移動(dòng)通信百題答疑：電波傳播篇通信離你很近

1、電 波 傳 播 篇21、陸地移動(dòng)通信中無線電波傳播的主要特點(diǎn)陸地移動(dòng)通信中無線電波傳播有兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)：第一、隨著移動(dòng)體的行進(jìn)，由于建筑物、樹林、起伏的地形及其他人為的、自然的障礙物的連續(xù)變化，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生兩種衰落，即多徑快衰落和陰影慢衰落。前者是快速的微觀變化，故稱之為快衰落；后者是緩慢的宏觀變化，是由阻擋物引起的陰影效應(yīng)所造成的慢衰落。這兩種衰落疊加在一起就是陸地移動(dòng)通信電波傳播的主要特性。第二、在城市環(huán)境中，衰落信號(hào)的平均場(chǎng)強(qiáng)與自由空間或光滑球面?zhèn)鞑ハ啾纫〉枚啵⑶医邮招盘?hào)的質(zhì)量還要受到環(huán)境噪聲的嚴(yán)重影響。通常移動(dòng)通信電波傳播的路徑（中值）損耗與距離和頻率有關(guān)，與收發(fā)天線的高度

2、有關(guān)，也與地形地貌有關(guān)。各類場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模式都是人工模型，就是以某些特定的地形為基礎(chǔ)，經(jīng)過大量測(cè)試及計(jì)算機(jī)模擬分析以后提出的參考標(biāo)準(zhǔn)，隨后再加以修正。當(dāng)工作頻率確定以后，在特定的天線高度下，人工傳播模型都有三個(gè)特征值：斷點(diǎn)、斜率和附加修正因子。L=A+Blg+CA當(dāng)d = d時(shí)的路徑中值損耗，d即為斷點(diǎn)B路徑（中值）損耗隨距離而變化的斜率（衰減因子）C對(duì)地形地貌的修正因子22、快衰落遵循什么分布規(guī)律？基本特征和克服方法。 在移動(dòng)通信傳播環(huán)境中，到達(dá)移動(dòng)臺(tái)天線的信號(hào)不是單一路徑，而是來自許多路徑的眾多反射波的合成。由于電波通過各個(gè)路徑的距離不同，因而各條路徑的反射波到達(dá)的時(shí)間不同，相位也不同。不同相

3、位和幅度的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，有時(shí)同相增強(qiáng)，有時(shí)反相減弱。這樣，接收信號(hào)的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了衰落。這種衰落是由多徑傳播所引起的，稱為多徑快衰落。它的變化速率與移動(dòng)體行進(jìn)速度及工作頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)，其變化范圍可達(dá)數(shù)十分貝。衰落的平均速率為2/（為車速m/s；為波長(zhǎng)m）。 大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，絕大多數(shù)的多徑衰落遵循瑞利（Raxleigh）分布。一般來說，模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)主要考慮接收信號(hào)幅度的變化；而數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)還需考慮信號(hào)的時(shí)延和擴(kuò)展。 在第二代和第三代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)中，都采用了以下三個(gè)措施減少多徑快衰落的影響： 采用合理的糾錯(cuò)編碼（如卷積碼、Turbo碼等）、交織保護(hù)和重傳協(xié)議，以增

4、加信號(hào)的冗余度，并進(jìn)行時(shí)間分集； 利用快速功控和（接收和/或發(fā)信）分集緩解功率損失； 使用多個(gè)Rake接收指峰進(jìn)行多徑分集接收，更好地集中能量。23、慢衰落遵循什么分布規(guī)律？基本特征及對(duì)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的影響？ 在移動(dòng)通信傳播環(huán)境中，電波在傳播路徑上遇到起伏的山丘、建筑物、樹林等障礙物阻擋，形成電波的陰影區(qū)，就會(huì)造成信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值的緩慢變化，引起衰落。通常把這種現(xiàn)象稱為陰影效應(yīng)，由此引起的衰落又稱為陰影慢衰落。另外，由于氣象條件的變化，電波折射系數(shù)隨時(shí)間的平緩變化，使得同一地點(diǎn)接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值也隨時(shí)間緩慢地變化。但因?yàn)樵陉懙匾苿?dòng)通信中隨著時(shí)間的慢變化遠(yuǎn)小于隨地形的慢變化，因而常常在工程設(shè)計(jì)中忽略

5、了隨時(shí)間的慢變化，而僅考慮隨地形的慢變化。慢衰落的速率與頻率無關(guān)，主要取決于阻擋物的尺寸和結(jié)構(gòu)以及收發(fā)天線的高度和移動(dòng)體的速度；而慢衰落的深度取決于信號(hào)頻率和阻擋物的材質(zhì)。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，陰影衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，正態(tài)分布有兩個(gè)特征值，即均值（）和偏差（），按照對(duì)數(shù)正態(tài)分布的特征可知，當(dāng)覆蓋區(qū)邊緣的接收?qǐng)鰪?qiáng)中值恰巧等于均值（）時(shí)，系統(tǒng)接收?qǐng)鰪?qiáng)沒有余量，只能保證覆蓋區(qū)邊緣50%的地點(diǎn)滿足通信要求。在移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線工程設(shè)計(jì)中，必須提供接收?qǐng)鰪?qiáng)的余量才能保證更多地點(diǎn)的可通率，這個(gè)余量與偏差（）有關(guān)。按對(duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律余量（dB）01.281.642覆蓋區(qū)邊緣可通率（%）5084909597.7

