无线电传播基础知识new

1、 本文由bblong_xp贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 无线电波传播基础知识 中兴通讯股份有限公司 中兴通讯，版权所有 使用说明 欢迎您使用【无线电波传播基础教材】 ，为方便您的使用，请仔细阅读以下说明。 一、适用范围 本教材专门为培训开发，只适用于部门员工、客户、外包商培训需要，本教材不作为解决设备 问题、处理现场故障的依据。 二、组 成 本教材共一册，包含的课程如下： 编号 课 程 名 称 无线电波传播基础知识 第一册 单击此处键入模块名称 单击此处键入模块名称 第二册 单击此处键入模块名称 单击此处键入模块名称 第三册 单击此

2、处键入模块名称 本教材以 GSM 产品的版本为依据进行编写， 随着设备版本不断更新， 我们会尽力把版本更新的 内容补充到教材中，如果教材内容与贵单位使用的设备版本有所出入，敬请谅解！ 三、特殊符号约定 中兴通讯，版权所有 ：知识点在每一个二级目录前面提示读者教材内容要点或精髓，务请仔细 阅读理解。 ：注意与操作有关，表示若不按要求操作，可能达不到操作效果。 ：警告与操作有关，表示若不按提示操作可能造成对设备和人身的伤害。 ：说明对教材重要内容的补充解释或提示相关链接。 四、版本演进 版本 时间 演进内容 五、编者心声 感谢您使用本教材，我们的点滴进步都离不开您的支持和帮助，对于教材中错漏之处，

3、恳请批 评指正！您可以通过下面的电话、传真与我们联系。 联系电话：（021）68895710 传 真：（021）50800813 移动网规网优部 2007 年 07 月 中兴通讯，版权所有 课程模块名称 课程目标： 课程目标： 了解电磁波的产生和传播、几个相关基本概念及波段划分 掌握无线电波在自由空间的传播及视距传播的极限距离 掌握无线电波几种实际传播途径及陆地移动通信环境特点 无线电波的衰落特性（重点为快衰落和慢衰落） 了解菲涅尔区、多普勒频移及时间色散几种现象 了解常用的宏蜂窝及微蜂窝模型 参考资料： 参考资料： 电波传播概论 电波传播与信道模型 移动通信 中兴通讯，版权所有 目 录 第

4、1 章 电磁波基础 5 1.1 电磁波的产生 5 1.2 电磁波的传播 6 1.3 电磁波的几个相关基本概念 6 1.3.1 电磁波的传播速度 v 6 1.3.2 电磁波的波长 7 1.3.3 电磁波的频率 f 7 1.3.4 近区场、感应区及辐射区 8 1.3.5 几个相关单位 9 1.3.5.1 功率单位 w 和 dBm 9 1.3.5.2 表征相对值的单位 dB 与 dBc 9 1.3.5.3 天线增益的单位 dBi 和 dBd 10 1.3.5.4 dBuv 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 1.4 电磁波波段的划分 11 第 2 章 无线电波的传播 15 2.1 无线电波在自由

5、空间中的传播 15 2.1.1 自由空间的路径损耗计算公式 15 2.1.2 自由空间路损公式的推导 16 2.1.2.1 自由空间的功率通量密度 Pd（w/m2） 16 2.1.2.2 天线孔径 Ae 和天线增益 G 17 2.1.2.3 接收信号功率 Pr（w） 17 2.1.2.4 自由空间的路径损耗 PL（dB） 17 2.2 视距与非视距传播 18 2.2.1 视距传播 18 2.2.1.1 视距传播的一般形式 18 2.2.1.2 视距传播的极限距离 18 2.2.2 非视距传播 19 2.2.2.1 绕射波 19 2.2.2.2 对流层反射波 20 2.2.2.3 电离层反射波

6、20 中兴通讯，版权所有 2.3 无线电波的实际传播途径 21 2.3.1 直射 21 2.3.2 反射与折射 22 2.3.3 绕射（衍射） 23 2.3.4 散射 24 2.3.5 穿透 24 2.4 陆地移动通信环境特点 25 2.4.1 传播环境的复杂性 25 2.4.2 移动台的随机移动性 25 2.4.3 信号电平随机变化 25 2.4.4 传播的开放性 25 2.4.5 人为噪声现象严重 26 2.4.6 波导效应 26 2.5 无线电波的衰落特性 26 2.5.1 慢衰落（阴影衰落） 27 2.5.1.1 慢衰落的概念 27 2.5.1.2 慢衰落的对数正态分布 28 2.5.

