移動(dòng)通信的電波傳輸

1、第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 第3章 移動(dòng)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(jì)算）電波傳播特性的估算（工程計(jì)算） 第3章 移動(dòng)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 圖圖3-1 典型的移動(dòng)信道電波傳播路徑典型的移動(dòng)信道電波傳播路徑 hRd1hTdd2d直射波傳播距離d1地面反射波傳播距離d2散射波傳播距離第3章 移動(dòng)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(dá)接收點(diǎn)的傳播方式稱為直射波傳播。直射波傳播損

2、耗可看成自由空間的電波傳播損耗Lbs, Lbs的表示式為 )(lg20lg2045.32dBfdLbs式中, d為距離(km), f為工作頻率(MHz)。 第3章 移動(dòng)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 ACd1d2BohThRR第3章 移動(dòng)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 由此可見, 視距決定于收、發(fā)天線的高度。天線架設(shè)越高, 視線距離越遠(yuǎn)。 實(shí)際上，當(dāng)考慮了空氣的不均勻性對(duì)電波傳

3、播軌跡的影響后, 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(dòng)通信的電波傳播 3.1.3 繞射損耗繞射損耗 圖3-3 菲涅爾余隙（a） 負(fù)余隙; （b）正余隙 hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RR hRTThTd1Pxd2第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 根據(jù)菲涅爾繞射理論，可得到障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系如圖3-4 所示。圖中, 橫坐標(biāo)為x/x1，x1稱菲涅爾半徑（第一菲涅爾半徑），且有 21211ddddx 由圖3-4可見，當(dāng)橫坐標(biāo)x/x10.5時(shí)，則障礙物對(duì)直射波的傳

4、播基本上沒有影響。當(dāng)x=0時(shí)，TR直射線從障礙物頂點(diǎn)擦過時(shí)，繞射損耗約為6 dB；當(dāng)x0時(shí)，TR直射線低于障礙物頂點(diǎn)，損耗急劇增加。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖3-4 繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系 26242016128402繞射損耗 / dB2.5 21012x / x1第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 例例1：在一條無線傳播路徑中，若：在一條無線傳播路徑中，若菲涅爾余隙為菲涅爾余隙為 x 82m，d15km， d2 10km，工作頻率為，工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。試求出電波傳播損耗。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 解：先求出自由空間傳播的損耗為：解：先求出自由空間傳播的損耗

5、為：Lfs 32.44 + 20lgd + 20lgf = 32.44 + 20lg(5+10) +20lg150 = 99.5dB再求出第一菲涅爾區(qū)半徑再求出第一菲涅爾區(qū)半徑81.7m 21211ddddx第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 根據(jù)根據(jù)x/x1 = -1查表得附加損耗為查表得附加損耗為16.5dB因此電波傳播的損耗因此電波傳播的損耗 L Lfs 16.5 = 116.0dB 第3章 移動(dòng)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 d1d2hRacbhT第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 反射波與直射波的行距差為 dhhcbadRT2 由于直射波和反射波的起始相位是一致的

6、，因此兩路信號(hào)到達(dá)接收天線的時(shí)間差換算成相位差0為 dTt220 再加上地面反射時(shí)大都要發(fā)生一次反相， 實(shí)際的兩路電波相位差為 d20第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.2 電波傳播特性的估算（工程計(jì)算）電波傳播特性的估算（工程計(jì)算） 3.2.1 Egli John J.場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式 在實(shí)際中，由于移動(dòng)通信的移動(dòng)臺(tái)在不停地運(yùn)動(dòng)。計(jì)算繞射損耗中的x、x1的數(shù)值處于變化中，因而使用公式計(jì)算不平坦地區(qū)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)遇到較大的麻煩。 Egli John J.提出一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒏鶕?jù)此模型提出經(jīng)驗(yàn)修正公式，認(rèn)為不平坦地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)等于平面大地反射公式算出的場(chǎng)強(qiáng)加上一個(gè)修正值，其修正值為 f40lg20式中,

7、 f為工作頻率，以MHz為單位。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 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 )(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(kmdmhmhMHzfdBLRTA第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.2.2 奧村奧村(Okumura)模型模型 OM模型適用的范圍：頻率為1501500 MHz，基地站天線高度為30200 m，移動(dòng)臺(tái)天線高度為110 m，傳播距離為120 km。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 1. 市區(qū)傳播衰耗中值市區(qū)傳播衰耗中值 (3-18) 圖3-6表明了基本衰耗中值A(chǔ)m(f, d)與工作頻率

