第3章 移動信道的傳播特性

1、勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 1第3章 移動信道的傳播特性勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 2n移動通信所用信道是以無線電通信為基礎(chǔ)。移動通信所用信道是以無線電通信為基礎(chǔ)。無線電波如何進行傳播？無線電波如何進行傳播？ 具有什么特點？具有什么特點？ n大家都見過鐵塔式基站，基站如何選址？大家都見過鐵塔式基站，基站如何選址？基站間距離多遠合適？建在什么地方？高基站間距離多遠合適？建在什么地方？高度如何確定？發(fā)射功率多大？度如何確定？發(fā)射功率多大？n中國移動在長春有多少個基站？中國移動在長春有多少個基站？引言勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 3一、無線電波傳輸特性n一、無線電波傳輸特性一、無線電波傳輸特性1 1、無線電波的劃

2、分、無線電波的劃分3Hz-30KHz VLF (3Hz-30KHz VLF (甚低頻甚低頻) ) 長波長波 導航、電話、數(shù)據(jù)終端導航、電話、數(shù)據(jù)終端3kHz-300KHz LF (3kHz-300KHz LF (低頻低頻) ) 長波長波 導航、電力線通信導航、電力線通信300kHz-3MHz MF (300kHz-3MHz MF (中頻中頻) ) 中波中波 廣播、業(yè)余無線電廣播、業(yè)余無線電3MHz-30MHz HF (3MHz-30MHz HF (高頻高頻) ) 短波短波 廣播廣播30MHz-300MHz VHF (30MHz-300MHz VHF (甚高頻甚高頻) ) 米波米波 電視、調(diào)頻廣

3、播、電視、調(diào)頻廣播、 無線尋呼無線尋呼300MHz-3GHz UHF (300MHz-3GHz UHF (超高頻超高頻) ) 分米波分米波 電視、移動蜂窩電視、移動蜂窩3GHz-30GHz SHF (3GHz-30GHz SHF (特高頻特高頻) ) 厘米波厘米波 衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星、雷達30GHz-300GHz EHF (30GHz-300GHz EHF (極高頻極高頻) ) 毫米波毫米波 雷達、射電天文雷達、射電天文10105 5GHz-10GHz-107 7GHz GHz 光光移動蜂窩網(wǎng)在UHF頻段IS-95 800MHz、GSM 900MHz、DCS 1800MHz、3G 1900MHzU

4、HF主要以直射波、反射波、繞射波為主，分別討論。 勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 4無線電波傳輸特性03.57()RTdhh04.12()RTdhh2 2、直射波、直射波 在自由空間電波沿直線直接到達接收點的傳播方式，稱在自由空間電波沿直線直接到達接收點的傳播方式，稱直射波損耗，可看成是自由空間的電波傳播損耗。直射波損耗，可看成是自由空間的電波傳播損耗。 Lfs=32.44+20lgd+20lgf(dB)Lfs=32.44+20lgd+20lgf(dB) 損耗只與損耗只與d d、f f有關(guān)，由此可以推論，有關(guān)，由此可以推論，F(xiàn)DDFDD工作方式時，工作方式時，移動臺發(fā)射功率低使用較低頻率、基站發(fā)射功率

5、高使用較移動臺發(fā)射功率低使用較低頻率、基站發(fā)射功率高使用較高頻率。高頻率。 直線傳播的距離是有限制的，為什么？直線傳播的距離是有限制的，為什么？ 視線傳播極限距離視線傳播極限距離 考慮標準大氣折射考慮標準大氣折射地球是圓的。地球是圓的。地面上一米七的人能看多遠？ 4.12 =5.3km1.716m高的天線基站能傳多遠？ 4.12 =16.5km16勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 5無線電波傳輸特性3 3、繞射波、繞射波 電波直射路徑上存在各種障礙物，所引起的損耗，電波直射路徑上存在各種障礙物，所引起的損耗，稱為繞射損耗。稱為繞射損耗。12112ddxdd x/x x/x1 10.5 0.5 附加損耗為