6、而值根據(jù)不同地形特征由實(shí)測(cè)得到，也可根據(jù)國(guó)際電聯(lián)的相關(guān)推薦數(shù)據(jù)進(jìn)行比較選擇而定。24、什么是自由空間的傳播模式？ 所謂自由空間是指相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均恒為1的均勻介質(zhì)所存在的空間，這相當(dāng)于一個(gè)真空的空間，在360°的球體具有各向同性，電導(dǎo)率為零等特性。自由空間傳播與真空傳播一樣，只有擴(kuò)散損耗的直線傳播，而沒有反射、折射、繞射、色散等等現(xiàn)象，其傳播速度等于光速，因此，自由空間是一種科學(xué)的抽象，但它可以作為實(shí)際傳播模式的參考。特別在室內(nèi)視線可見的范圍內(nèi)，其傳播模式非常接近于自由空間模型。 自由空間的路徑中值損耗 L=32.45+20lgf +20lgd 式中f：工作頻率（MHz）

7、d：收發(fā)天線間距（km）25、2G系統(tǒng)的宏小區(qū)傳播模式 國(guó)際電聯(lián)推薦用奧村（Okumura-Hata）模式所提供的曲線及其歸納的經(jīng)驗(yàn)公式作為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中城市宏小區(qū)傳播模型。(hm) + 44.9-6.55lgh lgd（dB） 該模型使用范圍： f：1501500MHz h：30200m h：110m d：120km h以1.5m為基準(zhǔn) 對(duì)于中小城市(hm) = 1.1lgf-0.7 h-1.56lgf-0.7 （dB） 對(duì)大城市(hm) =8.29lg（1.54 h）-1.1 （dB） 當(dāng)f300MHz(hm) =3.2lg（11.75 h）-4.97 （dB） 當(dāng)f >300

8、MHz26、3G系統(tǒng)的宏小區(qū)傳播模式 前述奧村模式工作頻率的上限只有1500MHz。因此，歐洲科學(xué)和技術(shù)研究協(xié)會(huì)（Euro-Cost）組成了COST231工作委員會(huì)，提出了奧村模式的擴(kuò)展模型，即COST231 Hata 模型。其路徑損耗的計(jì)算公式為：(hm) + 44.9-6.55lgh lgd +C式中，C為大城市中心校正因子。在中小城市和郊區(qū)，C=0，在市中心，C=3 dB該模型適用于下列參數(shù)范圍：f：15002300MHz h：30200m h：110m d：120km與前述奧村模式相比，前兩項(xiàng)由69.55+26.16lgf變?yōu)?6.3+33.9lgf，如果分別以f=900MHz和200

9、0MHz代入，可知僅此一項(xiàng)2G與3G系統(tǒng)的路徑損耗將相差1012dB。27、微小區(qū)傳播模式 隨著3G的問世，微小區(qū)覆蓋更顯重要，我們介紹兩種傳播模型COST231WI模型 該模型廣泛用于建筑物高度近似一致的市、郊小區(qū)，該模型考慮了自由空間損耗、從建筑物頂?shù)浇置娴膿p耗以及街道走向?qū)﹄姴▊鞑ニズ牡挠绊?。如圖所示為該模型的傳播示意圖 低基站天線情況如果電波在街道形成的峽谷中存在一個(gè)自由的視距可見（LOS）路徑的話，它與自由空間的傳播特性是有差別的。L=42.6+26logd(km)+20logf(MHz) d0.02km 高基站天線傳播在這種情況下COST231WI模型由三項(xiàng)組成L=+式中，為自由空

10、間損耗，即=32.44+20logf(MHz)+20logd(km)為“最后的屋頂?shù)浇值赖睦@射散射損耗”= -16.9-10lgw+10lgf+20lg+ 0 0為街道方向因子，即電波方向與街道方向之夾角。= -10+2.5 0°35° +2.5+4.0 35°55° +4.00 55°90°為多重屏繞射損耗=+ +logd+logf-9logb 0 0其中和基站天線相對(duì)于建筑物高度有關(guān)= -18log1+ 0 = 54 54-0.8 d0.5km， 54-0.8d/0.5 d0.5km，= 18 18-15/ 0.7（f/925）-

11、1 樹木密度適中的中等城市= -4 + 和郊區(qū)中心 1.5（f/925）-1 大城市中心 COST231WI模型的使用范圍f：8002000MHz：450m：13md：0.025Km：3×樓層數(shù)+屋頂參數(shù)雙線模型 雙線模型的基本假設(shè)是：從發(fā)射天線到接收天線有兩條路徑，即視距可見直達(dá)波和地面反射波。其路徑損耗為收發(fā)之間距離d的函數(shù)，并且可以用3條不同斜率的線段來表示。 雙線模型中首先要確定一個(gè)突發(fā)點(diǎn)，即發(fā)射天線到該點(diǎn)的距離恰好是從發(fā)射到接收的第一菲涅爾半徑橢球碰到地面的那一點(diǎn)的距離。 d= (4 ht hr)/ 對(duì)于f=1900MHz時(shí) 40+25logd d L= 40+25log（