7、1.3 慢衰落余量的计算 30 2.5.1.4 慢衰落余量的计算举例 35 2.5.2 快衰落（瑞利衰落） 36 2.5.2.1 快衰落的概念 36 2.5.2.2 快衰落的三个选择性特性 37 2.5.2.3 快衰落的几个特征量 39 2.5.2.4 快衰落的瑞利分布 40 2.5.2.5 快衰落余量的预留 42 2.6 菲涅尔区和多普勒频移、时间色散 42 2.6.1 菲涅尔区与菲涅尔余隙 42 2.6.1.1 第一菲涅尔区及最小菲涅尔半径 42 2.6.1.2 菲涅尔余隙 44 2.6.2 多普勒频移 45 2.6.2.1 多普勒效应 45 2.6.2.2 多普勒频移 46 2.6.3

8、时间色散和均衡 47 2.6.3.1 时间色散 47 2.6.3.2 均衡 48 -ii- 第 3 章 无线电波传播模型 51 3.1 OKUMURA-HATA 模型 51 3.2 COST-231 模型 57 3.3 通用模型 58 3.4 COST231-WALFISH-IKEGAMI 模型 61 -iii- 第1章 电磁波基础 章 电磁波 知识点 电磁波的产生和传播 电磁波的几个相关基本概念，如波长、频率、传播速度，dB，dBm，dBuv 等 无线电波波段的划分 1.1 电磁波的产生 电磁波的产生 Maxwell 建立了宏观电磁场现象的统一理论，奠定了无线电技术理论基础。在时 变电磁场中

9、，变化的磁场激发旋涡电场；而变化的电场同样可以激发涡旋磁场。 电场与磁场之间的相互激发可以脱离电荷和电流而发生。 电场与磁场的相互联系， 相互激发，时间上周而复始，空间上交链重复，这一过程预示着波动是电磁场的 基本运动形态。他的这一预言在 Maxwell 去世后（1879 年）不到 10 年的时间内， 由德国科学家 Hertz 通过实验证实，从而证明了 Maxwell 的假设和推广的正确性。 图 1.1-1 电磁波的产生 5 1.2 电磁波的传播 电磁波的 电磁波是一种能量传输形式，以 TEM 波（横电磁波）的形式传播，类似于池塘 的波纹，在传播过程中波的能量会逐渐减弱。电场和磁场在空间是相互

10、垂直的， 同时这两者又都垂直于传播方向，如下图： 图 1.2-1 电磁波的传播 1.3 电磁波的几个相关基本概念 电磁波的几个相关基本概念 1.3.1 电磁波的传播速度 v 电磁波的传播速度 电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化。电磁波在真空中传播的速度，等 于光在真空中传播的速度。光和电磁波在本质上是相同的，可以理解为光是具有 一定波长的电磁波。电磁波在真空中的传播速度等于光速，我们用108 米秒表示。在其他媒质中的传播速度为： /sqrt() 式中为传播媒质的介电常数。空气的介电常数与真空的很接近，略大于。因 此电磁波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们认为就等于光速。 -6- 第1

11、章 电磁波基础 1.3.2 电磁波的波长 电磁波的波长 电磁波的传播具有周期性，这又包括时间周期性和空间周期性。 在任意时刻，波长在空间的分布具有周期性，即物理量在空间周期分布，这种周 期性用波长 来描述。 可以这样理解： 电磁波的波长是指电磁波在介质中传播时， 相邻两个波峰与波峰之间，或者波谷与波谷之间的距离，单位为米。 图 1.3-1 电磁波的波长 1.3.3 电磁波的频率 f 电磁波的频率 我们已经知道，电磁波不仅具有空间上的周期性，还具有时间周期性。 在波场中任一位置（点） ，该点的物理量经过一定的时间后又恢复原来的数值，具 有时间周期性。这种周期性可以用振动的周期 T 来描述，振动的

