移動通信的關(guān)鍵技術(shù)-電波傳播分、集均衡及天線

1、第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)一一. . 移動通信的特點(diǎn)移動通信的特點(diǎn) 根據(jù)移動通信的定義及其無線電波傳播特性可知， 陸地移動通信有以下特點(diǎn): 1) 電波傳播條件惡劣 由于移動體來往于地面的建筑群和各種障礙物之中, 根據(jù)電波傳播的特性會發(fā)生直射、折射、繞射等各種情況，從而使電波傳播的路徑不同。使接收端收到的信號是這些信號的合成波。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 移動體(汽車)在不同位置, 不同的方向接收到的合成波信號強(qiáng)度會有起伏, 而且相差很大, 可達(dá)30 dB以上。圖2所示的這種現(xiàn)象稱為衰落, 它嚴(yán)重地影響著通話質(zhì)量。 電波傳播引

2、起信號變壞的例子很多, 如接收差轉(zhuǎn)電視時，在接收天線的不同位置, 圖像質(zhì)量會發(fā)生很大差別, 有的位置圖像清晰, 有的位置雪花點(diǎn)嚴(yán)重, 有的位置圖像模糊不清, 有的位置出現(xiàn)許多重影等等。 這就是由于電波通過傳播，到室內(nèi)天線時, 已經(jīng)過了電波直射、 折射， 到家庭中時, 又經(jīng)過房屋四壁反射, 這些不同強(qiáng)度相位波的疊加就形成了上面的多種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象我們稱之為多徑衰落。多徑衰落直接影響了電視圖像質(zhì)量, 如圖3所示。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 在移

3、動通信中, 接收信號的強(qiáng)弱值稱為場強(qiáng)。為了表征電波傳播的特性, 特用統(tǒng)計分析的方法, 采用統(tǒng)計的數(shù)字特征來描述。 (1) 場強(qiáng)中值。 具有50的概率場強(qiáng)值稱為場強(qiáng)中值, 這是一個統(tǒng)計平均值, 如圖7.4所示。在圖中, 場強(qiáng)變化曲線高于規(guī)定電平值的持續(xù)時間, 占統(tǒng)計時間一半時, 則所規(guī)定的那個電平值即為場強(qiáng)中值。圖中的T為統(tǒng)計時間, 規(guī)定電平值為E0。在周期T內(nèi), 高于E0的值的時間段有t1, t2, t3。如果統(tǒng)計時間T足夠長, 則在T時間內(nèi)超過E0的概率為 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) P()= %1

4、00321Tttt用一般式表示為 %100(%)1TtPini 在上式統(tǒng)計時間T內(nèi), 當(dāng)超過E0值的百分比為50時, 即稱E0 為場強(qiáng)中值。 依次類推, 當(dāng)概率超過50時, 稱80或90概率場強(qiáng)值。在實(shí)際的應(yīng)用中, 場強(qiáng)中值恰好等于接收機(jī)的最低門限值, 即通信的可通率為50, 這就是說只有50能維持正常通信。 因此,在實(shí)際應(yīng)用中要使場強(qiáng)中值遠(yuǎn)大于接收機(jī)門限, 才能在絕大多數(shù)時間保證通信正常進(jìn)行。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) (2) 衰落深度。 衰落深度定義為接收的電平值與場強(qiáng)中值電平之差, 即以場強(qiáng)中值電平為參考電平, 表明信號起伏偏離其中值電平的幅度。這是電

5、波衰落程度的一種量度(即數(shù)字特征), 用電平表示為 衰落深度/dB=20lg 式中, Ei為接收電平值; E0為場強(qiáng)中值。 (3) 衰落速率。 衰落速率描述接收信號場強(qiáng)變化快慢, 即衰落的頻繁程度。衰落速率與工作頻率、移動體行進(jìn)速度及行進(jìn)方向有關(guān)。 工作頻率越高衰落越快；速度越快衰落越快, 其平均衰落率表示為0EEi第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) N= =1.85103vf (Hz) (7.1.4) 式中, N為衰落率; v為移動體速度單位為km/h; 為波長, 應(yīng)與v同單位(km)； F為頻率, 一般以MHz為單位。 (4) 衰落持續(xù)時間。 衰落時間是指場強(qiáng)低于

