移動通信課件-第3章

第3章移動通信的電波傳播3.1VHF、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）3.1VHF、UHF頻段的電波傳播特性當前陸地移動通信主要使用的頻段為VHF和UHF。VHF：甚高頻，30～300MHz，10m～1mUHF：特高頻，300～3000MHz，100～10cm主要在150MHz、450MHz、900MHz、1800MHz。移動通信中的傳播方式主要有直射波、反射波和地表面波等傳播方式。由于地表面波的傳播損耗隨著頻率的增高而增大，傳播距離有限，因此在分析移動通信信道時，主要考慮直射波和反射波的影響阻擋體反射（引起多徑衰落）比傳輸波長大的多的物體繞射尖利邊緣散射粗糙表面圖3-1典型的移動信道電波傳播路徑3.1.1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Lbs,Lbs的表示式為式中,d為距離(km),f為工作頻率(MHz)。3.1.2視距傳播的極限距離圖3-2視距傳播的極限距離已知地球半徑為R=6370km,設發(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為在標準大氣折射情況下，等效地球半徑R=8500km,可得修正后的視距傳播的極限距離d0為大氣折射：由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，稱為大氣對電波的折射。彎曲的方向和程度取決于大氣折射率的垂直梯度dn/dh。大氣折射對電波傳播的影響，在工程上通常用“地球等效半徑”來表征。“地球等效半徑”：認為電波在大氣中依然按直線傳播，而把地球的實際半徑R0(6.37×106m)修正為等效半徑Re，以保證在等效球面的上空電波沿直線傳播軌跡上的任一點到等效地面的距離與實際傳播軌跡上的同一點到真實地面的距離相等。3.1.3繞射損耗各種障礙物對電波傳輸所引起的損耗稱為繞射損耗。菲涅爾余隙x：障礙物頂點P至直線AB之間的垂直距離。圖3-3菲涅爾余隙（a）負余隙;（b）正余隙第一菲涅爾區(qū)半徑x1：（3-4）圖3-4繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關系結論：當橫坐標x/x1>0.5時，則障礙物對直射波的傳播基本上沒有影響。當x=0時，TR直射線從障礙物頂點擦過時，繞射損耗約為6dB；當x<0時，TR直射線低于障礙物頂點，損耗急劇增加。例：如圖3-3（a）所示，d1=5km,d2=10km,工作頻率150MHz，x的絕對值為82，求電波傳播損耗。解：先求出自由空間傳播損耗為：再求第一菲涅爾區(qū)半徑為：x/x1=-82/81.7≈-1，查圖可得繞射損耗為17dB所以，電波傳播的損耗L為：3.1.4反射波圖3-5反射波和直射波反射波與直射波的行距差為兩路信號到達接收天線的時間差換算成相位差Δφ0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Δφ為(3-5)(3-6)(3-7)3.1.5多徑效應與瑞利型(衰落特性)設發(fā)射機發(fā)Acosωct后,接收機接收端收到的合成信號為式中：Ri(t)為第i條路徑的接收信號；τi(t)為第i條路徑的傳輸時間；φi(t)為第i條路徑的相位滯后，φi(t)=-ωcτi(t)。Ri(t)和φi(t)可以認為是緩慢變化的隨機過程，故：（3-9）(3-8)設:則式（3-9）可寫成式中:U(t)為合成波R(t)的包絡；φ(t)為合成波R(t)的相位。(3-10)通常，U(t)滿足瑞利分布，相位φ(t)滿足均勻分布，R(t)可視為一個窄帶過程。假設噪聲為高斯白噪聲，σ為噪聲方差，r為接收信號的損失幅度，則包絡概率密度函數(shù)p(r)和相位概率密度函數(shù)p(θ)分別為：0≤r≤+∞0≤θ≤2π均值為方差(3-11)(3-12)3.1.6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為萊斯（Riceam）分布。包絡的概率密度函數(shù)p(r)為：A≥0,r≥0r<0式中,A為直達波振幅，r為接收信號的瞬時幅度，σ為噪聲方差，I0（·）為第一類0階Bessel函數(shù)。設(3-13)3.2電波傳播特性的估算（工程計算）3.2.1EgliJohnJ.場強計算公式EgliJohnJ.提出一種經(jīng)驗模型，并根據(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：式中,f為工作頻率，以MHz為單位。(3-14)不平坦地區(qū)的場強公式為或者說，不平坦地帶傳播衰減如果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(3-15)(3-16)(3-17)3.2.2奧村(Okumura)模型OM模型適用的范圍：頻率為150～1500MHz，基地站天線高度為30～200m，移動臺天線高度為1～10m，傳播距離為1～20km。1.市區(qū)傳播衰耗中值(3-18)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?；咎炀€有效高度hb=200m，移動臺天線高度hm=3m，以自由空間傳播衰耗為基準(0dB)，縱坐標是衰耗中值的修正值Am(f,d)的分貝數(shù)。由曲線上查得的基本衰耗中值Am(f,d)加上自由空間的傳播衰耗Lbs才是實際路徑衰耗LT，即圖3-6大城市準平滑地形基本衰耗中值Am(f,d)例3-1