8、、通信距離的關(guān)系。 可以看出隨著工作頻率的升高或通信距離的增大，傳播衰耗都會(huì)增加。圖中，縱坐標(biāo)以分貝計(jì)量，這是在基地站天線有效高度hb=200 m，移動(dòng)臺(tái)天線高度hm=3 m，以自由空間傳播衰耗為基準(zhǔn)(0 dB)， 求得的衰耗中值的修正值A(chǔ)m(f, d)。 換言之， 由曲線上查得的基本衰耗中值A(chǔ)m(f, d)加上自由空間的傳播衰耗Lbs才是實(shí)際路徑衰耗LT， 即 ),(dfALLmbsT第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖圖3-6 大城市準(zhǔn)平滑地形基本衰耗中值大城市準(zhǔn)平滑地形基本衰耗中值A(chǔ)m(f, d) 1009080706050403020105321d / km30002000100070050

9、0300200100101235102030302040504060708090100506070d / km市區(qū)hb200 mhm3 m基本衰耗中值A(chǔ)m(f , d) / dB頻率 / MHz第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 例例3-1 當(dāng)d=10 km, hb=200 m, hm=3 m, f=900 MHz時(shí)，由式（-）可求得自由空間的傳播衰耗中值Lbs為 dBfdLbs5 .111900lg2010lg2045.32lg20lg2045.32查圖3-6可求得Am(f, d)，即 dBAdfAmm30)10,900(),( 利用式(3-18)就可以計(jì)算出城市街道地區(qū)準(zhǔn)平滑地形的傳播衰耗中值為

10、dBdfALLmbsT5 .141305 .111),(第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖3-7 基地站天線高度增益因子Hb(hb,d) 市區(qū)hb200 m基地站天線高度增益因子Hb(hb , d) / dB304020105311008070506020305070100200300500 700 1000基地站天線有效高度hb / m2010虛線實(shí)線0102030d / km70100604020110d / km第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖3-8 移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子Hm(hm, f) 2000100070040020010010020040010001075321505101520市區(qū)

11、 :hm3 m移動(dòng)天線高度增益因子Hm(hm , f) / dB移動(dòng)天線高度hm / m大城市內(nèi)中小城市內(nèi)400 MHz以上200 MHz以下f / MHz第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 在考慮基站天線高度因子與移動(dòng)臺(tái)天線高度因子的情況下，式（3-18）所示市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的路徑傳播衰耗中值應(yīng)為 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT 例例3-2 在前面計(jì)算城市地區(qū)準(zhǔn)平滑地形的路徑衰耗中值的例子中，當(dāng)hb=200 m, hm=3 m, d=10 km, f=900 MHz時(shí)，計(jì)算得LT=141.5 dB。;若將基地站天線高度改為hb=50 m, 移動(dòng)臺(tái)天線高度改為hm=2 m, 利

12、用圖3-7、圖3-8 可以對(duì)路徑傳播衰耗中值重新進(jìn)行修正。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 查圖3-7得 dBHdhHbbb12)10,50(),(查圖3-8得 dBHfhHmmm2)900, 2(),(修正后的路徑衰耗中值LT為 dBHHfhHdhHdfALLmbmmbbmbsT5 .155)2()12(5 .141)900, 2()10,50(5 .141),(),(),(第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 2. 郊區(qū)和開闊區(qū)的傳播衰耗中值郊區(qū)和開闊區(qū)的傳播衰耗中值 圖3-9 郊區(qū)修正因子Kmr 200010007005003002001000510152025郊區(qū)修正因子Kmr / dB頻率 / M

13、Hzd 1 kmd 5 kmd 10 kmd 20 km第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖圖3-10 開闊區(qū)、準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子（開闊區(qū)、準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子（Qo，Qr）Qo : 開闊區(qū)Qr : 準(zhǔn)開闊區(qū)353025201510020030050070010002000頻率 f / MHz開闊區(qū)修正因子Qo / dB準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子Qr / dBQrQo第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3. 不規(guī)則地形上的傳播衰耗中值不規(guī)則地形上的傳播衰耗中值 (1) 丘陵地的修正因子。 丘陵地的地形參數(shù)可用“地形起伏”高度h表示。其定義是： 自接收點(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)延伸10 km范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%處的高度差， 如圖

14、3-11所示。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖3-11 丘陵地形的修正因子Kh 10010203010203050 70 100200 300500h / m丘陵地修正因子Kh / dB基地站發(fā)射d10 km時(shí)dm510 kmdm10 kmhh的定義10%90%第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖3-12 丘陵地形微小修正值Khf 1020305070 10020030050001020h / m微小修正值Khf / (dB)h地形起伏與電場(chǎng)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系電場(chǎng)變化按 Kh修正后的中值地形起伏 Khf Khf第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (2) 孤立山岳地形的修正因子。 當(dāng)電波傳播路徑上有近似刃形的單獨(dú)

