移動(dòng)通信課件-第3章

第3章移動(dòng)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(jì)算）3.1VHF、UHF頻段的電波傳播特性當(dāng)前陸地移動(dòng)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(dòng)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(dòng)通信信道時(shí)，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(zhǎng)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(dòng)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(dá)接收點(diǎn)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(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為在標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(duì)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(rèn)為電波在大氣中依然按直線傳播，而把地球的實(shí)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(diǎn)到等效地面的距離與實(shí)際傳播軌跡上的同一點(diǎn)到真實(shí)地面的距離相等。3.1.3繞射損耗各種障礙物對(duì)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(diǎn)P至直線AB之間的垂直距離。圖3-3菲涅爾余隙（a）負(fù)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(guān)系結(jié)論：當(dāng)橫坐標(biāo)x/x1>0.5時(shí)，則障礙物對(duì)直射波的傳播基本上沒有影響。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6dB；當(dāng)x<0時(shí)，TR直射線低于障礙物頂點(diǎn)，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(duì)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(hào)到達(dá)接收天線的時(shí)間差換算成相位差Δφ0為再加上地面反射時(shí)大都要發(fā)生一次反相，實(shí)際的兩路電波相位差Δφ為(3-5)(3-6)(3-7)3.1.5多徑效應(yīng)與瑞利型(衰落特性)設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)Acosωct后,接收機(jī)接收端收到的合成信號(hào)為式中：Ri(t)為第i條路徑的接收信號(hào)；τi(t)為第i條路徑的傳輸時(shí)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(rèn)為是緩慢變化的隨機(jī)過程，故：（3-9）(3-8)設(shè):則式（3-9）可寫成式中:U(t)為合成波R(t)的包絡(luò)；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(gè)窄帶過程。假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，σ為噪聲方差，r為接收信號(hào)的損失幅度，則包絡(luò)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(dòng)通信中，如果存在一個(gè)起支配作用的直達(dá)波（未受衰落影響），這時(shí)，接收端接收信號(hào)的包絡(luò)為萊斯（Riceam）分布。包絡(luò)的概率密度函數(shù)p(r)為：A≥0,r≥0r<0式中,A為直達(dá)波振幅，r為接收信號(hào)的瞬時(shí)幅度，σ為噪聲方差，I0（·）為第一類0階Bessel函數(shù)。設(shè)(3-13)3.2電波傳播特性的估算（工程計(jì)算）3.2.1EgliJohnJ.場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式EgliJohnJ.提出一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并根?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：式中,f為工作頻率，以MHz為單位。(3-14)不平坦地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)臺(tái)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(huì)增加?；咎炀€有效高度hb=200m，移動(dòng)臺(tái)天線高度hm=3m，以自由空間傳播衰耗為基準(zhǔn)(0dB)，縱坐標(biāo)是衰耗中值的修正值A(chǔ)m(f,d)的分貝數(shù)。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，即圖3-6大城市準(zhǔn)平滑地形基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)例3-1

當(dāng)d=10km,hb=200m,hm=3m,f=900MHz時(shí)，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(jì)算出城市街道地區(qū)準(zhǔn)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(dòng)臺(tái)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(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)為例3-2

在前面例子中，將基地站天線高度改為hb=50m,移動(dòng)臺(tái)天線高度改為hm=2m,對(duì)路徑傳播衰耗中值重新進(jìn)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(zhǔn)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(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)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(dāng)電波傳播路徑上有近似刃形的單獨(dú)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。孤立山岳修正因子Kjs：使用450MHz，900MHz頻段，山岳高度H=110~350m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=200m時(shí)的值。Kjs亦為增益因子。當(dāng)山岳高度不等于200m時(shí)，查得的Kjs值還需乘以一個(gè)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(fù)斜坡，傾角為-θm。斜坡地形修正因子Ksp：450MHz和900MHz頻段，橫坐標(biāo)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(yīng)為增益因子。橫坐標(biāo)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(biāo)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(guān)。曲線Ａ表示水面位于移動(dòng)臺(tái)一方時(shí)，水陸混合地形的修正值。曲線Ｂ表示水面位于基站一方時(shí)的修正值。當(dāng)水面在傳播路徑的中間時(shí)，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(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(2)市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的信號(hào)中值。如果發(fā)射機(jī)送至天線的發(fā)射功率為PT，則市區(qū)準(zhǔn)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(hào)中值LA。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：根據(jù)實(shí)際的地形地物情況，KT因子可能只有其中的某幾項(xiàng)或?yàn)榱?。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，即例3-3

某一移動(dòng)電話系統(tǒng)，工作頻率為450MHz，基站天線高度為70m，移動(dòng)臺(tái)天線高度為1.5m，在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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?yàn)镵T=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(chǎng)強(qiáng)中值高于基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值，在橫向街道上的場(chǎng)強(qiáng)中值低于基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值。圖3-16給出了它們相對(duì)于基本衰耗中值的修正曲線。圖中縱坐標(biāo)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(gè)頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的。一般來說，波長(zhǎng)越短，穿透能力越強(qiáng)。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。如果移動(dòng)臺(tái)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（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(gè)固定的數(shù)值，而是一個(gè)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(jìn)入1米，穿透衰耗將增加1~2dB。圖3-17信號(hào)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(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：(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(dòng)臺(tái)天線高度校正因子，hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度（m）。α（hm）由下式計(jì)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(zhǔn)平坦地形。3.2.4微蜂窩系統(tǒng)的覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)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(duì)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(yù)測(cè)計(jì)算模式分為兩部分：（1）視線傳播。基本傳播損耗采用下式計(jì)算：式中，d為基站至移動(dòng)臺(tái)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(xiàng)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(xiàng)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(jì)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(xiàng)參數(shù)如下：

hb＞hRoofhb≤hRoof

(3-39)(3-40)hb>hRoofd≥0.5km及hb