6、某一給定電平值的持續(xù)時間。 在移動通信中, 常會出現(xiàn)移動臺收不到電臺信號或者中斷了信號的情況。這種情況是由于接收到的信號電平值低于接收機(jī)門限電平所致。2V第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 2) 在強(qiáng)干擾條件下工作 移動通信, 特別是陸地移動通信的電波在地面受到許多干擾和噪聲。噪聲主要是人為噪聲, 如汽車點(diǎn)火、電火花、發(fā)動機(jī)噪聲等。 主要的干擾是內(nèi)部的干擾, 有互調(diào)干擾、同頻干擾、多路干擾、鄰道干擾等。另外，還有雷達(dá)以及其他種類的移動信號干擾等。 3) 具有多卜勒頻移效應(yīng) 當(dāng)移動體運(yùn)動達(dá)到一定的速度, 設(shè)備接收的載波頻率將會隨運(yùn)動速度變化而產(chǎn)生頻移, 這種現(xiàn)象稱為多卜

7、勒頻移。用公式表示為第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)cosvfd 為電波到達(dá)時的入射角。 4) 移動用戶經(jīng)常移動 由于移動體經(jīng)常移動, 它與固定點(diǎn)無固定聯(lián)系, 加之開、 關(guān)的隨意性以及電池更換等原因, 帶來了呼叫、接續(xù)等的復(fù)雜情況。所以在移動通信網(wǎng)的信號設(shè)計時要考慮的因素很多, 因此技術(shù)復(fù)雜, 也因此帶來了設(shè)備價格昂貴影響普及程度等缺點(diǎn)。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)二、移動通信中的電波傳播二、移動通信中的電波傳播一一電波傳播電波傳播圖 1移動通信系統(tǒng)中的電波傳播 信息發(fā)送發(fā)送設(shè)備發(fā)送天線電磁波信息接收接收設(shè)備接收天線第第2 2章章

8、蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)1.電波傳播方式電波傳播方式圖 2 移動通信電波傳播方式示意圖 直射波反射波繞射波散射波第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 1) 直射波 電波傳播過程中沒有遇到任何的障礙物, 直接到達(dá)接收端的電波, 稱為直射波。直射波更多出現(xiàn)于理想的電波傳播環(huán)境中。 2) 反射波 電波在傳播過程中遇到比自身的波長大得多的物體時, 會在物體表面發(fā)生反射, 形成反射波。 反射常發(fā)生于地表、 建筑物的墻壁表面等。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 3) 繞射波 電波在傳播過程中被尖利的邊緣阻擋時, 會由阻擋表面產(chǎn)生二次

9、波, 二次波能夠散布于空間, 甚至到達(dá)阻擋體的背面, 那些到達(dá)阻擋體背面的電波就稱為繞射波。 由于地球表面的彎曲性和地表物體的密集性, 使得繞射波在電波傳播過程中起到了重要作用。 4) 散射波 電波在傳播過程中遇到障礙物表面粗糙或者體積小但數(shù)目多時, 會在其表面發(fā)生散射, 形成散射波。 散射波可能散布于許多方向, 因而電波的能量也被分散于多個方向。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)2.電波傳播現(xiàn)象電波傳播現(xiàn)象圖 3移動通信電波傳播路徑損耗和多徑衰落 陰影效應(yīng)路徑損耗多徑衰落移動電臺發(fā)射臺穿透損耗第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 移動通信電

10、波傳播最具特色的現(xiàn)象是多徑衰落多徑衰落, 或稱多徑效多徑效應(yīng)應(yīng)。無線電波在傳輸過程中會受到地形、地物的影響而產(chǎn)生反射、繞射、散射等, 從而使電波沿著各種不同的路徑傳播, 這稱為多徑傳播。由于多徑傳播使得部分電波不能到達(dá)接收端, 而接收端接收到的信號也是在幅度、相位、頻率和到達(dá)時間上都不盡相同的多條路徑上信號的合成信號, 因而會產(chǎn)生信號的頻率選擇性衰落和時延擴(kuò)展等現(xiàn)象, 這些被稱為多徑衰落或多徑多徑衰落或多徑效應(yīng)。效應(yīng)。 所謂頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落是指信號中各分量的衰落狀況與頻率有關(guān), 即傳輸信道對信號中不同頻率成分有不同的、隨機(jī)的響應(yīng)。由于信號中不同頻率分量衰落不一致, 因此衰落信號波形