12、频率为周期的倒 数，表示为 f=1/T，单位为 Hz。 图 1.3-2 电磁波的频率 波长、频率、传播速度满足如下关系： =v/f 由上述关系式不难看出，同一频率的电磁波在不同的媒质中传播时，速度是不同 的，因此波长也不一样。在研究移动通信中的无线电波在自由空间传播时，V 可 认为是光速，上述公式为 =c/f -7- 1.3.4 近区场、感应区及辐射区 区场、 感应区及辐射区 电磁场有三个尺度，分别为源区尺度、电磁波波长及场点至源点距离，分别表示 为：|r|， 和|r|，用图表示为 图 1.3-3 电磁场的三种尺度 内圈看作|r|，表示由源直接产生的静态电磁场；外圈看作|r|，是由电磁场相互激

13、 发产生的电磁场。 根据上面的三个尺度，我们将整个电磁场分为近区场、感应区和辐射区。 （1） 近区场 |r-r|/1，即源直接激发的静态场远小于电磁场相互激发而形成的电磁场，此时 电磁场主要以波动形式将源的能量辐射出去，这一区域称为远场区，或者称为辐 射区，是我们在电磁波传播中研究最多的部分，也是我们关注的重点。 远场区的判决条件，应满足 Fraunhofer（弗朗荷费）距离条件。 d 2 D2/ 且，d D 且，d 其中 D 为天线最大尺寸，为电磁波波长，d 为与天线的距离。 -8- 第1章 电磁波基础 例如：GSM900，天线长 2 米，则远区条件为： d 2 D2/=24/0.333=2

14、4m 并考虑 d D，远区一般应在 50m 以上。 1.3.5 几个相关单位 几个相关单位 1.3.5.1 功率单位 w 和 dBm W 是功率的单位，dBm(dBw，dBKW)是考征功率绝对值的对数标度定义，与 w 之间的转换关系为： P(dBm)=10lg（P(W)/10-3） （ ） 同样的 dBw 与 dBkw 与 W 的对应换算关系如下： P(dBw)=10lg（P(W)） （ ） P(dBKW)=10lg（P(W)/103） （ ） 【例 1】 如果发射功率 P 为 1mw，折算为 dBm 后为 0dBm。 【例 2】对于 40W 的功率，按 dBm 单位进行折算后的值应为： 10

15、lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。 1.3.5.2 表征相对值的单位 dB 与 dBc 表征相对值的单位 1、增益（或损耗）Gxx 倍，无量纲。 增益一般是在有源器件中对放大器等元器件放大能力的衡量。加入输入功率为 Pin，输出功率为 Pout，则增益 G=Pout/Pin。 【例 1】输出功率 Pout=GPin 【例 2】级联系统传输系数 GG1G2G3Gn（非线性） 2、无线电信号在传播路径损耗上是路径的幂函数，具有对数线性。 功率增益（或损耗）G(dB)=10lgG（单位为 dB 无量纲 ） 【例 1】某功率放大器放

16、大倍数 200 倍，则功率增益10lg200=23dB 【例 2】级联系统传输系数 G (dB)=10lg （G1G2G3Gn） = 10lgG1+10lgG2+10lgG3+10lgGn （单位为 dB） -9- 3、dBc dBc 也是一个表示功率相对值的单位， dB 的计算方法完全一样。 与 一般来说， dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对 值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、 杂散等的相对量值。 在采用 dBc 的地方，原则上也可以使用 dB 替代。 1.3.5.3 天线增益的单位 dBi 和 dBd

17、 天线增益 增益的单位 天线是无源器件，但也有“增益”的概念。这个概念与放大能力无关，而主 要是指相对于一个等功率各向同性的辐射器（理想点源）或者单一对称半波振子 而言，由于改变其在各个方向上的功率分配，使其在某个方向上产生了一定增益。 天线的增益一般与天线方向图有关，相同振子的条件下，方向图主瓣越窄，后瓣、 副瓣越小，增益越高。 根据相对对象的不同，天线增益的单位为 dBi 和 dBd。 图 1.3-4 理想电源 图 1.3-5 单一对称半波振子 dBi-天线相对于理想电源的增益 dBd-天线相对于单一对称半波振子的增益 两者的关系为 -10- 第1章 电磁波基础 dBi=2.15+dBd

18、图 1.3-6 dBi 与 dBd 1.4 电磁波波段的划分 电磁波波段的划分 可见光、紫外线、红外线、无线电波、X 射线等都是电磁波，只是他们的产 生方式和波长不同。下面是电磁波不同波段的光谱划分： -11- 图 1.4-1 电磁辐射谱 无线电波分布在 3Hz 到 3000GHz 之间， 在这个频谱内划分为 12 个带， 在不同的频 段内的频率具有不同的传播特性。频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远；而 且频率越低，绕射能力越强。但是，低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此 主要应用于广播、电视、寻呼等系统。 高频段频率资源丰富，系统容量大；但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越 近；而且频

