移動通信的電波傳播課件

1、第3章 移動通信的電波傳播3.1 VHF、UHF頻段的電波傳播特性 3.2 電波傳播特性的估算（工程計算）2022/7/2813.1 VHF、UHF頻段的電波傳播特性3.1.1 直射波3.1.2 視距傳播的極限距離3.1.3 繞射損耗3.1.4 反射波3.1.5 多徑效應(yīng)與瑞利(Rayleigh)衰落3.1.6 萊斯（Riceam）衰落2022/7/282移動通信系統(tǒng)的使用頻段當前陸地移動通信主要使用的頻段為VHF和 UHF，即150MHZ、450MHz、900MHz、1800 MHz。VHF，甚高頻，30300MHz，米波，10m1mUHF，超高頻，0.33GHz，分米波，1m0.1m 20

2、22/7/283移動通信系統(tǒng)電波的傳播方式 圖3-1 典型的移動信道電波傳播路徑 直射波 反射波 地表面波 2022/7/2843.1.1 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)象而直接到達接收點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的表示式為 式中，d為距離(km)，f為工作頻率(MHz)。 2022/7/2853.1.2 視距傳播的極限距離 圖3-2 視距傳播的極限距離 2022/7/286修正公式: (等效地球半徑R=8500km)理論公式: (地球半徑R=6370km)2022/7/2873.1.3 繞射損耗 在移動通

3、信中，通信的地形環(huán)境十分復(fù)雜，很難對各種地形引起的電波損耗做出準確的定量計算，只能作出一些定性分析，采用工程估算的方法。在實際情況下，除了考慮在自由空間中的視距傳輸損耗外，還應(yīng)考慮各種障礙物對電波傳輸所引起的損耗。通常將這種損耗稱為繞射損耗。 2022/7/288圖3-3 菲涅爾余隙（a） 負余隙; （b）正余隙 2022/7/289圖3-4 繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系 2022/7/2810 圖中，橫坐標為x/x1，x1稱菲涅爾半徑（第一菲涅爾半徑），且有 2022/7/28113.1.4 反射波 電波在傳輸過程中，遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，就會發(fā)生反射現(xiàn)象。圖3-5給出了從發(fā)射天線

4、到接收天線的電波由反射波和直射波組成的情況。反射波與直射波的行距差為 圖3-5 反射波和直射波2022/7/2812 由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此兩路信號到達接收天線的時間差換算成相位差0為 再加上地面反射時大都要發(fā)生一次反相，實際的兩路電波相位差為 2022/7/28133.1.5 多徑效應(yīng)與瑞利(Rayleigh)衰落 設(shè)發(fā)射機發(fā) 后，接收機接收端收到的合成信號為 式中： 為第i條路徑的接收信號； 為第i條路徑的傳輸時間； 為第i條路徑的相位滯后， 。 2022/7/2814為合成波的包絡(luò) ；為合成波的相位。 式中： 2022/7/2815 由于 和 隨時間的變化與發(fā)射信號的

5、載頻周期相比是緩慢變化的，因此及包絡(luò)、相位也是緩慢變化的。通常，包絡(luò)滿足瑞利分布，相位滿足均勻分布，可視為一個窄帶過程。假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，噪聲方差為2，r為接收信號的包絡(luò)幅度，則包絡(luò)概率密度函數(shù)和相位概率密度函數(shù)分別為：2022/7/2816均值：方差：2022/7/2817瑞利分布的概率密度2022/7/28183.1.6 萊斯（Riceam）衰落分布 在移動通信中，如果存在一個起支配作用的直達波（未受衰落影響），這時，接收端接收信號的包絡(luò)為萊斯（Riceam）分布。包絡(luò)的概率密度函數(shù)p(r)為 2022/7/28193.2 電波傳播特性的估算（工程計算） 在實際中，由于移動通信的移動臺

