移動(dòng)通信電波傳播

1、第二章 移動(dòng)通信的電波傳播本章從工程設(shè)計(jì)的需要出發(fā)，著重分析陸地移動(dòng)（包括點(diǎn)點(diǎn)及點(diǎn)面固定通信）無(wú)線電波的傳播特性，論述適用于不同條件的幾種傳播模式，即Bullington模式、Okumura模式及Egli模式。對(duì)于室內(nèi)傳播，介紹了用于室內(nèi)無(wú)線覆蓋的Motley模式。第一節(jié) 固定無(wú)線通信的電波傳播在討論移動(dòng)通信的電波傳播之前，有必要首先討論固定無(wú)線通信的電波傳播，因?yàn)檫@不僅有助于比較移動(dòng)和固定無(wú)線通信電波傳播之間的差別及特點(diǎn)，而且由于在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，除了移動(dòng)用戶外，也會(huì)有少量的固定用戶。此外，固定無(wú)線通信電波傳播的某些模式和數(shù)據(jù)在適當(dāng)條件下也適用于移動(dòng)通信。因此，對(duì)移動(dòng)通信的工程設(shè)計(jì)人員而言，

2、既要掌握移動(dòng)通信的電波傳播規(guī)律，也要掌握固定通信的電波傳播規(guī)律。一、自由空間傳播在無(wú)線通信電波傳播研究中，最簡(jiǎn)單的是自由空間傳播。當(dāng)討論到其他傳播方式時(shí)，通常都要用它作為參考，故在許多場(chǎng)合，需要用到自由空間傳播的計(jì)算公式。所謂自由空間是指相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均恒為1（即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別等于真空介電常數(shù)0及真空磁導(dǎo)率0）的均勻介質(zhì)所存在的空間，該空間具有各向同性、電導(dǎo)率為零等特點(diǎn)。自由空間傳播與真空中傳播一樣，只有擴(kuò)散損耗的直線傳播，即在此空間中沒有反射、折射、繞射、色散、吸收、磁離子分裂等現(xiàn)象，而且電波傳播速度等于真空中的光速C，因此，自由空間是某些實(shí)際空間的一種科學(xué)的抽象。原則上電波

3、傳播總是要受到實(shí)際介質(zhì)或障礙物不同程度的影響。但在研究具體的無(wú)線電波傳播時(shí)，如果實(shí)際介質(zhì)與障礙物對(duì)電波傳播的影響可以忽略，則這種情況下的電波傳播可認(rèn)為是自由空間傳播。當(dāng)離開發(fā)信天線的距離為d米時(shí)，自由空間場(chǎng)強(qiáng)可用下式表示： （21）式中，E為場(chǎng)強(qiáng)（V/m）；Pt為輻射功率（W）；gt為發(fā)信天線功率增益。理想的全向天線在所有方向上均勻輻射，故g1。處于自由空間（或設(shè)在高于地面1/4波長(zhǎng)以上）的對(duì)稱天線，g為該天線相對(duì)于全向天線的功率增益。例如小的偶極子或偶極天線，當(dāng)其整個(gè)尺寸與半波長(zhǎng)相比很短時(shí)，增益為g1.5（1.76dB）；半波偶極天線在最大輻射方向上的增益為g1.64（2.15dB）。因此，

4、垂直于半波偶極天線方向上的自由空間場(chǎng)強(qiáng)是： （22）輻射功率為1瓦的場(chǎng)強(qiáng)（dBV/m）作為距離的函數(shù)如圖21的標(biāo)尺1和2所示。對(duì)于Pt瓦輻射功率，則應(yīng)在標(biāo)尺2的數(shù)值上增加一校正值10logPt（dB）。例如，對(duì)于輻射功率為1瓦的半波偶極天線，在10公里處的自由空間場(chǎng)強(qiáng)是57dB（V/m），當(dāng)輻射功率為50瓦時(shí)，則該處的場(chǎng)強(qiáng)為5710log5074dB（V/m）。應(yīng)當(dāng)指出，場(chǎng)強(qiáng)是指接收天線上無(wú)線電波的能量密度，而與接收天線的型式無(wú)關(guān)，因此，場(chǎng)強(qiáng)不決定于發(fā)射頻率，而僅依賴于輻射功率和離發(fā)信天線的距離。在自由空間傳播條件下，天線傳遞給接收機(jī)的最大有用功率Pr為 （23）式中，E為自由空間場(chǎng)強(qiáng)（V/m

5、）；為波長(zhǎng)（m）300/f；f為頻率（MHz）；gr為接收天線功率增益。圖21的標(biāo)尺2和4表示半波偶極天線的接收功率和接收?qǐng)鰪?qiáng)之間的關(guān)系。例如，當(dāng)頻率為150MHz、場(chǎng)強(qiáng)為50dB（V/m）時(shí)，半波偶極天線所獲得的最大有用功率為98dBW。圖21 半波偶極天線間的自由空間場(chǎng)強(qiáng)和接收功率（輻射功率1W）在自由空間傳播條件下，接收功率與輻射功率的關(guān)系如下： （24）我們定義Pt/Pr之比為傳輸損耗，或系統(tǒng)損耗，則 （25）如d以km計(jì)，f以MHz計(jì)，Ls以dB計(jì)，則或 （26）式中，Gt、Gr為發(fā)信和接收天線增益（dB），Lp則定義為自由空間路徑損耗，顯然，它與收、發(fā)天線增益無(wú)關(guān)，而僅與傳輸路徑有

6、關(guān)。對(duì)于半波偶極天線，Ls可直接從圖21中讀出。需要指出，在自由空間傳播條件下，電磁波的能量并沒有損失，這里所說(shuō)的自由空間傳輸損耗純屬球面波擴(kuò)散損耗，因?yàn)榻邮仗炀€所捕獲到的功率僅僅是發(fā)信天線輻射功率的很小一部分，大部分能量都散失掉了。二、光滑平地上的傳播在陸地點(diǎn)點(diǎn)及點(diǎn)面固定無(wú)線通信中，常常得不到自由空間傳播條件。由于地面的存在，無(wú)線電波在傳播中遇到了空氣和大地兩種不同介質(zhì)的光滑界面，而界面的尺寸比波長(zhǎng)大得多，因此會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，導(dǎo)致反射損耗。同時(shí)，地球表面并非良導(dǎo)體，電波射入地面，將產(chǎn)生地電流，導(dǎo)致吸收損耗。光滑平地面對(duì)電波傳播的主要影響可用如下方程式表示： （27）式中，（a）為直射波，（b