15、山岳時(shí)，若求山背后的場(chǎng)強(qiáng)時(shí)， 則應(yīng)考慮繞射衰耗、陰影效應(yīng)、屏蔽吸收等附加衰耗。 這時(shí)可用孤立山岳修正因子Kjs加以修正，其曲線如圖3-13所示。 它表示在使用450 MHz，900 MHz頻段，山岳高度H=110350 m時(shí)，基本衰耗中值與實(shí)測(cè)的衰耗中值的差值，并歸一化為H=200 m 時(shí)的值，即孤立山岳修正因子Kjs。顯然，Kjs亦為增益因子。當(dāng)山岳高度不等于200 m 時(shí)，查得的Kjs值還需乘以一個(gè)系數(shù) 07. 0H第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖3-13 孤立山岳地形的修正因子Kjs 2010010200246810孤立山岳至移動(dòng)臺(tái)的距離d2 / km孤立山岳修正因子Kjs / dBA曲線

16、 : d160 kmB曲線 : d130 kmC曲線 : d115 kmABC孤立山岳典型地形T(基地站)T(基地站)31 013kmd1d2HR(移動(dòng)臺(tái))H200 m第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (3) 斜坡地形的修正因子。斜坡地形的修正因子。 圖圖3-14 斜坡地形修正因子斜坡地形修正因子Ksp 201001020201001020斜坡地形修正因子Ksp / dB平均傾角m / mradd60 kmd30 kmd10 kmd30 km(基地站) 發(fā)射mm第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (4) 水陸混合地形的修正因子。 圖圖3-15 水陸混合地形的修正因子水陸混合地形的修正因子Ks 1008060

17、402005101520水面距離與全距離的比率(dSR / d ) / %水陸混合路徑修正因子Ks / dBd30 kmd60 kmAABB水面水面T(基地站)(移動(dòng)臺(tái))R(移動(dòng)臺(tái))RT(基地站)dSRddSRd(A)(B)第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 4. 任意地形的信號(hào)中值預(yù)測(cè)任意地形的信號(hào)中值預(yù)測(cè) (1) 計(jì)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 )()(lg20)(lg2045.32dBMHzfkmdLbs(2) 市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的信號(hào)中值。 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (3) 任意地形地物情況下的信號(hào)中

18、值。 任意地形地物情況下的傳播信號(hào)中值LA為 TTAKLL式中：LT為準(zhǔn)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(xiàng)目構(gòu)成： sspjshfhromrTKKKKKQQkK第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 式中：Kmr郊區(qū)修正因子，可由圖 3 - 9 求得；Qo、Qr開闊地或準(zhǔn)開闊地修正因子，可由圖 3-10 求得；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由圖 3- 11及312求得；Kjs孤立山岳修正因子，可由圖 3 - 13 求得；Ksp斜坡地形修正因子，可由圖 3 - 14 求得；KS水陸混合路徑修正因子，可由圖 3 - 15 求得 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 根據(jù)實(shí)際的

19、地形地物情況，KT因子可能只有其中的某幾項(xiàng)或?yàn)榱恪＠?，傳播路徑是開闊區(qū)、斜坡地形，則 spoTKQK其余各項(xiàng)為零。其他情況可以類推。 任意地形地物情況下接收信號(hào)的功率中值PPC是以市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的接收功率中值PP為基礎(chǔ)，加上地形地物修正因子KT， 即 TPPCKPP第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 例例3-3 某一移動(dòng)電話系統(tǒng)，工作頻率為450 MHz，基站天線高度為70 m，移動(dòng)臺(tái)天線高度為1.5 m，在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平滑地形，通信距離為20 km，求傳播路徑的衰耗中值。 解解 (1) 自由空間的傳播衰耗Lbs。 dBMHzkmMHzfkmdLbs5 .111)(450lg20)(20l

20、g2045.32)(lg20)(lg2045.32第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (2) 市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的衰耗中值。 由圖3-6查得 dBAdfAmm5 .30)20,450(),(由圖3-7查得 dBHdhHbbb10)20,70(),(由圖3-8查得 dBHfhHmmm3)450, 5 . 1 (),(第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 所以，準(zhǔn)平滑地形市區(qū)衰耗中值為 dBfhHdhHdfALLmmbbmbsT155) 3()10(5 .305 .111),(),(),(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?yàn)?KT=0;所以 LA=LT-KT=LT=155 dB 第3章 移動(dòng)通信

