高度，h2為接收天線度，d為天線之間的距離，地面光滑平坦，沒有障礙物，傳輸媒質(zhì)為空氣。如果直射波在接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為Ed，反射波在接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為Er，則直射波和反射波在接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)有效值分別為：

上面兩個(gè)公式中，r是直射波的距離，P1是發(fā)射天線的輸入功率，G1和G2是發(fā)射天線分別在直射波和反射波方向的增益系數(shù)；Δr是反射波和直射波的路程差；λ是工作波長(zhǎng)，|R|和φ是反射點(diǎn)處的反射系數(shù)的模和相位角。

3.1.5反射波25如果滿足r》h1和r》h2，時(shí)，可以認(rèn)為反射角度近似為0。當(dāng)?shù)孛鎸?dǎo)電率為有限值，并且反射角近似為0的時(shí)候，R=1，φ=0。假設(shè)發(fā)射天線的直射波增益和反射波增益相同，Δr≈（2h1h2）/d,直射波和反射波的疊加最終可以簡(jiǎn)化為標(biāo)量疊加，

移動(dòng)通信的信道特征3.2

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落27在陸地上，移動(dòng)通信的終端在各種建筑群中來(lái)回穿梭，其接收信號(hào)的強(qiáng)度是由直射波和反射波共同決定的。假定這些電波來(lái)源于同一個(gè)發(fā)射天線，但是由于傳播的途徑不同，到達(dá)終端時(shí)的幅度和相位都不一樣。而移動(dòng)臺(tái)又在移動(dòng)，因此，移動(dòng)臺(tái)在不同的時(shí)間和不同的地點(diǎn)時(shí)，接收到的信號(hào)合成后的強(qiáng)度都是不同的，這將造成移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)途中接收到的信號(hào)電平起伏不定，最大可以相差30dB以上，這種現(xiàn)象稱之為衰落，它嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落281.衰落的概念由于實(shí)際傳播環(huán)境中復(fù)雜的地形、建筑物和障礙物對(duì)傳播信號(hào)的阻礙、反射、繞射和散射，導(dǎo)致接收信號(hào)的隨機(jī)變化，稱為衰落。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落291）衰落的類型和產(chǎn)生的原因（1）陰影衰落和慢衰落基站發(fā)射的電磁波的傳播路徑遇到阻擋時(shí)，例如起伏的地形或者高大的建筑物，會(huì)在這些障礙物的背面產(chǎn)生陰影區(qū)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)經(jīng)過(guò)陰影區(qū)時(shí)，接收到的信號(hào)均值會(huì)發(fā)生變化，這種變化稱之為陰影衰落。陰影衰落的特點(diǎn)在于：衰落速率與工作頻率無(wú)關(guān)，取決于地形地物的分布、高度以及移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落30同時(shí)，大氣折射也會(huì)產(chǎn)生衰落，在氣象條件發(fā)生變化時(shí)，大氣介電常數(shù)垂直梯度會(huì)發(fā)生緩慢的變化，這種變化會(huì)隨著時(shí)間改變，因此是時(shí)間的函數(shù)。這種由于大氣折射率變化導(dǎo)致的衰落對(duì)電波傳播的影響遠(yuǎn)小于由于障礙物產(chǎn)生的陰影衰落。而這些由陰影效應(yīng)和氣象條件引起的信號(hào)接收電平的變化，主要造成的結(jié)果是接收電平的場(chǎng)強(qiáng)中值緩慢變化，因此稱為慢衰落。慢衰落一般服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，如果用分貝數(shù)表示電平中值，則服從正態(tài)分布。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落31（2）多徑衰落和快衰落當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在城市內(nèi)通信時(shí)，大部分時(shí)間都在建筑物的平均高度以下，很少具備直線傳播路徑，任何一點(diǎn)接收到的信號(hào)都是由大量的發(fā)射信號(hào)疊加而成的。這些發(fā)射波雖然由同一個(gè)天線發(fā)射，但是由于經(jīng)過(guò)的路徑各不相同，其相位是隨機(jī)變化的。因此，合成電波的電平將呈現(xiàn)出快速的隨機(jī)起伏，稱為多徑衰落。這種接收?qǐng)鰪?qiáng)瞬時(shí)值有快速的大幅度的變化，又稱為快衰落，因其統(tǒng)計(jì)特性滿足瑞利分布，又稱為瑞利衰落。其衰落的速率和移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度、工作頻率有關(guān)，衰落的深度與地形地物有關(guān)。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落32