7、）為反射波，（c）為表面波，（d）為感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)和地面的二次效應(yīng)。R為地面反射系數(shù)，它與波的極化方式、地面電性常數(shù)、波長(zhǎng)及反射路徑及地面的夾角有關(guān)。當(dāng)很小時(shí)，R近似地等于1。A為表面波衰減系數(shù)，它隨頻率、地面電性常數(shù)以及極化類型而異，永遠(yuǎn)大于1，并隨距離增大和頻率的提高而減小。為直射路徑和反射路徑長(zhǎng)度差所引起的相位差（弧度），當(dāng)兩天線之間的距離d比天線高度h1和h2之和約大5倍時(shí)，它等于4h1h2/d（弧度）。由（27）式可見，在光滑平地面上傳播的波可視為三個(gè)主要項(xiàng)之和，即直射波、反射波和表面波之和。前兩項(xiàng)易于理解，第三項(xiàng)則因能量輸入地面產(chǎn)生地電流，它將改變地球表面電磁場(chǎng)分布的緣故。當(dāng)天線足夠高時(shí)

8、，直射波與反射波的幅度之和較大，表面波的影響甚小；而當(dāng)天線較低時(shí)，表明波則起重要作用。我們將表面波起支配作用時(shí)的天線高度（h0）稱為最小有效天線高度，它與波長(zhǎng)、極化方式和地面電性常數(shù)有關(guān)，如圖22所示圖22 最小有效天線高度h0對(duì)固定無(wú)線通信而言，由于天線高度一般均在數(shù)個(gè)波長(zhǎng)以上，因此，僅當(dāng)頻率低于30MHz時(shí)，表面波才是（27）式中的主要分量，在30300MHz范圍內(nèi)，它是次要的，而在300MHz以上，通?？珊雎圆挥?jì)。根據(jù)以上分析，Bullintog將（27）式簡(jiǎn)化成下列近似公式： （28）式中 （29）（210）ht、hr分別為發(fā)、收天線實(shí)際高度；h0為最小有效天線高度（見圖22）。由（2

9、8）式可見，在光滑平地面上的電波傳播，其接收功率與天線高度的平方成正比，與距離的4次方成反比，與所使用的頻率無(wú)關(guān)。在工程設(shè)計(jì)中，通常利用圖23查出在光滑平地面上半波偶極天線之間的傳播損耗。使用此圖表的具體步驟是：先從標(biāo)尺1和標(biāo)尺3分別找到發(fā)信天線和接收天線高度，然后用兩個(gè)已知天線高度的連線來(lái)確定其間無(wú)標(biāo)記的標(biāo)尺2上的某一點(diǎn)，再將該點(diǎn)連接標(biāo)尺4上的給定距離，便可在標(biāo)尺5上讀出發(fā)射功率為1瓦時(shí)的接收功率（dBW）或傳播損耗（dB）。當(dāng)需要知道接收?qǐng)鰪?qiáng)時(shí)，可將圖23所示接收功率轉(zhuǎn)移到圖21中的標(biāo)尺4，以直線通過(guò)頻率標(biāo)尺3，便可指出標(biāo)尺2的接收?qǐng)鰪?qiáng)。需要注意的是，只有當(dāng)圖23所示結(jié)果低于自由空間接收功

10、率時(shí)才算有效，否則說(shuō)明角度見（27）式太大了，就不能利用該圖表作準(zhǔn)確計(jì)算。圖23 平地面上半波偶極天線間的接收功率（輻射功率1W）茲舉一例：已知一發(fā)信機(jī)的工作頻率為900MHz，發(fā)信功率為100瓦，收、發(fā)天線為半波偶極天線，它們均在地面以上30米，并且兩者在光滑地面上相距30公里，求傳播損耗和接收功率。由圖23可得，傳播損耗為116dB。因100W為20dBW，故接收功率為2011696dBW。由于圖21所示的自由空間傳播的接收功率為208767dBW，因此圖23所得結(jié)果有效。接收?qǐng)鰪?qiáng)可從圖21查得，由96dBW接收功率和900MHz工作頻率得接收?qǐng)鰪?qiáng)為68dB（V/m）。若接收天線在潮濕平地

11、面上僅有3米，而不是30米，則圖22所示最小有效天線高度應(yīng)該用于圖23的標(biāo)尺3上，以確定傳播損耗。必須指出，該例是以光滑平地面為條件的，由于地球曲率的影響而引起2dB附加損耗未計(jì)在內(nèi)，這將在下面討論。三、光滑球形地面上的傳播上面我們討論了電波在光滑平地面上的傳播，即假定地球是一個(gè)光滑的平面。而實(shí)際上，地球表明是一彎曲的球面，因此，直射波的傳播距離（視距）要受到地球曲率的限制。但是，如同光的繞射傳播在陰影區(qū)從“亮區(qū)”到“暗區(qū)”的過(guò)渡是漸變的而不是突變的一樣，無(wú)線電波也能依靠繞射，使得視距以外的傳播成為可能。根據(jù)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，Bullinton總結(jié)了由地球曲率所引起的附加損耗的兩種確定方法。第一

12、種方法見圖24，該圖所獲得附加損耗以光滑平地面?zhèn)鞑プ鳛閰⒖?，其限制條件是任一天線高度不大于圖表上部所列的限值。第二種方法見圖25，該圖所獲得的附加損耗以自由空間傳播作為參考，它適用于任何天線高度，在距離上限于視線及視線以外之點(diǎn)，并假定彎曲的地球是唯一的障礙。第二種方法所得的相對(duì)于自由空間的附加損耗作為三個(gè)距離值的函數(shù)：d1是從較低的天線到地平線的距離，d2是從較高的天線到地平線的距離，即d1d2，而d3是視線以外的距離，因此，兩天線間總的距離是dd1d2d3。圖24 假定兩天線高度均不大于標(biāo)尺A所示數(shù)值時(shí)，由地球曲率所引起的相對(duì)于平地面的繞射損耗（dB）圖25 在光滑球形地面上，視線以外各點(diǎn)相

13、對(duì)自由空間傳播的損耗（dB）右上方天線高分別為100ft和500ft視線以外的距離d3的范圍大致由下式確定： （211）式中，f為頻率（MHz）。視線距離d1、d2與天線高度之間的關(guān)系可由圖26查得，亦可根據(jù)下式計(jì)算： （212）式中，h1，2為天線高度；k為等效地球半徑因子；a為地球?qū)嶋H半徑，近似為6.4106m；ka為等效地球半徑，其數(shù)值由下式給定： （213）式中，n為大氣的折射率；為介電常數(shù)；為大氣折射率梯度；為介電常數(shù)隨高度的變化率。根據(jù)國(guó)際航空委員會(huì)的有關(guān)規(guī)定，得到在“標(biāo)準(zhǔn)大氣”條件下的為3.95108/m，或?yàn)?.9108/m，將其代入（213）式，可得在標(biāo)準(zhǔn)折射時(shí)k4/3。在工

14、程上，通常認(rèn)為這是一個(gè)較佳的平均值。由（212）式和圖26不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)k1，為正折射時(shí)，射線朝地球方向彎曲，直視距離增長(zhǎng)，繞射損耗減??；當(dāng)kh及d2h時(shí)，有 （215） （216）式中，h為楔形障礙物頂點(diǎn)至直射波的距離，即傳播余隙。將r1、r2的關(guān)系式代入（214）式可得 （217）根據(jù)電波傳播的費(fèi)涅爾區(qū)原理，符合條件的點(diǎn)是一些以收、發(fā)天線為焦點(diǎn)并繞長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)的橢圓球體。當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)最大值；當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)最小值。以n1作出的橢圓球體稱作第一費(fèi)涅爾區(qū)，它的橫切面是一個(gè)圓，該圓的半徑稱為第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑，記作F1。我們可以作出第n個(gè)費(fèi)涅爾區(qū)并算出它的半徑Fn如下：根據(jù)（217）式，有

