[信息与通信]第3章移动通信电波传播.ppt

第三章,移动通信电波传播,3.1 VHFUHF频段电波传播特性,当前陆地移动通信主要使用的频段VHF和UHF, 即150MHZ、450MHZ、900MHZ、1800MHZ,2000MHZ。 移动通信中传播的方式主要有直射波、反射波和地表面波等传播方式。 在分析移动通信信道时，主要考虑直射波和反射波的影响 。 图3-1为典型的移动信道电波传播路径。,图3-1 典型的移动信道电波传播路径,3.1.1 直射波,直射波传播 ：在自由空间中,电波沿直线传播而不被吸收,也不发生反射、折射和散射等现象而直接到达接收点的传播方式。 直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗:,其中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。,3.1.2 视距传播的极限距离,视线所能到达的最远距离称为视线距离d0。 已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR(单位m)，理论上可得视距传播的极限距离为：,当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，等效为地球半径R=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离：,3.1.3 绕射损耗,绕射损耗 ：各种障碍物对电波传输所引起的损耗 。 菲涅尔余隙 ：设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图3-3所示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙。,（a）负余隙 （b）正余隙 图3-3 菲涅尔余隙,根据菲涅尔绕射理论， 可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图3-4所示。其中x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径）:,图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系,结论：当横坐标x/x10.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约6dB；当x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。,3.1.4 反射波,电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，就会发生反射现象。 图3-5给出了从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。反射波与直射波的行距差为： 两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差为：,图3-5 反射波和直射波,再加上地面反射时大都要发生一次反相，实际的两路电波相位差:,3.1.5 多径效应与瑞利型衰落特性,设发射机发出的信号为：,则接收机接收端收到的合成信号为：,式中 为第i条路径的接收信号； 为第i条路径的传输时间； 为第i条路径的相位滞后，,（3-8）,和 随时间的变化与发射信号的载频周期相比，通常要缓慢得多，所以，可以认为是缓慢变化的随机过程 。,所以（3-8）式可写成：,（3-9）,设：,则（3-9）式可写为：,为合成波 的包络； 为合成波 的相位。,通常 满足瑞利分布，相位 满足均匀分布， 可视为一个窄带过程。,则：,由上式可得出瑞利衰落的一些特性：,均值为：,方差为：,3.1.6 莱斯（Rician）衰落分布,在移动通信中，如果存在一个起支配作用的直达波（未受衰落影响），此时，接收端接收信号的包络为莱斯（ Rician ）分布。,设,若,莱斯分布 瑞利分布,3.2 电波传播特性的估算（工程计算）,3.2.1 Egli.John.J. 场强计算公式 在实际中，由于移动通信的移动体在不停地运动。计算绕射损耗中的x、x1的数值处于变化中。 Egli.John.J.提出一种经验模型，并根据此模型提出经验修正公式，认为不平坦地区的场强等于平面大地反射公式算出的场强加上一个修正值，其修正值为：,则不平坦的场强公式为,或者说，不平坦地带传播衰减为,如果h1、h2用米表示，d用公里(km)表示，f用MHz表示，则,3.2.2 奥村(Okumura)模型,OM模型（Okumura模型）：由奥村等人，在日本东京，使用不同的频率，不同的天线高度，选择不同的距离进行一系列测试，最后绘成经验曲线构成的模型。 思路：将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中值。对于郊区，开阔区的场强中值，则以城市场强中值为基础进行修正。对于“不规划地形”也给出了相应的修正因子。由于这种模型给出的修正因子较多，可以在掌握详细地形，地物的情况下，得到更加准确的预测结果。 OM模型适用的范围：频率150 1920MHZ，可扩展到3000MHZ,基地站天线高度为201000米，移动台天线高度为110米，传播距离为1100千米。, 市区传播衰耗中值 在城市街道地区，电波传播衰耗取决于传播距离d、工作频率f、基地站天线有效高度hb、移动台天线高度hm以及街道的走向和宽度等。 准平滑地形，市区的传播衰耗中值又称其为基本衰耗中值（或基准衰耗中值）。OM模型中，给出了准平滑地形，市区传播衰耗中值的预测曲线族，如图3-6所示。 图中纵座标以分贝计量，这是在基地站天线有效高度hb=200m，移动台天线高度hm=3m，以自由空间传播衰耗为基准(0dB)，求得的衰耗中值的修正值Am(f,d) 。,图3-6 准平滑地形大城市基本衰耗中值Am(f,d),图3-7 基地站天线高度增益因子,图3-8 移动台天线高度增益因子,由曲线上查得的基本衰耗中值Am(f,d)加上自由空间的传播衰耗Lbs才是实际路径衰耗LT 。,若基地站天线有效高度不是200m，可利用图3-7查出修正因子Hb（hb，d），对基本衰耗中值加以修正，它成为基站天线高度的增加因子。 若移动台天线高度不等于3m时，可利用图3-8查出修正因子Hm（hm，f），对基本衰耗中值进行修正，它称为移动台天线高度的增益因子。 在考虑基站天线高度因子与移动台天线高度因子的情况下，市区路径传播衰耗中值应为：,例：计算准平滑地形，城市地区的路径衰耗中值 。已知：hb=50m,hm=2m, d=10km,f=900MHz,解：首先求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为：,查图3-6可求得Am(f,d)，即,利用式(3.18)就可以计算出准平滑地形，城市街道地区的传播衰耗中值：,查图3-7得,查图3-8得,则修正后的路径衰耗中值为：,郊区和开阔区的传播衰耗中值,市区衰耗中值与郊区衰耗中值之差称为郊区修正因子kmr，kmr为增益因子。