11、將產(chǎn)生失真。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 所謂時延擴(kuò)展是指由于電波傳播存在多條不同的路徑, 路徑長度不同, 且傳輸路徑隨移動臺的運(yùn)動而不斷變化, 因而可能導(dǎo)致發(fā)射端一個較窄的脈沖信號s0(t)=a0(t)在到達(dá)接收端時變成了由許多不同時延脈沖構(gòu)成的一組信號 。時延擴(kuò)展可直觀地理解為在一串接受脈沖中, 最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值, 即最后一個可分辨的延時信號與第一個延時信號到達(dá)時間的差值, 記為。實(shí)際上,就是脈沖展寬的時間。 時延擴(kuò)展示意圖如圖4所示。 tjiniieaats)()(10第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖 4 時

12、延擴(kuò)展示意圖 a0n4t第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 移動臺接收信號的強(qiáng)度隨移動臺的運(yùn)動產(chǎn)生隨機(jī)變化(即衰落), 這種變化的周期從幾分之一秒至幾小時不等。 因此移動通信電波傳播中的衰落又常分為慢衰落慢衰落和快衰落快衰落兩種。 慢衰落慢衰落(也稱長期衰落)指的是接收信號強(qiáng)度隨機(jī)變化緩慢, 具有十幾分鐘或幾小時的長衰落周期。慢衰落主要是由電波傳播中的陰影效應(yīng)以及能量擴(kuò)散所引起的, 具有對數(shù)正態(tài)分布對數(shù)正態(tài)分布的統(tǒng)計特性。 快衰落快衰落(也稱短期衰落或多徑衰落)指的是接收信號強(qiáng)度隨機(jī)變化較快, 具有幾秒鐘或幾分鐘的短衰落周期?？焖ヂ渲饕怯呻姴▊鞑ブ械亩鄰叫?yīng)所引起的

13、, 具有萊斯分布或瑞利分布的統(tǒng)計特性。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間有視距路徑時一般服從萊斯萊斯分布分布, 無視距路徑時一般服從瑞利分布。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 路徑損耗是上述現(xiàn)象的一個綜合結(jié)果, 指的是信號從發(fā)射天線經(jīng)無線路徑傳播到接收天線時的功率損耗, 可以用發(fā)射天線的絕對功率電平與接收天線的絕對功率電平之差值來表示。路徑損耗的一個主要原因是電波會隨著距離而擴(kuò)散, 從而使接收機(jī)的接收功率隨著傳輸距離的增加而減小; 路徑損耗的另一個原因是地表以及地表上的各種障礙物的影響。因而, 影響路徑損耗的幾點(diǎn)要素是: 傳輸距離、天線高度和頻率間隙等。例如, 發(fā)射機(jī)的功率電平

14、是10 dB, 若路徑損耗為50 dB, 則接收機(jī)的接收功率電平是-40 dB。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 3.電波傳播的分類電波傳播的分類 當(dāng)電波頻率、移動體和電波傳播環(huán)境不同時, 電波傳播特性也不相同。在對電波傳播特性進(jìn)行研究時, 可以根據(jù)電波的頻率分為甚低頻(VLF)、低頻(LF)、中頻(MF)、高頻(HF)、甚高頻(VHF)、 特高頻(UHF)和更高頻(超高頻、極高頻等)幾種情況。 其中甚高頻和特高頻是目前移動通信電波傳播研究工作應(yīng)側(cè)重的頻段。 電波傳播也可以根據(jù)移動通信系統(tǒng)的類型, 分為陸地移動通信的電波傳播、海上移動通信的電波傳播、空中移動通信的

