移動(dòng)通信課件_第3章

1、第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.1 VHF、 UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性 3.2 電波傳播特性的估算（工程計(jì)算）電波傳播特性的估算（工程計(jì)算） 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.1 VHF、UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性 當(dāng)前陸地移動(dòng)通信主要使用的頻段為VHF和UHF。VHF：甚高頻，30300MHz，10m1mUHF：特高頻，3003000MHz，10010cm主要在150 MHz、450 MHz、900 MHz、1800 MHz。移動(dòng)通信中的傳播方式主要有直射波、反射波和地表面波等傳播方式。由于地表面波的傳播損耗隨著頻率的增高而增大，傳

2、播距離有限，因此在分析移動(dòng)通信信道時(shí)，主要考慮直射波和反射波的影響第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 阻擋體阻擋體 反射反射（引起多徑衰落）（引起多徑衰落）比傳輸波長(zhǎng)比傳輸波長(zhǎng)大的多的物體大的多的物體 繞射繞射尖利邊緣尖利邊緣 散射散射粗糙表面粗糙表面第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖圖3-1 典型的移動(dòng)信道電波傳播路徑典型的移動(dòng)信道電波傳播路徑 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.1.1 直射波直射波 在自由空間中, 電波沿直線傳播而不被吸收, 也不發(fā)生反射、 折射和散射等現(xiàn)象而直接到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式稱為直射波傳播。直射波傳播損耗可看成自由空間的電波傳播損耗Lbs, Lbs的表示式為 )(lg20lg20

3、45.32dBfdLbs式中, d為距離(km), f為工作頻率(MHz)。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.1.2 視距傳播的極限距離視距傳播的極限距離 圖3-2 視距傳播的極限距離 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 已知地球半徑為R=6370 km, 設(shè)發(fā)射天線和接收天線高度分別為hT和hR(單位為m), 理論上可得視距傳播的極限距離d0為 )()()(57. 30kmmhmhdTR在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，等效地球半徑R=8500 km, 可得修正后的視距傳播的極限距離d0為 )()()(12. 40kmmhmhdTR第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 ：無(wú)折射超折射，軌跡平行地面臨界折射：，標(biāo)準(zhǔn)大氣標(biāo)準(zhǔn)

4、折射：正折射：負(fù)折射0/157/39/00mNdhdnKmNdhdndhdn大氣折射：由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，稱為大氣對(duì)電波的折射。彎曲的方向和程度取決于大氣折射率的垂直梯度dn/dh。大氣折射對(duì)電波傳播的影響，在工程上通常用“地球等效半徑”來(lái)表征?！暗厍虻刃О霃健保赫J(rèn)為電波在大氣中依然按直線傳播，而把地球的實(shí)際半徑R0(6.37106m)修正為等效半徑Re，以保證在等效球面的上空電波沿直線傳播軌跡上的任一點(diǎn)到等效地面的距離與實(shí)際傳播軌跡上的同一點(diǎn)到真實(shí)地面的距離相等。kmkdhdnRRRke8500Re, 3/41100標(biāo)準(zhǔn)大氣折射：第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.1.3

5、繞射損耗繞射損耗各種障礙物對(duì)電波傳輸所引起的損耗稱為繞射損耗。菲涅爾余隙x：障礙物頂點(diǎn)P至直線AB之間的垂直距離。 圖3-3 菲涅爾余隙（a） 負(fù)余隙; （b）正余隙 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 第一菲涅爾區(qū)半徑x1：21211ddddx（3-4）圖3-4 繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 結(jié)論：當(dāng)橫坐標(biāo)x/x10.5時(shí)，則障礙物對(duì)直射波的傳播基本上沒(méi)有影響。當(dāng)x=0時(shí)，TR直射線從障礙物頂點(diǎn)擦過(guò)時(shí)，繞射損耗約為6dB；當(dāng)x0時(shí)，TR直射線低于障礙物頂點(diǎn)，損耗急劇增加。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 dBggLfs5 .99150201)10

6、5(20144.32mddddx7 .811015101105234321211dBLLfs5 .11617例：如圖3-3（a）所示，d1=5km,d2=10km,工作頻率150MHz，x的絕對(duì)值為82，求電波傳播損耗。解：先求出自由空間傳播損耗為：再求第一菲涅爾區(qū)半徑為：x/x1=-82/81.7-1，查圖可得繞射損耗為17dB所以，電波傳播的損耗L為：第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.1.4 反射波反射波 圖3-5 反射波和直射波 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 反射波與直射波的行距差為 dhhcbadRT2兩路信號(hào)到達(dá)接收天線的時(shí)間差換算成相位差0為 dTt220再加上地面反射時(shí)大都要發(fā)生一次