6、在不停地運動。計算繞射損耗中的x、x1的數(shù)值處于變化中，因而使用公式計算不平坦地區(qū)場強時遇到較大的麻煩。Egli John J提出一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并根?jù)此模型提出經(jīng)驗修正公式，認為不平坦地區(qū)的場強等于平面大地反射公式算出的場強加上一個修正值，其修正值為 3.2.1 Egli John J場強計算公式式中, f為工作頻率，以MHz為單位。 2022/7/2820不平坦地區(qū)的場強公式 :不平坦地帶傳播衰減: 2022/7/2821 如果 采用米(M)表示，d用公里（km）表示，f用MHz表示，則不平坦地區(qū)的傳播衰耗LA為 2022/7/28223.2.2 奧村（Okumura）模型 移動通信中電波傳

7、播的實際情況是復(fù)雜多變的。實踐證明，任何試圖使用一個或幾個理論公式計算所得的結(jié)果，都將引入較大誤差，甚至與實測結(jié)果相差甚遠。為此，人們通過大量的實地測量和分析，總結(jié)歸納了多種經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ｔ谝欢ㄇ闆r下，使用這些模型對移動通信電波傳播特性進行估算，通常都能獲得比較準確的預(yù)測結(jié)果。 奧村（Okumura）模型 OM模型適用的范圍：頻率為1501920MHz，基地站天線高度為201000m，移動臺天線高度為110 m，傳播距離為1100km。2022/7/28231市區(qū)傳播衰耗中值 圖3-6 大城市準平滑地形基本衰耗中值A(chǔ)m(f, d)2022/7/2824由曲線上查得的基本衰耗中值A(chǔ)m(f，d)加上自

8、由空間的傳播衰耗Lbs才是實際路徑衰耗LT，即 2022/7/2825例 3-1 當 d=10 km，hb=200 m，hm=3 m，f=900 MHz時，由式（3-1）可求得自由空間的傳播衰耗中值Lbs為 2022/7/2826 如果基站天線的高度不是200m, 則損耗中值的差異用基站天線高度增益因子Hb(hb, d)表示。圖3-7給出了不同通信距離d時，Hb(hb, d)與hb的關(guān)系。顯然，當hb200m時，Hb(hb, d)0dB；反之，當hb200m時， Hb(hb, d)0 dB。 同理，當移動臺天線高度不是3m時，需用移動臺天線高度增益因子Hm(hm, f)加以修正，參見圖3-8。

9、當hm3m時，Hm(hm, f)0dB； 反之，當hm3m時，Hm(hm, f)0dB。2022/7/2827圖3-7 基站天線高度增益因子2022/7/2828圖3-8 移動臺天線高度增益因子2022/7/2829 在考慮基站天線高度因子與移動臺天線高度因子的情況下，式（3-18）所示市區(qū)準平滑地形的路徑傳播衰耗中值應(yīng)為 例3-2 在前面計算城市地區(qū)準平滑地形的路徑衰耗中值的例子中，當hb=200m, hm=3m, d=10km, f=900MHz時，計算得LT=141.5 dB。 若將基地站天線高度改為hb=50m, 移動臺天線高度改為hm=2m, 利用圖3-7、圖3-8 可以對路徑傳播衰

10、耗中值重新進行修正。 2022/7/2830查圖3-7得 查圖3-8得 修正后的路徑衰耗中值LT為 2022/7/28312. 郊區(qū)和開闊地損耗的中值圖 3-9 郊區(qū)修正因子2022/7/2832圖 3-10 開闊地、準開闊地修正因子2022/7/28333. 不規(guī)則地形上傳播損耗的中值(1) 丘陵地的修正因子Kh(2) 孤立山岳修正因子Kjs(3) 斜波地形修正因子Ksp(4) 水陸混合路徑修正因子KS2022/7/2834(1) 丘陵地的修正因子Kh 丘陵地的地形參數(shù)用地形起伏高度h表征。它的定義是：自接收點向發(fā)射點延伸10km的范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%的高度差(參見圖3-11上方

11、)即為h。2022/7/2835圖3-11 丘陵地形修正因子Kh2022/7/2836圖3-12 丘陵地形微小修正因子Khf2022/7/2837(2) 孤立山岳修正因子Kjs 圖3-13給出的是適用于工作頻段為450900MHz、山岳高度在110350m范圍，由實測所得的弧立山岳地形的修正因子Kjs的曲線。其中，d1是發(fā)射天線至山頂?shù)乃骄嚯x， d2是山頂至移動臺的水平距離。圖中，Kjs是針對山岳高度H=200m所得到的場強中值與基準場強的差值。如果實際的山岳高度不為200m時，上述求得的修正因子Kjs還需乘以系數(shù)，計算的經(jīng)驗公式為 式中，H的單位為m。2022/7/2838圖 3 13 孤