當d=10km,hb=200m,hm=3m,f=900MHz時，由式（３-１）可求得自由空間的傳播衰耗中值Lbs為查圖3-6可求得Am(f,d)，即利用式(3-18)就可以計算出城市街道地區(qū)準平滑地形的傳播衰耗中值為圖3-7基地站天線高度增益因子Hb(hb,d)圖3-8移動臺天線高度增益因子Hm(hm,f)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為例3-2

在前面例子中，將基地站天線高度改為hb=50m,移動臺天線高度改為hm=2m,對路徑傳播衰耗中值重新進行修正。查圖3-7得查圖3-8得修正后的路徑衰耗中值LT為

圖3-9郊區(qū)修正因子Kmr

圖3-10開闊區(qū)、準開闊區(qū)修正因子（Qo，Qr）3.不規(guī)則地形上的傳播衰耗中值(1)丘陵地的修正因子。地形參數(shù)用“地形起伏”高度Δh表示。其定義：自接收點向發(fā)射點延伸10km范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%處的高度差。圖3-11丘陵地形的修正因子Kh

圖3-12丘陵地形微小修正值Khf

(2)孤立山岳地形的修正因子Kjs。當電波傳播路徑上有近似刃形的單獨山岳時，若求山背后的場強時，則應考慮繞射衰耗、陰影效應、屏蔽吸收等附加衰耗。孤立山岳修正因子Kjs：使用450MHz，900MHz頻段，山岳高度H=110~350m時，基本衰耗中值與實測的衰耗中值的差值，并歸一化為H=200m時的值。Kjs亦為增益因子。當山岳高度不等于200m時，查得的Kjs值還需乘以一個系數(shù)(3-20)圖3-13孤立山岳地形的修正因子Kjs

(3)斜坡地形的修正因子。斜坡地形：在5～10km內(nèi)傾斜的地形。若在電波傳播方向上，地形逐漸升高，稱為正斜坡，傾角為+θm；反之為負斜坡，傾角為-θm。斜坡地形修正因子Ksp：450MHz和900MHz頻段，橫坐標為傾角θm，以毫弧度（mrad）為單位，以收、發(fā)天線之間的距離為參變量，給出了三種不同距離的修正值，其他距離的修正值可用內(nèi)插法近似求得。也是增益因子。圖3-14斜坡地形修正因子Ksp(4)水陸混合地形的修正因子Ks。亦應為增益因子。橫坐標用水面距離dsR與全部距離d之比(dsR/d)作為地形參數(shù)?？v坐標為水陸混合地形修正因子Ks，其值還與水面所處的位置有關。曲線Ａ表示水面位于移動臺一方時，水陸混合地形的修正值。曲線Ｂ表示水面位于基站一方時的修正值。當水面在傳播路徑的中間時，則取上述兩曲線的中間值。圖3-15水陸混合地形的修正因子Ks

