电波传播理论（徐立勤）db1-3

电波传播理论第14章移动通信传播损耗统计预测模型Contents目录电波传播理论课程核心章节框架，涵盖基础理论、衰落机制与预测模型。01电波传播基础理论02地面反射理论03移动通信电波传播特点04信号衰落现象与分类05固定通信衰落预测模型06移动通信场强预测模型07非视距传播机制Chapter01电波传播基础理论从电磁波基本特性到传播方式分类的系统认知PropagationTheory电波传播理论研究的核心问题电波传播理论是无线通信系统设计的基石，研究射频信号在复杂空间环境中的传播规律。实际传播中信号电平可能比自由空间低40-50dB以上，深入理解传播特性对于保证通信质量、优化系统设计具有关键意义。电波传播理论研究射频信号从发射端到接收端在空间中的传播规律，包括衰减、反射、绕射、散射等多种物理现象实际通信环境中信号电平存在随机衰落，接收功率可能比自由空间传播预测值低40–50dB，严重影响通信可靠性为克服衰落影响，工程上需采取加大发射功率、提高天线增益、采用分集接收等措施，这些决策都依赖于准确的传播预测模型传播特性研究直接影响通信系统的覆盖规划、容量设计和投资成本，是无线网络优化的理论依据WAVEPROPAGATION电磁波基本参数与传播特性电磁波的频率与波长是决定传播特性的核心参数。移动通信频段（f>30MHz，波长<10m）的电波传播受环境散射体影响显著，形成复杂的多径传播环境，这是理解后续衰落现象的物理基础。01频率f与波长λ通过公式c=fλ相互关联，其中c为光速（3×10⁸m/s），频率越高波长越短，传播特性差异越明显。02移动通信工作频率通常大于30MHz（波长小于10米），该频段电波以视距传播为主，易受建筑物、地形等障碍物影响。03不同频段的电波具有不同的绕射与穿透能力：低频段绕射能力强适合广覆盖，高频段带宽大但传播损耗高。04电磁波的极化方式（水平/垂直/圆极化）也影响传播特性，移动台天线通常采用垂直极化以匹配人体使用习惯。不同频段电波传播特性对比频段越高，绕射能力越弱但可用带宽越大WAVEPROPAGATION电波传播方式分类电波传播方式可分为视距传播和非视距传播两大类。视距传播受地球曲率限制存在极限距离，非视距传播则通过绕射、对流层反射和电离层反射等机制实现超视距通信，移动通信环境中以非视距传播为主。视距传播收发天线之间存在直接可见路径，信号沿直线传播，传播损耗遵循自由空间衰减规律受地球曲率影响存在极限距离Rmax，与发射天线高度、接收天线高度和地球半径相关信号质量稳定、衰落较小，是微波中继通信和卫星通信的主要传播方式非视距传播绕射波：建筑物内部或阴影区域信号的主要来源，频率越高绕射信号越弱对流层反射波：产生于大气对流层，因气象条件变化而随时间变化，可实现超视距通信电离层反射波：利用电离层对短波的反射作用实现远距离通信，是短波广播的传播基础CHAPTER02地面反射理论镜反射与漫反射的物理机制及其对通信质量的影响PHYSICALMECHANISM地面反射的物理本质地面反射是一个电磁边值问题：入射波在地面激起传导电流和位移电流，使地面成为二次辐射源。接收点场强是初始辐射源直射场与所有地面二次辐射源场强的矢量叠加，这一机制是多径传播的物理根源。电磁波地面反射物理过程示意图01电磁波入射到地面时，在地表激起传导电流和位移电流，使地面每个面元都成为二次辐射源02接收点总场强=初始辐射源直射场强+所有地面二次辐射源场强的矢量和，遵循叠加原理03地面类型的差异（光滑/粗糙）决定了二次辐射波的相位和幅度分布特性，进而影响合成场强04地面反射造成的额外衰减和干涉效应是移动通信中信号衰落的重要原因之一WavePropagation·Reflection镜反射与镜像法光滑地面的反射可用镜像法处理，镜反射波与直射波的相干叠加可导致深度衰落，对通信可靠性构成严重威胁。