21-30電波傳播篇

1、電波傳播篇21、陸地移動通信中無線電波傳播的主要特點陸地移動通信中無線電波傳播有兩個最顯著的特點：第一、隨著移動體的行進，由于建筑物、樹林、起伏的地形及其他人 為的、自然的障礙物的連續(xù)變化，接收信號場強會產(chǎn)生兩種衰落，即多徑 快衰落和陰影慢衰落。前者是快速的微觀變化，故稱之為快衰落；后者是 緩慢的宏觀變化，是由阻擋物引起的陰影效應所造成的慢衰落。這兩種衰 落疊加在一起就是陸地移動通信電波傳播的主要特性。第二、在城市環(huán)境中，衰落信號的平均場強與自由空間或光滑球面?zhèn)?播相比要小得多，并且接收信號的質(zhì)量還要受到環(huán)境噪聲的嚴重影響。通常移動通信電波傳播的路徑（中值）損耗與距離和頻率有關(guān)，與收 發(fā)天線的

2、高度有關(guān)，也與地形地貌有關(guān)。各類場強預測模式都是人工模型， 就是以某些特定的地形為基礎(chǔ)，經(jīng)過大量測試及計算機模擬分析以后提出 的參考標準，隨后再加以修正。當工作頻率確定以后，在特定的天線高度下，人工傳播模型都有三個 特征值：斷點、斜率和附加修正因子。Lp=A+Blg +CA當d = d。時的路徑中值損耗，d。即為斷點B路徑（中值）損耗隨距離而變化的斜率（衰減因子）C對地形地貌的修正因子22、快衰落遵循什么分布規(guī)律？基本特征和克服方法。在移動通信傳播環(huán)境中，到達移動臺天線的信號不是單一路徑，而是來 自許多路徑的眾多反射波的合成。由于電波通過各個路徑的距離不同，因而 各條路徑的反射波到達的時間不同

3、，相位也不同。不同相位和幅度的多個信 號在接收端疊加，有時同相增強，有時反相減弱。這樣，接收信號的幅度將 急劇變化，即產(chǎn)生了衰落。這種衰落是由多徑傳播所引起的，稱為多徑快衰 落。它的變化速率與移動體行進速度及工作頻率（波長）有關(guān)，其變化范圍可達數(shù)十分貝。衰落的平均速率為2v /人（v為車速m/s；人為波長m）。大量統(tǒng)計結(jié)果表明，絕大多數(shù)的多徑衰落遵循瑞利（Raxleigh）分布。 一般來說，模擬移動通信系統(tǒng)主要考慮接收信號幅度的變化；而數(shù)字移動通 信系統(tǒng)還需考慮信號的時延和擴展。在第二代和第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)中，都采用了以下三個措施減少多 徑快衰落的影響：采用合理的糾錯編碼（如卷積碼、Tur

4、bo碼等）、交織保護和重傳協(xié) 議，以增加信號的冗余度，并進行時間分集；利用快速功控和（接收和/或發(fā)信）分集緩解功率損失；使用多個Rake接收指峰進行多徑分集接收，更好地集中能量。 23、慢衰落遵循什么分布規(guī)律？基本特征及對工程設(shè)計參數(shù)的影響？在移動通信傳播環(huán)境中，電波在傳播路徑上遇到起伏的山丘、建筑物、 樹林等障礙物阻擋，形成電波的陰影區(qū)，就會造成信號場強中值的緩慢變化， 引起衰落。通常把這種現(xiàn)象稱為陰影效應，由此引起的衰落又稱為陰影慢衰 落。另外，由于氣象條件的變化，電波折射系數(shù)隨時間的平緩變化，使得同 一地點接收到的信號場強中值也隨時間緩慢地變化。但因為在陸地移動通信 中隨著時間的慢變化遠

5、小于隨地形的慢變化，因而常常在工程設(shè)計中忽略了 隨時間的慢變化，而僅考慮隨地形的慢變化。慢衰落的速率與頻率無關(guān)，主要取決于阻擋物的尺寸和結(jié)構(gòu)以及收發(fā)天 線的高度和移動體的速度；而慢衰落的深度取決于信號頻率和阻擋物的材 質(zhì)。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，陰影衰落服從對數(shù)一正態(tài)分布，正態(tài)分布有兩個特 征值，即均值（）和偏差（a），按照對數(shù)一正態(tài)分布的特征可知，當覆 蓋區(qū)邊緣的接收場強中值恰巧等于均值（）時，系統(tǒng)接收場強沒有余量， 只能保證覆蓋區(qū)邊緣50%的地點滿足通信要求。在移動通信系統(tǒng)的無線工程設(shè)計中，必須提供接收場強的余量才能保證更多地點的可通率，這個余量與偏差（b）有關(guān)。按對數(shù)一正態(tài)分布規(guī)律余量（dB）