12、）+40log（） d4 40+25log（）+40log（4）+60log（） d4對(duì)于建筑物相對(duì)較少的微小區(qū)，采用雙線模型是比較合適的。28、室內(nèi)傳播模式 同樣，室內(nèi)傳播模式也有多種版本，我們推薦從歐洲無繩電話（1.9GHz）演繹的一個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以用于室?nèi)多層環(huán)境，即MotelyKennan模型，其公式為： L=L（d）+10lg+ 式中，L（d）表示參考點(diǎn)（1m）處的路徑損耗，為衰減斜率，N、N分別表示信號(hào)穿過不同類型的墻和地板的數(shù)目，L、L則是對(duì)應(yīng)的損耗因子，J、I分別表示各種墻和地板類型數(shù)目。模型提出者給出的建議值是： L（d）=37 dB L = 20 dB（對(duì)所有地板） L =

13、 3 dB（對(duì)所有墻體） = 2如果電波需穿透一層地板和二堵墻體的話，則 L=37+20lgd+20+2×3 =63+20lgd（dB） 誠(chéng)然，在實(shí)際工程中，還是需對(duì)地板和墻體的衰耗根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)材質(zhì)進(jìn)行一些修正。29、接收靈敏度、最低功率電平和無線覆蓋區(qū)位置百分比的關(guān)系通常，在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，我們會(huì)得到一個(gè)數(shù)據(jù)，即所需覆蓋區(qū)邊緣的可通率和最低功率電平（如: 90% 和 -85dBm）。 與這個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)主要是： 接收機(jī)靈敏度S（dBm）； 在實(shí)際噪聲環(huán)境中的惡化量d（dB）； 對(duì)覆蓋區(qū)及其邊緣的可通信概率（%）這些參數(shù)之間的關(guān)系可用下式表示：P=S+d+xS接收機(jī)靈敏度指標(biāo)值

14、（dBm）d在實(shí)際噪聲環(huán)境中的惡化量d（dB）陰影慢衰落的偏差值（dB）x 與覆蓋區(qū)邊緣的可通率有關(guān)的系數(shù)S是指接收機(jī)在靜態(tài)條件下（試驗(yàn)室內(nèi)），滿足一定的誤碼性能的條件下，其射頻輸入端所需的最低信號(hào)電平，通常用功率電平（dBm）表示。當(dāng)一個(gè)接收機(jī)置于實(shí)際通信環(huán)境中時(shí)，由于噪聲及多徑衰落的影響，其誤碼性能將被惡化，此時(shí)，為了保證誤碼性能達(dá)到系統(tǒng)的要求，就必須加大射頻輸入端的信號(hào)電平到S+d，d值即實(shí)際環(huán)境中由于噪聲和多徑衰落造成的惡化量。接下來的問題是，當(dāng)覆蓋區(qū)邊緣信號(hào)電平達(dá)到接收機(jī)需要的最低輸入保護(hù)電平（S+d）時(shí)，能否保證正常通信呢？答案是能保證，但不能完全保證。因?yàn)橐苿?dòng)通信的電波傳播陰影慢

15、衰落特性，服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。因此必須具有一定的衰落余量才能保證需要的通信效果，在工程上歸結(jié)為覆蓋區(qū)邊緣或整個(gè)覆蓋區(qū)的可通信概率。通信概率與系統(tǒng)余量的關(guān)系見下圖：當(dāng)系統(tǒng)余量為0時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為50當(dāng)系統(tǒng)余量為時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為84當(dāng)系統(tǒng)余量為2時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為97當(dāng)系統(tǒng)余量為3時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為99.7當(dāng)系統(tǒng)余量為1.28時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為90整個(gè)覆蓋區(qū)可通概率與覆蓋區(qū)邊緣可通概率可以用一個(gè)誤差函數(shù)積分求得，隨陰影損耗偏差和衰減指數(shù)n而變，如下圖：0123456780.60.650.70.750.80.850.90.9510.60.650.70.750.80.850.950.90.550.5接收靈敏度、最低功率電平與覆蓋區(qū)位置百分比關(guān)系例如：G網(wǎng)接收機(jī)靈敏度為-102 dBm，環(huán)境惡化量為9dB，當(dāng)陰影衰落偏差為6dB時(shí)，如果需要覆蓋區(qū)邊緣可通率為90%，其最低信號(hào)功率電平應(yīng)為：P=102 dBm+9 dB+1.28×6 dB =85.3 dBm此時(shí)，能滿足整個(gè)覆蓋區(qū)95%的可通率。30、全鏈路平衡和最大允許路徑損耗 由于無線覆蓋區(qū)工