01光滑地面各元反射面取向一致，满足几何光学镜反射条件，可用镜像法简化计算02地面对接收点R的贡献等效于辐射源T的镜像T′的贡献，T与T′之间存在π的相位差03镜反射波与直射波是相干波，两者干涉叠加可使接收信号出现深度衰落20–30dB04在平坦开阔地形（水面、平原）通信时，镜反射造成的深衰落是必须考虑的关键问题光滑水面呈现典型的镜面反射效果，是镜反射模型在自然场景中的直观体现SCATTERINGMECHANISM漫反射与散射机制粗糙地面由大量随机取向的小面元组成，各面元反射波的幅度、相位和极化都是随机的。这种非相干散射不会形成深度衰落，对通信可靠性的威胁远小于镜反射。粗糙表面的随机面元结构—漫反射的物理基础01非相干散射：各小面元取向随机，反射波的幅度、相位和极化方式均不相同，无法形成稳定干涉02能量分散：入射波被随机散射到各方向，接收点场强为大量散射波的随机叠加，能量分布均匀03温和影响：不形成深度干涉衰落，仅导致信号小幅度闪烁，对通信质量影响较小，链路更稳定04典型场景：城市建筑墙面、植被地面等粗糙表面表现为漫反射，是散射分量的主要来源GROUNDREFLECTION镜反射与漫反射特性对比镜反射与漫反射是地面反射的两种基本类型，其核心差异在于反射波的相干性：镜反射产生相干波可导致深度衰落，漫反射产生非相干波仅造成小幅起伏。工程上需根据地形特性选择相应的抗衰落措施。两种地面反射机制对比特性维度镜反射（光滑地面）漫反射（粗糙地面）典型地形水面、平原、机场跑道丘陵、建筑群、植被区面元取向各面元取向一致各面元取向随机波的相干性相干波非相干波干涉效应强干涉，可形成驻波弱干涉，随机叠加衰落深度深度衰落（20-30dB）小幅起伏（3-6dB）对通信威胁严重，可致通信中断较轻，信号闪烁镜反射因相干干涉导致深度衰落，是通信系统设计需重点防范的问题CHAPTER03移动通信电波传播特点移动环境下的多径传播、快衰落与慢衰落特性分析PropagationAssumptions移动无线电环境的两个基本假定移动通信环境基于两个核心假定：移动台天线高度约3米低于周围建筑物，工作频率大于30MHz（波长<10米）。这两个条件使得移动信道呈现典型的多径传播特征，接收信号是直射波与多个反射波、绕射波的叠加。ASSUMPTION01移动台天线高度约3米，低于周围房屋和建筑物，信号传播受建筑物遮挡和反射影响显著≈3mASSUMPTION02工作频率f>30MHz（波长<10米），该频段电波绕射能力有限，以直射和多径反射为主>30MHzSIGNALMODEL接收信号=直射波+多个反射波+多个绕射波的矢量和，构成多径传播环境矢量和FADING多径结构导致接收信号幅度和相位随位置快速变化，形成移动通信特有的衰落现象衰落城市移动通信环境·建筑物遮挡与多径反射MOBILEPROPAGATION移动通信无线电传播的四个特点移动通信传播呈现四大特点：快衰落（多径瑞利衰落）、慢衰落（地形正态衰落）、多普勒效应（运动致频偏）和多径效应（频率选择性衰落与延迟散布）。这四种现象叠加构成移动信道的复杂时变特性。快衰落短期多径瑞利衰落：由人造结构引起的多径干涉导致，信号在波长级距离内剧烈起伏瑞利衰落慢衰落长期地形衰落：由地形环境变化引起，信号中值随位置缓慢变化，服从对数正态分布对数正态多普勒效应移动台运动导致接收信号频率偏移，产生相位变化的附加调制效应频率偏移多径传播效应不同路径延迟差异导致频率选择性衰落和时间延迟散布，造成数字信号波形展宽延迟散布FASTFADING短期衰落（快衰落）的四种成因快衰落可由四种机制引发：移动台静止而散射体运动、移动台运动穿越多径场、直射与反射波形成驻波、以及多个反射波的随机叠加。实际移动环境中以N个反射波叠加最为常见，其合成信号服从瑞利分布。01散射体运动：移动台静止，过往车辆、摇动树叶等散射体运动导致多径结构时变，接收信号产生衰落02移动台运动：无散射体时移动台穿越静态多径干涉图案，空间位置变化转化为时间衰落03驻波效应：直射波与强反射波幅度相近时形成驻波，波腹波节交替出现，造成周期性深度衰落04随机叠加（最常见）：N个反射波各分量幅度相位随机，合成信号幅度服从瑞利分布快衰落信号幅度变化示意快衰落信号在波长级距离内变化可达20–30dBMULTIPATHEFFECTS多径传播的两大效应多径传播导致频率选择性衰落和延迟散布。