电波传播理论（徐立勤）db-7

电波传播理论徐立勤编著Contents目录01地面障碍物的绕射02接收信号的衰落03移动通信传播损耗统计预测模型Chapter01地面障碍物的绕射理解地形地物对无线电波传播的影响机制Chapter06第6章地面障碍物的绕射本章聚焦地面障碍物对无线电波传播的影响机制，通过费涅尔椭球、传播余隙等核心概念建立绕射损耗的分析框架，为通信电路设计提供理论依据。01费涅尔椭球与传播空间掌握地形、地面覆盖物对无线电波阻挡的基本概念，理解费涅尔椭球所代表的电波传播空间通道。02路径剖面图绘制掌握站点地理位置、地形剖面与地球凸起的计算方法，能够绘制完整的传播路径剖面图。03传播余隙与电路余隙理解传播余隙与电路余隙的物理意义，掌握其在工程设计中的应用原则。04GTD与UTD绕射理论了解几何绕射理论（GTD）和一致性绕射理论（UTD）的基本思想，拓展理论视野。WavePropagation地形地物对无线电波的阻挡电波传播并非简单的射线路径，而是需要完整的空间通道。第一费涅尔椭球是保证传播质量的关键区域，其被阻挡将导致严重的绕射损耗，是工程设计中必须避免的情况。费涅尔椭球是以收发点为焦点的空间区域，代表电波传播所需的有效通道第一费涅尔椭球对信号贡献最大，该区域被阻挡时电波能量将遭受严重衰减绕射损耗会使接收点信号电平永久性偏低，严重时可能导致通信中断地面通信设计中应确保直接射线与障碍物之间保持足够的传播余隙费涅尔椭球与电波传播空间通道示意AtmosphericRefraction传播余隙与大气折射传播余隙随大气折射状态动态变化，超折射时余隙最大，负折射时余隙可能为零，工程设计必须考虑最恶劣气象条件。超折射（大气波导）射线向上弯曲，与地面之间具有最大余隙有利于超视距传播，但可能产生干扰最大余隙标准折射正常大气状态下的典型折射条件射线仍保持足够的地面余隙余隙充足负折射折射指数随高度增加的反常现象射线向下弯曲，余隙为零或负值传播通道完全阻塞，能量严重衰减通道阻塞EngineeringConsiderations天线架设高度的工程考量天线高度设计是技术需求与经济成本的权衡。理论上天线越高越能避免绕射损耗，但过高的铁塔会带来工程实施困难和成本增加。天线高度直接影响传播余隙，进而决定绕射损耗的大小理想情况下射线应高出地面若干个第一费涅尔半径，可忽略绕射影响过高的铁塔增加建设成本、风荷载要求和施工难度工程设计需综合权衡通信质量保证、经济节约和工程可行性三大原则通信基站铁塔实景·天线架设高度需综合技术与经济因素DiffractionLossAnalysis绕射损耗的影响因素与分析方法绕射损耗受障碍物高度、形状、大小和电气特性等多因素影响。由于实际地形地物的复杂性，严格的理论计算困难，工程实践中主要采用基于实验数据的经验预测模型。相对高度绕射损耗与射线离障碍物的相对高度密切相关，高度差越大损耗越显著高度差形状与特性障碍物的形状、大小和电气特性均影响绕射程度，陡峭边缘与平缓坡面差异明显陡峭/平缓地形建模常见地形包括山峰、丘陵、水面等，需根据实际地貌特征分别建立数学模型山峰·丘陵理论方法波动法、几何光学法(GTD)和谱理论法(STD)为三种经典分析手段，各有适用场景GTD·STD经验模型工程实践主要采用基于大量实验数据的预测模型，通过实测结果修正理论计算实验数据TerrainClassification地形分类与特征参数地形波动高度Δh是描述地形起伏程度的关键参数，定义为沿通信方向10公里内10%和90%地段超过的高度之差。地形分类标准地形类型地形波动高度Δh典型特征水面/平坦地形0–5米湖泊、平原、沙漠等准平坦地形＜20米轻微起伏的农田、草地小土岗20–40米丘陵边缘、缓坡地带一般山区100–150米起伏明显的丘陵山地陡峭山区300–700米高山峡谷、陡峭山脊地形波动高度Δh从0米到700米不等，是选择绕射模型的重要依据CHAPTER02接收信号的衰落解析信号电平随机变化的物理机理与统计特性CommunicationQuality通信质量评价指标通信质量通过通信等级进行定性描述，通信中断是设计中最关键的指标。