6、附加損耗為0 0，x/xx/x1 10.5 0.5 附加損耗急附加損耗急劇增加。劇增加。 所以在選擇基站位置高度時，要根據(jù)所在地區(qū)，所以在選擇基站位置高度時，要根據(jù)所在地區(qū)，盡可能使各處的盡可能使各處的X X0.5X0.5X1 1。x-x-菲涅爾余隙菲涅爾余隙 x x1 1= =菲涅爾第一余隙菲涅爾第一余隙勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 6無線電波傳輸特性4 4、反射波、反射波 電波傳播過程中遇到光滑界面時，會產(chǎn)生鏡面反射，反電波傳播過程中遇到光滑界面時，會產(chǎn)生鏡面反射，反射波的相位會發(fā)生變化，地面、建筑物都會形成反射波，相射波的相位會發(fā)生變化，地面、建筑物都會形成反射波，相位變化模糊不定，直射波和各

7、種反射波合成的場強將隨反射位變化模糊不定，直射波和各種反射波合成的場強將隨反射系數(shù)和路徑變化而變化，同相相加，反相抵消，合成波有衰系數(shù)和路徑變化而變化，同相相加，反相抵消，合成波有衰落現(xiàn)象。落現(xiàn)象。5 5、散射波、散射波 電波遇到粗糙表面時，反射散布于各個方向。電波遇到粗糙表面時，反射散布于各個方向。勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 7無線電波傳輸特性1.直射波直射波(最強最強)3.繞射波繞射波(次強次強)2.反射波反射波(次強次強)4.散射波散射波(最弱最弱)勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 8二、移動信道的特點二、移動信道的特點二、移動信道的特點1 1、傳播的開放性、傳播的開放性 開放式信息傳輸，任何人都可以

8、收發(fā)，必須采取措施，開放式信息傳輸，任何人都可以收發(fā)，必須采取措施，鑒權(quán)和加密。鑒權(quán)和加密。2 2、接收環(huán)境的復雜性、接收環(huán)境的復雜性接收點地理位置環(huán)境復雜多樣，有接收點地理位置環(huán)境復雜多樣，有3 3類典型區(qū)域。類典型區(qū)域。高樓林立的城市繁華區(qū)。高樓林立的城市繁華區(qū)。 一般建筑物為主體的近郊區(qū)。一般建筑物為主體的近郊區(qū)。以山岳、湖泊、平原為主的農(nóng)村及遠郊區(qū)。以山岳、湖泊、平原為主的農(nóng)村及遠郊區(qū)。3 3、用戶的移動性、用戶的移動性以移動速度來區(qū)別，有以移動速度來區(qū)別，有3 3種類型種類型準靜態(tài)的室內(nèi)用戶。準靜態(tài)的室內(nèi)用戶。 慢速步行用戶。慢速步行用戶。高速車載用戶。高速車載用戶。勤學 務(wù)實 開拓

9、 創(chuàng)新 9三、移動信道的特征三、移動信道的特征三、移動信道的特征3 3類損耗和類損耗和4 4種效應種效應3 3類損耗類損耗1 1、路徑傳播損耗、路徑傳播損耗 指電波在自由空間傳播時所產(chǎn)生的損耗，反映在傳播指電波在自由空間傳播時所產(chǎn)生的損耗，反映在傳播宏觀大范圍的空間距離上接收信號電平的變化。宏觀大范圍的空間距離上接收信號電平的變化。2 2、慢衰落損耗、慢衰落損耗 指電波在傳播路徑上受到建筑物等的阻擋所產(chǎn)生的損指電波在傳播路徑上受到建筑物等的阻擋所產(chǎn)生的損耗，反映在中等范圍的空間距離上接收信號電平的變化。耗，反映在中等范圍的空間距離上接收信號電平的變化。其變化率比傳送信息速率慢故稱慢衰落。其變化