当延迟散布超过符号周期时，数字通信系统将产生码间干扰，这是宽带系统设计的核心挑战。频率选择性衰落不同频率分量经多径传播后相位变化不同，导致频谱各点衰落深度不一致信号带宽越宽，频率选择性衰落越明显，可能导致部分子载波深度衰落OFDM技术将宽带信号分为多个窄带子载波来对抗频率选择性衰落频谱分析仪信号测试场景延迟散布与码间干扰同一信号经不同路径到达时间不同，脉冲响应被展宽，展宽量称为均方根时延扩展当时延扩展超过符号周期时，前一符号的拖尾会干扰后一符号，产生码间干扰(ISI)GSM符号周期约3.7μs，城市环境时延扩展约1–3μs，需均衡器消除ISI移动通信基站天线城市部署场景CHAPTER04信号衰落现象与分类从瑞利分布到对数正态分布的衰落统计特性WAVEPROPAGATION信号衰落现象概述衰落是指接收信号电平随时间随机变化的现象，衰落深度可达40-50dB以上。衰落严重影响通信质量和可靠性，工程上需采取增大发射功率、提高天线增益、分集接收等多种措施来对抗衰落影响。通信工程师现场信号测试01衰落定义：发射功率恒定但接收信号电平不稳定、随机变化的现象，是无线通信的核心挑战02衰落深度：绝大多数情况下接收电平远低于自由空间值，深衰落时可比自由空间低40-50dB以上03对抗措施：加大发射功率、压低接收机噪声、提高天线增益、升高天线架设高度、采用分集技术04研究意义：衰落对通信质量、工程实施难度和投资成本均有重大影响，是电波传播研究的核心课题FADINGANALYSIS快衰落与慢衰落对比分析快衰落由多径干涉引起，信号在波长级距离内快速起伏，服从瑞利分布；慢衰落由地形遮挡引起，信号中值在数百米范围内缓慢变化，服从对数正态分布。两者叠加构成移动信道的完整衰落特性。城市环境中的多径传播场景快衰落（短期衰落）多径传播导致直射波与反射波干涉叠加，信号幅度快速随机变化变化距离为波长量级，深度可达20–30dB，服从瑞利分布导致瞬时信噪比剧烈波动，需快速功率控制和分集接收对抗丘陵地形对信号传播的遮挡效应慢衰落（长期衰落）地形起伏、大型建筑物遮挡导致信号中值随位置缓慢变化变化距离为数百米量级，中值波动约10–20dB，服从对数正态分布决定小区覆盖范围，网络规划时需预留足够的衰落余量RAYLEIGHFADING瑞利衰落分布与衰落深度无直射分量的多径环境中，接收信号幅度服从瑞利分布。衰落深度F(dB)大于某值的概率G(>F)=10−F/10，表明深衰落出现概率随深度指数衰减。这一统计规律是移动通信系统衰落余量设计的重要依据。瑞利衰落深度与概率关系衰落深度每增加5dB，超过该深度的概率下降约68%01瑞利分布适用场景：适用于不存在强直射分量的多径环境，接收信号幅度概率密度函数呈瑞利分布形式。02条件概率公式：G(>F)=10−F/10，F=10dB时概率约10%，F=20dB时约1%。03实际深衰落总概率：P=G'×G(>F)，其中G'为出现深衰落的时间百分数，与气候、地形、频率、距离相关。04衰落余量设计：需根据目标中断概率预留余量，如要求99%可用性则需预留约20dB余量。DOPPLEREFFECT多普勒效应与频移分析移动台运动导致接收信号产生多普勒频移fd=v·f/c·cosθ，高速移动场景下频移可达数百Hz，对接收机载波同步和信道估计构成挑战。频移公式：fd=v·f/c·cosθ，v为移动速度，f为载频，c为光速，θ为运动方向与来波夹角典型计算：2GHz载频、120km/h车速时最大频移约222Hz；900MHz、60km/h时约50Hz频谱展宽：多普勒扩展导致信号频谱展宽，相干时间缩短，要求接收机具有更快的信道跟踪能力抗多普勒：高铁、高速公路等场景需专门算法，如增加导频密度、采用频偏补偿技术不同场景下的最大多普勒频移多普勒频移与移动速度和载波频率成正比Chapter05固定通信衰落预测模型基于大气折射指数变化的多径衰落统计预测方法MULTIPATHFADING固定通信多径衰落的产生机制固定通信衰落的直接原因是多径干涉（直射波+大气反射波+地面反射波），本质原因是大气折射指数的时变特性。