15、（218）于是 （219）第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑為 （220）式中，若d以km計(jì)，以mm計(jì)，則F1為m。當(dāng)反射系數(shù)接近于1時(shí)，用第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑表示的自由空間余隙h0為 （221）場(chǎng)強(qiáng)達(dá)最大值時(shí)用第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑表示的余隙為 （222）場(chǎng)強(qiáng)達(dá)最小值時(shí)用第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑表示的余隙為 （223）圖28示出傳播余隙與楔形障礙物繞射損耗的關(guān)系圖28 相對(duì)于自由空間的楔形障礙物繞射損耗L（dB）需要指出，當(dāng)傳播余隙h接近于零時(shí)，電波越過(guò)峰頂?shù)念A(yù)期損耗為6dB；而越過(guò)光滑球形地面時(shí)，圖25表明損耗約為20dB。鄰近地平線較精確的結(jié)果可從圖29查得。圖中光滑平面地上的傳播和楔形單峰繞射以單線表示，光滑球形地面上的

16、繞射用一簇有M參數(shù)的曲線表示，此M參數(shù)主要取決于天線高度和頻率。圖29 傳播損耗與余隙的關(guān)系五、楔形多峰繞射當(dāng)傳播路徑上存在兩個(gè)或多個(gè)楔形障礙物時(shí)，可用Picquenard模式計(jì)算繞射損耗。首先讓我們考慮兩個(gè)楔形障礙物的繞射模式。該模式的說(shuō)明示于圖210，圖中hp1為第一個(gè)障礙物的頂點(diǎn)A至收、發(fā)視線的距離，它與第二個(gè)障礙物無(wú)關(guān)；而hp2為第二個(gè)障礙物的頂點(diǎn)B至線的距離?？偟睦@射損耗為兩項(xiàng)損耗之和，其中一項(xiàng)由hp1和d1、d2確定，另一項(xiàng)由hp2和d1、d2確定。例如：已知參數(shù)如圖210所示，f450MHz。圖210 楔形雙峰繞射模式根據(jù)（220）式可得A點(diǎn)的第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑為而由圖28或29得

17、Ld114dB。B點(diǎn)的第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑為而由圖28得Ld211dB?？偟睦@射損耗（相對(duì)于自由空間）為L(zhǎng)d1Ld225dB。同理，可以計(jì)算三個(gè)或更多的楔形山峰繞射損耗，如圖211所示。圖211 楔形多峰繞射模式六、非楔形障礙物繞射對(duì)于如圖212上部所示的非楔形傾斜障礙物，可按Bullington模式（即圖212）預(yù)測(cè)其繞射損耗，圖中陰影三角形應(yīng)從實(shí)際天線和鏡像天線位置之間的中點(diǎn)畫出。值得注意的是實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值有可能相差較大，根據(jù)在30150MHz范圍內(nèi)，對(duì)大量路徑上實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的比較，大約有50的路徑相差56dB，10的路徑相差為1012dB，個(gè)別路徑甚至相差達(dá)20dB圖212 相對(duì)于光滑

18、球面的非楔形斜障礙物的陰影損耗七、植被損耗在傳播路徑中，由樹木所引起的附加損耗不僅取決于樹木的高度、種類、形狀、分布密度、空氣濕度及季節(jié)的變化，而且還取決于頻率、天線極化、通過(guò)樹木的路徑長(zhǎng)度及天線離開樹木的距離等多方面的因素，現(xiàn)分五種情況加以分析。1）傳播路徑全部在稠密森林的內(nèi)部當(dāng)收、發(fā)天線均處于森林內(nèi)部，整個(gè)傳播路徑都穿過(guò)樹木或通過(guò)叢林上方，并且收、發(fā)天線高度均低于森林的平均高度時(shí)，由樹木、叢林的阻擋和吸收所引起的附加損耗示于圖213。由圖可見，即使頻率低至30MHz，采用水平極化時(shí)，森林內(nèi)部的互相通信應(yīng)使用30MHz以下的頻率，利用表面波傳播。圖213 森林內(nèi)部的附加損耗2）傳播路徑全部接

19、近樹頂?shù)钠骄叨仍谏汁h(huán)境中，當(dāng)收、發(fā)天線高度均位于樹木的頂部并且兩者相距1公里以上時(shí)，根據(jù)Tamir等人的測(cè)量，植被損耗與距離無(wú)關(guān)，它作為頻率的函數(shù)如圖214所示。由圖可見，隨著頻率的提高，植被損耗以f4速率迅速增加。Tamir還指出，在樹葉較密的地區(qū)，垂直極化波的損耗稍大于水平極化波的損耗。Beudink和Wazowicz的測(cè)量指出，當(dāng)一天線在樹頂以上，另一天線完全為植被所包圍時(shí)，除了個(gè)別點(diǎn)以外，植被損耗要小于Tamir的測(cè)量結(jié)果。圖214 森林環(huán)境中的植被損耗3）傳播路徑部分穿過(guò)稠密的樹林如圖215所示，當(dāng)收、發(fā)天線均處于樹林的外部，傳播路徑部分穿過(guò)稠密的樹林時(shí)，根據(jù)Howard的測(cè)量，

20、在500MHz頻段、傳播路徑上樹木屏障厚度為8480m的范圍，植被損耗同圖213一致，隨著所通過(guò)的樹木屏障厚度的進(jìn)一步增加，衰減速率則趨于下降。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)竭_(dá)接收天線的信號(hào)已衰減到一個(gè)非常低的電平時(shí)，繞射波則占主要地位，而當(dāng)收、發(fā)天線均被密林包圍、傳播路徑全部通過(guò)密林時(shí)，則不存在這種現(xiàn)象。該測(cè)量還表明，通過(guò)樹林的損耗與接收天線離開樹林的距離（即空曠深度D）有關(guān)。當(dāng)D大于樹木高度的5倍時(shí)，測(cè)量結(jié)果與楔形障礙物繞射理論相一致，因此，在這種情況下，可以直接應(yīng)用楔形障礙物繞射理論來(lái)預(yù)測(cè)由于樹林的阻擋吸收所引起的附加損耗。圖215 傳播路徑受樹林阻擋的示意圖4）傳播路徑穿過(guò)或臨近越過(guò)中等稠密的樹林，或者

