第3章移動通信電波傳播

1、3.1 VHFUHF頻段電波傳播特性頻段電波傳播特性當前陸地移動通信主要使用的頻段VHF和UHF, 即150MHZ、450MHZ、900MHZ、1800MHZ,2000MHZ。移動通信中傳播的方式主要有直射波、反射波和地表面波等傳播方式。 在分析移動通信信道時，主要考慮直射波和反射波的影響 。圖3-1為典型的移動信道電波傳播路徑。 圖3-1 典型的移動信道電波傳播路徑 3.1.1 直射波直射波直射波傳播 ：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、折射和散射等現象而直接到達接收點的傳播方式。直射波傳播損耗可看成自由空間的電波傳播損耗: ) 1 . 3()(lg20)(lg2045.

2、32dBMHzfkmdLbs其中,d為距離(km),f為工作頻率(MHz)。 3.1.2 視距傳播的極限距離視距傳播的極限距離視線所能到達的最遠距離稱為視線距離d0。已知地球半徑為R=6370km，設發(fā)射天線和接收天線高度分別為hT和hR(單位m)，理論上可得視距傳播的極限距離為：)2 . 3()() )()(57. 30kmmhmhdTR當考慮空氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響后，等效為地球半徑R=8500km，可得修正后的視距傳播的極限距離： )3 . 3()() )()(12. 40kmmhmhdTR3.1.3 繞射損耗繞射損耗繞射損耗 ：各種障礙物對電波傳輸所引起的損耗 。菲涅爾余隙

3、：設障礙物與發(fā)射點、接收點的相對位置如圖3-3所示，圖中x表示障礙物頂點P至直線TR之間的垂直距離，在傳播理論中x稱為菲涅爾余隙。 （a）負余隙 （b）正余隙 圖3-3 菲涅爾余隙根據菲涅爾繞射理論， 可得到障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關系如圖3-4所示。其中x1稱菲涅爾半徑（第一菲涅爾半徑）:21211ddddx圖3-4 繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關系 結論：當橫坐標x/x10.5時，則障礙物對直射波的傳播基本上沒有影響。當x=0時，TR直射線從障礙物頂點擦過時，繞射損耗約6dB；當x0時，TR直射線低于障礙物頂點，損耗急劇增加。3.1.4 反射波反射波電波在傳輸過程中，遇到兩種不

4、同介質的光滑界面時，就會發(fā)生反射現象。 圖3-5給出了從發(fā)射天線到接收天線的電波由反射波和直射波組成的情況。反射波與直射波的行距差為：兩路信號到達接收天線的時間差換算成相位差為： dhhcbadRT2)6 . 3(220dTt圖3-5 反射波和直射波 再加上地面反射時大都要發(fā)生一次反相，實際的兩路電波相位差:)7 . 3(20d3.1.5 多徑效應與瑞利型衰落特性多徑效應與瑞利型衰落特性tAccos設發(fā)射機發(fā)出的信號為：則接收機接收端收到的合成信號為： niicitttRtR1)(cos)()()(cos)(1tttRicnii式中 為第i條路徑的接收信號； 為第i條路徑的傳輸時間； 為第i條

5、路徑的相位滯后， )(tRi)(ti)(ti)()(ttioi（3-8）)(tRi)(ti 和 隨時間的變化與發(fā)射信號的載頻周期相比，通常要緩慢得多，所以，可以認為是緩慢變化的隨機過程 。niniciiciitttRtttRtR11sin)(sin)(cos)(cos)()(所以（3-8）式可寫成：（3-9）設：niiisniiicttRtxttRtx11)(sin)()()(cos)()()(sin)()(cos)()(ttxttxtRcccs)(cos)(tttUc則（3-9）式可寫為：)()()(22txtxtUsc)()()(1txtxtgtsc)(tU為合成波 的包絡； 為合成波 的

6、相位。 )(tR)(tR)(t通常 滿足瑞利分布，相位 滿足均勻分布， 可視為一個窄帶過程。 )(tU)(t)(tRrrrrP0)2exp()(2222021)(P則：由上式可得出瑞利衰落的一些特性： 均值為：方差為：2533.12)(0drrrPrErmean222022224292.0)22(2)(drrPrrErEr3.1.6 萊斯（Rician）衰落分布在移動通信中，如果存在一個起支配作用的直達波（未受衰落影響），此時，接收端接收信號的包絡為萊斯（ Rician ）分布。)(2lg10)(22dBAdbK000, 0)()(202)(2222rrAArIerrPAr設KA, 0若萊斯分

7、布 瑞利分布 3.2 電波傳播特性的估算（工程計算）電波傳播特性的估算（工程計算）3.2.1 Egli.John.J. 場強計算公式場強計算公式在實際中，由于移動通信的移動體在不停地運動。計算繞射損耗中的x、x1的數值處于變化中。Egli.John.J.提出一種經驗模型，并根據此模型提出經驗修正公式，認為不平坦地區(qū)的場強等于平面大地反射公式算出的場強加上一個修正值，其修正值為：)14. 3 (40lg20f則不平坦的場強公式為 )15. 3(40lg204lg20)()(2210fdhhdBEdBE或者說，不平坦地帶傳播衰減為)16. 3(40lg204lg20)(221fdhhdBA如果h1

