第八章電波的傳播特性

1、移動(dòng)通信技術(shù) (第2版)第8章 電波的傳播特性第8章 電波的傳播特性v 內(nèi)容n電波傳播中的衰落nOM模型概念及場(chǎng)強(qiáng)衰耗中值的預(yù)測(cè)n任意地形、地物衰耗場(chǎng)強(qiáng)中值和信號(hào)中值的預(yù)測(cè)n電波傳播電路的計(jì)算、覆蓋設(shè)計(jì)第8章 電波的傳播特性v 重點(diǎn)nOM模型及任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預(yù)測(cè)n系統(tǒng)均衡v 難點(diǎn)n電波傳播衰耗特性的統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征量n任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預(yù)測(cè)v 目的和要求n了解衰落對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憂理解表征電波傳播衰耗特性的統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征量n掌握自由空間傳輸衰耗、OM模型及電波傳播衰耗中值的計(jì)算方法8.1 無(wú)線電波v 無(wú)線電波的概念n無(wú)線電波是一種能量的傳輸形式n電場(chǎng)和磁場(chǎng)

2、在空間交替變換，向前行進(jìn)n傳播過(guò)程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間是相互垂直的，同時(shí)這兩者又都垂直于傳播方向v無(wú)線電波的傳播速度n傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān) n真空中的傳播速度等于光速(3108ms )n空氣中的傳播速度略小于光速 通常認(rèn)為它等于光速 n無(wú)線電波的波長(zhǎng)、頻率和傳播速度的關(guān)系： /為速度(m/s)；為頻率(Hz)；為波長(zhǎng)(m)n不同介質(zhì)中傳播速度不同、波長(zhǎng)不同 v無(wú)線電波的極化n概念：無(wú)線電波在空間傳播時(shí)，其電場(chǎng)方向是按一定的規(guī)律而變化 n電波的極化方向：無(wú)線電波的電場(chǎng)方向n極化波必須用對(duì)應(yīng)的極化特性的天線接收否則在接收過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極化損失n極化的類型n線極化n水平極化、垂直極化n+45傾斜極化

3、、- 45傾斜極化n橢圓極化n圓極化n雙極化天線n兩個(gè)天線為一個(gè)整體，有兩個(gè)獨(dú)立的波，這兩個(gè)波的極化方向相互垂直 n類型nV/H（垂直/水平）極化n傾斜（+45/-45 ）極化8.1.2 電波的傳播方式v 電波的傳播方式n在分析電波傳播特性時(shí)總是以自由空間的傳播環(huán)境為參考進(jìn)行n自由空間n一種理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)空間n當(dāng)電磁波在自由空間中傳播時(shí)直線傳播，不發(fā)生反射、折射、散射和吸收現(xiàn)象n只存在電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗n實(shí)際傳播環(huán)境中電波的傳播方式n直射、反射、繞射、散射v 超短波傳播特性n無(wú)線電波的波長(zhǎng)不同，傳播特點(diǎn)也不完全相同 n主要傳播特性n視距傳播n多徑傳播n繞射能力弱v

4、電波傳播中的三種損耗n路徑傳播損耗 n慢衰落損耗 n快衰落損耗室內(nèi)環(huán)境的傳播v 電波在建筑物內(nèi)傳播的類型n由室外向建筑物內(nèi)的穿透?jìng)鞑電波只在建筑物內(nèi)傳播v 室內(nèi)無(wú)線環(huán)境特點(diǎn)n覆蓋范圍小n傳播距離短n傳播時(shí)延要小的多n室內(nèi)環(huán)境中用戶多處于靜止和慢速移動(dòng)狀態(tài)，可忽略多普勒頻移n室內(nèi)環(huán)境變化更復(fù)雜，電波傳播受建筑類型、室內(nèi)布局、建筑材料影響較大即使在同一個(gè)建筑物內(nèi)的不同位置，其傳播環(huán)境也不盡相同，甚至差別很大 8.2 電波傳播中的衰落v 電波傳播的衰落特性v 場(chǎng)強(qiáng)估算模型8.2.1 電波傳播的衰落特性v 衰落的概念n由于實(shí)際傳播環(huán)境中復(fù)雜的地形地物對(duì)傳播信號(hào)的阻擋，及反射、繞射和散射引起的無(wú)線信號(hào)

