移动通信 第四版课件(李建东、郭梯云 ) 第3章

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1、第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性3.1 无线电波传播特性无线电波传播特性 3.2 移动信道的特征移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗 3.4 移动信道的传播模型移动信道的传播模型 思考题与习题思考题与习题第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.1 电波传播方式电波传播方式 发射机天线发出的无线电波， 可依不同的路径到达接收机，当频率f30 MHz时，典型的传播通路如图3-1 所示。 沿路径从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播方式

2、；沿路径的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波； 路径的电波沿地球表面传播， 称为地表面波。 3.1 无线电波传播特性无线电波传播特性第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图 3 - 1 典型的传播通路 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.2 直射波直射波 直射波传播可按自由空间传播来考虑。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。实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，

3、到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 )m/V(30T0dPE (3 - 1) 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡， 不产生反射、 折射、绕射、散射和吸收， 但是，当电波经过一段路径传播之后， 能量仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。 由电磁场理论可知，若各向同性天线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT瓦，则距辐射源dm处的电场强度有效值E0为第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 磁场强度有效值H0为 )/(120300mAdPHT(3 - 2)单位面积上的电

4、波功率密度S为 )/(422mWdPST (3 - 3) 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线， 则上述公式应改写为)/(4)/(12030)/(30200mWdGPSmAdGPHmVdGPETTTTTT(3 - 4) (3 - 5) (3 - 6) 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积， 即 PR = SAR (3 - 7) 式中， AR为接收天线的有效面积， 它与接收天线增益GR满足下列关系：RRGA42式中， 2/4为各向同性天线的有效面

5、积。 (3-8)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 24dGGPPRTTR(3 - 9) 当收、 发天线增益为0dB， 即当GR=GT=1时， 接收天线上获得的功率为24dPPTR(3 - 10) 由式(3 - 6)至式(3 - 8)可得第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 由上式可见， 自由空间传播损耗Lfs可定义为 24dPPLRTfs(3 - 11) 以dB计， 得 )(4lg20)(4lg10)(2dBddBddBLfs(3 - 12) 或 Lfs(dB) = 32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz) (3 - 13)式中， d的单位为

6、km， 频率单位以MHz计。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播 1. 大气折射大气折射 在不考虑传导电流和介质磁化的情况下， 介质折射率n与相对介电系数r的关系为rn(3 - 14) nc(3-15)式中， c为光速。 众所周知， 大气的相对介电系数与温度、 湿度和气压有关。大气高度不同，r也不同， 即dn/dh是不同的。根据折射定律， 电波传播速度v与大气折射率n成反比， 即第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，

7、弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dn/dh。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。 大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6.37106 m)变成了等效半径Re, Re与R0之间的关系为 dhdnRRRke0011式中，k称作地球等效半径系数。 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 当dn/dh0时，表示大气折射率n随着高度升高而减少。因而k1, ReR0。 在标准大气折射情况下，即当dn/dh-410-8(l/m)，等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径

8、Re=8 500km。 由上可知，大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2. 视线传播极限距离视线传播极限距离 视线传播的极限距离可由图 3 - 2 计算， 天线的高度分别为ht和hr， 两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。由于地球等效半径Re远远大于天线高度， 不难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为tehRd21(3 - 17) 同理， 由切点C到接收天线顶点B的距离d2为rehRd 2 (3 - 18) 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的

9、传播特性 图 3 2 视线传播极限距离第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 可见， 视线传播的极限距离d为 )(221rtehhRddd(3 - 19) 在标准大气折射情况下， Re=8500km, 故rthhd12. 4(3 - 20) 式中， ht、 hr的单位是m, d的单位是km。 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物， 由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。 设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图 3 - 3 所示。 图中，x表示障碍物顶点P至直射

10、线TR的距离，称为菲涅尔余隙。 规定阻挡时余隙为负， 如图 3 - 3(a)所示； 无阻挡时余隙为正， 如图 3-3(b)所示。 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图 3-4 所示。图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗， 即相对于自由空间传播损耗的分贝数。 横坐标为x/x1, 其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式可求得：21211ddddx (3 - 21) 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图 3 - 3 障碍物与余隙 (a) 负余隙； (b) 正余隙第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 由图3 - 4 可见，当x/x10.5 时，

11、附加损耗约为0dB， 即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.5x1; 当x0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为 6 dB。 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 例3-1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试 求出电波传播损耗。 解 先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗Lfs为 Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 9