微波中继通信塔·视距传输场景01直接原因：直射波、大气层结反射射线与地面反射射线等多条路径信号的干涉叠加02本质原因：大气折射指数随时间随机变化，导致各路径信号的相位和幅度不稳定03稳定假设：若大气稳定（折射指数恒定），各射线相位幅度固定，合成场强稳定，衰落不会发生04实验验证：多径衰落期间接收信号服从瑞利分布，可用统计方法预测衰落概率RayleighWAVEPROPAGATION·FORMULA深衰落出现概率的经验公式深衰落时间百分数G'与气候因子K、路径距离d、频率f、电路倾斜度εp和擦地角Ψ相关，可用经验公式G'=K·d^a·f^b·(1+|εp|)^c·10^(-dΨ)计算。该公式是ITU-R推荐衰落预测方法的理论基础。气候因子K的典型取值地形类型K值适用场景非山区陆上电路10−4.5平原、丘陵等一般陆地环境山区陆上电路10−5山地、高原等复杂地形大尺度水面电路10−4湖泊、海峡等水面传播路径水面电路K值最大（衰落最严重），山区K值最小经验公式结构：G'=K·da·fb·(1+|εp|)c·10−d·Ψ，各参数与地理气候和电路参数相关气候因子K：反映贴地大气层折射指数梯度特性，非山区K=10−4.5，山区K=10−5，水面K=10−4距离与频率效应：路径距离d(km)和频率f(MHz)的指数效应——距离越长、频率越高，深衰落出现概率越大地形影响：电路倾斜度εp和擦地角Ψ越大，地面反射影响越小，衰落概率降低ParameterCalculation衰落预测模型参数计算方法衰落预测精度取决于各参数的准确计算：气候因子K需查询当地气象数据ΔN，路径倾斜度εp由收发天线高差和距离决定，擦地角Ψ需考虑4/3等效地球半径模型。参数计算是工程应用的关键环节。气候因子KK取决于贴地大气层最低100米高度内平均折射率梯度<-100N单位的时间百分数ΔNΔN数据可从当地气象站获取，反映该地区大气波导和超折射现象的发生频率KeyDataΔN路径参数路径倾斜度εp=|h₂−h₁|/d（毫弧度），h₁/h₂为收发天线海拔高度，d为路径距离擦地角Ψ需基于4/3等效地球半径模型计算，考虑大气折射对射线弯曲的影响KeyModel4/3ReWAVEPROPAGATION反射电路的衰落预测与对策平坦地形电路（如水面、平原）地面反射强烈，地反射系数接近1，直射波与反射波干涉造成严重深衰落。工程上可采用空间分集、频率分集或调整天线高度改变擦地角来对抗衰落，保障通信可靠性。水面电路场景·地面反射系数接近1反射电路特征：地面平坦开阔，地反射射线未被阻挡，反射系数接近1，干涉效应显著REFLECTION水面电路衰落最严重：K值最大（10⁻⁴），深衰落出现概率高，需重点防护K=10⁻⁴空间分集：接收端设置两个垂直间距约10-20米的天线，利用衰落的空间不相关性提高接收可靠性10–20m频率分集：使用两个频率间隔足够大的载频传输相同信息，利用衰落的频率不相关性对抗深衰落Δf天线高度优化：调整收发天线高度改变擦地角Ψ，破坏强反射条件，从源头减小衰落深度ΨChapter06移动通信场强预测模型从Okumura-Hata到COST231的经验传播模型体系PropagationModels场强预测模型概述场强预测模型分为确定性模型（射线追踪，精确但复杂）和经验模型（数据拟合，简便但受限）两类。工程实践中以经验模型为主。确定性模型Deterministic基于电磁场理论，通过射线追踪、几何光学等方法精确计算传播损耗需要详细的三维地图和建筑物数据，计算复杂度高，适用于微小区精确规划Method射线追踪经验模型Empirical基于大量实测数据统计拟合得出，形式简洁，计算快速适用范围受原始测量条件限制，外推使用时需谨慎验证Okumura-Hata、COST231-Hata、SPM等是工程中最常用的经验模型ClassicsOkumura-HataPropagationModelOkumura-Hata传播模型Okumura-Hata模型基于东京实测数据拟合，公式L=69.55+26.16logf-13.82loghb-a(hm)+(44.9-6.55loghb)logd。