15、電波傳播和衛(wèi)星移動通信的電波傳播等。而陸地移動通信的電波傳播又可分為自由空間電波傳播、 建筑物內(nèi)電波傳播、 隧道內(nèi)電波傳播、 小區(qū)(微小區(qū)、 微微小區(qū))電波傳播等。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖5 不同途徑的電波傳播示意圖(a) 沿地球表面?zhèn)鞑サ牡夭? (b) 沿空間直射或經(jīng)地表反射傳播的空間波;(c) 沿空間經(jīng)電離層反射或折射傳播的空間波 地球發(fā)射天線接收天線發(fā)射天線地球發(fā)射天線接收天線地球(a)(b)接收天線(c)第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 1) 地形的分類與定義 各種各樣的地形可歸結(jié)為兩大類: 準(zhǔn)平坦地形和不規(guī)則地形。

16、所謂準(zhǔn)平坦地形是指在電波傳播路徑上, 地面起伏平緩, 起伏高度不超過20 m, 峰點(diǎn)與谷點(diǎn)之間的水平距離大于起伏高度的地形。 當(dāng)然, 平坦地形也包括在這一類中。所謂不規(guī)則地形是指除準(zhǔn)平坦地形之外的所有地形, 如丘陵、孤立山岳、傾斜地帶和水陸混合地形等。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 2) 地物的分類與定義 (1) 開闊地。呈開闊狀地面, 在電波傳播的路徑上無高大樹木或建筑物, 或在400 m內(nèi)沒有任何阻擋物的場地, 如荒野、廣場、 沙漠和戈壁灘等。 在這種情況下, 到達(dá)接收端的大都是直射波, 相當(dāng)于電波在自由空間中傳播的情況。 (2) 郊區(qū)。在電波傳播的路徑上有

17、些高度較低且分布稀疏的障礙物, 如果木林, 郊區(qū)公路網(wǎng)和樹木、房屋稀少的田園地帶等。 (3) 市區(qū)。有密集的建筑物和較多的高層樓房區(qū)域, 如城市市區(qū)和茂盛林區(qū)等。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)4.典型電波傳播的分析典型電波傳播的分析 1) 自由空間電波傳播 自由空間是指相對介電常數(shù)和導(dǎo)磁率為1的均勻介質(zhì)所存在的空間, 該空間具有各向同性、電導(dǎo)率為零的特點(diǎn), 它是一種理想的傳播環(huán)境。 電波在自由空間傳播時與在真空中傳播一樣, 只有直線傳播的擴(kuò)散損耗。 對于移動通信系統(tǒng)而言, 其自由空間路徑損耗Lbs僅與傳輸距離d和電波頻率f有關(guān), 而與收、發(fā)天線增益無關(guān)。可用下式

18、來表示: Lbs=32.44+20lgd+20 lgf 式中, 傳輸距離d的單位為km, 電波頻率f的單位為MHz，Lbs單位為dB。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 從上式可看出,傳播距離d越遠(yuǎn), 自由空間路徑損耗Lbs越大, 當(dāng)傳播距離d加大一倍時, 自由空間路徑損耗Lbs就增加6dB; 電波頻率f越高, 自由空間路徑損耗Lbs就越大, 當(dāng)電波頻率f提高一倍時, 自由空間傳播損耗Lbs就增加6 dB。 在無線電傳播中, 自由空間傳播是最簡單的形式。當(dāng)討論其他傳播方式時, 常用自由空間傳播作為參考。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)

19、2) 由建筑物外部向內(nèi)部的穿透傳播 發(fā)射機(jī)在建筑物外部時, 電磁波可能會在穿透建筑物后繼續(xù)傳播, 稱為穿透傳播。 穿透傳播會造成穿透損耗。穿透損耗可定義為建筑物室外場強(qiáng)與室內(nèi)場強(qiáng)之比(用dB表示)。影響穿透損耗的幾點(diǎn)要素有建筑物結(jié)構(gòu)(磚石、 鋼筋混凝土、 土等)和建筑物厚度、電波頻率、 樓層高度、進(jìn)入室內(nèi)的深度等。 簡單來說, 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穿透損耗大于磚石或土結(jié)構(gòu)的穿透損耗; 建筑物厚度大的穿透損耗比厚度小的低; 電波頻率越高, 穿透能力越強(qiáng), 越容易通過門窗到達(dá)室內(nèi), 越有利于在建筑物內(nèi)部傳播; 樓層越高, 穿透損耗越小; 建筑物內(nèi)的損耗隨電波穿透深度(即進(jìn)入室內(nèi)的深度)而增大。 第第2