21、天線周圍有中等稠密的樹木，天線高度低于樹頂高度的情況在上述條件下，Bullington給出了301000MHz范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)曲線（見圖216）。損耗的變化范圍與前述諸因素有關(guān)，其中主要與樹木的分布密度、樹葉的有無(wú)及天線的相對(duì)位置有關(guān)。圖216 通過(guò)樹木的附加損耗5）樹葉的影響測(cè)試表明，樹葉對(duì)傳播的影響遠(yuǎn)不如光禿的樹干，并且在VHF和UHF頻段范圍內(nèi)，這種影響基本上不隨頻率而變化。樹葉所引起的附加損耗分別見表22和圖217。表22 樹葉的附加損耗圖217 樹葉的影響表22指出，街道兩側(cè)的樹木即使在有樹葉的八月份，對(duì)50MHz傳播的影響也是可以忽略的；在森林地區(qū)，冬天與夏天差值（以dB計(jì)）的累積分布

22、基本俯沖正態(tài)分布，差值的中值在兩個(gè)頻段近似為4.5dB，90的平均值為6dB。圖217是美國(guó)環(huán)境科學(xué)管理局（ESSA）在夏天和冬天的測(cè)試結(jié)果，選擇的路徑長(zhǎng)度為3公里，在傳播路徑上除樹木外無(wú)其他障礙物，發(fā)信天線在地面以上6.6米，接收天線在地面以上的高度變化范圍為224米，樹頂高度的變化范圍為在地面以上419米。該測(cè)試表明，由樹葉引起的附加損耗似與距離無(wú)關(guān)。八、建筑物的影響城市建筑物所引起的損耗取決于建筑物的高度，及其在傳播方向上的規(guī)模和直射波到達(dá)的角度。美國(guó)紐約的測(cè)試表明，在40450MHz范圍內(nèi)，建筑物效應(yīng)隨頻率的變化不顯著。在紐約市曼哈頓區(qū)任意地點(diǎn)的街道水平上的中值場(chǎng)強(qiáng)，大約比相應(yīng)平地面的

23、數(shù)值低25dB。10和90地點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)值分別約為15和35dB。電波穿過(guò)墻壁的典型損耗值視墻壁干燥或潮濕而有所不同，在303000MHz范圍內(nèi)的損耗如圖218所示。圖218 通過(guò)墻壁（磚墻或石墻）的附加損耗順便指出建筑物的穿透損耗是有實(shí)際意義的，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)便攜式無(wú)線電通信系統(tǒng)和無(wú)線電尋呼（paging）系統(tǒng)時(shí)，必須考慮室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)與室外場(chǎng)強(qiáng)的差值。根據(jù)日本對(duì)15個(gè)典型建筑物的測(cè)試，穿透損耗與建筑物的結(jié)構(gòu)例如門窗的寬度、天花板的高度、墻壁的材料及厚度等因素有關(guān)，其平均穿透損耗見表23。表23 九、隧道中的傳播Reudink曾在紐約市區(qū)曼哈頓與新澤西相連接的林肯水下隧道中進(jìn)行了傳播試驗(yàn)。該隧道長(zhǎng)300

24、0米，寬8米，高4米，試驗(yàn)結(jié)果如圖219所示。圖219 隧道中的傳播損耗由圖可見，頻率越高，損耗越小。在153和300MHz，衰減速率分別超過(guò)40dB/300m和20dB/300m；在240011000MHz，衰減速率約為24dB/300m，這是由于隧道對(duì)微波形成了有效的波導(dǎo)，因而使傳播大為改善。Emslie等在礦井中的測(cè)試表明，在5001000MHz范圍內(nèi)，從礦井的入口起，收、發(fā)相距1000英尺的傳播損耗為1520dB，在400MHz以下，傳播損耗急劇增加，而在1000MHz以上，衰減速率則逐漸下降。這與Reudink的測(cè)試結(jié)果在數(shù)量級(jí)上是一致的。十、天線極化的影響極化波的接收特性表明，無(wú)論

25、對(duì)于平地面還是不規(guī)則地形來(lái)說(shuō)，當(dāng)天線高度小于一個(gè)波長(zhǎng)，以及直射波和反射波之間的夾角很小時(shí)，垂直極化比水平極化好。當(dāng)天線高度大于一個(gè)波長(zhǎng)，以及直射波和反射波之間的夾角很小時(shí)，極化對(duì)于40MHz以上傳播特性的影響可以忽略，但在山脊后面或峽谷陰影區(qū)，垂直極化稍好一些；而在離開山脊后面深陰影區(qū)的地方，水平極化則稍好一些。對(duì)于森林或有樹木阻擋的地區(qū)來(lái)說(shuō)，水平極化比垂直極化好，參見圖213、214和圖216。對(duì)于城市建筑物陰影區(qū)來(lái)說(shuō)，在視距路徑上進(jìn)行的兩種極化方式的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試指出，垂直極化的場(chǎng)強(qiáng)比水平極化低，但在500MHz以上，幾乎無(wú)差別，具體數(shù)據(jù)參見表24表24十一、衰落現(xiàn)象大氣狀況的變化使信號(hào)電平隨時(shí)

26、間而變化。衰落的嚴(yán)重程度通常隨頻率或路徑長(zhǎng)度的增加而增大。目前還無(wú)法對(duì)衰落進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)，但區(qū)分繞射衰落和多徑衰落兩種不同類型的衰落是十分重要的。前者為慢衰落，即短期信號(hào)中值電平在長(zhǎng)期中的起伏；后者為快衰落，即瞬時(shí)信號(hào)中值電平在短期中的起伏。大氣折射率梯度的變化，使射束向上或向下彎曲，從而導(dǎo)致傳播余隙隨時(shí)間而變化。當(dāng)射束向上（背地球方向）彎曲太大，使得傳播余隙減少得太多時(shí)，視線路徑就會(huì)變?yōu)檎系K路徑，引起直射波部分受阻（衰落）或全部受阻（中斷）。這種類型的衰落稱為繞射衰落。繞射衰落會(huì)延續(xù)達(dá)幾小時(shí)之久。阻擋的程度是用費(fèi)涅爾區(qū)衡量的。而費(fèi)涅爾區(qū)半徑與頻率的平方根成反比，所以頻率越高繞射損耗越大，因而

27、繞射衰落的程度也更嚴(yán)重。繞射衰落發(fā)生的頻次和深度也可用增加傳播余隙的方法來(lái)減少，特別是當(dāng)余隙處于傳播路徑的中間時(shí)，采用這一方法更有必要。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該估計(jì)到可能出現(xiàn)的最小K值，并由它來(lái)確定傳播余隙。多徑衰落主要包括兩種類型。第一種是直射波與地面反射波之間的干涉所引起的衰落；第二種是大氣層中的多徑傳播而引起的衰落。第一種衰落常發(fā)生在水面或光滑平地面路徑中。由于直射波與反射波間的相位差隨大氣狀況而變化，結(jié)果到達(dá)接收天線的信號(hào)時(shí)大時(shí)小。為了減輕這種衰落，在地形允許條件下，可將電路一端盡可能置于高處，而另一端則盡可能置于低處，讓反射點(diǎn)接近路徑的一端，使直射波與反射波之間的相位差相對(duì)地保持穩(wěn)定。第二