5、的多徑傳播都會(huì)對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生影響，導(dǎo)致接收信號(hào)的隨機(jī)變化。v 衰落的類型n陰影衰落（陰影效應(yīng)、氣象條件變化）場(chǎng)強(qiáng)中值的緩慢變化（慢衰落），服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。n多徑衰落（多徑效應(yīng)）瞬時(shí)值有快速、大幅度的變化（快衰落），統(tǒng)計(jì)特性滿足瑞利分布v 空間選擇性衰落：平滑瑞利衰落，在不同地點(diǎn)（空間）衰落特性不一樣，是由于天線點(diǎn)波束的擴(kuò)散引起。v 頻率選擇性衰落：在不同頻率衰落特性不一樣，是由于時(shí)延擴(kuò)展引起的衰落。v 時(shí)間選擇性衰落：在不同時(shí)間衰落特性不一樣，是由于變速移動(dòng)引起頻率擴(kuò)散，在接收點(diǎn)波形產(chǎn)生了時(shí)間選擇性衰落。v 定點(diǎn)通信的衰落需考慮慢衰落，對(duì)移動(dòng)通信影響最大的是快衰落。8.2.1 電波傳播的

6、衰落特性表征衰落的統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征v 場(chǎng)強(qiáng)中值E0n概念：場(chǎng)強(qiáng)值超過(guò)設(shè)定場(chǎng)強(qiáng)值的概率為50%時(shí)，該設(shè)定值為場(chǎng)強(qiáng)中值n若場(chǎng)強(qiáng)中值等于接收機(jī)最低門限值，則可通信率為50%。 （只有50%的時(shí)間可正常通信），必須使實(shí)際的場(chǎng)強(qiáng)中值遠(yuǎn)大于接收機(jī)的門限值，才能在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)保證正常通信。n場(chǎng)強(qiáng)中值不能反映衰落的嚴(yán)重程度例：統(tǒng)計(jì)時(shí)間為T，超過(guò)E0的時(shí)間為t1、t2、t3則：超過(guò)E0的概率為 p(t)=( t1+t2 + t3)/T100% 當(dāng)p(t)=50%時(shí)， E0為場(chǎng)強(qiáng)中值v衰落深度：n衡量衰落的嚴(yán)重程度n接收電平與場(chǎng)強(qiáng)中值電平之差表示n以場(chǎng)強(qiáng)中值電平為參考，表明信號(hào)起伏偏離其中值電平的程度n衰落深度=2

7、0Lg（Ei/Eo)n若為電平值，則衰落深度= Ei-Eon一般移動(dòng)通信系統(tǒng)中，衰落深度可達(dá)20-30dB。v 衰落速率Nn衡量場(chǎng)強(qiáng)變化的快慢，即頻繁程度n單位時(shí)間內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)包絡(luò)與給定電平值ER相交次數(shù)的一半n衰落率與工作頻率、移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)速度和方向等因素有關(guān)平均衰落率： 其中v（km/h）、f（MHz）v 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，音頻通帶或信令數(shù)據(jù)通帶的低端應(yīng)高于衰落率v 衰落持續(xù)時(shí)間n場(chǎng)強(qiáng)低于某一給定電平值的持續(xù)時(shí)間n表示信息傳輸?shù)氖苡绊懗潭?或用于判斷信令誤碼的長(zhǎng)度8.2.2 場(chǎng)強(qiáng)估算模型v電波傳播受地形地物的影響 即電波傳播特性與實(shí)際空間環(huán)境相關(guān)v 預(yù)測(cè)時(shí)在自由空間基礎(chǔ)上考慮具體環(huán)境影響nOM模型nEg

8、li模型nBM模型nCost231模型v 以日本東京城市場(chǎng)強(qiáng)中值實(shí)測(cè)結(jié)果得到的經(jīng)驗(yàn)曲線構(gòu)成的模型。v 模型：城市視為準(zhǔn)平滑地形，給出經(jīng)驗(yàn)曲線其他地形地物情況則給出修正值v 適用范圍：n頻率：100MHz1500MHznBTS天線高度：30 m 200mnMS天線高度：1 m10mn傳播距離： 1km 20km1.OM模型(Okumura-M.Hata奧村哈達(dá))v 美國(guó)陸上移動(dòng)通信、VHF、UHF信號(hào)預(yù)測(cè)方法，對(duì)丘陵地形預(yù)測(cè)較準(zhǔn)v 在傳播地形起伏高度為20m的基本條件下，基本傳播衰減公式：L(dB)=177+20lgd+20lgf-20lghThR 單位：d (英里) ；f(MHz) ； hT