19、率越高，绕射能力越弱。另外频率越高，技术难度越大，系统的成本 也相应提高。 移动通信系统选择所用频段要综合考虑覆盖效果和容量。UHF 频段与其他频段相 比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好，因此被广泛应用于移动通信领域。当 然，随着人们对移动通信的需求越来越多，需要的容量越来越大，移动通信系统 必然要向高频段发展。 -12- 第1章 电磁波基础 微 波 波段 极长波（EFL，极低频） 特长波（SLF，特低频） 超长波（ULF，超低频） 甚长波（VLF，甚低频） 长波（LF，低频） 中波（MF，中频） 短波（HF，高频） 超短波（VHF，甚高频） 分米波（UHF，超高频） 厘米波（SHF，特高频

20、） 毫米波（EHF，极高频） 亚毫米波（超级高频） 频率范围 330Hz 30300Hz 3003000Hz 330KHz 30300KHz 3003000KHz 330MHz 30300MHz 3003000MHz 330GHz 30300GHz 3003000GHz 波长范围 5 4 10 10 km 4 3 10 10 km 3 2 10 10 km 2 10 10km 101km 3 2 10 10 m 2 10 10m 101m 2 10 10cm 101cm 101mm 10.1mm 图 1.4-2 无线电波波段的划分 -13- 第2章 无线电波的传播 章 无线电波的传播 知识点

21、无线电波在自由空间的传播及视距的极限传播距离计算 无线电波的几种实际传播途径，包括直射、反射、折射、绕射、散射及穿透等 陆地移动通信环境的特点 无线电波在空间中的衰落特性及阴影衰落余量的计算 菲涅尔区、多普勒频移和时间色散 2.1 无线电波在自由空间中的传播 无线电波在自由空间中的传播 2.1.1 自由空间的路径损耗计算公式 所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播， 它是理想传播条件。 电波在自由空间传播时， 其能量既不会被障碍物所吸收， 也不会产生反射或散射。 自由空间的电波传播公式为： PL(dB)=32.44+20lgf（MHz）+20lgd（km） （ ） （ ） 其中，

22、PL 为自由空间的路损 Path Loss，单位是 dB，他只与载波的频率和接收点 与发射点的距离有关； f 为载波的频率，单位是 MHz； d 为发射源与接收点的距离，单位是 km。 自由空间基本传输损耗 Ls 仅与频率 f 和距离 d 有关。当 f 和 d 扩大一倍时，Ls 均增加 6dB，由此我们可知 GSM1800 基站传播损耗在自由空间就比 GSM900 基 站大 6 个 dB，如图所示。 15 图 2.1-1 自由空间中 GSM900 与 1800M 的比较 下面我们来看看这个公式是如何推导出来的。 2.1.2 自由空间路损公式的推导 2.1.2.1 自由空间的功率通量密度 Pd（

23、w/m2） （ 假设在自由空间中，能量以球面方式辐射，如下图： 图 2.1-2 电磁波在自由空间中的球面辐射 假设源的发射功率为 Pt（w） ，在不考虑天线增益的情况下，在半径为 d（m）的 球表面积的辐射功率密度为 Pd（w/m2） ， -16- 第2章 无线电波的传播 2.1.2.2 天线孔径 Ae 和天线增益 G 天线孔径 Ae，可以理解成垂直于辐射通量的天线面积。 天线增益 G，是衡量了天线电磁转换的能力和效率，与天线孔径 Ae 及载波波长 有关，满足如下公式： 2.1.2.3 接收信号功率 Pr（w） 接收信号 信号功率 （ ） Pr=PdAe 那么在位置 d 处，接收信号的功率 P

24、r 为通过该处球表面积的辐射功率， 系统因子 K 取决于天线增益 （接收天线增益 Gr 和发射天线增益 Gt） 系统损耗因 、 子（L）和载波的波长（） 。将（1）（2）中的公式代入（3）中，可以得到： 、 如果不考虑天线的增益 Gt，Gr，也不考虑系统损耗因子 L，即经过各种器件的增 益与损耗都不计入，则此时公式可变为： Pr（d）=Pt*2/d2*(4 )2 2.1.2.4 自由空间的路径损耗 PL（dB） 自由空间的路径损耗 （ ） PL(dB)=Pt(dB)-Pr(dB) =-10lg2/d2*(4 )2 =-20lg+20lgd+20lg4 =-20lg(C/f)+ 20lgd+20

