第2講 移動通信的電波傳播

第2講移動通信的電波傳播

引言1電波傳播特性2陸地信道場強(qiáng)計算3無線鏈路計算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，其傳播方式和特點是不相同的。

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

◆移動信道特性的研究成為熱點。1引言

移動通信廣泛使用VHF和UHF頻段。從移動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.移動信道研究的基本方法

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

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

◆移動信道的計算機(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)工作頻率和移動臺運(yùn)動狀況1引言4.解決的三個問題

◆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移動通信電波傳播特性1.電波傳播的方式

2移動通信電波傳播特性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算公式：

2移動通信電波傳播特性2）多徑效應(yīng)：

2移動通信電波傳播特性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)度隨距離的變動呈現(xiàn)衰減。2移動通信電波傳播特性2）多徑效應(yīng)：

多徑衰落的時間描述：時延擴(kuò)展

時延擴(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)時的頻率間隔，是對信道傳輸信號帶寬能力的統(tǒng)計度量。

二者的關(guān)系：時延擴(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移動通信電波傳播特性3）陰影效應(yīng)

◆隨著車輛的運(yùn)動，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?！艚紖^(qū)地：移動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)計算

3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效高度

◆地形波動高度(Δh)：沿通信方向，距離接收點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)計算

3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效高度

◆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)計算

3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效高度

◆移動臺天線高度(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)計算2.平滑地形電波傳播特性及場強(qiáng)中值的計算

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，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才是實際路徑衰耗LM：

LM=Lbs+Am(f，d)3陸地信道的場強(qiáng)計算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)，其計算曲線如圖。移動臺天線有效高度相對增益Hm(hm,d)，其計算曲線如圖。

基地臺天線有效高度增益因子曲線移動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?。郊區(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)計算3.各種不規(guī)則地形、地物的傳播特性及計算

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)計算2）水陸混合地形的修正值三種不同分布情況：①移動臺一側(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)行傳播衰耗計算的步驟：

3陸地信道的場強(qiáng)計算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：適用于大區(qū)制移動系統(tǒng)。

(1)市區(qū)衰耗經(jīng)驗公式：

其中，是移動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)驗公式：郊區(qū)地：

其中：

開闊地：（3）丘陵地修正因子經(jīng)驗公式：

Khf(Δh)是對不同位置的修正，可用所求點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)驗公式：（5）傾斜地形修正因子經(jīng)驗公式：（6）孤立山岳的修正因子經(jīng)驗公式：其中3陸地信道的場強(qiáng)計算4.場強(qiáng)中值的計算<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)驗公式計算，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算：

式中，值為

在計算收發(fā)天線間的電波傳播衰耗中值時，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無線鏈路計算

電波傳播電路計算（覆蓋區(qū)域計算）：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際的預(yù)測。

計算步驟：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)行電波傳播電路計算，即考慮噪聲、衰減等因素后計算區(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：話音信噪比S0/N0>20dB;我國移動用戶與固定電話通話：大于或等于29dB

4無線鏈路計算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才有意義，否則應(yīng)取門限信噪比作