12、立山岳修正因子2022/7/2839(3) 斜波地形修正因子Ksp 斜坡地形系指在510km范圍內(nèi)的傾斜地形。若在電波傳播方向上，地形逐漸升高，稱為正斜坡，傾角為+m；反之為負斜坡，傾角為-m，如圖 3-14 的下部所示。2022/7/2840圖 3-14 斜坡地形修正因子2022/7/2841(4) 水陸混合路徑修正因子KS2022/7/28424. 任意地形的信號中值預(yù)測 前面我們介紹了電波傳輸衰耗中值與工作頻率、通信距離、天線高度等的關(guān)系，并給出了電波傳播的各種衰耗曲線。利用這些曲線，就可以對各種地形地物情況下的信號中值做出預(yù)測。信號中值可以是場強中值，也可以是路徑衰耗中值或是接收信號的

13、功率中值，總之，都是用來表示移動通信電波傳播特性的。不過在傳輸電路計算中，常用功率中值和路徑衰耗中值。下面簡要說明預(yù)測步驟。 2022/7/2843（1）計算自由空間的傳播衰耗。 （2）市區(qū)準平滑地形的信號中值。 （3）任意地形地物情況下的信號中值。 KT為地形地物修正因子。如果發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率為PT，則市區(qū)準平滑地形接收功率中值PP為 2022/7/2844 KT由如下項目構(gòu)成： 式中：Kmr為郊區(qū)修正因子，可由圖3-9查得； Qo，Qr為開闊區(qū)、準開闊區(qū)修正因子，可由圖3-10查得； Kh，Khf為丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值，可由圖 3-11、圖3-12查得； Kjs為孤立

14、山岳地形修正因子，可由圖3-13查得； Ksp為斜坡地形修正因子，可由圖3-14查得； Ks為水陸混合地形修正因子，可由圖3-15查得。2022/7/2845 如果發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率為PT，則市區(qū)準平滑地形接收功率中值PP為 任意地形地物情況下接收信號的功率中值PPC是以市區(qū)準平滑地形的接收功率中值PP為基礎(chǔ)，加上地形地物修正因子KT，即 2022/7/2846 例3-3 某一移動電話系統(tǒng)，工作頻率為 450 MHz，基站天線高度為70m，移動臺天線高度為1.5m，在市區(qū)工作，傳播路徑為準平滑地形，通信距離為20km，求傳播路徑的衰耗中值。 解: (1)自由空間的傳播衰耗: 2022/7

15、/2847(2) 市區(qū)準平滑地形的衰耗中值:由圖3-6查得 由圖3-7查得由圖3-8查得所以，準平滑地形市區(qū)衰耗中值為2022/7/2848 (3) 任意地形地物情況下的衰耗中值: 根據(jù)已知條件可知： 因為 所以 2022/7/2849 例3-4 若上題改為在郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且其他條件不變，再求傳播路徑的衰耗中值。 解: 根據(jù)已知條件 由圖3-9查得 由圖3-14查得 所以地形地物修正因子KT為 因此傳播路徑衰耗中值LA為2022/7/2850 5. 其他因素的影響 （1）街道走向的影響 （2）建筑物的穿透衰耗LP （3）植被衰耗LZ （4）隧道中的傳播衰減 2022/7/2851

16、（1）街道走向的影響 電波傳播的衰耗中值與街道的走向（相對于電波傳播方向）有關(guān)。特別是在市區(qū)，走向與電波傳播方向平行（縱向）或垂直（橫向）時，在距基站同一距離上，接收的場強中值相差很大。這是由于建筑物形成的溝道有利于電波的傳播，因而在縱向街道上衰耗較小，橫向街道上衰耗較大。也就是說，在縱向街道上的場強中值高于基準場強中值，在橫向街道上的場強中值低于基準場強中值。 2022/7/2852圖3-16 市區(qū)街道走向修正值 2022/7/2853（2）建筑物的穿透衰耗LP 各個頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的。一般來說，波長越短，穿透能力越強。同時，各個建筑物對電波的吸收也是不同的。不同的材料、結(jié)構(gòu)