25、lg4 =20lg(4 /C)+20lgf(MHz)+20lgd(km) C=3105(km/s)/106，代入上式，可得到 PL(dB) =20lg（4* /0.3）+20lgf(MHz)+20lgd(km) = 32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km) -17- 如果需要考虑天线增益 Gt（dBi） ，Gr（dBi）与系统损耗因子 L（dB）的话，那 么上式应该调整为： PL(dB)= 32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)-Gt(dBi)-Gr(dBi)+L(dB) 2.2 视距与非视距传播 视距与非视距 与非视距传播 2.2.1 视距传播 2.2.1.1 视距

26、传播的一般形式 视距传播的一般形式主要是直射波及地面反射波的叠加，结果可能使信号加强， 也可能使信号减弱。 图 2.2-1 一般视距传播的形式 2.2.1.2 视距传播的极限距离 超短波特别是微波，频率很高，波长很短，它的地表面波衰减很快，因此不能依 靠地表面波作较远距离的传播。超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。 简单地说，空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率 使空间波传播存在一个极限直视距离 Rmax。在最远直视距离之内的区域，习惯 上称为照明区；极限直视距离 Rmax 以外的区域，则称为阴影区。不言而语，利 用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限

27、直视距离 Rmax 内。 受地球曲率半径的影响，已知地球半径为 R=6370km，极限直视距离 Rmax 和发 射天线与接收天线的高度 HT 与 HR 间的关系为： Rmax 3.57（HT (m) +HR (m) ） (km) （ -18- 第2章 无线电波的传播 图 2.2-2 视距传播的极限 考虑到大气层的不均匀性对电波传播的影响，等效为地球半径 R=8500km，极限 直视距离应修正为： Rmax 4.12 HT (m) +HR (m) (km) 由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视距离 Re 约为 极限 直视距离 Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax

28、。 例如，HT 与 HR 分别为 49 m 和 1.7 m，则有效直视距离为 Re = 24 km . 2.2.2 非视距传播 非视距传播的一般形式有：绕射波、对流层反射波及电离层反射波等。 2.2.2.1 绕射波 2.2-3 绕射波 绕射波是建筑物内部、或阴影区域信号的主要来源。绕射波的强度受传播环境影 响很大，且频率越高，绕射信号越弱。 -19- 2.2.2.2 对流层反射波 图 2.2-4 对流层反射波 对流层反射波，产生于对流层。对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。 它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层 方式应用于波长小于 10 米（即频率大于

29、 30MHz）的无线通信中。对流层反射波 具有极大的随机性。 2.2.2.3 电离层反射波 图 2.2-5 电离层反射波 当电波波长小于 1 米（频率大于 300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射 的电波可能有一个或多个跳跃，因此这种传播用于长距离通信。同对流层一样， 电离层也具有连续波动的特性。 -20- 第2章 无线电波的传播 2.3 无线电波的实际传播途径 无线电波的实际传播途径 在自由空间中由于没有阻挡，电波传播只有直射，不存在其它现象。而在实 际传播环境中由于存在各种各样的地物从而影响到电波的传播，使得电波的传播 既有直射、又有反射、绕射和衍射等，造成电波传播的多样性和复杂性，

30、也就增 大了对电波传播研究的难度。 无线电波在空间中的传播有四种情况：直射，反射，绕射和散射，如下图所 示： 图 2.3-1 无线电波在空间中的传播有四种情况 另外，对于用宏基站覆盖的室内用户而言，还有一部分信号来源与无线电波的建 筑物穿透。 2.3.1 直射 直射，在视距内可以看作无线电波在自由空间中传播。 在自由空间中,电波沿直线传播而不被吸收,也不发生反射、 折射和散射等现象 而直接到达接收点的传播方式。 直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗， 公式同自由空间中的路损公式，如下： PL(dB)= 32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km) -21- 2.3.2 反射与折射