10、率比傳送信息速率慢故稱慢衰落。勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 10移動信道的特征3 3、快衰落損耗、快衰落損耗 指電波在傳播時產(chǎn)生反射或由于用戶快速移動而產(chǎn)指電波在傳播時產(chǎn)生反射或由于用戶快速移動而產(chǎn)生的損耗，反映在小范圍的空間距離上接收信號電平的生的損耗，反映在小范圍的空間距離上接收信號電平的變化。其變化率比慢衰落快得多。其在不同的空間、時變化。其變化率比慢衰落快得多。其在不同的空間、時間、頻率上衰落特性是不一樣的。間、頻率上衰落特性是不一樣的?？臻g選擇性衰落空間選擇性衰落 指電波在不同的空間衰落特性是不一樣的，是由天指電波在不同的空間衰落特性是不一樣的，是由天線的點波束產(chǎn)生擴散引起的。又稱平坦瑞利

11、衰落。線的點波束產(chǎn)生擴散引起的。又稱平坦瑞利衰落。 衰落周期衰落周期 T T1 1/ 其中其中 - -波長波長 - -擴散角度擴散角度勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 11移動信道的特征頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落 指電波在不同的頻段上衰落特性是不一樣的，由反射指電波在不同的頻段上衰落特性是不一樣的，由反射形成多徑而在時間上產(chǎn)生的擴散而引起的（多徑時散）。形成多徑而在時間上產(chǎn)生的擴散而引起的（多徑時散）。直射波比反射波先到達，產(chǎn)生時延，時域上的擴散引起接直射波比反射波先到達，產(chǎn)生時延，時域上的擴散引起接收地點的信號產(chǎn)生頻率選擇性衰落。收地點的信號產(chǎn)生頻率選擇性衰落。 衰落周期衰落周期 T T2 21/L

12、 1/L 其中其中 L-L-時散寬度時散寬度時間選擇性衰落時間選擇性衰落 指電波在不同時間上衰落特性是不一樣的，由用戶高指電波在不同時間上衰落特性是不一樣的，由用戶高速移動帶來的頻偏而引起的，表現(xiàn)在相應時域上信號產(chǎn)生速移動帶來的頻偏而引起的，表現(xiàn)在相應時域上信號產(chǎn)生時間選擇性衰落。時間選擇性衰落。 衰落周期衰落周期 T T3 3/B /B 其中其中 B-B-頻移寬度頻移寬度勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 12移動信道的特征4 4種效應種效應陰影效應陰影效應 由大型建筑物和其他物體的阻擋，在接收區(qū)域產(chǎn)生半由大型建筑物和其他物體的阻擋，在接收區(qū)域產(chǎn)生半盲區(qū)，類擬太陽光受阻擋后的陰影，信號會相對弱些，是盲區(qū)

13、，類擬太陽光受阻擋后的陰影，信號會相對弱些，是無法解決的效應。無法解決的效應。勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 13移動信道的特征遠近效應遠近效應 用戶與基站之間有近有遠，若各移動用戶發(fā)射的用戶與基站之間有近有遠，若各移動用戶發(fā)射的信號功率一樣，到達基站的信號強弱不同，離基站近的信號功率一樣，到達基站的信號強弱不同，離基站近的信號強，離基站遠的信號弱，會出現(xiàn)以強壓弱的現(xiàn)象。信號強，離基站遠的信號弱，會出現(xiàn)以強壓弱的現(xiàn)象。要解決遠近效應，必須采用功率控制。要解決遠近效應，必須采用功率控制。勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 14移動信道的特征多徑效應多徑效應 接收信號不僅有直射波的主徑信號，還有從不同方接收信號不僅有

14、直射波的主徑信號，還有從不同方向反射及繞射過來的多條不同的路徑信號，且它們到達時向反射及繞射過來的多條不同的路徑信號，且它們到達時信號強度、相位都不一樣，是矢量和。各徑之間產(chǎn)生干擾，信號強度、相位都不一樣，是矢量和。各徑之間產(chǎn)生干擾，稱多徑干擾，能引起嚴重的碼間串擾。稱多徑干擾，能引起嚴重的碼間串擾。 解決方法：解決方法：GSM采用均衡技術(shù)采用均衡技術(shù) IS-95采用采用Rake接收技術(shù)接收技術(shù)基站基站散射散射陰影陰影散射散射直視路徑直視路徑反射反射移動終端移動終端衍衍(繞繞)射射勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 15移動信道的特征多普勒效應多普勒效應 由于移動臺處于高速移由于移動臺處于高速移動中所引起