17、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。 式中：Lb為實際路徑衰耗中值，Lo為在街心的衰耗中值，Lp為建筑物的穿透衰耗。 2022/7/2854頻率/MHz 150250450800平均穿透衰耗/dB 22221817表3-1 建筑物的穿透衰耗(地面層) 2022/7/2855圖3-17 信號衰耗與樓層高度 2022/7/2856（3）植被衰耗LZ 樹木、植被對電波有吸收作用。在傳播路徑上，由樹木、植被引起的附加衰耗不僅取決于樹木的高度、種類、形狀、分布密度、空氣濕度和季節(jié)變化，還取決于工作頻率、天線極化、通過樹木的路徑長度等多方面因素。在城

18、市中，由于樹木、綠地與建筑物往往是交替存在著的，所以，它對電波傳播引起的衰耗與森林對電波傳播的影響是不同的。大片森林對電波傳播產(chǎn)生的附加衰耗可參看圖3-18。圖中，曲線A與B分別相對于垂直極化波與水平極化波。一般來說，垂直極化波比水平極化波的衰耗稍大些。 2022/7/2857圖3-18 森林地帶的附加衰耗 2022/7/2858（4）隧道中的傳播衰減 移動通信的空間電波傳播在遇到隧道等地理障礙時，將受到嚴重衰落而不能通信。如地鐵及地下鐵礦、煤礦井下無線調(diào)度系統(tǒng)，乘坐汽車、火車在穿越山洞隧道時使用移動電話均需解決隧道或地下通道的電波傳播問題。空間電波在隧道中傳播時，由于隧道壁的吸收及電波的干涉

19、作用會受到較大的衰耗。2022/7/2859圖3-19 電波在隧道中的傳播衰耗 2022/7/2860當通信系統(tǒng)中的一方天線在隧道外時，則由于地形、地物的阻擋，通信距離還要大大縮短。電波在隧道中的衰耗還與工作頻率有關(guān)，頻率越高，衰耗越小。這是由于隧道對較高頻率電磁波形成了有效的波導(dǎo)，因而使傳播得到改善。當隧道出現(xiàn)分支或轉(zhuǎn)彎時，衰耗會急劇增加，彎曲度越大，衰耗越嚴重。例如，450MHz的電波，在直隧道內(nèi)衰耗為6dB，一個直角轉(zhuǎn)彎后，衰耗為58dB,所以轉(zhuǎn)彎后通信距離將大大縮短。 2022/7/2861解決電波在隧道中的傳播問題，通?？刹捎脙煞N措施：一是在較高頻段（數(shù)百兆赫），使用強方向性天線，把

20、電磁波集中射入隧道內(nèi)，但傳播距離也不能很長，且受到車體的影響（特別是地鐵列車駛?cè)胨淼篮?，占用了隧道?nèi)絕大部分的空間）；二是在隧道中，縱向沿隧道壁鋪設(shè)導(dǎo)波線（通常為泄漏電纜），使電磁波沿著導(dǎo)波線在隧道中傳播，從而減小傳播衰耗。在導(dǎo)波線附近的移動臺天線可以通過與導(dǎo)波線開放式泄漏場發(fā)生耦合，實現(xiàn)與基站的通信。在圖 3-19中，曲線B為200平衡線導(dǎo)波線的衰耗曲線。 2022/7/28623.2.3 Okumura-Hata方法 為了在系統(tǒng)設(shè)計時, 使Okumura預(yù)測方法能采用計算機進行預(yù)測，Hata對Okumura提出的基本中值場強曲線進行了公式化處理，所得基本傳輸損耗的計算公式如下：2022/7/2863移動臺天線高度校正因子： 2022/7/28643.2.4 微蜂窩系統(tǒng)的覆蓋區(qū)預(yù)測模式在微蜂窩系統(tǒng)中，基站天線高度通常低于屋頂，電波傳播由其周圍建筑物的繞射和散射決定，即主要射線傳播是在類似于槽形波導(dǎo)的街道峽谷中進行。COST-231-Walfish-Ikegami模式可用于宏蜂窩及微蜂窩作傳播損耗預(yù)測。但是