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落33根據(jù)衰落在不同空間、時(shí)間和頻率其衰落特性有所不同，還可以分成空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落?？臻g選擇性衰落：即在不同的地點(diǎn)衰落特性有所不同，又稱為平滑瑞利衰落，是由于天線點(diǎn)波束擴(kuò)散引起的。頻率選擇性衰落：即在不同頻率衰落特性不一樣，是由于時(shí)延擴(kuò)展引起的衰落。時(shí)間選擇性衰落：在不同的時(shí)間衰落特性不一樣，是由于變速移動(dòng)引起頻率擴(kuò)散，在接收點(diǎn)波形產(chǎn)生了時(shí)間選擇性衰落。在實(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)中，三種衰落都存在，形成的原因均是由于多徑傳播引起的。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落342.表征衰落的統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征量衰落的表現(xiàn)形式是接收信號(hào)的電平的隨機(jī)起伏。對(duì)衰落現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)在隨機(jī)起伏的電平之中存在著一定的規(guī)律。這些規(guī)律可以使用一些統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征量進(jìn)行表示。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落351）場(chǎng)強(qiáng)中值當(dāng)接收信號(hào)電平的強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)電平值的持續(xù)時(shí)間，在整個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)超過(guò)一半，那么該電平值就稱為場(chǎng)強(qiáng)中值。根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)中值的定義可以知道，如果場(chǎng)強(qiáng)中值等于接收機(jī)門限，則通信的可通率只有百分之五十，即只有一半的時(shí)間可以通信。所以場(chǎng)強(qiáng)中值必須遠(yuǎn)大于接收機(jī)的門限值，才能保證在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)的正常通信。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落362）衰落深度衰落深度是可用接收電平和場(chǎng)強(qiáng)中值電平之差表示，一般情況下，移動(dòng)通信系統(tǒng)的衰落深度可以達(dá)到20~30dB。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落373）衰落速率衰落速率用來(lái)描述衰落的頻繁程度，即接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)變化的快慢情況。通常用單位時(shí)間內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)包絡(luò)與某個(gè)給定電平值的交點(diǎn)數(shù)的一半來(lái)表示。衰落速率和工作頻率、移動(dòng)臺(tái)的行進(jìn)速度和行進(jìn)方向等有關(guān)。

3.2.1傳播路徑與信號(hào)衰落384）衰落持續(xù)時(shí)間場(chǎng)強(qiáng)低于某一給定的電平值的持續(xù)時(shí)間稱為衰落持續(xù)時(shí)間，用于表示信息傳輸受影響的程度，也可以用來(lái)判斷信令誤碼的長(zhǎng)度。

3.2.2多普勒效應(yīng)39多普勒效應(yīng)是為了紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒而命名的。其主要內(nèi)容是物體輻射的波長(zhǎng)會(huì)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。當(dāng)觀測(cè)者處于在運(yùn)動(dòng)的波源前方的位置上，接收到的波會(huì)被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高，這種現(xiàn)象稱為藍(lán)移；當(dāng)觀測(cè)者在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)，接收到的波的波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低，這種現(xiàn)象稱為紅移。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。