8、、h2用米表示，d用公里(km)表示，f用MHz表示，則)(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(21kmdmhmhMHZfdBLA3.2.2 奧村奧村(Okumura)模型模型OM模型（Okumura模型）：由奧村等人，在日本東京，使用不同的頻率，不同的天線高度，選擇不同的距離進行一系列測試，最后繪成經驗曲線構成的模型。 思路：將城市視為“準平滑地形”，給出城市場強中值。對于郊區(qū)，開闊區(qū)的場強中值，則以城市場強中值為基礎進行修正。對于“不規(guī)劃地形”也給出了相應的修正因子。由于這種模型給出的修正因子較多，可以在掌握詳細地形，地物的情況下，得到更加準確的預測結果。OM模型適用的范圍

9、：頻率150 1920MHZ，可擴展到3000MHZ,基地站天線高度為201000米，移動臺天線高度為110米，傳播距離為1100千米。 市區(qū)傳播衰耗中值在城市街道地區(qū)，電波傳播衰耗取決于傳播距離d、工作頻率f、基地站天線有效高度hb、移動臺天線高度hm以及街道的走向和寬度等。準平滑地形，市區(qū)的傳播衰耗中值又稱其為基本衰耗中值（或基準衰耗中值）。OM模型中，給出了準平滑地形，市區(qū)傳播衰耗中值的預測曲線族，如圖3-6所示。圖中縱座標以分貝計量，這是在基地站天線有效高度hb=200m，移動臺天線高度hm=3m，以自由空間傳播衰耗為基準(0dB)，求得的衰耗中值的修正值Am(f,d) 。 圖3-6

10、準平滑地形大城市基本衰耗中值Am(f,d) 圖3-7 基地站天線高度增益因子 圖3-8 移動臺天線高度增益因子 由曲線上查得的基本衰耗中值Am(f,d)加上自由空間的傳播衰耗Lbs才是實際路徑衰耗LT 。)18. 3(),(dfALLmbsT若基地站天線有效高度不是200m，可利用圖3-7查出修正因子Hb（hb，d），對基本衰耗中值加以修正，它成為基站天線高度的增加因子。若移動臺天線高度不等于3m時，可利用圖3-8查出修正因子Hm（hm，f），對基本衰耗中值進行修正，它稱為移動臺天線高度的增益因子。在考慮基站天線高度因子與移動臺天線高度因子的情況下，市區(qū)路徑傳播衰耗中值應為： )193.(),

11、(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT例：計算準平滑地形，城市地區(qū)的路徑衰耗中值 。已知：hb=50m,hm=2m, d=10km,f=900MHz 解：首先求得自由空間的傳播衰耗中值Lbs為： fdLbslg20lg2045.32900lg2010lg2045.32)(5 .111dB查圖3-6可求得Am(f,d)，即)(30)10,900(),(dBAdfAmm利用式(3.18)就可以計算出準平滑地形，城市街道地區(qū)的傳播衰耗中值： )(5 .141305 .111),(dBdfALLmbsT查圖3-7得)(12)10,50(),(dBHdhHbbb查圖3-8得 )(2)900

12、, 2(),(dBHfhHmmm則修正后的路徑衰耗中值為：),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT)900, 2()10,50(5 .141mbHH)( 5 .155)2()12(5 .141dB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 市區(qū)衰耗中值與郊區(qū)衰耗中值之差稱為郊區(qū)修正因子kmr，kmr為增益因子。它隨工作頻率和傳播距離的變化關系如圖3-9所示。 開闊區(qū)，準開闊區(qū)（開闊區(qū)與郊區(qū)之間的過渡地區(qū)）的衰耗中值相對于市區(qū)衰耗中值的修正曲線，如圖3-10所示。Q0為開闊區(qū)修正因子；Qr為準開闊區(qū)修正因子。在求郊區(qū)或開闊區(qū)，準開闊區(qū)的傳播衰耗中值時，應在市區(qū)衰耗中值的

13、基礎上，減去由圖3-9或3-10查得的修正因子。 圖3-9 郊區(qū)修正因子 圖3-10 開闊區(qū)、準開闊區(qū)修正因子 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 丘陵地的修正因子丘陵地的修正因子 丘陵地的地形參數可用“地形起伏”高度h表示。其定義是：自接收點向發(fā)射點延伸10km范圍內，地形起伏的90%與10%處的高度差。基本衰耗中值與丘陵地衰耗中值之差。常稱為丘陵地形修正因子kh，kh為增益因子。丘陵地上起伏的頂部和谷部的微小修正值khf 。它是在kh的基礎上，進一步修正的微小修正值。 孤立山岳地形的修正因子孤立山岳地形的修正因子 在使用450MHz，900MHz頻段，山岳高度H=1103