31、 反射与折射 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、 建筑物和墙壁表面等。 电磁波在不同介质的交界处会发生反射和折射，这个介质物体远大于电波波长。 对于良导体而言，反射不带来衰减；对于绝缘体而言，他只反射入射波能量的一 部分，剩下的被折射入新的介质继续传播；而对于非理想介质，会吸收电磁波的 能量，产生贯穿衰落。 图 2.3-2 电波的入射角、反射角与折射角 图 2.3-3 电波的反射 图 2.3-3 给出了从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。 反射 波与直射波的行距差为： -22- 第2章 无线电波的传播 两路信号到达接收天线的时间差换算成相位

32、差为： 2.3.3 绕射（衍射） 绕射（衍射） 绕射：在发射机与接收机之间有边缘光滑且不规则的阻挡物体，该物体的尺寸与 电波波长接近，电波可以从该物体的边缘绕射过去； 当波撞击在障碍物边缘时发生绕射， “次级球面波” 传播进入阴影区。超出直射 路径的长度导致相移，菲涅尔区表达了相对于障碍物位置的相移，若无 LOS，绕 射可帮助覆盖。 图 2.3-4 电波的绕射 -23- 2.3.4 散射 散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物 体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物 体，如：树叶、街道标志和灯柱等。 实际移动无线环境中，接收信号比

33、单独绕射和反射模型预测的要强，这是因为当 电波遇到小于信号波长障碍物或粗糙表面的多面体时，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和干扰。 图 2.3-5 电波的散射 2.3.5 穿透 电磁波在不同介质的交界处会发生反射和折射，这个介质物体远大于电波波长。 对于非理想介质，电波可能会贯穿介质，产生贯穿衰落。穿透损耗大小不仅与电 磁波频率有关，而且与穿透物体的材料、尺寸有关。 图 2.3-6 电波的穿透 下面是 900M 典型穿透损耗。 -24- 第2章 无线电波的传播 环境 城市密集建筑物 普通城区建筑物 混凝土墙面（单） 金属材料 轻质织物 木板(15mm) 石灰板(7m

34、m) 损耗（dB） 1830 1520 15 2530 35 35 35 环境 郊区建筑物 乡村建筑物 车辆 走廊拐角 金属制品车间 玻璃 金属楼梯 损耗（dB） 1015 10 6 810 512 01 5 一般室内的电波分量是穿透分量和绕射分量的叠加， 而绕射分量占绝大部分， 所以总的看来高频信号（如 1800M）室内外电平差比低频信号（如 900M）室内 外电平差要大。并且，低频信号进入室内后，由于穿透能力差一些，在室内进行 各种反射后场强分布更均匀；高频信号进入室内后部分穿透出去了，室内信号分 布就不太均匀，所以显得不同位置的信号电平差异大，也就使用户感觉信号波动 大。 2.4 陆地移

35、动通信环境特点 2.4.1 传播环境的复杂性 由于移动台的天线比较低，传播路径总是受到地形及人为环境的影响；各种地形 环境和复杂的人为建筑物、 树林等使得接收信号为大量的散射、 反射信号的迭加。 2.4.2 移动台的随机移动性 移动台总是在移动，即使移动台不同，周围环境也一直在变化，如人、车的移动、 风吹动树叶等；使得基站与移动台之间的传播路径不断发生变化。还有是移动台 相对与基站的移动方向、移动速度的不同，都会导致信号电平的变化。 2.4.3 信号电平随机变化 信号电平随时间和位置的变化而变化，只能用随机过程的概率分布来描述。 2.4.4 传播的开放性 空间干扰现象严重，比较常见的有同频干扰

36、、邻频干扰；还有互调干扰等；随着 频率复用系数的提高，同邻频干扰将成为主要因素。 -25- 2.4.5 人为噪声现象严重 人为噪声主要是机动车的点火噪声；还有电力线噪声和工业噪声。 2.4.6 波导效应 由于城市环境中，街道两旁高大建筑而导致的波导效应使得沿传播方向的街道上 信号增强，垂直于传播方向的街道上信号减弱，两者相差可达 10dB 左右。这种 现象在距离基站约 8km 处将有所减弱。 2.5 无线电波的衰落特性 无线电波的衰 电波的衰落 无线电波在空间中传播时，除了中值电平会随着传播距离的增加而减少外，还由 于阻挡、反射、绕射、散射等因素，造成其他的传播损耗（衰落） 。当移动台在移 动