3.2.2多普勒效應(yīng)40在移動(dòng)通信中，由于移動(dòng)臺(tái)會(huì)隨著用戶的移動(dòng)而發(fā)生位移，所以同樣會(huì)存在多普勒效應(yīng)，在用戶靠近基站的過(guò)程中，移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)頻率會(huì)變高，而當(dāng)用戶遠(yuǎn)離基站，移動(dòng)臺(tái)收到的信號(hào)頻率會(huì)變低。信號(hào)頻率變化的幅度和移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度有關(guān)，其變化滿足多普勒頻移的公式：

3.2.2多普勒效應(yīng)41上式中，f是觀察到的頻率，c是光速，v是觀察者和波源的相對(duì)移動(dòng)速度，λ是信號(hào)源的波長(zhǎng)。其中加號(hào)表示的是移動(dòng)臺(tái)正在靠近基站，所以頻率增加了，減號(hào)表示移動(dòng)臺(tái)在遠(yuǎn)離基站，所以頻率變低了。在高速運(yùn)動(dòng)中，由于多普勒頻移帶來(lái)的通信頻率的偏移量不可忽略，是影響移動(dòng)通信信號(hào)質(zhì)量的重要因素。

3.2.3多徑效應(yīng)與瑞利衰落42多徑效應(yīng)，是電波傳播信道中的多徑傳輸現(xiàn)象所引起的干涉延時(shí)效應(yīng)。在實(shí)際的無(wú)線電波傳播信道中(包括所有波段)，常有許多時(shí)延不同的傳輸路徑。各條傳播路徑會(huì)隨時(shí)間變化，參與干涉的各分量場(chǎng)之間的相互關(guān)系也就隨時(shí)間而變化，由此引起合成波場(chǎng)的隨機(jī)變化，從而形成總的接收?qǐng)龅乃ヂ?。因此，多徑效?yīng)是衰落的重要成因。多徑效應(yīng)對(duì)于數(shù)字通信、雷達(dá)最佳檢測(cè)等都有著十分嚴(yán)重的影響。

3.2.3多徑效應(yīng)與瑞利衰落43多徑效應(yīng)不僅是衰落的經(jīng)常性成因，而且是限制傳輸帶寬或傳輸速率的根本因素之一。在短波通信中，為保證電路在多徑傳輸中的最大時(shí)延與最小時(shí)延差不大于某個(gè)規(guī)定值，工作頻率要求不低于電路最高可用頻率的某個(gè)百分?jǐn)?shù)。這個(gè)百分?jǐn)?shù)稱為多徑縮減因子，是確定電路最低可用頻率的重要依據(jù)之一。對(duì)流層傳播信道中的抗多徑措施，通常有抑制地面反射、采用窄天線波束和分集接收等。

3.2.3多徑效應(yīng)與瑞利衰落44抗多徑干擾主要有如下幾個(gè)方面措施：提高接收機(jī)的距離測(cè)量精度，如窄相關(guān)碼跟蹤環(huán)、相位測(cè)距、平滑偽距等；抗多徑天線；抗多徑信號(hào)處理與自適應(yīng)抵消技術(shù)等。

3.2.3多徑效應(yīng)與瑞利衰落45多徑會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰落和相移。瑞利衰落就是一種沖激響應(yīng)幅度服從瑞利分布的多徑信道的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。瑞利分布是一個(gè)均值為0，方差為σ2的平穩(wěn)窄帶高斯過(guò)程，其包絡(luò)的一維分布瑞利衰落是瑞利分布。瑞利分布是最常見的用于描述平坦衰落信號(hào)接收包絡(luò)或獨(dú)立多徑分量接受包絡(luò)統(tǒng)計(jì)時(shí)變特性的一種分布類型。兩個(gè)正交高斯噪聲信號(hào)之和的包絡(luò)服從瑞利分布。