模拟通信以门限电平判定中断，数字通信则以1×10⁻³的误码率作为中断门限。通信等级划分好、正常、差、通信中断等定性等级通信中断是电路设计中最常遇到的核心指标QualitativeGrading模拟通信中断判据与特定门限电平或门限载噪比对应信号低于门限时即发生通信中断门限电平数字通信中断判据以误码率作为中断判定依据通常定义误码率≥1×10⁻³时为通信中断1×10⁻³SIGNALPROPAGATION接收信号衰落的本质衰落的根本原因是传播介质的随机变化。大气折射指数的随机波动以及移动用户的运动，导致传播边界条件和射线路径快速变化，使得接收信号电平呈现不稳定的时变特性。城市环境中建筑对电波的反射与多径传播01发射天线功率恒定，但接收点信号电平却可能不稳定、随时间变化02大气折射指数的随机变化是固定通信衰落的主要来源03移动用户高速运动引起传播边界条件和射线路径的快速变化04城市环境中建筑对电波的阻挡和反射随位置不同而变化05多径射线数目和相位的动态变化导致信号干涉效应WIRELESSPROPAGATION衰落的幅度与影响衰落可导致接收信号电平大幅波动。虽然偶尔出现高于自由空间电平的情况，但绝大多数时候信号远低于理想值，衰减可达40-50dB以上。衰落对通信质量、设备复杂度和投资成本均有重大影响。01衰落期间信号电平偶尔可高于自由空间电平（多径相长干涉）相长干涉02绝大多数情况下接收电平远低于自由空间接收电平Typical03严重衰落时信号可低于自由空间值40-50dB以上40–50dB04衰落显著影响通信质量，是无线通信的核心挑战Core05衰落问题增加设备研制难度和投资成本CostCommunicationReliability中断率与传播可靠度中断率是可能发生通信中断的时间百分比，传播可靠度是不发生中断的时间百分比，两者互为补数。这些指标为通信系统性能评估和电路设计提供了明确的量化目标。中断误码率以1×10⁻³的误码率作为中断门限，对应特定的门限接收电平或门限载噪比。1×10⁻³中断率可能发生通信中断的时间百分比，如0.01%表示万分之一的时间可能中断。0.01%传播可靠度不发生传播中断的时间百分比，与中断率互为补数：可靠度=1−中断率。实际系统通常要求99.9%以上的可靠度。99.9%CLASSIFICATION移动通信衰落的分类移动通信衰落可分为快衰落和慢衰落两大类。快衰落由多径传播引起，服从瑞利分布；慢衰落由地形遮挡引起，服从对数正态分布。移动通信衰落分类体系衰落类型别称成因统计分布快衰落短期衰落/多径衰落人造结构引起的多径传播瑞利分布慢衰落长期衰落/地形衰落地形环境引起的阴影效应对数正态分布多普勒效应频率偏移移动台运动导致相位变化—频率选择性衰落时延扩展多径传播的时延差异—衰落从成因、时间尺度和统计特性等多个维度进行分类PhysicalMechanisms短期衰落的四种成因短期衰落(快衰落)可由多种物理机制引起，包括散射体运动、移动台运动、驻波形成和多径干涉等。这些机制导致接收信号在波长量级距离内快速波动，是移动通信系统设计必须应对的核心挑战。移动台静止、散射体运动周围行人或车辆移动导致传播环境变化，即使移动台自身静止，接收信号仍会发生快速衰落典型场景：室内固定终端受窗外车流影响移动台运动、散射体静止最常见的情况，移动台穿越多径场，在不同空间位置接收到不同相位叠加的信号典型场景：车载终端行驶于城市街道形成驻波特定环境下反射波与直射波形成驻波，某些位置信号持续很弱，造成通信盲区典型场景：隧道或走廊中的信号死区N个反射波叠加多个反射波到达接收点，相位差异导致干涉效应，信号幅度随位置快速起伏典型场景：密集城区多径环境CHAPTER03移动通信传播损耗统计预测模型掌握工程实践中的场强预测方法与应用Chapter14·LearningObjectives第14章移动通信传播损耗统计预测模型本章聚焦移动通信环境中的传播损耗预测方法，通过统计模型实现场强估算。