20、 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)5.電波傳播的估算電波傳播的估算 對移動環(huán)境中電波傳播特性的研究, 可以采用兩種方法: 理論分析方法和實(shí)測分析方法。 理論分析方法通常用射線表示電磁波束的傳播, 在確定收發(fā)天線的高度、 位置和周圍環(huán)境的具體特征后, 可根據(jù)直射、折射、反射、散射、透射等波動現(xiàn)象, 用電磁波理論計算電波傳播路徑損耗及有關(guān)信道參數(shù)。實(shí)測分析方法是在典型的傳輸環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場測試, 并用計算機(jī)對大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。 這兩種方法最終都要建立有普遍適用性的數(shù)學(xué)模型, 以進(jìn)行傳播預(yù)測。 在實(shí)際工作中, 人們往往把二者結(jié)合起來, 從而能夠?qū)崿F(xiàn)對電波傳播特性更準(zhǔn)確的估算

21、。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)移動通信的電波傳播估算 1VHF、UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性2電波傳播特性的估算（工程計算）電波傳播特性的估算（工程計算）第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)一、一、VHF、UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性圖圖1典型的移動信道電波傳播路徑典型的移動信道電波傳播路徑hRd1hTdd2d直射波傳播距離d1地面反射波傳播距離d2散射波傳播距離第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)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

22、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 )(lg20lg2045.32dBfdLbs式中, d為距離(km), f為工作頻率(MHz)。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)1.2視距傳播的極限距離視距傳播的極限距離圖2 視距傳播的極限距離 ACd1d2BohThRR第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 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. 30kmmhmhd

23、TR 由此可見, 視距決定于收、發(fā)天線的高度。天線架設(shè)越高, 視線距離越遠(yuǎn)。 實(shí)際上，當(dāng)考慮了空氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響后, 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第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)1.3繞射損耗繞射損耗圖3 菲涅爾余隙（a） 負(fù)余隙; （b）正余隙 hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RR hRTThTd1Pxd2第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 根據(jù)菲涅爾繞射理論，可得到障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系

24、如圖4 所示。圖中, 橫坐標(biāo)為x/x1，x1稱菲涅爾半徑（第一菲涅爾半徑），且有 21211ddddx 由圖4可見，當(dāng)橫坐標(biāo)x/x10.5時，則障礙物對直射波的傳播基本上沒有影響。當(dāng)x=0時，TR直射線從障礙物頂點(diǎn)擦過時，繞射損耗約為6 dB；當(dāng)x0時，TR直射線低于障礙物頂點(diǎn)，損耗急劇增加。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖4 繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系 26242016128402繞射損耗 / dB2.5 21012x / x1第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)1.4反射波反射波圖5 反射波和直射波 d1d2hRacbhT第第2

25、2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)反射波與直射波的行距差為 dhhcbadRT2 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(dá)接收天線的時間差換算成相位差0為 dTt220 再加上地面反射時大都要發(fā)生一次反相， 實(shí)際的兩路電波相位差為 d20第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)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為 )(cos)()(cos)()(11tttRtttRtRicniiicnii式中: Ri(t)為第i條路徑的接收信號；i(t)為第i條路徑的傳輸時間；i

26、(t)為第i條路徑的相位滯后，i(t)=-ci(t)。 經(jīng)大量觀察表明，Ri(t)和i(t)隨時間的變化與發(fā)射信號的載頻周期相比，通常要緩慢得多，所以，Ri(t)和i(t)可以認(rèn)為是緩慢變化的隨機(jī)過程，故上式可以寫成 tttRtttRtRciniiciniisin)(sin)(cos)(cos)()(11第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)設(shè): niiisniiicttRtxttRtx11)(sin)()()(cos)()(則上式可寫成 )(cos)()(sin)()(cos)()(tttUttxttxtRccscc式中: U(t)為合成波R(t)的包絡(luò)； (t)為合成