3.2.3多徑效應(yīng)與瑞利衰落46瑞利衰落能有效描述存在能夠大量散射無(wú)線電信號(hào)的障礙物的無(wú)線傳播環(huán)境。若傳播環(huán)境中存在足夠多的散射，則沖激信號(hào)到達(dá)接收機(jī)后表現(xiàn)為大量統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨機(jī)變量的疊加，根據(jù)中心極限定理，則這一無(wú)線信道的沖激響應(yīng)將是一個(gè)高斯過(guò)程。如果這一散射信道中不存在主要的信號(hào)分量，通常這一條件是指不存在直射信號(hào)，則這一過(guò)程的均值為0，且相位服從0到2π的均勻分布。即，信道響應(yīng)的能量或包絡(luò)服從瑞利衰落分布。

3.2.3多徑效應(yīng)與瑞利衰落47

3.2.3多徑效應(yīng)與瑞利衰落48瑞利衰落模型適用于描述建筑物密集的城鎮(zhèn)中心地帶的無(wú)線信道。密集的建筑和其他物體使得無(wú)線設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒有直射路徑，而且使得無(wú)線信號(hào)被衰減、反射、折射、衍射。在曼哈頓的無(wú)線環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)氐臒o(wú)線信道環(huán)境確實(shí)接近于瑞利衰落。通過(guò)電離層和對(duì)流層反射的無(wú)線電信道也可以用瑞利衰落來(lái)描述，因?yàn)榇髿庵写嬖诘母鞣N粒子能夠?qū)o(wú)線信號(hào)大量散射。瑞利衰落屬于小尺度的衰落效應(yīng)，它總是疊加于如陰影、衰減等大尺度衰落效應(yīng)上。

3.2.4慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備49在無(wú)線通信系統(tǒng)中，由障礙物阻擋造成陰影效應(yīng)，接收信號(hào)強(qiáng)度下降，但該場(chǎng)強(qiáng)中值隨地形地物的改變變化緩慢，故稱慢衰落。又稱為陰影衰落、對(duì)數(shù)正態(tài)衰落。慢衰落的場(chǎng)強(qiáng)中值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，且與位置/地點(diǎn)相關(guān)，衰落的速度取決于移動(dòng)臺(tái)的速度。

3.2.4慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備50慢衰落典型例子有降水衰減和次折射引起的繞射衰減；后者是由于發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的直射線彎曲而被地面阻擋所形成的。這類衰減發(fā)生時(shí)，接收信號(hào)電平低于正常值，從而形成衰落。這種衰落通常稱為衰減型衰落。其中，降水和次折射條件下的繞射所形成的衰落，分別稱為降水衰落和繞射衰落。為保證通信質(zhì)量和通信可靠性(用可用度表示)。常規(guī)微波頻段通信系統(tǒng)為了保證足夠的性能指標(biāo)(誤碼指標(biāo))一般會(huì)預(yù)先在鏈路設(shè)計(jì)上預(yù)留30~50dB的鏈路裕度(或稱衰落儲(chǔ)備)。

3.2.5多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬511.多徑時(shí)散多徑時(shí)散是指由于多徑傳輸而引起信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散的現(xiàn)象。假設(shè)基站發(fā)射一個(gè)極短的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)多徑信道后，移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)呈現(xiàn)為一串脈沖，結(jié)果使脈沖寬度被展寬。這種因多徑傳播造成信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散的現(xiàn)象，稱為多徑時(shí)散。由于多徑性質(zhì)是隨時(shí)間而變化的，如果進(jìn)行多次發(fā)送試驗(yàn)，則接收到的脈沖序列是變化的。

3.2.5多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬52在接收方收到的信號(hào)為N個(gè)不同路徑傳播的信號(hào)之和，即：

上式中，ai是第i條路徑的衰減系數(shù)，τi是第i條路徑的相對(duì)時(shí)延差。由于實(shí)際上各個(gè)脈沖幅度是隨機(jī)變化的，它們?cè)跁r(shí)間上可以互不重疊，也可以相互重疊，甚至隨移動(dòng)臺(tái)周圍散射體數(shù)目的增加，所接收到離散脈沖會(huì)變成有一定寬度的連續(xù)信號(hào)脈沖。