掌握这些模型对于基站选址、覆盖规划和网络优化具有重要工程价值。01多径效应了解移动通信电波传播的特点，包括多径效应和阴影衰落，理解信号在复杂环境中的传播行为02适用条件掌握场强预测模型的基本概念，理解模型的建立思路和适用条件，明确不同模型的使用边界03场景适配熟悉常用的场强预测模型，能够根据实际场景选择合适的模型，提升工程应用的准确性04覆盖规划具备应用预测模型进行覆盖分析和网络规划的基本能力，为实际工程建设提供技术支撑MacrocellPropagation典型宏蜂窝无线传播环境宏蜂窝环境中，基站天线高于周围建筑，移动台天线低于建筑物高度。电波在传播过程中遭遇多种散射体，形成直射波与多个反射波、绕射波叠加的多径传播环境。01基站天线架设在铁塔上，通常高于周围建筑物，确保信号覆盖范围更广02移动台天线高度约3米，低于房屋和建筑物，处于复杂散射环境之中03工作频率大于30MHz时，波长小于10米，传播特性受地形与建筑影响显著04周围自然散射体形成多径传播媒质，建筑物、地形、植被均参与散射过程05接收信号由直射波叠加多个反射波和绕射波组成，形成复杂的多径衰落特征宏蜂窝基站与城市环境中的多径传播场景RADIOPROPAGATION移动通信无线电传播的四个特点移动通信传播具有快衰落、慢衰落、多普勒效应和多径传播效应四个核心特点。这些特点源于多径传播环境和移动台运动，共同决定了移动通信系统的性能限制和设计挑战。快衰落又称多径衰落或瑞利衰落，由人造结构引起的多径传播导致。信号强度在短距离内快速波动，严重影响通信质量。RayleighFading慢衰落又称地形衰落或阴影衰落，由地形环境引起，服从正态分布。信号强度随地形起伏缓慢变化，需通过功率控制补偿。ShadowFading多普勒效应信号相位变化产生的附加效应，移动台运动导致载波频率偏移。高速场景下频偏显著，需采用频偏补偿算法。DopplerShift多径传播效应频率选择性衰落和时延扩展，造成信号波形展宽和码间干扰。需通过均衡技术和扩频技术加以克服。MultipathEffectTERRAINCLASSIFICATION陆地移动通信地形特征分类地形分类是场强预测的基础工作。准平坦地形起伏小于20米，不规则地形包括丘陵、倾斜、孤立山岳等类型。地形波动高度Δh是描述地形起伏的关键参数，直接影响传播损耗的计算。<20m准平坦地形地面起伏高度小于20米的区域，可近似视为平坦地面进行传播模型计算Irregular不规则地形包括丘陵、倾斜、孤立山岳、水陆混合等多种类型，需分别修正传播损耗Δh地形波动高度沿通信方向10公里内，10%与90%地段高度之差，是描述地形起伏的核心参数0–700m典型Δh分布水面或平坦地形0–5米，山区100–150米，陡峭山区可达300–700米PropagationModel天线有效高度天线有效高度是传播模型的关键输入参数。移动台与基地台的定义不同，应用时需注意区分。移动台天线有效高度01天线在当地地面以上的高度02典型值约3米（手持设备）或车载天线高度≈3m基地台天线有效高度013–15公里范围内平均地面以上的高度02考虑基站覆盖范围内地形的平均海拔03起伏地形中，有效高度可能与实际塔高差异较大3–15kmPROPAGATIONENVIRONMENT传播环境分类移动通信传播环境按障碍物密度分为开阔区、郊区和市区三类。不同环境的建筑密度、植被覆盖差异显著，直接影响电波传播特性和场强预测模型的选择。传播环境分类标准3类环境·按障碍物密度递增环境类型定义特征典型场景开阔区无高大障碍物，前方300–400米内无阻挡农田、稻田、广场郊区1–2层房屋或稀疏树林等低密度障碍小村庄、稀疏树木公路市区密集的高大建筑物或建筑群大城市、拥挤乡镇、大村庄三类环境的障碍物密度依次增加，传播损耗也相应增大MultipathChannelModel多径信道数学模型：Clarke模型Clarke模型是描述移动通信多径信道的经典理论框架。