它随工作频率和传播距离的变化关系如图3-9所示。 开阔区，准开阔区（开阔区与郊区之间的过渡地区）的衰耗中值相对于市区衰耗中值的修正曲线，如图3-10所示。Q0为开阔区修正因子；Qr为准开阔区修正因子。 在求郊区或开阔区，准开阔区的传播衰耗中值时，应在市区衰耗中值的基础上，减去由图3-9或3-10查得的修正因子。,图3-9 郊区修正因子,图3-10 开阔区、准开阔区修正因子, 不规则地形上的传播衰耗中值,丘陵地的修正因子 丘陵地的地形参数可用“地形起伏”高度h表示。其定义是：自接收点向发射点延伸10km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差。 基本衰耗中值与丘陵地衰耗中值之差。常称为丘陵地形修正因子kh，kh为增益因子。 丘陵地上起伏的顶部和谷部的微小修正值khf 。它是在kh的基础上，进一步修正的微小修正值。,孤立山岳地形的修正因子 在使用450MHz，900MHz频段，山岳高度H=110350m时，基本衰耗中值与实测的衰耗中值的差值，并归一化为H=200m时的值，即孤立山岳修正因子kjs 。kjs亦为增益因子。 当山岳高度不等于200m时，查得的kjs值还需乘以一个系数,斜坡地形的修正因子 斜坡地形系指在510km内倾斜的地形。若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角为+m；反之为负斜坡，倾角为- m。 斜坡地形修正因子ksp也是增益因子 。 水陆混合地形的修正因子 水陆混合地形修正因子ks为增益因子。,任意地形的信号中值预测, 计算自由空间的传播衰耗 根据式（3-1），自由空间的传播衰耗Lbs为：,计算准平滑地形市区的信号中值,计算任意地形地物情况下的信号中值,KT为地形地物修正因子,式中： Kmr：郊区修正因子； Q0，Qr：开阔区，准开阔区修正因子； Kh，Khf：丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值； Kjs：孤立山丘地形修正因子； Ksp：斜坡地形修正因子； Ks：水路混合地形修正因子 根据实际的地形地物情况，KT因子可能只有其中的某几项或为零。,例1：某一移动电话系统，工作频率为450MHZ，基地站天线高度为70m，移 动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的衰耗中值？ 解： 求自由空间的传播衰耗Lbs。,由图3-6查得：,由图3-7查得：,由图3-8查得：, 计算准平滑地形市区的衰耗中值,所以准平滑地形市区衰耗中值为：, 计算任意地形地物情况下的衰耗中值,根据已知条件可知：,例2：若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且Qm=15mr，其它条件不变，再求传播路径的衰耗中值？,解：根据已知条件，由图3-9查得 ：,由图314查得：,所以地形地物修正因子KT为：,因此传播路径衰耗中值LA为：, 其它因素的影响, 街道走向的影响 电波传播的衰耗中值与街道的走向（相对于电波传播方向）有关。在纵向街道上衰耗较小，横向街道上衰耗较大。也就是说，在纵向街道上的场强中值高于基准场强中值，在横向街道上的场强中值低于基准场强中值。 纵向修正因子kal和横向修正因子kac如图3-16所示。,图3-16 市区街道走向修正值, 建筑物的穿透衰耗 各个频段的电波穿透建筑物的能力是不同的，一般来说波长越短，穿透能力越强。同时各个建筑物对电波的吸收也是不同的。不同的材料，结构和楼房层数，其吸收衰耗的数据都不一样。例如，砖石的吸收较小，钢筋混凝土的大些，钢结构的最大。 如果移动台要在室内使用，在计算传播衰耗和场强时，需要把建筑物的穿透衰耗也计算进去，才能保持良好的可通率。,式中Lb为实际路径衰耗中值，L0在街心的衰耗中值，Lp为建筑物的穿透衰耗。, 植被衰耗 树木、植被对电波有吸收作用。在传播路径上，由树木、植被引起的附加衰耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树木的路径长度等多方面因素。 一般来说，垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些。, 隧道中的传播衰耗 空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗。 电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关，频率越高，衰耗越小。当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲度越大，衰耗越严重。 解决电波在隧道中的传播问题，通常可采用两种措施： 在较高频段（数百兆赫），使用强方向性天线，把电磁波集中射入隧道中内，但传播距离也不能很长。 在隧道中，纵向沿隧道壁铺设导波线(通常为泄漏电缆)，使电磁波沿着导波线在隧道中传播，从而减小传播衰耗。,3.2.3 Okumura-Hata方法,Hata对Okumura提出的基本中值场强曲线进行了公式化处理后所得的基本传输损耗的计算公式如下：,式中：d为收发天线之间的距离（km）；f为工作频率（MHz）； hb为基站天线有效高度（m）；hm为移动台天线高度（m）； 为移动台天线高度校正因子。,此公式适用范围为：150MHzf1500MHz， 30mhb200m，1mhm10m，1kmd20km，准平滑地形。,由下式计算：,3.2.4 微蜂窝系统的覆盖区预测模式,Okumura-Hata模型适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，因为在宏蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射决定。 在微蜂窝系统中，基站天线高度通常低于屋顶，电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定。即主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中进行，可用COST-231-Walfish-Ikegami模型做传播损耗预测。 在做微蜂窝覆盖区预测时，必须有详细的街道及建筑物的数据，不能采用统计近似值。,微蜂窝覆盖区预测计算模式分为两部分：视距传播和非视距传播。具体计算参见教材上P61页的内容。 微蜂窝覆盖区预测计算的适用条件为： f：8002000MHz；hb：450m； hm：13m；d：0.025km,