7、反相， 實(shí)際的兩路電波相位差為 d20(3-5)(3-6)(3-7)第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.1.5 多徑效應(yīng)與瑞利型多徑效應(yīng)與瑞利型(衰落特性衰落特性) 設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)A cosct后, 接收機(jī)接收端收到的合成信號(hào)為 11( )( )cos( )( )cos ( )nniciiciiiR tR tttR ttt式中：Ri(t)為第i條路徑的接收信號(hào)；i(t)為第i條路徑的傳輸時(shí)間；i(t)為第i條路徑的相位滯后，i(t)=-ci(t)。 Ri(t)和i(t)可以認(rèn)為是緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程，故：tttRtttRtRciniiciniisin)(sin)(cos)(cos)()(11（3-9）(

8、3-8)第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 設(shè): 11( )( )cos( )( )( )sin( )nnciisiiiix tR ttx tR tt則式（3-9）可寫成 )(cos)()(sin)()(cos)()(tttUttxttxtRccscc式中: U(t)為合成波R(t)的包絡(luò)； (t)為合成波R(t)的相位。 (3-10)()(arctan)()()()(22txtxttxtxtUcssc第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 通常，U(t)滿足瑞利分布，相位(t)滿足均勻分布，R(t)可視為一個(gè)窄帶過(guò)程。假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，為噪聲方差，r為接收信號(hào)的損失幅度，則包絡(luò)概率密度函數(shù)p(r)和相位概率

9、密度函數(shù)p()分別為： 2222exp)(rrrp0r+ 21)(p02 均值為 2533. 12)(0drrrprErmean方差 222022224292. 0222)(drrprrErEr(3-11)(3-12)第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.1.6 萊斯（萊斯（Riceam）衰落分布）衰落分布 在移動(dòng)通信中，如果存在一個(gè)起支配作用的直達(dá)波（未受衰落影響），這時(shí)，接收端接收信號(hào)的包絡(luò)為萊斯（Riceam）分布。 包絡(luò)的概率密度函數(shù)p(r)為：0)(202)(2222ArIerrpArA0, r0 r0, Kac0。隨著傳播距離的增加，街道走向的影響將變得越來(lái)越小。第3章 移動(dòng)通信的電波傳

10、播 圖圖3-16 市區(qū)街道走向修正值市區(qū)街道走向修正值 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (2) 建筑物的穿透衰耗Lp。 各個(gè)頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的。一般來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)越短，穿透能力越強(qiáng)。各個(gè)建筑物對(duì)電波的吸收也是不同的。不同的材料、結(jié)構(gòu)和樓房層數(shù)，其吸收衰耗的數(shù)據(jù)都不一樣。例如，磚石的吸收較小，鋼筋混凝土的大些，鋼結(jié)構(gòu)的最大。如果移動(dòng)臺(tái)在室內(nèi)使用，在計(jì)算傳播衰耗和場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，需要把建筑物的穿透衰耗也計(jì)算進(jìn)去，才能保持良好的可通率。即pbLLL0（3-26）第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 表表3-1 建筑物的穿透衰耗建筑物的穿透衰耗(地面層地面層) 頻率/MHz 150250450800平均穿透衰耗

11、/dB 22221817Lp不是一個(gè)固定的數(shù)值，而是一個(gè)030 dB的范圍， 需根據(jù)具體情況而定, 參見(jiàn)表3-1。穿透衰耗還隨不同的樓層高度而變化，衰耗中值隨樓層的增高而近似線性下降，大致為-2 dB/層， 如圖3-17所示。 在建筑物內(nèi)從建筑物的入口沿著走廊向建筑物中央每進(jìn)入1米，穿透衰耗將增加12 dB。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖3-17 信號(hào)衰耗與樓層高度 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (3) 植被衰耗Lz 圖3-18 森林地帶的附加衰耗 zbLLL00.40.30.20.100.40.30.20.1100005000305010020050010002000f / MHz附 加 損