21、的電波傳播 例例3-4 若上題改為在郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且m =15 mrad，其他條件不變，再求傳播路徑的衰耗中值。 解解 根據(jù)已知條件，由圖3-9查得 dBKmr5 . 8由圖3-14查得 dBKsp5 . 4所以地形地物修正因子KT為 dBKKKspmrT13因此傳播路徑衰耗中值LA為 dBKLLTTA14313155第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 5. 中等起伏地市區(qū)中接收信號(hào)的功率中值中等起伏地市區(qū)中接收信號(hào)的功率中值PP 中等起伏地市區(qū)接收信號(hào)的功率中值PP(不考慮街道走向)可由下式確定： ),(),(),(0fhHdhHdfAPPmmbbmP式中，P0為自由空間傳播條件下的接

22、收信號(hào)的功率，即 mbTGGdPP204第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 式中： PT發(fā)射機(jī)送至天線的發(fā)射功率； 工作波長； d收發(fā)天線間的距離； Gb基站天線增益； Gm移動(dòng)臺(tái)天線增益。 Am(f, d)是中等起伏地市區(qū)的基本損耗中值，即假定自由空間損耗為0 dB，基站天線高度為200m, 移動(dòng)臺(tái)天線高度為3 m的情況下得到的損耗中值，它可由圖 3-6求出。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 Hb(hb, d)是基站天線高度增益因子，它是以基站天線高度200m為基準(zhǔn)得到的相對(duì)增益，其值可由圖3-7求出。 Hm(hm, f)是移動(dòng)天線高度增益因子，它是以移動(dòng)臺(tái)天線高度3m為基準(zhǔn)得到的相對(duì)增益，可由圖38求

23、得。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 例例 3-5 某一移動(dòng)信道，工作頻段為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動(dòng)臺(tái)天線高度為3m，天線增益為 0dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為中等起伏地，通信距離為 10km。試求： (1) 傳播路徑損耗中值； (2) 若基站發(fā)射機(jī)送至天線的信號(hào)功率為 10W，求移動(dòng)臺(tái)天線得到的信號(hào)功率中值。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 解解 (1) 根據(jù)已知條件，KT=0, LA=LT，式(3 - 68)可分別計(jì)算如下： 由式(3 - 13)可得自由空間傳播損耗 由圖 3 - 23 查得市區(qū)基本損耗中值 dBLgdfLfs5 .10510lg204502044

24、.32lg20lg2044.32dBdfAm27),(第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 dB.LLdB)f ,h(HdB)d ,h(HTAmmbb514412275105012(2) 中等起伏地市區(qū)中接收信號(hào)的功率中值dBmdBWLGGPfhHdhHdfAGGLPfhHdhHdfAGGdPPTmbTmmbbmmbfsTmmbbmmbTP5 .985 .1285 .1440610lg10),(),(),(),(),(),(42第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 6. 其他因素的影響其他因素的影響 (1) 街道走向的影響。 圖圖3-16 市區(qū)街道走向修正值市區(qū)街道走向修正值 100705030201075864

25、202468距離 d / km(a) 縱向線路修正值Kai /dB(b) 橫向線路修正值Kac / dB(b) Kac(a) Kai第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 (2) 建筑物的穿透衰耗Lp。 各個(gè)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(qiáng)。 同時(shí)，各個(gè)建筑物對(duì)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。一般介紹的經(jīng)驗(yàn)傳播模型都是以在街心或空闊地面為假設(shè)條件，故如果移動(dòng)臺(tái)要在室內(nèi)使用， 在計(jì)算傳播衰耗和場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，需要把建筑物的穿透衰耗也計(jì)算進(jìn)去，才能保持良好的可通率。即有 pbLLL0

26、第3章 移動(dòng)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/dB 22221817 一般情況下，Lp不是一個(gè)固定的數(shù)值，而是一個(gè)030 dB的范圍， 需根據(jù)具體情況而定, 參見表3-1。此外，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。 此外，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(jìn)入1米，穿透衰耗將增加12 dB。 第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 圖3-17 信號(hào)衰耗與樓層高度 14樓層12108642001010203040衰耗 / dB

27、第3章 移動(dòng)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附加損耗 / (dB / m)A : 垂直極化B : 水平極化第3章 移動(dòng)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 104070100130160103050100300距離 / m衰耗 / dBAB第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 3.2.3 Okumura-Hata方法方法 為了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 使Okumura預(yù)測(cè)方法能采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)， Hata對(duì)Okumura提出的基本中值場(chǎng)強(qiáng)曲線進(jìn)行了公式化處理， 所得基本傳輸損耗的計(jì)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)第3章 移動(dòng)通信的電波傳播 式中：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(dòng)臺(tái)天線高度校正因子，hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度（m）。（hm）由下式計(jì)算： )400(97. 4)75.11(lg2