15、的傳播頻率的擴動中所引起的傳播頻率的擴散，其擴散程度與用戶運動散，其擴散程度與用戶運動速率成正比。速率成正比。 這一現(xiàn)象只能產(chǎn)生在高這一現(xiàn)象只能產(chǎn)生在高速大于速大于70km/h車載通信時。車載通信時。 多譜勒效應主要影響接多譜勒效應主要影響接收機的誤碼性能。收機的誤碼性能。 解決方法：降低指標解決方法：降低指標勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 16四、傳輸損耗的定量分析四、傳輸損耗的定量分析四、傳輸損耗的定量分析 目的是為了基站選址，確定發(fā)射天線高度，增益、發(fā)目的是為了基站選址，確定發(fā)射天線高度，增益、發(fā)射功率等。射功率等。 移動通信電波傳輸是復雜多變的，人們通過大量的實移動通信電波傳輸是復雜多變的，人

16、們通過大量的實地測量和分析，總結(jié)歸納多種經(jīng)驗模型，目前應用較多的地測量和分析，總結(jié)歸納多種經(jīng)驗模型，目前應用較多的是是OMOM模型。模型。奧村模型奧村模型 是由奧村等人使用不同的頻率、天線高度、距離、不是由奧村等人使用不同的頻率、天線高度、距離、不同的地形地貌進行一系列測試，最后繪成的經(jīng)驗曲線而構(gòu)同的地形地貌進行一系列測試，最后繪成的經(jīng)驗曲線而構(gòu)成的模型，我國在移動通信工程設(shè)計中建議使用。成的模型，我國在移動通信工程設(shè)計中建議使用。 勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 17傳輸損耗的定量分析1 1、市區(qū)傳播損耗中值、市區(qū)傳播損耗中值 AmAm（f f，d d） 是計算不同地形、地貌是計算不同地形、地貌傳播

17、中值的基準。傳播中值的基準。路徑損耗路徑損耗L LT T=L=Lbsbs+ Am+ Am（f f，d d）d=10kmd=10km，f=900MHzf=900MHz時的損耗時的損耗L Lbsbs=32.44+20lg10+20lg900=32.44+20lg10+20lg900 =111.52dB =111.52dBAmAm（f f，d d）=30dB=30dBL LT T=111.52+30=141.52dB=111.52+30=141.52dB勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 18傳輸損耗的定量分析若基站天線不是若基站天線不是200m200m，基站天線修正因子，基站天線修正因子 H Hb b（h h

18、b b，d d）若移動臺天線不是若移動臺天線不是3m3m，移動臺天線修正因子，移動臺天線修正因子 HmHm（hmhm，f f）中小城市建筑物的影響較小，5m增益因子迅速增加，而大城市建筑物高，10m內(nèi)沒有拐點。 勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 19傳輸損耗的定量分析路徑損耗路徑損耗 L LT T=L=Lbsbs+ Am+ Am（f f，d d）-H-Hb b（h hb b，d d）-Hm-Hm（hmhm，f f）例：計算例：計算d=10kmd=10km，f=900MHzf=900MHz，hbhb=50m=50m，hmhm=1m =1m 時的損耗時的損耗L Lbsbs=32.44+20lg10+20lg

19、900=111.52dB=32.44+20lg10+20lg900=111.52dBAmAm（f f，d d）=30dB =30dB H Hb b（h hb b，d d）=-12dB =-12dB HmHm（hmhm，f f）=-4dB=-4dBL LT T=111.52+30-(-12)-(-4)=157.52dB=111.52+30-(-12)-(-4)=157.52dB勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 20傳輸損耗的定量分析2 2、郊區(qū)修正因子、郊區(qū)修正因子 KmrKmr 郊區(qū)建筑物一般是郊區(qū)建筑物一般是分散、低矮的，電波傳分散、低矮的，電波傳播條件優(yōu)于市區(qū)，故其播條件優(yōu)于市區(qū)，故其損耗中值低于市

