第2講 移動(dòng)通信的電波傳播

第2講移動(dòng)通信的電波傳播

引言1電波傳播特性2陸地信道場強(qiáng)計(jì)算3無線鏈路計(jì)算41引言1.導(dǎo)入

◆傳播特性如何直接關(guān)系到通信的可靠性。

◆不同頻段的無線電波，其傳播方式和特點(diǎn)是不相同的。

◆移動(dòng)信道是最為復(fù)雜的，其衰落特性取決于無線電波的傳播環(huán)境。

◆移動(dòng)信道特性的研究成為熱點(diǎn)。1引言

移動(dòng)通信廣泛使用VHF和UHF頻段。從移動(dòng)信道的電磁波傳播上看，有三種傳播方式：

◆直射波：是指在視距覆蓋范圍內(nèi)無遮擋的傳播，是超短波、微波的主要傳輸方式，經(jīng)直射波傳播的信號最強(qiáng)。

◆反射波：是指從不同建筑物或其他反射體反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號，其信號強(qiáng)度較直射波弱。

◆繞射波：從較大建筑物或山丘繞射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號。它需要滿足電波產(chǎn)生繞射的條件，其信號強(qiáng)度亦較直射波弱，與反射波相當(dāng)。1引言2.移動(dòng)信道研究的基本方法

◆理論分析：用電磁場理論或統(tǒng)計(jì)理論分析電波在移動(dòng)環(huán)境中的傳播特性，并用各種數(shù)學(xué)模型來描述移動(dòng)信道。

◆現(xiàn)場電波傳播實(shí)測：在不同的傳播環(huán)境中，做電波傳播的實(shí)測試驗(yàn)。信號場強(qiáng)測試和誤碼率測試。

◆移動(dòng)信道的計(jì)算機(jī)模擬。1引言3.影響傳播環(huán)境的主要因素

◆自然地形

◆建筑的數(shù)量、高度、分布和材料

◆天氣狀況

◆電磁噪聲狀況◆系統(tǒng)工作頻率和移動(dòng)臺運(yùn)動(dòng)狀況1引言4.解決的三個(gè)問題

◆信號可能發(fā)生的變化及原因

◆變化對傳輸質(zhì)量和性能的影響

◆采用哪些方法和技術(shù)

這些影響2移動(dòng)通信電波傳播特性1.電波傳播的方式

2移動(dòng)通信電波傳播特性2.電波衰落1）自由空間的傳播損耗：

自由空間:指相對介質(zhì)電常數(shù)和磁導(dǎo)率為l的均勻介質(zhì)所存在的空間。

自由空間路徑損耗計(jì)算公式：

2移動(dòng)通信電波傳播特性2）多徑效應(yīng)：

2移動(dòng)通信電波傳播特性2）多徑效應(yīng)：

多徑衰落：由于多徑現(xiàn)象所引起的衰落。

最大衰落速率計(jì)算：

駐波場強(qiáng)：多徑衰落的空間描述：接收信號的強(qiáng)度隨距離的變動(dòng)呈現(xiàn)衰減。2移動(dòng)通信電波傳播特性2）多徑效應(yīng)：

多徑衰落的時(shí)間描述：時(shí)延擴(kuò)展

時(shí)延擴(kuò)展(Δ)：由于多徑效應(yīng)引起的接收信號中脈沖的寬度擴(kuò)展的現(xiàn)象。

相關(guān)帶寬：兩衰落信號相關(guān)時(shí)的頻率間隔，是對信道傳輸信號帶寬能力的統(tǒng)計(jì)度量。

二者的關(guān)系：時(shí)延擴(kuò)展?越大，相關(guān)帶寬越窄，信道容許傳輸?shù)牟皇д骖l帶就越窄；反之，?越小，相關(guān)帶寬越寬，信道容許傳輸?shù)牟皇д骖l帶就越寬。2移動(dòng)通信電波傳播特性3）陰影效應(yīng)

◆隨著車輛的運(yùn)動(dòng)，信號場強(qiáng)中值也在緩慢地起伏，它起因于建筑物和起伏地形的陰影效應(yīng)，故稱之為地形衰落（慢衰落）?！袈ヂ洌哼€有由于大氣折射狀況，使得信號場強(qiáng)隨時(shí)間緩慢地變化。

◆慢衰落服從正態(tài)分布。

3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算1.地形、地物分類

1）地形分類和定義

◆準(zhǔn)平滑地形：在電波傳播路徑上地形斷面的起伏量在20m以下，且起伏變化緩慢的平坦地形。

◆不規(guī)則地形：除準(zhǔn)平滑地形之外均屬于不規(guī)則地形

①丘陵地形②孤立山岳

③傾斜地形④防水混合通路3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算

2）地物分類和定義：

◆開闊地：在電波傳播的方向上無高大樹木、建筑物等障礙物，地面呈開闊狀態(tài)．一般定義為在電波傳播方向300一400m以內(nèi)無障礙物的開闊原野為開闊地。◆郊區(qū)地：移動(dòng)臺附近處有障礙物但不稠密的地區(qū)。