3.2.5多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬532.相干帶寬相干帶寬是一定范圍內(nèi)頻率的統(tǒng)計(jì)測(cè)量值，是建立在信道上所有譜分量均以幾乎相同的增益及線性相位通過(guò)的基礎(chǔ)上的。也就是說(shuō)，相干帶寬是指某一特定的頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。在這種條件下，頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個(gè)正弦信號(hào)受信道影響大不相同。如果相干帶寬定義為頻率相關(guān)函數(shù)大于0.9的某特定帶寬，則相干帶寬近似為：

3.2.5多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬54其中，στ是時(shí)延擴(kuò)展。到目前為止，相干帶寬與時(shí)延擴(kuò)展之間不存在確定的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，譜分析技術(shù)與仿真可用于確定時(shí)變多徑系統(tǒng)對(duì)某一特定發(fā)送信號(hào)的影響。因此，在無(wú)線應(yīng)用中，設(shè)計(jì)特定的調(diào)制解調(diào)方式必須采用精確的信道模型。

陸地移動(dòng)信道的傳播損耗與場(chǎng)強(qiáng)估算3.3

3.3.1地形、地物分類561.地形分類陸地表面各種各樣的形態(tài)，總稱地形。地形是指地貌和地物的統(tǒng)稱。地貌是地表面高低起伏的自然形態(tài)，地物是地表面自然形成和人工建造的固定性物體。不同地貌和地物的錯(cuò)綜結(jié)合，就會(huì)形成不同的地形，如平原、丘陵、山地、高原，盆地等。

3.3.1地形、地物分類57在移動(dòng)通信中，是按照?qǐng)鰪?qiáng)中值進(jìn)行地形分類的，將地形分為準(zhǔn)平滑地形和不規(guī)則地形，兩者的區(qū)別如下表所示：

地形平均起伏高度準(zhǔn)平滑地形平坦5~10m準(zhǔn)平坦10~20m不規(guī)則地形起伏20~40m丘陵40~80m山區(qū)80m以上

3.3.1地形、地物分類582.地物分類障礙物的不同會(huì)造成電波傳播條件不同，地物的分類情況一般是按照地面障礙物的密集程度和屏蔽程度進(jìn)行的，一般分為開闊地、郊區(qū)和城市三種類型。開闊地：在電波傳播路徑上無(wú)高大樹木、建筑物等障礙物，呈開闊狀地面；郊區(qū)平坦地形：在基站附近有一些障礙物，障礙物為1~2層樓房。城市：有較稠密的建筑物和高層樓房。

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值591.Okumora模型（OM模型）對(duì)于陸地移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)，通常移動(dòng)臺(tái)在移動(dòng)中進(jìn)行信息交換，且電波傳播的路徑時(shí)刻變化，影響電波傳播的地形地物也隨之變化，必須利用統(tǒng)計(jì)結(jié)果獲得準(zhǔn)確預(yù)測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度的方法。場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的方法很多，基本的預(yù)測(cè)方法相似，均以某一地形地物狀況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為參考給出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其他地形地物給出修正因子予以矯正。

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值60OM模型是以日本東京城市場(chǎng)強(qiáng)中值實(shí)測(cè)結(jié)果得到的經(jīng)驗(yàn)曲線構(gòu)成的模型，將城市視為“準(zhǔn)平滑地形”，給出城市場(chǎng)強(qiáng)中值，對(duì)于其他地形或地物情況，給出修正值，在場(chǎng)強(qiáng)中值基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。此模型的適用范圍是：工作頻率：100-1500MHz基站天線高度：30~200m移動(dòng)臺(tái)天線高度：1~10m通信距離：1~20km

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值612.市區(qū)傳播損耗中值在中等起伏地形，市區(qū)的損耗計(jì)算公式是：