6、0b1.28 b1.64 b2 b覆蓋區(qū)邊緣可通率（%）5084909597.7而b值根據(jù)不同地形特征由實測得到，也可根據(jù)國際電聯(lián)的相關(guān)推薦數(shù) 據(jù)進行比較選擇而定。24、什么是自由空間的傳播模式？所謂自由空間是指相對介電常數(shù)和相對磁導率均恒為1的均勻介質(zhì)所 存在的空間，這相當于一個真空的空間，在360的球體具有各向同性，電 導率為零等特性。自由空間傳播與真空傳播一樣，只有擴散損耗的直線傳播， 而沒有反射、折射、繞射、色散等等現(xiàn)象，其傳播速度等于光速，因此，自 由空間是一種科學的抽象，但它可以作為實際傳播模式的參考。特別在室內(nèi) 視線可見的范圍內(nèi)，其傳播模式非常接近于自由空間模型。自由空間的路徑中

7、值損耗L =32.45+20lgf+20lgd式中f：工作頻率（MHz）d：收發(fā)天線間距（km）25、2G系統(tǒng)的宏小區(qū)傳播模式國際電聯(lián)推薦用奧村（Okumura-Hata）模式所提供的曲線及其歸納的 經(jīng)驗公式作為第二代移動通信系統(tǒng)中城市宏小區(qū)傳播模型。Lp= 69.55+26.16lgf-13.82lgh - a （hm） + 44.9-6.55lgh lgd （dB）該模型使用范圍：f： 150 1500MHzh : 30200mhm : 1 10mhm以1.5m為基準對于中小城市a (hm) = 1.1lgf-0.7 hm -1.56lgf-0.7 (dB)對大城市a (hm) =8.29

8、lg (1.54 hm ) 2-1.1 (dB)當 f 300MHza (hm) =3.2lg (11.75 hm ) 2-4.97 (dB)當 f 300MHz26、3G系統(tǒng)的宏小區(qū)傳播模式前述奧村模式工作頻率的上限只有1500MHz。因此，歐洲科學和技術(shù) 研究協(xié)會(Euro-Cost)組成了 COST231工作委員會，提出了奧村模式的 擴展模型，即COST231 Hata模型。其路徑損耗的計算公式為：L (dB) =46.3+33.9lgf-13.82lgh -a (hm) + 44.9-6.55lgh lgd +C式中，C為大城市中心校正因子。在中小城市和郊區(qū)，C =0，在市中心，C =

9、3 dB該模型適用于下列參數(shù)范圍：f： 15002300MHzh : 30200mhm : 1 10md： 1 20km與前述奧村模式相比，前兩項由69.55+26.16lgf變?yōu)?6.3+33.9lgf，如 果分別以f=900MHz和2000MHz代入，可知僅此一項2G與3G系統(tǒng)的路 徑損耗將相差1012dB。27、微小區(qū)傳播模式隨著3G的問世，微小區(qū)覆蓋更顯重要，我們介紹兩種傳播模型COST231WI 模型該模型廣泛用于建筑物高度近似一致的市、郊小區(qū)，該模型考慮了自由空間損耗、從建筑物頂?shù)浇置娴膿p耗以及街道走向?qū)﹄姴▊鞑?衰耗的影響。如圖所示為該模型的傳播示意圖低基站天線情況如果電波在街道

10、形成的峽谷中存在一個自由的視距可見(LOS)路 徑的話，它與自由空間的傳播特性是有差別的。L=42.6+26logd(km)+20logf(MHz)dN 0.02km高基站天線傳播在這種情況下COST231WI模型由三項組成L=Lbf+Lr.+L以式中，L為自由空間損耗，即L =32.44+20logf(MHz)+20logd(km)Lt為“最后的屋頂?shù)浇值赖睦@射散射損耗”-16.9-10lgw+10lgf+20lgahm+L . hR hL .為街道方向因子即電波方向與街道方向之夾角。-10 +2.50忍甲35Lrts+2.5 +4.035忍甲55I +4.0 055W甲 90為多重屏繞射損

11、耗 dsLmLbsh+ ka+kdlogd+ k f logf-9logb其中L和基站天線相對于建筑物高度有關(guān)bsh-18log1+ A hb5454-0.8 AhbdN0.5km,hb W hR54-0.8 Ah d/0.5d 0.5km,hb W hR1818-15 a hhR(0.7 (f/925) -1hb W hR樹木密度適中的中等城市kf= -4 +V和郊區(qū)中心11.5 (f/925) -1大城市中心L. 0COST231WI模型的使用范圍f： 8002000MHzh : 450mh : 1 3md： 0.025KmhR : 3X樓層數(shù)+屋頂參數(shù)雙線模型雙線模型的基本假設(shè)是：從發(fā)射