◆市區(qū)：指有兩層以上建筑物的稠密地區(qū)。3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算

3）地形波動(dòng)高度，基地臺、移動(dòng)臺有效高度

◆地形波動(dòng)高度(Δh)：沿通信方向，距離接收點(diǎn)10km范圍內(nèi)，10%高度線和90%高度線之間的高度差。

10%高度線:在地形剖面圖的有10%的地段高度超過此線的一條水平線。

3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算

3）地形波動(dòng)高度，基地臺、移動(dòng)臺有效高度

◆基地臺天線有效高度(hb)：若天線的有效高度為hb，地面的平均高度為hgb，海拔高度為htg，則為基地臺天線有效高度

3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算

3）地形波動(dòng)高度，基地臺、移動(dòng)臺有效高度

◆移動(dòng)臺天線高度(hm)：在地面以上的高度，包括車體高度，通常hm≤3m3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算2.平滑地形電波傳播特性及場強(qiáng)中值的計(jì)算

1）市區(qū)損耗中值與工作頻率f及與通信距離d的關(guān)系。當(dāng)市區(qū)道路方向和電波傳播方向平行或垂直時(shí)，相對基準(zhǔn)中心值，的修正因子曲線。

準(zhǔn)平滑地形，城市街道地區(qū)的基本衰耗中值市區(qū)縱向(a)和橫向(b)場強(qiáng)中值對基準(zhǔn)中值的修正值由曲線上查得的市區(qū)衰耗中值A(chǔ)m(f，d)加上自由中間的傳播衰耗Lbs才是實(shí)際路徑衰耗LM：

LM=Lbs+Am(f，d)3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算2）天線高度與場強(qiáng)的關(guān)系在準(zhǔn)平滑地形上，基地臺天線有效高度相對增益Hb(hb,d)，其計(jì)算曲線如圖。移動(dòng)臺天線有效高度相對增益Hm(hm,d)，其計(jì)算曲線如圖。

基地臺天線有效高度增益因子曲線移動(dòng)臺天線有效高度增益因子曲線總結(jié)：準(zhǔn)平滑市區(qū)的中值傳輸損耗LT：

LT=Lbs+Am(f，d)-Hb(hb，d)-Hm(hm,d)3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算3）效區(qū)和開闊地的衰耗中值郊區(qū)地和開闊地的衰耗中值可用市區(qū)衰耗中值作為基準(zhǔn)值，再經(jīng)適當(dāng)?shù)男拚玫健＝紖^(qū)地場強(qiáng)中值修正值為kmr(f,d)開闊地及準(zhǔn)開闊地修正值分別為Qo(f)、Qr(f)3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算3.各種不規(guī)則地形、地物的傳播特性及計(jì)算

1）丘陵地場強(qiáng)中值修正值相對于準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)電場中值即基準(zhǔn)中值的修正值為Kh(Δh)，其曲線。由于地形起伏不同，位置上的場強(qiáng)偏差較大，故需要作進(jìn)一步修正。其修正值Khf(Δh)及曲線。

3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算2）水陸混合地形的修正值三種不同分布情況：①移動(dòng)臺一側(cè)有水；⑦基地臺一例有水；②水處在陸地中間，即基地臺、移動(dòng)臺在陸上，中間為水。其修正值分別用和，其曲線。3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算3）傾斜地形的修正值

地形處于傾斜狀態(tài)且距離為5km以上的范圍，平均傾角θm（以弧度表示）的修正值Ksp(θm.d)曲線如圖。3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算4）孤立山岳的修正值

孤立山丘的定義及修正值曲線如圖。

總結(jié)：應(yīng)用Okumura(奧村)模型進(jìn)行傳播衰耗計(jì)算的步驟：

3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算4）Hata(哈塔)模型適用頻率范圍150Mhz~1.5Ghz根據(jù)Okumura曲線所作的經(jīng)驗(yàn)公式，以市區(qū)傳播損耗為基準(zhǔn)，并對其它地區(qū)進(jìn)行修正。市區(qū)路徑損耗公式，在1km以上，結(jié)果與Okumura非常接近。缺點(diǎn)：適用于大區(qū)制移動(dòng)系統(tǒng)。