28、種衰落常出現(xiàn)在有相當(dāng)傳播余隙的“粗糙”路徑上。這種類型的衰落相對(duì)來(lái)說(shuō)與傳播余隙無(wú)關(guān)，衰落信號(hào)的瞬時(shí)幅度隨時(shí)間的快變化，理論上服從瑞利分布。在有相當(dāng)傳播余隙的路徑上，衰落特性示于圖220，圖中按瑞利分布的場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)值大于E值的概率為 （224）或 （225）式中，T為瞬時(shí)場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)E值的時(shí)間百分?jǐn)?shù)即可用度；Em為場(chǎng)強(qiáng)中值；F為衰落余量，即中值以下dB值。根據(jù)上式，可從給定的T值求F，反之，也可從給定的F值求T。例如，假設(shè)點(diǎn)點(diǎn)通信要求的可用度為99.7，則該系統(tǒng)應(yīng)留的衰落余量為23.62dB。圖220 在4865km視線路徑上有1530m傳播余隙最壞月份的典型衰落特征以上討論的隨時(shí)固定無(wú)線通信的電波傳

29、播問(wèn)題，但是如前所述，某些傳播模式和數(shù)據(jù)，特別使第四點(diǎn)至第十點(diǎn)的討論結(jié)果也同樣適用于移動(dòng)通信。第二節(jié) 陸地移動(dòng)無(wú)線電波傳播對(duì)于陸地移動(dòng)通信，由于移動(dòng)體（汽車、火車等）要在行進(jìn)中通話，而移動(dòng)臺(tái)的天線高度又很低，通常僅超出地面14米，因此，與固定無(wú)線通信的電波傳播相比，它有如下兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)：第一，隨著移動(dòng)體的行進(jìn)，由于建筑物、樹木、起伏的地形及其他人為的、自然的障礙物的連續(xù)變化，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生兩種衰落，即多徑衰落和地形衰落。前者是快速的微觀變化，又稱快衰落；后者是緩慢的宏觀變化，又稱慢衰落或陰影效應(yīng)。這兩種衰落是疊加在一起的，如圖221所示。這里所說(shuō)的快、慢衰落與固定無(wú)線通信的快、慢衰落雖

30、然在分類上相同，但其機(jī)理是不一樣的。圖221 快衰落與慢衰落的疊加（北京市郊區(qū)取樣記錄，f160MHz）第二，在城市環(huán)境中，衰落信號(hào)的平均場(chǎng)強(qiáng)與光滑平地面或球形地面?zhèn)鞑ハ啾纫〉枚啵s低20dB以上，如圖222所示），并且收信的質(zhì)量要受到環(huán)境噪聲和多徑衰落的嚴(yán)重影響。因此，除了光滑平地面或球形地面這種特定的傳播條件以外，對(duì)于一般的城市、村鎮(zhèn)、山區(qū)等地的移動(dòng)通信，已不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用前述固定無(wú)線通信的電波傳播模式，而必須根據(jù)不同的傳播環(huán)境和地形特征，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法找出相應(yīng)條件下的傳播規(guī)律，以獲得準(zhǔn)確預(yù)測(cè)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的方法。圖222 東京市區(qū)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線一、地形特征和傳播環(huán)境的分類及定

31、義在陸地移動(dòng)無(wú)線通信中，影響電波傳播特性的地形地物千差萬(wàn)別，為了確定不同傳播環(huán)境和地形條件下的傳播特性，首先必須將傳播環(huán)境和地形特征分類，并給以明確的定義。1）地形特征的分類與定義我國(guó)地域廣闊，地形復(fù)雜，但大致可分為兩類，即“準(zhǔn)平坦地形”（quasi-smooth terrain）和“不規(guī)則地形”。所謂“準(zhǔn)平坦地形”是指在傳播路徑的地形剖面圖上，地形表明起伏高度在20米以下，而且其起伏是緩慢的，峰點(diǎn)和谷點(diǎn)之間的距離必須大于波動(dòng)表明的高度，在以公里計(jì)的距離內(nèi)，其平均地面高差仍在20米以內(nèi)。除此以外的其他地形統(tǒng)稱為“不規(guī)則地形”。不規(guī)則地形按其狀態(tài)又分為四類，即丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形和水陸混

32、合路徑。這幾種地形的參數(shù)將在計(jì)算其相應(yīng)的路徑損耗時(shí)分別介紹。在地形分類的基礎(chǔ)上，還必須對(duì)一些參數(shù)作明確的規(guī)定，下文分別敘述之。（1）地形波動(dòng)高度h的定義對(duì)于不規(guī)則起伏地形，我們用地形波動(dòng)高度h來(lái)描述其不規(guī)則起伏的程度，該值定義為：沿通信方向，距接收點(diǎn)10公里范圍內(nèi)，分別有10和90的地段超過(guò)的高度之差，如圖223所示。各種地形的h估計(jì)值如下：圖223 地形波動(dòng)高度h的定義地形h水面或非常平坦的地形05平坦地形510準(zhǔn)平坦地形1020小土崗式起伏地形2040丘陵地形4080小山區(qū)80150山區(qū)150300陡峭山區(qū)300700特別陡峭山區(qū)700（2）天線有效高度的定義移動(dòng)臺(tái)天線有效高度定義為天線在

33、當(dāng)?shù)氐孛嬉陨系母叨??；咎炀€有效高度hb定義為沿通信方向、距發(fā)信天線315公里范圍內(nèi)平均地面以上的高度，如圖224所示圖224 基站天線有效高度hb的定義2）傳播環(huán)境的分類與定義環(huán)境不同，地面障礙物和接收機(jī)周圍的噪聲也不一樣。通?？蓪鞑キh(huán)境分為三類：1） 開闊區(qū)。在電波傳播的方向上沒有高大的樹木或建筑物等障礙的開闊地帶，或者在電波傳播方向300400米以內(nèi)沒有任何阻擋的小片場(chǎng)地，如農(nóng)田、廣場(chǎng)等均屬開闊區(qū)。2） 郊區(qū)。在移動(dòng)臺(tái)附近有不太密集的12層樓房和稀疏的小樹林，包括農(nóng)村或市郊公路網(wǎng)等。3） 市區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，有擁擠的兩層以上的建筑物或密集的高樓大廈。對(duì)于不屬于上述三類傳播環(huán)境的其他地區(qū)，

34、可分別情況按過(guò)渡區(qū)對(duì)待。二、多徑傳播1）描述多徑衰落的數(shù)學(xué)模式如上所述，陸地移動(dòng)通信的電波傳播在移動(dòng)體行進(jìn)過(guò)程中不斷地受到建筑物、樹木或起伏地形的影響，以致到達(dá)接收天線的信號(hào)是來(lái)自不同傳播路徑的各個(gè)分量波的矢量合成，由于各分量的互相干涉而產(chǎn)生深度的快衰落，即多徑衰落。為了深入分析這一隨機(jī)現(xiàn)象，M.J.Gans假定：設(shè)在收發(fā)信天線之間沒有視線通路，故在空間任一點(diǎn)所接收到的射頻信號(hào)是由大量的垂直極化的平面波所組成，這些平面波的幅度和到達(dá)接收天線的方位角是隨機(jī)的，其相位也是隨機(jī)的（在02之間均勻分布），并且，各平面波的幅度和相位是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。根據(jù)這一假定而畫出的模型如圖225所示。圖225 接收天線