4.任意地形的信號中值預測(1)計算自由空間的傳播衰耗。根據(jù)式（3-1），自由空間的傳播衰耗Lbs為(2)市區(qū)準平滑地形的信號中值。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(3)任意地形地物情況下的信號中值LA。式中：LT為準平滑地形市區(qū)的傳播衰耗中值；KT為地形地物修正因子。KT由如下項目構成：根據(jù)實際的地形地物情況，KT因子可能只有其中的某幾項或為零。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，加上地形地物修正因子KT，即例3-3

某一移動電話系統(tǒng)，工作頻率為450MHz，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Lbs。(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(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KT=0;所以LA=LT-KT=LT=155dB例3-4若上題改為在郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且θm=15mrad，其他條件不變，再求傳播路徑的衰耗中值。解：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5.其他因素的影響(1)街道走向的影響。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。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。圖3-16給出了它們相對于基本衰耗中值的修正曲線。圖中縱坐標分縱向修正因子Kai和橫向修正因子Kac，均為增益因子，故而Kai>0,Kac<0。隨著傳播距離的增加，街道走向的影響將變得越來越小。圖3-16市區(qū)街道走向修正值(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。各個建筑物對電波的吸收也是不同的。不同的材料、結構和樓房層數(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，鋼結構的最大。如果移動臺在室內(nèi)使用，在計算傳播衰耗和場強時，需要把建筑物的穿透衰耗也計算進去，才能保持良好的可通率。即（3-26）表3-1建筑物的穿透衰耗(地面層)頻率/MHz150250450800平均穿透衰耗/dB22221817Lp不是一個固定的數(shù)值，而是一個0~30dB的范圍，需根據(jù)具體情況而定,參見表3-1。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-2dB/層，如圖3-17所示。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入1米，穿透衰耗將增加1~2dB。圖3-17信號衰耗與樓層高度(3)植被衰耗Lz圖3-18森林地帶的附加衰耗(4)隧道中的傳播衰減Lsd。圖3-19電波在隧道中的傳播衰耗3.2.3Okumura-Hata方法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：(3-29)(3-30)(3-31)d為收發(fā)天線之間的距離，km；hb為基站天線有效高度，m；α（hm）為移動臺天線高度校正因子，hm為移動臺天線高度（m）。α（hm）由下式計算：中、小城市大城市大城市公式的適用范圍為：150MHz≤f≤1500MHz，30m≤hb≤200m，1m≤hm≤10m，1km≤d≤20km，準平坦地形。3.2.4微蜂窩系統(tǒng)的覆蓋區(qū)預測模式圖3-20環(huán)境參數(shù)的定義(a)環(huán)境參數(shù)；(b)街道方向市區(qū)環(huán)境的特性用下列參數(shù)表示（參數(shù)定義見圖3-20(a)和(b)）：建筑物高度：hRoof；街道寬度：w；建筑物間隔：b；相對于街道平面的直射波方向：φ。以上參數(shù)適用于市區(qū)地形為平滑地形。微蜂窩覆蓋區(qū)預測計算模式分為兩部分：（1）視線傳播?；緜鞑p耗采用下式計算：式中，d為基站至移動臺之間的距離，限于d≥20m。(3-33)（2）非視線傳播。即在街道峽谷內(nèi)有高建筑物阻擋視線，基本傳輸損耗Lb由以下三項組成：①L0——自由空間傳播損耗：②Lrts——屋頂至街道的繞射及散射損耗：用于hRoof＞hm

用于Lrts<0(3-34)(3-35)決定Lrts的各項參數(shù)如下：0°≤φ＜35°35°≤φ＜55°55°≤φ＜90°Δhm=hRoof-hmΔhb=hb-hRoofω為街道寬度（m）；f為計算頻率（MHz）；Δhm的單位用m；φ的單位用度。(3-36)③Lmsd——多重屏障的繞射損耗：用于Lmsd＜0決定Lmsd的各項參數(shù)如下：

hb＞hRoofhb≤hRoof

(3-39)(3-40)hb>hRoofd≥0.5km及hb