(1)市區(qū)衰耗經(jīng)驗(yàn)公式：

其中，是移動(dòng)臺天線高度的修正因子，對于中、小城市的值為

對于大城市，其值為：

（2）郊區(qū)和開闊地修正因子經(jīng)驗(yàn)公式：郊區(qū)地：

其中：

開闊地：（3）丘陵地修正因子經(jīng)驗(yàn)公式：

Khf(Δh)是對不同位置的修正，可用所求點(diǎn)的偏離平均高度值來代替Δh求得。（4）水陸混合修正因子經(jīng)驗(yàn)公式：（5）傾斜地形修正因子經(jīng)驗(yàn)公式：（6）孤立山岳的修正因子經(jīng)驗(yàn)公式：其中3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算4.場強(qiáng)中值的計(jì)算<例2-1>基地臺有效天線高度為30m，發(fā)射機(jī)工作頻率為450MHz，移動(dòng)臺天線高度hm=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，求傳播路徑損耗預(yù)測值。

解：①自由空間路徑損耗Lbs：Lbs=32.45+20lg450+20lg10=105.4dB

②計(jì)算準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的衰耗中值：查圖2-8得：Am(f,d)=Am(450,10)=27.5dB查圖2-10得：Hb(hb,d)=Hb(30,10)=-15dB查圖2-11得：Hm(hm,f)=Hm(1.5,450)=-3dB所以準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的衰耗中值：LT=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)=105.4+27.5-(-15)-(-3)=150.9dB③計(jì)算任意地形地物情況下的衰耗中值：依據(jù)已知條件為郊區(qū)：KT=Kmr(f,d)查圖2-12得：Kmr(f,d)=Kmr(450,10)=12.8dBLA=LT-KT=150.9-12.8=138.1dB注：用Hata的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，結(jié)果也相近。

另：①在給定發(fā)射功率的條件下，淮平滑地形的市區(qū)接收點(diǎn)的功率中值：式中，是給定發(fā)射功率在自由空間傳播下的接收信號的功率。式中，是發(fā)射機(jī)送至天線的發(fā)射功率，是工作波長，

分別表示基地臺和移動(dòng)臺的天線增益。

②在任意地形、地物的情況下，接收功率中值可用下式計(jì)算：

式中，值為

在計(jì)算收發(fā)天線間的電波傳播衰耗中值時(shí)，可用下式：

式中，為準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)衰耗中值，即

3陸地信道的場強(qiáng)計(jì)算5.建筑物穿透衰減的預(yù)測

◆建筑物穿透衰減：指電波由建筑物外進(jìn)入室內(nèi)的衰減。

◆其大?。航ㄖ锔浇值郎系膱鰪?qiáng)中值與在建筑物一樓測得的場強(qiáng)差。

◆150一400MHz：頻段的建筑物穿適衰減較小?！舸┩杆p還隨測量點(diǎn)的高度變化而變化，一樓和二樓有明顯差別。在二樓以上，隨高度的增加穿透衰減大體上直線下降。

4無線鏈路計(jì)算

電波傳播電路計(jì)算（覆蓋區(qū)域計(jì)算）：任務(wù)是根據(jù)通信質(zhì)量要求，對無線區(qū)的覆蓋或基站天線高度作出比較符合實(shí)際的預(yù)測。

計(jì)算步驟：1）確定服務(wù)區(qū)及無線區(qū)域組成、合格的話音質(zhì)量、可靠通信概率；2）預(yù)定無線設(shè)備方案并進(jìn)行電波傳播電路計(jì)算，即考慮噪聲、衰減等因素后計(jì)算區(qū)域覆蓋或天線高度；3）從技術(shù)、成本及使用等方面綜合分析，對設(shè)備方案或無線區(qū)域組成進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。4無線鏈路計(jì)算1.話音質(zhì)量優(yōu)5級：幾乎無噪聲；良4級：有使人注意的輕微噪聲；中3級：有使人煩惱的噪聲；差2級：有使人非常煩惱的噪聲；劣1級：話音幾乎不可懂。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)：話音信噪比S0/N0>20dB;我國移動(dòng)用戶與固定電話通話：大于或等于29dB

4無線鏈路計(jì)算2.接收機(jī)允許輸入的最小信噪比

門限電平：輸入信號電平和噪聲信號的峰值相等時(shí)的輸入電平；

信號和噪聲有效值功率比為9dB，調(diào)頻門限信噪比約為9dB。經(jīng)推導(dǎo)可得：

以上說明接收機(jī)允許的最小輸入信噪比和音頻輸出信噪比之間的關(guān)系，也就是說調(diào)頻接收機(jī)的信噪比改善度可以用表示：

接收機(jī)允許的最小輸入信噪比為：

式中，移動(dòng)通信網(wǎng)中最大可能的信號轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。

注意：只有接收機(jī)輸入信噪比高于其門限信噪比時(shí)才有意義，否則應(yīng)取門限信噪比作