35、所收到的n個(gè)分量波設(shè)圖中XY平面為水平面，則由圖可見，每一來(lái)波方位角都與多普勒頻移有下述關(guān)系： （226） （227）式中，fn為多普勒頻移；fm為n趨近于零時(shí)的最大頻移；V為車速；為波長(zhǎng)。當(dāng)載頻fc830MHz及V60km/h時(shí)， （228）可見fmfc。因此，可用窄帶隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述場(chǎng)強(qiáng)的分量。設(shè)所發(fā)射的是垂直極化波，則接收天線所收到的信號(hào)可用下式表達(dá)： （229）式中 （230）式中，E0Cn為第n個(gè)分量波的幅度，Cn被歸一化，即 （231）Tc（t）、Ts（t）分別為Ez的兩個(gè)角頻率相同的正交分量；n為隨機(jī)相角。由概率論的中心極限定理及（230）式可知，Tc（t）和Ts（t）均服從正態(tài)分

36、布。因協(xié)方差ETcTs0，故它們彼此獨(dú)立；又因?yàn)樗鼈兌A矩相等，即 （232）因此，Tc（t）、Ts（t）的聯(lián)合概率密度函數(shù)為 （233）令 （234）則可將（233）式從直角坐標(biāo)P（Tc，Ts）變換到極坐標(biāo)P（S，n），再在（0，2）區(qū)間對(duì)n進(jìn)行積分，即得信號(hào)包絡(luò)S的概率密度函數(shù)為瑞利分布： （235）同理可得隨機(jī)相位n的概率密度函數(shù)為 （236）信號(hào)包絡(luò)S的累積分布函數(shù)為 （237）一階矩即平均電壓為 （238）二階矩即平均功率為 （239）信號(hào)包絡(luò)在樣本區(qū)間的中值Sm即當(dāng)P（SSm）0.5時(shí)的值，由（237）式得 （240）瑞利分布得概率密度函數(shù)的圖形如圖226所示。圖226 瑞利分布的

37、概率密度上述分析表明，在多徑傳播條件下，陸地移動(dòng)無(wú)線設(shè)備所收到的射頻信號(hào)，其包絡(luò)隨時(shí)間（或位置）的快速變化遵循瑞利分布律，故通常又稱瑞利衰落或快衰落。這一數(shù)學(xué)模式與在市區(qū)、山區(qū)、丘陵及森林地帶的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本吻合。2）衰落率所謂衰落率是指信號(hào)包絡(luò)在單位時(shí)間以正斜率通過(guò)中值電平的次數(shù)。由（229）式和（230）式可知，衰落率與發(fā)射頻率、移動(dòng)體的行進(jìn)速度和行進(jìn)方向以及多徑傳播的路徑數(shù)有關(guān)。測(cè)試指出，當(dāng)移動(dòng)體的行進(jìn)方向正好朝著或背著傳播方向時(shí)，衰落最快，其平均衰落率可用下式表示： （241）式中，V的單位為km/h；f為MHz。例如，當(dāng)f為900MHz，車輛以60km/h的速度在直射波的傳播方向上

38、行駛時(shí)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的平均衰落率為100Hz。顯然，對(duì)于車輛通信來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)音頻或數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意使通帶的低端高于這一頻率。（241）式表明，頻率越高，衰落越快，信號(hào)包絡(luò)上升和下降得就越陡峭。在一次測(cè)試中記錄到的最大包絡(luò)變化如圖227所示。由圖可見，以10dB深的衰落為門限，當(dāng)車輛以64km/h的速度行駛時(shí)，頻率為459MHz的信號(hào)中斷時(shí)間約為幾個(gè)毫秒，這對(duì)話音傳輸?shù)挠绊懣赡懿惶黠@，但頻率為156MHz時(shí)中斷時(shí)間將會(huì)引起話音信息的丟失。對(duì)此，下面將要作進(jìn)一步的定量討論。圖227 實(shí)測(cè)的最大包絡(luò)變化（車速：64km/h）3）電平通過(guò)率（Level cross rate）為了說(shuō)明電平通過(guò)

39、率這一重要的參量，讓我們先仔細(xì)地觀察圖228。由圖不難發(fā)現(xiàn)，接收信號(hào)的衰落越淺，衰落的速率就越快。此外，很深的衰落只是偶然出現(xiàn)。用以定量描述這一特性的參量就是電平通過(guò)率，它定義為：在單位時(shí)間內(nèi)，信號(hào)包絡(luò)以正斜率通過(guò)某規(guī)定電平的預(yù)期速率。顯然，上面討論的衰落率只是電平通過(guò)率的一個(gè)特例。根據(jù)這一定義，從圖229可求得在T秒周期內(nèi)，信號(hào)包絡(luò)通過(guò)7.5dB電平4次。圖228 當(dāng)車輛行進(jìn)時(shí)，典型的衰落信號(hào)（900MHz）圖229 電平通過(guò)率和衰落持續(xù)時(shí)間示例電平通過(guò)率由下式給定： （242）式中，Ns為電平通過(guò)率（1/s）；fmV/，最大多普勒頻移（Hz）；S/Srms為某規(guī)定電壓S與均方根電壓之比；V

40、為車速；為波長(zhǎng)。由（242）式作出的電平通過(guò)率曲線如圖230所示。用（242）式可以求出其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如小范圍內(nèi)衰落信號(hào)的均方根電平及衰落的平均持續(xù)時(shí)間，下面我們來(lái)進(jìn)行舉例說(shuō)明。圖230 移動(dòng)無(wú)線信號(hào)Ez的電平通過(guò)率曲線例21 已知車輛的行進(jìn)速度為24km/h，基站發(fā)射的信號(hào)頻率為850MHz，移動(dòng)臺(tái)接收到的射頻信號(hào)包絡(luò)如圖231所示。該圖指出，在2分鐘時(shí)間間隔內(nèi)，相對(duì)于任一預(yù)定的參考電平20logS，信號(hào)包絡(luò)以正斜率通過(guò)該電平的次數(shù)為1200次。假定圖中記錄的信號(hào)變化服從瑞利分布，求相對(duì)于參考電平20logS的均方根電平為多少dB。圖231 電平通過(guò)率參考數(shù)據(jù)解：電平通過(guò)率由圖432可得4）