37、时，在基站与移动台之间有时有阻挡，有时又没有，其中最主要的有瑞利衰落 和阴影衰落，也就是我们常说的快衰落和慢衰落，如下图： 图 2.5-1(a) 中值、快衰落和慢衰落 -26- 第2章 无线电波的传播 图 2.5-1(b) 中值、快衰落和慢衰落 在陆地移动通信中，我们用以下三种传播机制来描述无线信号，这三种传播机制 是根据距离尺度大小来区分的：大尺度的传播机制用来描述区域均值、它具有幂 定律传播特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比关系；中尺度的 传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功 率变化，当用分贝表示时，这种变化趋于正态分布，因而又称为对数正态阴

38、影； 小尺度的传播机制用于描述多径衰落，它通常服从瑞利概率密度函数，又称为瑞 利衰落。下面重点介绍慢衰落和快衰落。 2.5.1 慢衰落（阴影衰落） 慢衰落（阴影衰落） 2.5.1.1 慢衰落的概念 常常在移动台和基站之间有高大建筑物、树林和高低起伏的地势地貌，这些障碍 物的阻挡造成电磁场的阴影从而产生阴影效应，致使接收信号强度下降。经过大 量的野外测试表明这种衰落服从对数正态分布，它的接收信号中值电场与基站和 移动台的 4 次方成反比。由于这种场强的变化随着地理位置的改变而缓慢变化， 故称为长期衰落或者慢衰落。又因为其接收信号场强中值受电磁场阴影影响而变 化，又称为阴影衰落。 其次，大气折射条

39、件的变化（大气介电常数变化）使多径信号相对时延变化，造 成同一地点场强中值随时间的慢变化，但这种变化远小于地形因素的影响，所以 也属于慢衰落。因此，由于季节不同、气候不同等对无线信号的影响也就不同。 -27- 慢衰落是信号在几十个波长范围里经历慢的随机变化，其统计规律服从对数正态 分布，可以理解成接收到的衰落信号的平均值。在一个特定的长度 L 内平均得到 的信号电平值（或场强值、损耗值） 的取值一般是 40 个波长内取 3050 个测 ，L 试信号。 如果我们在 40 个波长的距离上取平均， 就可以得到均值包络， 这个量通常叫做本 地均值，和在特定地点上的平均值相对应。模型校正的原理和方法就是

40、通过 CW 测试来获取特定长度上的本地均值，从而利用这些本地均值来对该区域的传播模 型进行校正，得到本区域内信号传播的慢衰落变化特性。 对于移动通信系统，为了可以利用随机过程的理论分析移动通信的传播，可表示 示为： r(x) = m(x)r0(x) 其中，x 为距离，r(x)为接收信号；r0(x)为瑞利衰落； m(x)为本地均值，也就是 长期衰落和空间传播损耗的合成，可以表示为： 其中 2L 为平均采样区间长度，也叫本征长度。 因为地形地物在一段时间内基本固定，所以对于某一确定的基站，在某一确定地 点的本地均值是确定的。该本地均值就是测试期望测得的数据，它也是与传播模 型预测值最逼近的值。 模

41、型测试就是尽可能获取在某一地区各点地理位置的本地均值，即 r(x)与 m(x) 之差尽可能小，因此要获取本地均值必须去除瑞利衰落的影响。对于一组测量信 号数据 r(x)平均时， 若本征长度 2L 太短， 则仍有瑞利衰落影响存在； 2L 太长， 若 则会把正态衰落也平均掉。 因此在模型测试中确定 2L 关系到能否使所测数据与实 际本地均值的逼近程度，以及根据测试校正的传播模型预测的准确程度。根据著 名的李建业定理，在移动通信中，当 2L 取 40 个波长，采样点为 30-50 个时，能 有效得达到“消除快衰落，保留慢衰落”的目的。 2.5.1.2 慢衰落的对数正态分布 慢衰落的概率密度分布服从对

42、数正态概率密度函数，慢衰落的累计概率分布服从 对数正态累计分布。慢衰落的对数正态分布如下图所示： -28- 第2章 无线电波的传播 阴影衰落 S d ，其衰落特征符合对数正态分布，其概率密度为： () 图 2.5-2 慢衰落的对数正态分布 P ( rlm ) = 2 ln 2 ( lm ) 1 r lm e 2 2 1 r 接收信号的局部均值 r lm 为整个测试区的平均值，即 rlm 的期望值。具体取决于发 射机功率，发射和接收天线高度以及移动台与基站的距离。 为标准偏差，取决 与测试区的地物地形、工作频率等因素。 局部均值： 位置函数： 时间函数： 时间函数与位置函数联合分布： -29-