27、波R(t)的相位。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù))()(arctan)()()()(22txtxttxtxtUcssc 由于Ri(t)和i(t)隨時間的變化與發(fā)射信號的載頻周期相比，是緩慢變化的，因此xc（t）、xs（t）及包絡(luò)U(t)、相位(t)也是緩慢變化的。通常，U(t)滿足瑞利分布，相位(t)滿足均勻分布， R(t)可視為一個窄帶過程。假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，為噪聲方差，r為接收信號的損失幅度，則包絡(luò)概率密度函數(shù)p(r)和相位概率密度函數(shù)p()分別為： 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)2222exp)(rrrp0r+ 21)(p

28、02 均值 2533. 12)(0drrrprErmean方差 222022224292. 0222)(drrprrErEr第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)1.6萊斯（萊斯（Riceam）衰落分布）衰落分布 在移動通信中，如果存在一個起支配作用的直達(dá)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 0)(202)(2222ArIerrpArA0, r0 r0 式中, A為直達(dá)波振幅，r為接收信號的瞬時幅度，為噪聲方差， I0（）為第一類0階Bessel函數(shù)。設(shè) )(2lg1022dBAK第第2 2章章 蜂窩移動

29、通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)2電波傳播特性的估算（工程計算）電波傳播特性的估算（工程計算）2.1EgliJohnJ.場強(qiáng)計算公式場強(qiáng)計算公式 在實(shí)際中，由于移動通信的移動臺在不停地運(yùn)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(qiáng)時遇到較大的麻煩。 Egli John J.提出一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并根?jù)此模型提出經(jīng)驗(yàn)修正公式，認(rèn)為不平坦地區(qū)的場強(qiáng)等于平面大地反射公式算出的場強(qiáng)加上一個修正值，其修正值為 f40lg20式中, f為工作頻率，以MHz為單位。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)這樣，不平坦地區(qū)的場強(qiáng)公式為 fdhhdBEdBE

30、40lg204lg20)()(210或者說，不平坦地帶傳播衰減 fdhhdBA40lg204lg20)(21如果hT、hR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 )(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(kmdmhmhMHzfdBLRTA第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)2.2奧村奧村(Okumura)模型模型 OM模型適用的范圍：頻率為1501500 MHz，基地站天線高度為30200 m，移動臺天線高度為110 m，傳播距離為120 km。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)1

31、.市區(qū)傳播衰耗中值市區(qū)傳播衰耗中值(3-18) 圖6表明了基本衰耗中值A(chǔ)m(f, d)與工作頻率、通信距離的關(guān)系。 可以看出隨著工作頻率的升高或通信距離的增大，傳播衰耗都會增加。圖中，縱坐標(biāo)以分貝計量，這是在基地站天線有效高度hb=200 m，移動臺天線高度hm=3 m，以自由空間傳播衰耗為基準(zhǔn)(0 dB)， 求得的衰耗中值的修正值A(chǔ)m(f, d)。 換言之， 由曲線上查得的基本衰耗中值A(chǔ)m(f, d)加上自由空間的傳播衰耗Lbs才是實(shí)際路徑衰耗LT， 即 ),(dfALLmbsT第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖圖6大城市準(zhǔn)平滑地形基本衰耗中值大城市準(zhǔn)平滑地形基本

32、衰耗中值A(chǔ)m(f, d)1009080706050403020105321d / km300020001000700500300200100101235102030302040504060708090100506070d / km市區(qū)hb200 mhm3 m基本衰耗中值A(chǔ)m(f , d) / dB頻率 / MHz第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 例例1 當(dāng)d=10 km, hb=200 m, hm=3 m, f=900 MHz時，由式（-）可求得自由空間的傳播衰耗中值Lbs為dBfdLbs5 .111900lg2010lg2045.32lg20lg2045.32查圖

33、3-6可求得Am(f, d)，即 dBAdfAmm30)10,900(),( 利用式(3-18)就可以計算出城市街道地區(qū)準(zhǔn)平滑地形的傳播衰耗中值為 dBdfALLmbsT5 .141305 .111),(第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖7 基地站天線高度增益因子Hb(hb,d) 市區(qū)hb200 m基地站天線高度增益因子Hb(hb , d) / dB304020105311008070506020305070100200300500 700 1000基地站天線有效高度hb / m2010虛線實(shí)線0102030d / km70100604020110d / km第第2