在上式中：Lfs為自由空間傳播損耗。Am（f，d）為基本中值損耗，它是以hb=200m，hm=3m，以自由空間路徑損耗作為參考的數(shù)值。Hb(hb,d)：基站天線高度增益因子，指當(dāng)hb不等于200m時(shí)的損耗修正值。Hm(hm,f)：移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子，指當(dāng)hm不等于3m時(shí)的損耗修正值。

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值62自由空間傳播損耗，是指電磁波在自由空間中傳播產(chǎn)生的損耗。自由空間是一個(gè)理想空間，在其中電波沿直線傳播，不被吸收，不會(huì)被反射、折射、繞射和散射，電磁波能量沒有損失，就像在真空中一樣。但是在電波傳播中，由于信號(hào)從天線發(fā)散傳播，在接收點(diǎn)接收機(jī)只能收到發(fā)射機(jī)信號(hào)的一部分，由此產(chǎn)生的損耗稱為自由空間傳播損耗。自由空間傳播損耗的計(jì)算方法為：d是天線間距離，單位是km；f是電磁波頻率，單位是MHz。

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值63如果要得到Am的值，可以根據(jù)傳播距離d和電波頻率f，利用圖3-13進(jìn)行查找。

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值64上圖3-13中對(duì)天線的高度進(jìn)行了限制，通常情況下，天線有效高度與規(guī)定的數(shù)值不同的話，也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。同樣，如果移動(dòng)臺(tái)天線高度與上面的情況不一致，也會(huì)影響到損耗中值，因此，同樣需要對(duì)兩者進(jìn)行修正。

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值653.郊區(qū)、開闊地?fù)p耗中值郊區(qū)的建筑物一般是分散的，低矮的，所以傳播條件比市區(qū)要好，郊區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)中值與基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值的差距稱之為郊區(qū)修正因子kmr，計(jì)算方法是用市區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)衰減中值減去郊區(qū)修正因子，就能夠得到郊區(qū)的衰減中值。Kmr的變化情況主要與頻率和距離有關(guān)，與基站天線高度的關(guān)系不大，一般來(lái)說(shuō)，Kmr越大，說(shuō)明傳播條件越好。

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值66

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值67開闊地、準(zhǔn)開闊地由于接收條件良好，其衰減中值比市區(qū)衰減中值更小，其計(jì)算方法是在市區(qū)的衰減中值的基礎(chǔ)上減去相應(yīng)的修正因子。其中，開闊地修正因子是Q0，準(zhǔn)開闊地修正因子是Qr。兩個(gè)修正因子都是僅與頻率和距離有關(guān)。需要注意的是，某一地區(qū)不可能既是市區(qū)，又是郊區(qū)或者是開闊地。所以三者的修正是相互排斥的，在計(jì)算中需要確定好地形之后，使用其中的一種。另外，郊區(qū)和開闊地、準(zhǔn)開闊地的修正因子是正值，表示地形對(duì)信號(hào)的增益作用，所以在計(jì)算其損耗中值的時(shí)候應(yīng)該是做減法運(yùn)算，即用損耗中值減去增益因子。想要得到開闊地或者準(zhǔn)開闊地的修正因子，可以利用下圖3-16。

3.3.2中等起伏地形上傳播損耗的中值68

3.3.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值691.丘陵地形丘陵地形的主要參數(shù)是“地形起伏高度Δh”，含義是自接收移動(dòng)臺(tái)向發(fā)射的基站方向延伸10km的范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%處的高度差。與Δh相關(guān)的場(chǎng)強(qiáng)中值修正因子為Kh，除此之外還有稱為丘陵地微小修正因子的Khr，這一項(xiàng)是考慮在丘陵中，谷底和山峰處的屏蔽作用不同而設(shè)立的。

3.3.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值70在計(jì)算丘陵地形的場(chǎng)強(qiáng)中值時(shí)，先按照?qǐng)D3-17（a）進(jìn)行修正，再按照?qǐng)D3-17（b）進(jìn)行計(jì)算，最終得到丘陵地區(qū)的衰落場(chǎng)強(qiáng)中值。