43、2.5.1.3 慢衰落余量的计算 在计算无线覆盖范围时，通常认为慢衰落值呈对数正态分布。要达到指定的覆盖 概率，在无线网络规划中必须给发射机（基站或终端）预留一定的功率用于克服 衰落的影响，预留功率称为慢衰耗余量，其取值与扇区边缘通信概率（面积覆盖 概率）和慢衰落标准差相关。 （1）慢衰落标准差 ） 慢衰落标准差与电磁波传播环境相关，表明一般在城市环境中，慢衰落标准差大 约是 810dB；在郊区或者农村环境中，68dB。 （2）路径损耗指数 ） 路径损耗指数用来衡量无线信道的衰落情况，表示平均接收信号功率随距离的对 数衰减，不同传播环境下具有不同的路径损耗指数，自由空间中为 2。如下表所 示：

44、 环境 自由空间 市区蜂窝 市区蜂窝阴影 建筑物内视距传播 被建筑物阻挡 被工厂阻挡 路径损耗指数 n 2 2.63.5 35 1.61.8 46 23 在计算阴影衰落余量时，一般路径损耗指数取 34。 （3）边缘覆盖概率和面积覆盖概率 ）边缘覆盖概率和面积覆盖概 为了评估慢衰落情况下的通信链路的可靠性，在无线通信系统中使用覆盖概率来 表征网络覆盖的质量。覆盖概率是指在无线覆盖区边缘（或区内）终端与基站通 信质量达到规定要求 （如 BER 要求） 的概率， 覆盖概率包括位置概率和时间概率。 对于陆地无线通信系统，由于时间变化而给通信概率带来的影响很小，在规划中 主要考虑位置概率的要求。 覆盖概

45、率可分为面积覆盖概率和边缘覆盖概率，面积覆盖概率定义的覆盖要求比 较直观，而链路预算中直接使用边缘覆盖概率更为方便。 边缘覆盖率是决定覆盖质量的一个指标，其定义为在小区边缘接收信号大于接收 门限的百分比。在无线空间传播中，对于任何一个给定的距离，路径损耗的变化 很快，路径损耗量可以看作是符合对数正态分布的随机变量。如果按照平均路径 损耗来设计网络， 则小区边界上点的损耗值只有 50%的几率会大于路径损耗中值， -30- 第2章 无线电波的传播 而另 50%的几率会小于该中值，即小区的边缘覆盖率只有 50，这样处于小区边 缘的用户有一半的机会是难以得到希望的服务质量的。为了提高小区的覆盖率， 链

46、路预算时需要预先留出衰落裕量。 下面我们进行具体的说明。 如图 2.5-3，号表示基站，我们考察基站附近某一点接收电平值，在一段时间内 对该值进行统计，可以得到一系列电平值，求其均值 X0 和标准偏差。 图 2.5-3 如果我们测量的数据足够多，我们就可以得到如下曲线： 图 2.5-4 对数正态曲线 其中横坐标为电平值， 纵坐标为该电平所占的比例， 电平值为 x0 所占的比例最大 （40） ，所有点的百分比相加应当为 1。 我们设定一个门限值 Xthresh， 当该点的电平值大于 Xthresh 时， 我们认为该点 “覆 盖”了。假定 XthreshX0，则把阴影部分的电平值所对应的百分比相加

47、就近似地 得到该点的覆盖概率。 -31- 图 2.5-5 对数正态曲线+Xthresh 分析可知， 当手机离基站较近时，X0Xthresh，覆盖概率较大，50% 当手机离基站较远时，X0Xthresh，覆盖概率较小，Xthresh 则对应于边缘覆盖概率为 75的阴影衰落余 量 Fading Margin=X0Xthresh(dB)。 -33- 图 2.5-9 Jakes Single Cell Equation 边缘覆盖概率 Px0(R)=1/21/2erf(XthreshX0)/(variable*sqrt(2) 如果 Fade Margin=Xthresh-X0=0,则 Px0(R)=50% 可以得到对应关系如下图： 1.2 1 边缘覆盖概率 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1. 2. 3. 4. 7. 8. 9. 衰落余量 10 0 6 标准偏差:8dB 标准偏差:6dB 图 2.5-10 区域覆盖概率和边缘覆盖概率的关系如下式： -34- 第2章 无线电波的传播 Fu=1/2-1/2erf(a)+1/2exp(1-2ab)/b2)*1+er