20、區(qū)。損耗中值低于市區(qū)。d=10kmd=10km，f=900MHzf=900MHz時時Kmr=14dBKmr=14dB勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 21傳輸損耗的定量分析3 3、開闊地修正因子開闊地修正因子 QoQo、QrQr傳播條件優(yōu)于郊區(qū)，只和頻傳播條件優(yōu)于郊區(qū)，只和頻率有關(guān)。率有關(guān)。f=900MHzf=900MHz時時Qr =24dBQr =24dBQo=29dBQo=29dB說明改善了說明改善了29dB29dB，接近自由，接近自由空間。空間。勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 22傳輸損耗的定量分析4 4、不規(guī)則地形損耗中值、不規(guī)則地形損耗中值丘陵地修正因子丘陵地修正因子KhKh，KhtKht 地形參數(shù)用

21、地形起伏高度地形參數(shù)用地形起伏高度h h表示，谷頂谷底用表示，谷頂谷底用KhtKht表示表示hh=200=200時時KhKh=-16dB=-16dB谷頂谷頂KhtKht= = 14dB 14dB （-2dB-2dB）谷底谷底KhtKht= = 14dB 14dB （-30dB-30dB）勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 23傳輸損耗的定量分析孤立山岳修正因子孤立山岳修正因子KjsKjs 當電波傳播路徑上有近似刃形的單獨山岳時，當電波傳播路徑上有近似刃形的單獨山岳時， 若若求山背后的電場強度，求山背后的電場強度， 一般從相應的自由空間場強中一般從相應的自由空間場強中減去刃峰繞射損耗即可。減去刃峰繞射損耗即

22、可。d2=2km時損耗最大h=100mh=100m，d d1 110km10km，d23km3km時時KjsKjs=-18dB=-18dBa=0.07a=0.0710=0.710=0.7修正后修正后KjsKjs=-12.6dB=-12.6dB勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 24傳輸損耗的定量分析斜坡地修正因子斜坡地修正因子KspKsp 斜坡地形指在斜坡地形指在510km510km范圍內(nèi)的傾斜地范圍內(nèi)的傾斜地形。形。 若在電波傳播方若在電波傳播方向上，向上， 地形逐漸升高，地形逐漸升高， 稱為正斜坡，稱為正斜坡， 傾角為傾角為+m+m； 反之為負斜坡，反之為負斜坡， 傾角為傾角為-m-m 。d d10k

23、m10km，mm1515mrad上坡上坡KspKsp=3dB=3dB下坡下坡KspKsp=-12dB=-12dB勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 25傳輸損耗的定量分析水陸混合修正因子水陸混合修正因子KsKs 在傳播路徑中如遇有湖泊或其它水域，在傳播路徑中如遇有湖泊或其它水域， 接收信號的接收信號的場強往往比全是陸地時要高。場強往往比全是陸地時要高。 為估算水陸混合路徑情況為估算水陸混合路徑情況下的場強中值，下的場強中值， 用水面距離用水面距離d dSRSR與全程距離與全程距離d d的比值作為地的比值作為地形參數(shù)。形參數(shù)。d d10km10km， d dSRSR6km6kmA A：Ks=8dBKs=8d

24、BB B：Ks=6dBKs=6dB勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 26傳輸損耗的定量分析4 4、任意地形的信號中值、任意地形的信號中值先計算自由空間傳播損耗先計算自由空間傳播損耗 L Lbsbs=32.44+20lgd+20lgf=32.44+20lgd+20lgf準平滑地形的信號中值準平滑地形的信號中值 損耗中值損耗中值L LT T=L=Lbsbs+ Am+ Am（f f，d d）-H-Hb b（h hb b，d d）-Hm-Hm（hmhm，f f） 信號中值信號中值 Pp=PPp=PT T + Gb+ Gb + Gm L + Gm LT T任意地形信號中值任意地形信號中值 K KT T=kmr+Q