12、 耗 / (dB / m)A : 垂直極化B : 水平極化第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (4) 隧道中的傳播衰減Lsd。 sdbLLL0圖 3-19 電波在隧道中的傳播衰耗 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.2.3 Okumura-Hata方法方法Hata對(duì)Okumura提出的基本中值場(chǎng)強(qiáng)曲線進(jìn)行了公式化處理， 所得基本傳輸損耗的計(jì)算公式如下： )(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市區(qū))(4 . 528lg2)()(2dBfLLbb市區(qū)郊區(qū))(94.40lg33.18)(lg78. 4)()(2dBffLLbb市區(qū)開(kāi)闊區(qū)(3-

13、29)(3-30)(3-31)第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 d為收發(fā)天線之間的距離，km； hb為基站天線有效高度，m； （hm）為移動(dòng)臺(tái)天線高度校正因子，hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度（m）。（hm）由下式計(jì)算： )400(97. 4)75.11(lg2 . 3)200(1 . 1)54. 1(lg29. 88 . 0lg56. 1)7 . 0lg1 . 1 ()(22MHzfhMHzfhfhfhmmmm中、 小城市 大城市 大城市 公式的適用范圍為：150 MHzf1500 MHz，30 mhb200 m，1 mhm10 m，1 kmd20 km，準(zhǔn)平坦地形。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.2.4

14、微蜂窩系統(tǒng)的覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)模式微蜂窩系統(tǒng)的覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)模式 圖圖3-20 環(huán)境參數(shù)的定義環(huán)境參數(shù)的定義(a) 環(huán)境參數(shù)；環(huán)境參數(shù)； (b) 街道方向街道方向 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 市區(qū)環(huán)境的特性用下列參數(shù)表示（參數(shù)定義見(jiàn)圖3-20(a)和(b)）： 建筑物高度：建筑物高度：hRoof； 街道寬度：街道寬度： w； 建筑物間隔：建筑物間隔：b； 相對(duì)于街道平面的直射波方向：相對(duì)于街道平面的直射波方向： 。 以上參數(shù)適用于市區(qū)地形為平滑地形。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 微蜂窩覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)計(jì)算模式分為兩部分：（1） 視線傳播。視線傳播。 基本傳播損耗采用下式計(jì)算： )(lg20)(lg266 .42

15、MHzfkmdLb式中，d為基站至移動(dòng)臺(tái)之間的距離， 限于d20 m。 (3-33)第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 （2）非視線傳播）非視線傳播。即在街道峽谷內(nèi)有高建筑物阻擋視線，基本傳輸損耗Lb由以下三項(xiàng)組成： msdrtsbLLLL0 L0自由空間傳播損耗： )(lg20)(lg204 .320MHzfkmdL Lrts屋頂至街道的繞射及散射損耗： 0lg20lg10lg109 .16orimrtsLhfL用于hRoofhm 用于LrtshRoof d0.5 km及hbhRoof d0.5km及 hbhRoof 151818dKRoofbRoofbRoofbhhhhhh19255 . 1192

16、57 . 04ffKf用于中等城市及具有中等密度的樹(shù)的郊區(qū)中心 用于大城市中心 (3-41)(3-42)(3-43)第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 式中：hb、hRoof的單位用m，f的單位用MHz，d的單位用km。 COST-231-Walfish-Ikegami計(jì)算模式應(yīng)用于hbhRoof時(shí)，計(jì)算結(jié)果誤差較大。 在同一條件下，f=1800 MHz的傳輸損耗可用900 MHz的損耗值求得，即：L1800=L900+10dB 以上微蜂窩覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)計(jì)算的適用條件為f：8002000 MHz；hBase：450m；hMobile： 13 m； d：0.025 km。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 fAf

17、AffAAt AlosDdDdDDddh d Llog4log20(4log20, 自自由由空空間間傳傳播播損損耗耗） 宏蜂窩模型宏蜂窩模型d5 d55 有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并得到LEE模型參數(shù)和距離衰減因子d1 微蜂窩模型微蜂窩模型有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) LEE模型WIM模型LEE模型WIM模型CCIR模型 fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空間間傳傳播播損損耗耗）Hata模型 fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空間間傳傳播播損損耗耗）第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 傳播模型的使用與評(píng)價(jià)傳播模型的使用與評(píng)價(jià) Hata模型模型 參數(shù)易獲得，模型易使用參數(shù)易獲得，模型易使用 但未考慮建筑物的高度和密度、街道的分布和走向等重要因素的影但未考慮建筑物的高度和密度、街道的分布和走向等重要因素的影響，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的誤差較大響，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的誤差較大 C