12、天線到接收天線有兩條路徑，即視 距可見直達波和地面反射波。其路徑損耗為收發(fā)之間距離d的函數(shù)，并 且可以用3條不同斜率的線段來表示。雙線模型中首先要確定一個突發(fā)點，即發(fā)射天線到該點的距離恰好 是從發(fā)射到接收的第一菲涅爾半徑橢球碰到地面的那一點的距離。d= (4 ht hr)/ 人對于f=1900MHz時I 40+25logddV 七40+25log (孔)+40log ()虬忍dV4d40+25log ( E ) +40log (4d ) +60log ( d )d4db對于建筑物相對較少的微小區(qū)，采用雙線模型是比較合適的。28、室內(nèi)傳播模式同樣，室內(nèi)傳播模式也有多種版本，我們推薦從 歐洲無繩電

13、話(1.9GHz)演繹的一個試驗模型，可以用于室內(nèi)多層環(huán)境，即MotelyKennan模型，其公式為：IW E NF1LF1j=1i=1L =L (d ) +10v lg + 勇-d0式中，L (d0 )表示參考點(1m)處的路徑損耗，v為衰減斜率，Nw.、N分別表示信號穿過不同類型的墻和地板的數(shù)目，Lw.、L則是對應的損耗因子，J、I分別表示各種墻和地板類型數(shù)目。模型提出者給出的建議值是:L（d）=37 dBLf. = 20 dB （對所有地板）Lwj = 3 dB （對所有墻體）v = 2如果電波需穿透一層地板和二堵墻體的話，則Lp=37+20lgd+20+2X3=63+20lgd （dB

14、）誠然，在實際工程中，還是需對地板和墻體的衰耗根據(jù)實際結(jié)構(gòu)材質(zhì)進 行一些修正。29、接收靈敏度、最低功率電平和無線覆蓋區(qū)位置百分比的關(guān)系通常，在進行項目設(shè)計時，我們會得到一個數(shù)據(jù)，即所需覆蓋區(qū)邊緣的 可通率和最低功率電平（如:90%和-85dBm）。與這個數(shù)據(jù)有關(guān)的技術(shù)指標主要是：大接收機靈敏度S （dBm）；大在實際噪聲環(huán)境中的惡化量d （dB）；大對覆蓋區(qū)及其邊緣的可通信概率（%）這些參數(shù)之間的關(guān)系可用下式表示：P rmin=S +d+xbSV 接收機靈敏度指標值（dBm）d一在實際噪聲環(huán)境中的惡化量d （dB）b 一陰影慢衰落的偏差值（dB）x 一與覆蓋區(qū)邊緣的可通率有關(guān)的系數(shù)sv是指接

15、收機在靜態(tài)條件下（試驗室內(nèi)），滿足一定的誤碼性能的條 件下，其射頻輸入端所需的最低信號電平，通常用功率電平 （dBm）表示。當一個接收機置于實際通信環(huán)境中時，由于噪聲及多徑衰落的影響，其誤碼性能將被惡化，此時，為了保證誤碼性能達到系統(tǒng)的要求，就必須 加大射頻輸入端的信號電平到Sv+d，d值即實際環(huán)境中由于噪聲和多徑 衰落造成的惡化量。接下來的問題是，當覆蓋區(qū)邊緣信號電平達到接收機需要的最低輸入 保護電平（Sv+d）時，能否保證正常通信呢？答案是能保證，但不能完全保證。因為移動通信的電波傳播陰影慢衰 落特性，服從對數(shù)一正態(tài)分布。因此必須具有一定的衰落余量才能保證需 要的通信效果，在工程上歸結(jié)為覆

16、蓋區(qū)邊緣或整個覆蓋區(qū)的可通信概率。通信概率與系統(tǒng)余量的關(guān)系見下圖：當系統(tǒng)余量為0時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為50% 當系統(tǒng)余量為。時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為84% 當系統(tǒng)余量為2。時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為97% 當系統(tǒng)余量為3。時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為99.7% 當系統(tǒng)余量為1.28。時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為90%整個覆蓋區(qū)可通概率與覆蓋區(qū)邊緣可通概率可以用一個誤差函數(shù)積分求得，隨陰影損耗偏差 和衰減指數(shù)n而變，如下圖：10.950.90.850.80.750.70.650.6012345678接收靈敏度、最低功率電平與覆蓋區(qū)位置百分比關(guān)系例如：G網(wǎng)接收機靈敏度為-102 dBm，環(huán)境惡化量為9dB，當陰影衰 落偏差為6dB時，如果需要覆蓋區(qū)邊緣可通率為90%，其最低信號功率 電平應為：Prmin =一 102 dBm+9 dB+1.28 X 6 dB= 85.3 dBm此時，能滿足整個覆蓋區(qū)95%的可通率。30、全鏈路平衡和最大允許路徑損耗