34、 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖8 移動臺天線高度增益因子Hm(hm, f) 2000100070040020010010020040010001075321505101520市區(qū) :hm3 m移動天線高度增益因子Hm(hm , f) / dB移動天線高度hm / m大城市內(nèi)中小城市內(nèi)400 MHz以上200 MHz以下f / MHz第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 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(zhǔn)平滑地形的路徑傳播衰耗中值應(yīng)為 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT例例2 在前面

35、計算城市地區(qū)準(zhǔn)平滑地形的路徑衰耗中值的例子中，當(dāng)hb=200 m, hm=3 m, d=10 km, f=900 MHz時，計算得LT=141.5 dB。;若將基地站天線高度改為hb=50 m, 移動臺天線高度改為hm=2 m, 利用圖3-7、圖3-8 可以對路徑傳播衰耗中值重新進(jìn)行修正。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)查圖7得 dBHdhHbbb12)10,50(),(查圖8得 dBHfhHmmm2)900, 2(),(修正后的路徑衰耗中值LT為 dBHHfhHdhHdfALLmbmmbbmbsT5 .155)2()12(5 .141)900, 2()10,50

36、(5 .141),(),(),(第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)2.郊區(qū)和開闊區(qū)的傳播衰耗中值郊區(qū)和開闊區(qū)的傳播衰耗中值 圖9 郊區(qū)修正因子Kmr 200010007005003002001000510152025郊區(qū)修正因子Kmr / dB頻率 / MHzd 1 kmd 5 kmd 10 kmd 20 km第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖圖10開闊區(qū)、準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子（開闊區(qū)、準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子（Qo，Qr）Qo : 開闊區(qū)Qr : 準(zhǔn)開闊區(qū)353025201510020030050070010002000頻率 f / MHz開闊區(qū)修正

37、因子Qo / dB準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子Qr / dBQrQo第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)3.不規(guī)則地形上的傳播衰耗中值不規(guī)則地形上的傳播衰耗中值 (1) 丘陵地的修正因子。 丘陵地的地形參數(shù)可用“地形起伏”高度h表示。其定義是： 自接收點(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)延伸10 km范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%處的高度差， 如圖11所示。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖11 丘陵地形的修正因子Kh 10010203010203050 70 100200 300500h / m丘陵地修正因子Kh / dB基地站發(fā)射d10 km時dm510 kmdm10 k

38、mhh的定義10%90%第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖12 丘陵地形微小修正值Khf 1020305070 10020030050001020h / m微小修正值Khf / (dB)h地形起伏與電場變化的對應(yīng)關(guān)系電場變化按 Kh修正后的中值地形起伏 Khf Khf第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)(2) 孤立山岳地形的修正因子。 當(dāng)電波傳播路徑上有近似刃形的單獨(dú)山岳時，若求山背后的場強(qiáng)時， 則應(yīng)考慮繞射衰耗、陰影效應(yīng)、屏蔽吸收等附加衰耗。 這時可用孤立山岳修正因子Kjs加以修正，其曲線如圖3-13所示。 它表示在使用450 MHz，90

39、0 MHz頻段，山岳高度H=110350 m時，基本衰耗中值與實(shí)測的衰耗中值的差值，并歸一化為H=200 m 時的值，即孤立山岳修正因子Kjs。顯然，Kjs亦為增益因子。當(dāng)山岳高度不等于200 m 時，查得的Kjs值還需乘以一個系數(shù) 07. 0H第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖13 孤立山岳地形的修正因子Kjs 2010010200246810孤立山岳至移動臺的距離d2 / km孤立山岳修正因子Kjs / dBA曲線 : d160 kmB曲線 : d130 kmC曲線 : d115 kmABC孤立山岳典型地形T(基地站)T(基地站)31 013kmd1d2HR(移

40、動臺)H200 m第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)(3)斜坡地形的修正因子。斜坡地形的修正因子。圖圖14斜坡地形修正因子斜坡地形修正因子Ksp201001020201001020斜坡地形修正因子Ksp / dB平均傾角m / mradd60 kmd30 kmd10 kmd30 km(基地站) 發(fā)射mm第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)(4) 水陸混合地形的修正因子。 圖圖15水陸混合地形的修正因子水陸混合地形的修正因子Ks1008060402005101520水面距離與全距離的比率(dSR / d ) / %水陸混合路徑修正因子Ks / d

