移動通信課件_第3章

1、第3章 移動通信的電波傳播 第3章 移動通信的電波傳播 3.1 VHF、 UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性 3.2 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3章 移動通信的電波傳播 3.1 VHF、UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性 當(dāng)前陸地移動通信主要使用的頻段為VHF和UHF。VHF：甚高頻，30300MHz，10m1mUHF：特高頻，3003000MHz，10010cm主要在150 MHz、450 MHz、900 MHz、1800 MHz。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

2、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第3章 移動通信的電波傳播 阻擋體阻擋體 反射反射（引起多徑衰落）（引起多徑衰落）比傳輸波長比傳輸波長大的多的物體大的多的物體 繞射繞射尖利邊緣尖利邊緣 散射散射粗糙表面粗糙表面第3章 移動通信的電波傳播 圖圖3-1 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 第3章 移動通信的電波傳播 3.1.1 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 )(lg20lg20

3、45.32dBfdLbs式中, d為距離(km), f為工作頻率(MHz)。 第3章 移動通信的電波傳播 3.1.2 視距傳播的極限距離視距傳播的極限距離 圖3-2 視距傳播的極限距離 第3章 移動通信的電波傳播 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. 30kmmhmhdTR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3章 移動通信的電波傳播 ：無折射超折射，軌跡平行地面臨界折射：，標(biāo)準(zhǔn)大氣標(biāo)準(zhǔn)

4、折射：正折射：負折射0/157/39/00mNdhdnKmNdhdndhdn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(6.37106m)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。kmkdhdnRRRke8500Re, 3/41100標(biāo)準(zhǔn)大氣折射：第3章 移動通信的電波傳播 3.1.3

5、繞射損耗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3章 移動通信的電波傳播 第3章 移動通信的電波傳播 第一菲涅爾區(qū)半徑x1：21211ddddx（3-4）圖3-4 繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系 第3章 移動通信的電波傳播 結(jié)論：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擦過時，繞射損耗約為6dB；當(dāng)x0時，TR直射線低于障礙物頂點，損耗急劇增加。 第3章 移動通信的電波傳播 dBggLfs5 .99150201)10

6、5(20144.32mddddx7 .811015101105234321211dBLLfs5 .11617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：第3章 移動通信的電波傳播 3.1.4 反射波反射波 圖3-5 反射波和直射波 第3章 移動通信的電波傳播 反射波與直射波的行距差為 dhhcbadRT2兩路信號到達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

7、反相， 實際的兩路電波相位差為 d20(3-5)(3-6)(3-7)第3章 移動通信的電波傳播 3.1.5 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)射機發(fā)A cosct后, 接收機接收端收到的合成信號為 11( )( )cos( )( )cos ( )nniciiciiiR tR tttR ttt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(t)為第i條路徑的相位滯后，i(t)=-ci(t)。 Ri(t)和i(t)可以認為是緩慢變化的隨機過程，故：tttRtttRtRciniiciniisin)(sin)(cos)(cos)()(11（3-9）(

8、3-8)第3章 移動通信的電波傳播 設(shè): 11( )( )cos( )( )( )sin( )nnciisiiiix tR ttx tR tt則式（3-9）可寫成 )(cos)()(sin)()(cos)()(tttUttxttxtRccscc式中: U(t)為合成波R(t)的包絡(luò)； (t)為合成波R(t)的相位。 (3-10)()(arctan)()()()(22txtxttxtxtUcssc第3章 移動通信的電波傳播 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

9、密度函數(shù)p()分別為： 2222exp)(rrrp0r+ 21)(p02 均值為 2533. 12)(0drrrprErmean方差 222022224292. 0222)(drrprrErEr(3-11)(3-12)第3章 移動通信的電波傳播 3.1.6 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, Kac0。隨著傳播距離的增加，街道走向的影響將變得越來越小。第3章 移動通信的電波傳

10、播 圖圖3-16 市區(qū)街道走向修正值市區(qū)街道走向修正值 第3章 移動通信的電波傳播 (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(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。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pbLLL0（3-26）第3章 移動通信的電波傳播 表表3-1 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

11、/dB 22221817Lp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-2 dB/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12 dB。 第3章 移動通信的電波傳播 圖3-17 信號衰耗與樓層高度 第3章 移動通信的電波傳播 (3) 植被衰耗Lz 圖3-18 森林地帶的附加衰耗 zbLLL00.40.30.20.100.40.30.20.1100005000305010020050010002000f / MHz附 加 損