3.3.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值712.孤立山丘的修正因子當(dāng)電波傳播路徑上存在近似刃形的單獨(dú)山丘時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算需要考慮繞射衰減。繞射衰減的修正因子為Kjs，其條件是山丘的高度定義為200m，以山丘到發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的距離為參考進(jìn)行修正。如果山丘的高度并不是200m，就需要使用高度影響系數(shù)α=0.07√H進(jìn)行修正。修正因子因此會(huì)變?yōu)椤唉罧js”。

3.3.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值72

3.3.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值733.斜坡地形修正因子斜坡地形是指在5~10km內(nèi)地形傾斜，在電波傳播方向上，若地形逐漸增高，則稱為正斜坡，傾角為正值；否則為負(fù)斜坡，傾角為負(fù)值。傾角θm單位為毫弧度（mrad）。斜坡修正因子Ksp如下圖所示。

3.3.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值74

3.3.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值754.水陸混合地形修正因子如果傳播路徑當(dāng)中存在水域，則接收信號(hào)會(huì)有一定的增強(qiáng)，該種地形以水面距離和全距離的比值作為地形參數(shù)。其修正因子Ks可以用下圖得到。

3.3.3不規(guī)則地形上傳播損耗的中值76上圖3-20中，曲線A實(shí)線表示水面位于移動(dòng)臺(tái)一側(cè)時(shí)混合路徑的修正因子，曲線B表示水面位于基站一側(cè)時(shí)的情況。如果水面是在傳播路徑中間，取曲線的中間值。

3.3.4任意地形地區(qū)的傳播損耗中值77前面已經(jīng)討論了各種地形地物情況下的衰減中值變化，由此可以得到對(duì)信號(hào)中值較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。計(jì)算時(shí)，以準(zhǔn)平滑市區(qū)的信號(hào)衰減場(chǎng)強(qiáng)中值為基準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際傳播路徑的地形地物情況進(jìn)行修正。在給定發(fā)射功率的條件下，準(zhǔn)平滑市區(qū)的接收功率中值為

3.3.4任意地形地區(qū)的傳播損耗中值78如傳播路徑上的地形地物不是準(zhǔn)平滑的市區(qū)，應(yīng)根據(jù)地形地物的修正，在Pp中加上適當(dāng)?shù)男拚蜃?。因此，在任意地形下的接收功率為?/p>

其中根據(jù)具體情況，KT可能是一項(xiàng)或者多項(xiàng)的總和。

3.3.4任意地形地區(qū)的傳播損耗中值79如果要計(jì)算衰減，一樣可以得到：

3.3.4任意地形地區(qū)的傳播損耗中值80例：某一移動(dòng)信道，工作頻段為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動(dòng)臺(tái)天線高度為3m，天線增益為0dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為中等起伏地，通信距離為10km。試求：(1)傳播路徑損耗中值；(2)若基站發(fā)射機(jī)送至天線的信號(hào)功率為10W，求移動(dòng)臺(tái)天線得到的信號(hào)功率中值。

3.3.4任意地形地區(qū)的傳播損耗中值81解：(1)根據(jù)已知條件，KT=0,LA=LT，首先計(jì)算自由空間傳播損耗［Lfs］=32.44+20lgf+20lgd=32.44+20lg450+20lg10=105.5dB由圖查得市區(qū)基本損耗中值A(chǔ)m(f,d)=27dB；基站天線高度增益因子Hb(hb,d)=-12dB；移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子Hm(hm,f)=0dB；把上述各項(xiàng)代入式(3-20)，可得傳播路徑損耗中值為L(zhǎng)A=LT=105.5+27+12=144.5dB(2)基站發(fā)射的信號(hào)為10W=40dBm移動(dòng)臺(tái)得到的功率中值=基站發(fā)射功率中值+天線增益-傳播路徑損耗中值

=40dBm+6dB-144.5dB=-98.5d