适用于150-1500MHz宏蜂窝场景。模型来源基于Okumura在东京地区的大量实测数据，由Hata拟合为闭合形式的经验公式TokyoEmpirical路径损耗公式L(dB)=69.55+26.16logf-13.82loghb-a(hm)+(44.9-6.55loghb)logd69.55适用范围频率150-1500MHz，基站高度30-200m，移动台1-10m，距离1-20km150–1500MHz环境修正大城市、中小城市、郊区、开阔地分别有不同修正因子a(hm)Factor移动台天线高度修正因子a(hm)环境类型a(hm)计算公式中小城市(1.1logf-0.7)hm-(1.56logf-0.8)大城市(f≤200MHz)8.29(log1.54hm)²-1.1大城市(f>200MHz)3.2(log11.75hm)²-4.97大城市高频段修正因子最大，反映了建筑物密度对传播损耗的影响PROPAGATIONMODELCOST231-Hata扩展模型COST231-Hata模型将Okumura-Hata的适用范围扩展到1500-2000MHz，公式增加了大城市修正因子Cm（约3dB）。该模型广泛应用于GSM1800、WCDMA等2G/3G系统网络规划，是宏蜂窝高频段传播预测的标准工具。不同频率下路径损耗随距离变化（基站高度50m）1800MHz路径损耗比900MHz高约11dB，距离每增加10倍损耗增加约35-40dB01模型背景欧洲COST231项目组基于多个欧洲城市的实测数据，对Hata模型进行高频段扩展02路径损耗公式L=46.3+33.9logf−13.82logh_b−a(h_m)+(44.9−6.55logh_b)logd+C_m03大城市修正因子C_m大城市环境取3dB，中小城市和郊区取0dB，反映城市建筑密度的影响04适用范围频率1500-2000MHz，基站高度30-200m，移动台高度1-10m，距离1-20kmPropagationModels传播模型适用场景对比不同传播模型适用于不同频段和小区类型，工程应用中需结合本地测试数据校准模型参数以提高精度。常用传播模型对比模型名称适用频率小区类型典型应用Okumura-Hata150-1500MHz宏蜂窝GSM900、CDMA网络规划COST231-Hata1500-2000MHz宏蜂窝GSM1800、WCDMA规划COST231-WI800-2000MHz微蜂窝城市密集区小基站规划Keenan-Motley不限室内室内覆盖系统设计SPM可调宏/微商用规划软件通用模型模型选择需综合考虑频率、小区类型和应用场景，并通过本地测试校准参数CHAPTER07非视距传播机制绕射、对流层反射与电离层反射的物理原理Diffraction绕射传播与阴影覆盖绕射是电波遇障碍物边缘弯曲传播的现象，是非视距区域信号的主要来源。频率越高绕射能力越弱，阴影信号越小。移动通信中建筑物绕射是城市覆盖的关键机制，可用刃形绕射模型估算损耗。01绕射原理：基于惠更斯-菲涅尔原理，障碍物边缘作为次级波源向阴影区辐射，实现超视距覆盖02频率影响：频率越高波长越短，绕射能力越弱，阴影区域信号衰减越大，高频段覆盖盲区更多03刃形绕射模型：将障碍物简化为理想刃形，绕射损耗由菲涅尔衍射参数v决定，v越大损耗越大04工程应用：城市环境中建筑物绕射是移动台接收信号的重要来源，网络规划时需准确估算绕射损耗城市建筑物边缘—电波绕射的典型场景ATMOSPHERICPROPAGATION对流层反射与电离层反射对流层散射利用大气不均匀体实现300-500km超视距通信，电离层反射利用自由电子层反射短波实现全球通信。对流层散射通信站短波通信天线设备对流层散射通信利用对流层中温度、湿度梯度形成的不均匀体和湍流结构散射电磁波可实现300