41、衰落持續(xù)時(shí)間衰落持續(xù)時(shí)間是指場(chǎng)強(qiáng)低于某一電平的持續(xù)時(shí)間。我們知道，當(dāng)接收信號(hào)電平低于接收機(jī)門限電平時(shí)，就可能造成話音中斷或產(chǎn)生誤碼。因此，了解衰落低于門限電平的持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律對(duì)工程設(shè)計(jì)人員是有重要意義的。例如，知道了衰落持續(xù)時(shí)間，就可以判斷話音傳輸受影響的程度，或者確定誤碼的長(zhǎng)度。衰落持續(xù)時(shí)間的計(jì)算公式簡(jiǎn)單推導(dǎo)如下：令Ti為第i次衰落的持續(xù)時(shí)間，總的時(shí)間間隔為T（見圖229），則衰落低于任一預(yù)定電壓S的概率為 （243）平均衰落持續(xù)時(shí)間為 （244）因?yàn)?（245）所以 （246）令 （247）則 （248）公式（248）的函數(shù)關(guān)系示于圖232。圖232 移動(dòng)無(wú)線信號(hào)Ez衰落的平均持續(xù)

42、時(shí)間例22 已知條件與例21相同，求接收信號(hào)低于中值電平的平均衰落持續(xù)時(shí)間。解：由例21，N047.7次/秒，得由（239）式和（240）得參考電平與均方根電平之比為查圖232得5）時(shí)延散布時(shí)延散布是在多徑傳播情況下接收信號(hào)時(shí)延變化的一個(gè)重要特點(diǎn)。為了說(shuō)明它對(duì)移動(dòng)通信的影響。首先看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。在圖233中，基站發(fā)一脈沖信號(hào)S0（t）0（t）至移動(dòng)臺(tái)，由于存在多條不同傳播時(shí)延的傳輸路徑，每種時(shí)延的傳輸特性又各自隨著車輛的行進(jìn)而隨機(jī)地變化，因此移動(dòng)臺(tái)所收到的信號(hào)S（t）就變成了一個(gè)頻率為的脈沖串，該信號(hào)可用下式表達(dá)： （249）圖233 時(shí)延散布示例隨著移動(dòng)車周圍散射體數(shù)目的增加，所接收到的一

43、串離散脈沖將會(huì)變成一個(gè)寬度為的連續(xù)信號(hào)脈沖，通常稱為時(shí)延散布。實(shí)際上情況比圖435要復(fù)雜得多，因?yàn)槿缜八觯苿?dòng)通信的信道是衰落信道，各個(gè)脈沖的幅度是隨機(jī)變化的，它們?cè)跁r(shí)間上可以互不交疊，也可以相互交疊。利用寬帶偽噪聲信號(hào)所測(cè)得的典型時(shí)延包絡(luò)如圖234所示。它是不同時(shí)延的信號(hào)分量具有的平均功率所構(gòu)成的時(shí)延譜，也稱多徑散布譜。圖234 典型的時(shí)延包絡(luò)圖中t0表示E（t）的前沿。E（t）的一階矩即為平均時(shí)延，E（t）的均方根值即為 時(shí)延散布，計(jì)算公式如下： （250） （251）（251）式中的與圖234（b）中的含義不同，也就是說(shuō)，時(shí)延散布實(shí)際上又兩種含義，后一種含義是，表示信道多徑散布譜的尖銳

44、度和時(shí)延散布的劇烈程度。越小，譜越尖銳，時(shí)延散布越輕微；反之，時(shí)延散布越嚴(yán)重。作為參考資料，下面列出美國(guó)紐約市中心和新澤西州中等城市以及瑞典農(nóng)村（不規(guī)則地形）的實(shí)測(cè)結(jié)果：表國(guó)家參量市區(qū)（紐約市中心）郊區(qū)（包括中等城市）美國(guó)平均時(shí)延1.52.5s0.12.0s美國(guó)對(duì)應(yīng)的路徑長(zhǎng)度450750m30600m美國(guó)最大時(shí)延（-30dB）5.012.0s0.37.0s對(duì)應(yīng)的路徑長(zhǎng)度1.53.5km0.92.1km美國(guó)時(shí)延散布t的范圍1.03.0s0.22.0s美國(guó)平均時(shí)延散布1.3s0.5s瑞典平均時(shí)延5.0s（農(nóng)村，不規(guī)則地形）美國(guó)的測(cè)量結(jié)果表明，市區(qū)的傳播時(shí)延要比郊區(qū)長(zhǎng)。在市區(qū)4公里長(zhǎng)的傳播路徑上，相

45、對(duì)于最高包絡(luò)30dB處所測(cè)得的最大時(shí)延可達(dá)12微秒，因此，當(dāng)沒有采用分集接收時(shí)，要求信令速率必須小于1/，即低于83kHz，否則將會(huì)引起碼間干擾。瑞典和美國(guó)的測(cè)量均在450MHz頻段進(jìn)行，其差別顯然與地形有關(guān)。至于時(shí)延大小是否與發(fā)射載頻的高低有關(guān)，目前尚有爭(zhēng)議，但通常認(rèn)為它不取決于發(fā)射載頻，而僅歸因于高大建筑物及地形的影響。6）相關(guān)帶寬兩個(gè)頻率相隔很近的衰落信號(hào)，當(dāng)時(shí)延散布達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，就有可能變的相關(guān)。對(duì)于某一時(shí)延散布值，兩衰落信號(hào)是否相關(guān)取決于兩者的頻率間隔。兩衰落信號(hào)相關(guān)時(shí)的頻率間隔就稱為相關(guān)帶寬，它是對(duì)信道傳輸信號(hào)帶寬能力的統(tǒng)計(jì)度量。如輸入信號(hào)的帶寬甚小于信道相關(guān)帶寬，則輸出信號(hào)頻譜

46、中，譜分量幅度與相位關(guān)系就是確定的（不同時(shí)間可以有不同的常數(shù)因子）；反之，如輸入信號(hào)的帶寬大于信道相關(guān)帶寬，則會(huì)引起輸出信號(hào)的失真，對(duì)于數(shù)字通信將會(huì)引起誤碼。相關(guān)帶寬D0與時(shí)延散布的關(guān)系如下： （252） （253）如調(diào)制方案未知，通常可用下式來(lái)估計(jì)相關(guān)帶寬 （254）（252）（254）式表明，時(shí)延散布越大，相關(guān)帶寬越窄，信道容許傳輸?shù)牟皇д骖l帶就越窄；反之，越小，相關(guān)帶寬越寬。信道容許傳輸?shù)牟皇д骖l帶就越寬。三、陰影效應(yīng)前已說(shuō)明，在陸地移動(dòng)通信中，所接收的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)兩種變化。第一種變化是多徑衰落或稱快衰落，在性質(zhì)上屬于微觀變化；第二種變化是隨著車輛的運(yùn)動(dòng)，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值場(chǎng)強(qiáng)也在緩慢地起伏