41、Bd30 kmd60 kmAABB水面水面T(基地站)(移動臺)R(移動臺)RT(基地站)dSRddSRd(A)(B)第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)4.任意地形的信號中值預(yù)測任意地形的信號中值預(yù)測(1) 計算自由空間的傳播衰耗。 自由空間的傳播衰耗Lbs為 )()(lg20)(lg2045.32dBMHzfkmdLbs(2) 市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的信號中值。 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT如果發(fā)射機(jī)送至天線的發(fā)射功率為PT，則市區(qū)準(zhǔn)平滑地形接收功率中值PP為 ),(),(),(fhHdhHdfALPLPPmmbbmbsTTTP第第2 2章章 蜂

42、窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) (3) 任意地形地物情況下的信號中值。 任意地形地物情況下的傳播信號中值LA為 TTAKLL式中：LT為準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的傳播衰耗中值；KT為地形地物修正因子。KT由如下項(xiàng)目構(gòu)成： sspjshfhromrTKKKKKQQkK第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 根據(jù)實(shí)際的地形地物情況，KT因子可能只有其中的某幾項(xiàng)或?yàn)榱恪＠纾瑐鞑ヂ窂绞情_闊區(qū)、斜坡地形，則 spoTKQK其余各項(xiàng)為零。其他情況可以類推。 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(zhǔn)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 TPP

43、CKPP第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) 例例3 某一移動電話系統(tǒng)，工作頻率為450 MHz，基站天線高度為70 m，移動臺天線高度為1.5 m，在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平滑地形，通信距離為20 km，求傳播路徑的衰耗中值。解解 (1) 自由空間的傳播衰耗Lbs。 dBMHzkmMHzfkmdLbs5 .111)(450lg20)(20lg2045.32)(lg20)(lg2045.32第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù) (2) 市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的衰耗中值。 由圖6查得 dBAdfAmm5 .30)20,450(),(由圖7查得 dBHdhH

44、bbb10)20,70(),(由圖8查得 dBHfhHmmm3)450, 5 . 1 (),(第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)所以，準(zhǔn)平滑地形市區(qū)衰耗中值為 dBfhHdhHdfALLmmbbmbsT155) 3()10(5 .305 .111),(),(),(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?yàn)?KT=0;所以 LA=LT-KT=LT=155 dB第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)例例4若上題改為在郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且m =15 mrad，其他條件不變，再求傳播路徑的衰耗中值。解解 根據(jù)已知條件，由圖9查

45、得 dBKmr5 . 8由圖14查得 dBKsp5 . 4所以地形地物修正因子KT為 dBKKKspmrT13因此傳播路徑衰耗中值LA為 dBKLLTTA14313155第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)5.其他因素的影響其他因素的影響(1) 街道走向的影響。 圖圖16市區(qū)街道走向修正值市區(qū)街道走向修正值100705030201075864202468距離 d / km(a) 縱向線路修正值Kai /dB(b) 橫向線路修正值Kac / dB(b) Kac(a) Kai第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)(2) 建筑物的穿透衰耗Lp。 各個頻段

46、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(qiáng)。 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)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。一般介紹的經(jīng)驗(yàn)傳播模型都是以在街心或空闊地面為假設(shè)條件，故如果移動臺要在室內(nèi)使用， 在計算傳播衰耗和場強(qiáng)時，需要把建筑物的穿透衰耗也計算進(jìn)去，才能保持良好的可通率。即有 pbLLL0第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)表表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/dB 22221817 一般情況下

47、，Lp不是一個固定的數(shù)值，而是一個030 dB的范圍， 需根據(jù)具體情況而定, 參見表1。此外，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17所示。 此外，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。 第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)圖17 信號衰耗與樓層高度 14樓層12108642001010203040衰耗 / dB第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)(3) 植被衰耗Lz圖18 森林地帶的附加衰耗 zbLLL00.40.30.20.100.40.30.20.1100005000305010020050010002000f / MHz附 加 損 耗 / (dB / m)A : 垂直極化B : 水平極化第第2 2章章 蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)(4) 隧道