14、50m時，基本衰耗中值與實測的衰耗中值的差值，并歸一化為H=200m時的值，即孤立山岳修正因子kjs 。kjs亦為增益因子。當山岳高度不等于200m時，查得的kjs值還需乘以一個系數 )20. 3(07. 0H斜坡地形的修正因子斜坡地形的修正因子 斜坡地形系指在510km內傾斜的地形。若在電波傳播方向上，地形逐漸升高，稱為正斜坡，傾角為+m；反之為負斜坡，傾角為- m。斜坡地形修正因子ksp也是增益因子 。水陸混合地形的修正因子水陸混合地形的修正因子 水陸混合地形修正因子ks為增益因子。 任意地形的信號中值預測任意地形的信號中值預測 計算自由空間的傳播衰耗計算自由空間的傳播衰耗根據式（3-1）

15、，自由空間的傳播衰耗Lbs為：)(lg20)(lg2045.32MHZfkmdLbs計算準平滑地形市區(qū)的信號中值計算準平滑地形市區(qū)的信號中值 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbdmbsT計算任意地形地物情況下的信號中值計算任意地形地物情況下的信號中值 )22. 3(TTAKLL)23. 3(0sspjshfhrmrTkkkkkQQkKKT為地形地物修正因子式中：Kmr：郊區(qū)修正因子；Q0，Qr：開闊區(qū)，準開闊區(qū)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據實際的地形地物情況，KT因子

16、可能只有其中的某幾項或為零。 例1：某一移動電話系統，工作頻率為450MHZ，基地站天線高度為70m，移 動臺天線高度為1.5m，在市區(qū)工作，傳播路徑為準平滑地形，通信距離為20km，求傳播路徑的衰耗中值？ 解： 求自由空間的傳播衰耗Lbs。)(lg20)(lg2045.32MHZfkmdLbs)(450lg20)(20lg2045.32MHZkm )(5 .111dB由圖3-6查得： )(5 .30)20,450().(dBAdfAmm由圖3-7查得：)(10)20,70(),(dBHdhHbbb由圖3-8查得：)( 3)450, 5 . 1 (),(dBHfhHmmm 計算準平滑地形市區(qū)的

17、衰耗中值 所以準平滑地形市區(qū)衰耗中值為： ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT) 3()10(5 .305 .111)(155dB 計算任意地形地物情況下的衰耗中值 根據已知條件可知： 0TK)(155 dBLKLLTTTA例例2：若上題改為在郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且Qm=15mr，其它條件不變，再求傳播路徑的衰耗中值？ 解解：根據已知條件，由圖3-9查得 ：)(5 . 8dBKmr由圖314查得：)(5 . 4dBKsp)(13 dBKKKspmrT所以地形地物修正因子KT為：因此傳播路徑衰耗中值LA為：)(14313155dBKLLTTA 其它因素的影響 街道走向

18、的影響街道走向的影響電波傳播的衰耗中值與街道的走向（相對于電波傳播方向）有關。在縱向街道上衰耗較小，橫向街道上衰耗較大。也就是說，在縱向街道上的場強中值高于基準場強中值，在橫向街道上的場強中值低于基準場強中值。 縱向修正因子kal和橫向修正因子kac如圖3-16所示。 圖3-16 市區(qū)街道走向修正值 建筑物的穿透衰耗各個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。同時各個建筑物對電波的吸收也是不同的。不同的材料，結構和樓房層數，其吸收衰耗的數據都不一樣。例如，磚石的吸收較小，鋼筋混凝土的大些，鋼結構的最大。如果移動臺要在室內使用，在計算傳播衰耗和場強時，需要把建筑物的穿

19、透衰耗也計算進去，才能保持良好的可通率。 )26. 3(0pbLLL式中Lb為實際路徑衰耗中值，L0在街心的衰耗中值，Lp為建筑物的穿透衰耗。 植被衰耗植被衰耗樹木、植被對電波有吸收作用。在傳播路徑上，由樹木、植被引起的附加衰耗不僅取決于樹木的高度、種類、形狀、分布密度、空氣濕度及季節(jié)變化，還取決于工作頻率、天線極化、通過樹木的路徑長度等多方面因素。一般來說，垂直極化波比水平極化波的衰耗稍大些。 隧道中的傳播衰耗隧道中的傳播衰耗 空間電波在隧道中傳播時，由于隧道壁的吸收及電波的干涉作用而受到較大的衰耗。電波在隧道中的衰耗還與工作頻率有關，頻率越高，衰耗越小。當隧道出現分支或轉彎時，衰耗會急劇增加，彎曲度越大，衰耗越嚴重。解決電波在隧道中的傳播問題，通?？刹捎脙煞N措施： 在較高頻段（數百兆赫），使用強方向性天線，把電磁波集中射入隧道中內，但傳播距離也不能很長。 在隧道中，縱向沿隧道壁鋪設導波線(通常為泄漏電纜)，使電磁波沿著導波線在隧道中傳播，從而減小傳播衰耗。 3.2.3 Okumura-Hata方法)(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69(dBdhhhfLbmbb市區(qū)）)(4 . 5)28lg(2)(2dBfLLbb市區(qū)郊區(qū)）)(94.40lg33.18)(lg78. 42dBffLLbb （市區(qū)）（開闊區(qū)）Hata對Okumura