9、、 hR(英尺) 其他地形給出修正因子v 適用范圍：n頻率：25MHz 470MHzn傳播距離： 60km 以內(nèi)2. Egli模型v理論模型n以自由空間、平面大地和球面地形傳播理論為基礎(chǔ)，以諾模圖形式給出。v適用范圍：n頻率：30MHz 3000MHzn傳播距離：1 幾百公里3. BM（Bullingron）v 歐洲建議n廣泛用于建筑物高度近似一致的城區(qū)和郊區(qū)環(huán)境v 應(yīng)用分兩種情況：n高基站天線-非視距NLOSn低基站天線-視距LOS4. cost231模型8.3 電波傳播特性預(yù)測(cè)v OM模型v 任意地形地物信號(hào)中值的預(yù)測(cè)v 場(chǎng)強(qiáng)中值變動(dòng)分布及預(yù)測(cè)v 覆蓋設(shè)計(jì)8.3.1 OM模型v模型：城市視

10、為準(zhǔn)平滑地形，給出經(jīng)驗(yàn)曲線其他地形地物情況則給出修正值vOM模型可在適用范圍內(nèi)作電波傳播預(yù)測(cè) n地形、地物的分類n準(zhǔn)平滑地形上的電波傳播特性n不規(guī)則地形修正因子n其他因素對(duì)電波傳播的影響1.地形、地物的分類v 地形的分類n準(zhǔn)平滑地形：地形剖面圖上，表面起伏高度在20m以下，且起伏緩慢n不規(guī)則地形n丘陵地形n孤立山岳n傾斜地形n水陸混合地形v 地物的分類n根據(jù)障礙物的密集程度和屏蔽程度分類n地物的類型n開闊地：無(wú)較大樹木、建筑物等障礙物準(zhǔn)開闊地n郊區(qū)：障礙物不稠密n市區(qū)：障礙物稠密只能考慮一種地物形態(tài)，而地形可根據(jù)實(shí)際情況組合v 天線有效高度n基站天線有效高度hb = hta -hganhga：

11、從基站天線架設(shè)點(diǎn)起315km距離內(nèi)的平均地面海拔高度nhta：基站天線架設(shè)的海拔高度nMS天線有效高度hm：地面以上有效高度以后所有天線高度均指天線有效高度1.準(zhǔn)平滑地形上的電波傳播v 自由空間的傳播損耗v 市區(qū)傳播衰耗中值的預(yù)算v 郊區(qū)、開闊地傳播衰耗中值的預(yù)算v 預(yù)算中的注意點(diǎn)v自由空間：理想的空間（真空）n電波沿直線傳播，不被吸收，不會(huì)被反射、折射、繞射和散射，電磁波的能量沒有損失n自由空間傳播損耗的含義：損耗來(lái)自于球面波發(fā)散傳播中，天線未接收到的能量 即：球面波的擴(kuò)散損耗v自由空間傳播損耗（1）自由空間的傳播損耗Lbs僅與d、f有關(guān)v 基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)v 基站天線有效高度增益

12、因子Hb(hb,d)v 移動(dòng)臺(tái)天線有效高度增益因子Hm(hm,f)v 準(zhǔn)平滑市區(qū)傳播衰耗中值L市區(qū)（2）市區(qū)傳播衰耗中值的預(yù)算v 基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)nhb=200m hm=3mn參數(shù)：f、dv 基站天線有效高度增益因子Hb(hb,d)n以hb=200m時(shí)的值為基準(zhǔn)(0dB)v 移動(dòng)臺(tái)天線有效高度增益因子Hm(hm,f)n以hm=3m時(shí)的值為基準(zhǔn)(0dB)n當(dāng)hm5m時(shí)，還與環(huán)境有關(guān)（拐點(diǎn)）v 自由空間傳播衰耗 Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz)v 準(zhǔn)平滑市區(qū)傳播衰耗中值 L市區(qū)=Lbs+ Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) Hb(hb,d)、Hm(hm,f)為增益因子，計(jì)算衰減中值時(shí)取減號(hào) 郊區(qū)、開闊地傳播衰耗中值的預(yù)算v 郊區(qū)修正因子Kmr的預(yù)測(cè)n參數(shù)：f，d第3節(jié) 陸地信道的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算例2-1：設(shè)基站天線有效高度為30m，發(fā)射機(jī)工作頻率為450MHz，移動(dòng)臺(tái)天線高度為1.5m，工作在準(zhǔn)平坦地形的大城市的郊區(qū)，通信距離為10km時(shí)，求傳播路徑損耗預(yù)測(cè)值。解：自由空間傳播衰耗Lbs=32.45+20lgf+20lgd =32.45+20lg450+20lg10 =105.4dB查圖得Am(f,d)