12、 耗 / (dB / m)A : 垂直極化B : 水平極化第3章 移動通信的電波傳播 (4) 隧道中的傳播衰減Lsd。 sdbLLL0圖 3-19 電波在隧道中的傳播衰耗 第3章 移動通信的電波傳播 3.2.3 Okumura-Hata方法方法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： )(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市區(qū))(4 . 528lg2)()(2dBfLLbb市區(qū)郊區(qū))(94.40lg33.18)(lg78. 4)()(2dBffLLbb市區(qū)開闊區(qū)(3-

13、29)(3-30)(3-31)第3章 移動通信的電波傳播 d為收發(fā)天線之間的距離，km； hb為基站天線有效高度，m； （hm）為移動臺天線高度校正因子，hm為移動臺天線高度（m）。（hm）由下式計算： )400(97. 4)75.11(lg2 . 3)200(1 . 1)54. 1(lg29. 88 . 0lg56. 1)7 . 0lg1 . 1 ()(22MHzfhMHzfhfhfhmmmm中、 小城市 大城市 大城市 公式的適用范圍為：150 MHzf1500 MHz，30 mhb200 m，1 mhm10 m，1 kmd20 km，準(zhǔn)平坦地形。 第3章 移動通信的電波傳播 3.2.4

14、微蜂窩系統(tǒng)的覆蓋區(qū)預(yù)測模式微蜂窩系統(tǒng)的覆蓋區(qū)預(yù)測模式 圖圖3-20 環(huán)境參數(shù)的定義環(huán)境參數(shù)的定義(a) 環(huán)境參數(shù)；環(huán)境參數(shù)； (b) 街道方向街道方向 第3章 移動通信的電波傳播 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：建筑物高度：hRoof； 街道寬度：街道寬度： w； 建筑物間隔：建筑物間隔：b； 相對于街道平面的直射波方向：相對于街道平面的直射波方向： 。 以上參數(shù)適用于市區(qū)地形為平滑地形。 第3章 移動通信的電波傳播 微蜂窩覆蓋區(qū)預(yù)測計算模式分為兩部分：（1） 視線傳播。視線傳播。 基本傳播損耗采用下式計算： )(lg20)(lg266 .42

15、MHzfkmdLb式中，d為基站至移動臺之間的距離， 限于d20 m。 (3-33)第3章 移動通信的電波傳播 （2）非視線傳播）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： msdrtsbLLLL0 L0自由空間傳播損耗： )(lg20)(lg204 .320MHzfkmdL Lrts屋頂至街道的繞射及散射損耗： 0lg20lg10lg109 .16orimrtsLhfL用于hRoofhm 用于LrtshRoof d0.5 km及hbhRoof d0.5km及 hbhRoof 151818dKRoofbRoofbRoofbhhhhhh19255 . 1192

16、57 . 04ffKf用于中等城市及具有中等密度的樹的郊區(qū)中心 用于大城市中心 (3-41)(3-42)(3-43)第3章 移動通信的電波傳播 式中：hb、hRoof的單位用m，f的單位用MHz，d的單位用km。 COST-231-Walfish-Ikegami計算模式應(yīng)用于hbhRoof時，計算結(jié)果誤差較大。 在同一條件下，f=1800 MHz的傳輸損耗可用900 MHz的損耗值求得，即：L1800=L900+10dB 以上微蜂窩覆蓋區(qū)預(yù)測計算的適用條件為f：8002000 MHz；hBase：450m；hMobile： 13 m； d：0.025 km。 第3章 移動通信的電波傳播 fAf

17、AffAAt AlosDdDdDDddh d Llog4log20(4log20, 自自由由空空間間傳傳播播損損耗耗） 宏蜂窩模型宏蜂窩模型d5 d55 有實測數(shù)據(jù)并得到LEE模型參數(shù)和距離衰減因子d1 微蜂窩模型微蜂窩模型有實測數(shù)據(jù) LEE模型WIM模型LEE模型WIM模型CCIR模型 fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空間間傳傳播播損損耗耗）Hata模型 fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空間間傳傳播播損損耗耗）第3章 移動通信的電波傳播 傳播模型的使用與評價傳播模型的使用與評價 Hata模型模型 參數(shù)易獲得，模型易使用參數(shù)易獲得，模型易使用 但未考慮建筑物的高度和密度、街道的分布和走向等重要因素的影但未考慮建筑物的高度和密度、街道的分布和走向等重要因素的影響，預(yù)測值和實際值的誤差較大響，預(yù)測值和實際值的誤差較大 C