47、，它起因于建筑物和起伏地形的陰影效應(yīng)，故稱之為地形衰落或慢衰落，在性質(zhì)上屬于宏觀變化。宏觀變化的速度與所發(fā)射的頻率無(wú)關(guān)，而僅取決于移動(dòng)體的速度，但衰減的深度則隨發(fā)射的頻率而變化，較高頻率的信號(hào)比較低頻率的信號(hào)容易穿透建筑物，而較低頻率的信號(hào)，其繞射能力要比較高頻率的信號(hào)強(qiáng)。大量的測(cè)試表明，地形衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。還有一種隨時(shí)間變化的慢衰落，即由于大氣折射狀況的平緩變化，使得同一地點(diǎn)所收到的中值場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間而緩慢地變化。這種慢變化也被證明服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。接收信號(hào)中值場(chǎng)強(qiáng)隨位置分布和隨時(shí)間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別記為L(zhǎng)和t，其數(shù)值如表46所列。當(dāng)同時(shí)考慮位置分布和時(shí)間分布的影響時(shí)，則聯(lián)合概率分布的標(biāo)準(zhǔn)

48、偏差由下式給定： （255）表25表25中，D為收、發(fā)天線之間的距離；h為地形波動(dòng)高度，其定義見圖223。四、電波傳播的衰減特性1）Okumura模式迄今為止，在已總結(jié)的適用于移動(dòng)通信的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模式中，Okumura模式提供的數(shù)據(jù)比較齊全，因而應(yīng)用也比較廣泛。但是，即使是這一模式也仍有待于進(jìn)行補(bǔ)充和完善，更何況各個(gè)國(guó)家、各個(gè)城市的傳播情況千差萬(wàn)別。Okumura模式的特點(diǎn)是：以準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)的中值場(chǎng)強(qiáng)或路徑損耗作為參考，對(duì)其他傳播環(huán)境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進(jìn)行修正。（1）準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)中值場(chǎng)強(qiáng)隨距離的衰減特性圖235至237分別示出在150、450和900MHz頻段準(zhǔn)平坦

49、地形大城市區(qū)中值場(chǎng)強(qiáng)隨距離的變化規(guī)律。圖中hb為基站有效天線高度，hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度，發(fā)信天線為半波偶極天線，有效輻射功率為1KW。為了計(jì)算不同天線和不同輻射功率條件下的場(chǎng)強(qiáng)，則需對(duì)圖中的數(shù)值進(jìn)行修正。例如在150MHz頻段，當(dāng)輻射功率為10W，發(fā)信天線為直立套筒天線，天線增益Gb6dBd（相對(duì)于半波偶極天線），hb30m，hm1.5m，則在10km處的場(chǎng)強(qiáng)是：4262028dB（V/m）。（2）中值路徑損耗與距離和頻率的關(guān)系準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)中值路徑損耗與距離和頻率的關(guān)系如圖238所示。該圖縱坐標(biāo)為基本中值損耗，以Am（f，d）表示，它是基站天線高度為200米、移動(dòng)臺(tái)天線高度為3米時(shí)，以自

50、由空間路徑損耗作為參考的數(shù)值。據(jù)此，中值路徑損耗為 （256）式中，LM為準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)中值路徑損耗；Lbs為自由空間路徑損耗見（26）式。圖235 場(chǎng)強(qiáng)（dB（V/m）有效輻射功率1kw，f150MHz，準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)，50的時(shí)間，50的地點(diǎn)，hm1.5m自由空間圖236 場(chǎng)強(qiáng)（dB（V/m）有效輻射功率1kw，f450MHz，準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)，50的時(shí)間，50的地點(diǎn)，hm1.5m自由空間圖237 場(chǎng)強(qiáng)（dB（V/m）有效輻射功率1kw，f900MHz，準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)，50的時(shí)間，50的地點(diǎn)，hm1.5m自由空間圖238 準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)基本中值損耗（相對(duì)于自由空間）預(yù)測(cè)曲線

51、各種校正因子分別在下面討論。（3）校正因子a天線高度增益因子：Hb（hb,d）和Hm(hm,f)基站天線高度和移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子分別如圖239和240所示。圖239 基站天線高度增益因子（相對(duì)于hb200m）預(yù)測(cè)曲線圖240 城市范圍內(nèi)移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子預(yù)測(cè)曲線由圖239可見，在10公里左右，基站天線高度在301000米范圍內(nèi)每增加一倍，接收功率將線性增加6dB；若基站天線高度大于100米，距離大于30公里，天線高度每增加一倍，則接收功率將線性增加9dB。該圖適用的頻率范圍為1502000MHz。由圖240可見，移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子不僅與天線高度有關(guān)，而且與頻率和傳播環(huán)境有關(guān)。b.郊

52、區(qū)和開闊區(qū)校正因子：Ks、Qo和Qr在郊區(qū)和開闊區(qū)，由于傳播條件顯著優(yōu)于市區(qū)，故其校正因子表現(xiàn)為增益，如圖241（a）和（b）所示。由圖可見，頻率越高，郊區(qū)和開闊區(qū)比市區(qū)傳播情況越好。在150MHz頻段，郊區(qū)校正因子Ks為6.5dB，這和在北京郊區(qū)的測(cè)試結(jié)果（6.1dB）基本一致。在開闊區(qū)，典型接收信號(hào)中值比市區(qū)高達(dá)20dB以上。若需計(jì)算郊區(qū)或開闊區(qū)收、發(fā)之間的中值路徑損耗，則應(yīng)先求出相應(yīng)條件下市區(qū)的中值路徑損耗，然后再減去圖241所得的校正因子。當(dāng)通信距離小于5公里、基站天線較高、按以上方法求出的中值路徑損耗小于自由空間損耗時(shí)，則應(yīng)以自由空間損耗為準(zhǔn)。圖241 校正因子預(yù)測(cè)曲線c.道路走向校

53、正因子：Kp和Kv測(cè)試表明，接收的中值場(chǎng)強(qiáng)與道路的走向有關(guān)，特別是在城市區(qū)。當(dāng)?shù)缆纷呦蚺c通信方向平行或垂直時(shí)，在離開基站的同一距離上，接收的中值場(chǎng)強(qiáng)相差較大。圖242是這兩種情況下的校正因子。由圖可見，道路走向校正因子是收、發(fā)距離d的函數(shù)而與頻率無(wú)關(guān)。例如，在離開基站10公里處，道路走向與信號(hào)方向平行時(shí)接收的中值場(chǎng)強(qiáng)比垂直時(shí)高10dB，而在50公里處則僅高6.5dB。圖242 道路走向校正因子預(yù)測(cè)曲線d.道路寬度校正因子：Wf道路寬度校正因子Wf（圖243）是在北京市的實(shí)測(cè)結(jié)果（150MHz頻段）。為了求道路寬度校正因子，首先必須求有效道路寬度W。由圖中定義可知，WW/2sin，式中，W為道路實(shí)際寬度；為通信方向與道路走向之間的夾角。預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較表明，將Wf計(jì)入公式（456）內(nèi)，可以減少預(yù)測(cè)誤差。這對(duì)于道路走向既不與通信方向平行、也不與通信方向垂直的情況更為適用。圖243 道路寬度校正因子預(yù)測(cè)曲線e.不規(guī)則地形校正因子：Kh、KA、Kis、Ki、（ki）不規(guī)則地形主要包括丘陵、傾斜地