25、o+Qr+k=kmr+Qo+Qr+kh h+k+khfhf+k+kjsjs+k+kspsp+k+ks s 損耗中值損耗中值 L LA A=L=LT T-K-KT T 信號中值信號中值 Ppc=Pp+ KTPpc=Pp+ KT勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 27傳輸損耗的定量分析例：中國聯(lián)通例：中國聯(lián)通GSMGSM網(wǎng)絡(luò)在長春市郊區(qū)有一基站，小區(qū)半徑網(wǎng)絡(luò)在長春市郊區(qū)有一基站，小區(qū)半徑為為10km10km，基站天線高度，基站天線高度70m70m，增益為，增益為5dB5dB，移動臺天線高，移動臺天線高度為度為1.5m1.5m，增益為，增益為-2dB-2dB，移動臺接收靈敏度為，移動臺接收靈敏度為-102dBm

26、,-102dBm,考考慮其它附加損耗約慮其它附加損耗約4.48dB4.48dB，為確保整個小區(qū)的移動臺都能，為確保整個小區(qū)的移動臺都能收到信號，求：基站發(fā)射機的發(fā)射功率？收到信號，求：基站發(fā)射機的發(fā)射功率？Kmr=14 dB PPC=10lgPT+5-2-4.48-140.52=10lgPT-142-102dBm=-132dB Lfs=32.44+20lg10+20lg900=111.52dBAm(f,d)=30dBHb(hb,d)=-10dBHm(hm,f)=-3dB LT=111.52+ 30-(-10)-(-3)=154.52dBLA=LT-KT=140.52dB發(fā)射功率為10W PT=

27、10W勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 28傳輸損耗的定量分析6 6、其他因素的影響、其他因素的影響街道走向街道走向KaiKai、KacKac 電波損耗與街道電波損耗與街道走向有關(guān)，在距基站走向有關(guān)，在距基站同一距離時，平行，同一距離時，平行，垂直相差很大，建筑垂直相差很大，建筑物形成的溝道有利于物形成的溝道有利于電波的傳播，相當于電波的傳播，相當于波導，縱向街道場強波導，縱向街道場強高于基準值，橫向街高于基準值，橫向街道場強低于基準值。道場強低于基準值。勤學 務(wù)實 開拓 創(chuàng)新 29傳輸損耗的定量分析建筑物穿透損耗建筑物穿透損耗LpLp 移動臺多在室內(nèi)，會有附加損耗。移動臺多在室內(nèi)，會有附加損耗。 各頻

28、段電波穿透建筑物的能力不同，波長越短，穿透各頻段電波穿透建筑物的能力不同，波長越短，穿透能力越強，也就是頻率越高，穿透損耗越小。能力越強，也就是頻率越高，穿透損耗越小。 不同的材料、結(jié)構(gòu)和層數(shù)，損耗也不同。不同的材料、結(jié)構(gòu)和層數(shù)，損耗也不同。 磚石結(jié)構(gòu)較?。讳摻罨炷两Y(jié)構(gòu)較大；鋼結(jié)構(gòu)最大。磚石結(jié)構(gòu)較??；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較大；鋼結(jié)構(gòu)最大。 地面平均穿透損耗在地面平均穿透損耗在900MHz900MHz時，為時，為13dB13dB。 損耗隨樓層增高而線性下降，損耗隨樓層增高而線性下降，-2.5dB/-2.5dB/層。層。 OMOM模型是以街心為條件，沒有考慮建筑物穿透損耗，模型是以街心為條件，沒有考慮建筑物穿透損耗，在基站設(shè)計時需考慮穿透損耗，才能保持良好的可通率。在基站設(shè)計時需考慮穿透損耗，才能保持良好的可通率。 建筑物信號很差時（如地下室），可自已安裝中繼器。建筑物信號很差