基于大量散射体和各向同性假设，推导出接收信号包络服从瑞利分布，为快衰落的统计分析提供了理论基础。基本假设：移动台周围存在大量散射体，各散射波从不同方向到达接收端宏蜂窝条件：传播路径长度远大于基站与移动台的天线高度各向同性：散射波可近似认为从各方向均匀到达移动台模型推导：接收信号包络服从瑞利分布，描述快衰落统计特性验证与应用：理论结果与实际测量高度吻合，广泛应用于移动通信分析PropagationModels常用场强预测模型工程实践中有多种传播损耗预测模型，各具适用范围和特点。选择模型时需考虑频率、距离、环境类型等关键因素，确保模型适用性。Okumura模型基于东京实测数据，适用150–1920MHz，市区环境150–1920MHzHata模型Okumura模型的解析表达式，使用更加便捷解析式COST231-HataHata模型向高频段的扩展，适用1500–2000MHz1500–2000MHzWalfisch-Ikegami考虑建筑物高度的半经验模型半经验选择原则需考虑频率范围、传播距离和环境类型等因素3要素WIRELESSPROPAGATIONOkumura模型Okumura模型是基于东京地区大量实测数据建立的经典经验模型，以准平坦地形市区为基准环境。模型提供中值路径损耗预测曲线，可通过修正因子适应不同地形和环境条件。模型基础基于东京地区大量实地测量数据建立，是移动通信领域最早被广泛采用的经验模型之一频率范围覆盖150–1920MHz，适用于VHF和UHF频段的传统蜂窝系统传播距离：1–100公里，满足宏蜂窝覆盖规划需求150–1920MHz基准条件以准平坦地形市区环境作为基准场景，基站天线高度30–100米，移动台天线高度1–3米给出中值路径损耗的预测曲线族，以图表形式直观展示不同参数组合下的传播特性曲线基于实测数据统计中值，反映典型城市环境的电波传播规律准平坦地形环境修正通过修正因子适应不同地形条件，包括郊区、开阔区、丘陵地形等多样化场景郊区、开阔区等有对应的修正系数，郊区修正通常为负值，表示路径损耗减小还支持建筑物密度、街道走向等微观环境因素的精细化修正多地形适配WirelessPropagationHata模型Hata模型是Okumura模型的解析表达式形式，使用便捷。模型参数包括频率、基站高度、移动台高度和传播距离，适用范围明确。超出参数范围时预测精度下降。Hata模型参数适用范围参数适用范围说明载波频率f150–1500MHz工作频率基站天线高度hb30–200m基站天线有效高度移动台高度hm1–10m移动台天线有效高度传播距离d1–20km基站到移动台的距离Hata模型参数适用范围明确，使用时需确保实际场景在范围内PropagationModelCOST231-Hata模型COST231-Hata模型将Hata模型的适用频率从1500MHz扩展到2000MHz，满足GSM1800和PCS1900等高频系统的规划需求。模型增加了环境相关的附加损耗因子CM。提出机构由欧洲科技合作组织(COST)提出，扩展Hata模型至高频段COST频率范围适用频率范围扩展至1500—2000MHz高频段2000MHz附加因子在Hata公式基础上增加附加损耗因子CM，用于修正不同传播环境下的信号衰减特性，提升模型预测精度CM值根据地形环境差异进行动态调整CM环境取值市区环境CM取3dB，郊区和开阔区CM取0dB3dB应用场景广泛应用于GSM1800和PCS1900系统的网络规划GSM1800WirelessPropagation微蜂窝传播模型微蜂窝环境基站天线低于屋顶，传播发生在街道峡谷中。视线分量更显著，建筑物引导作用增强。传统宏蜂窝模型不再适用，需采用考虑街道几何参数的专用模型。微蜂窝环境特点01基站天线架设在屋顶以下02传播主要发生在街道峡谷中03视线传播分量更加显著MicrocellEnvironment传播特性差异01建筑物对电波的引导作用增强02路径损耗指数可能小于自由空间值03传统宏蜂窝模型不再适用PropagationCharacteristics常