第2講 移動通信的電波傳播

1、 引言引言1電波傳播特性電波傳播特性2陸地信道場強計算陸地信道場強計算3無線鏈路計算無線鏈路計算41.1.導(dǎo)入導(dǎo)入 傳播特性如何直接關(guān)系到通信的可靠性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不同頻段的無線電波，其傳播方式和特點是不相同的。相同的。 移動信道是最為復(fù)雜的，其衰落特性取決于移動信道是最為復(fù)雜的，其衰落特性取決于無線電波的傳播環(huán)境。無線電波的傳播環(huán)境。 移動信道特性的研究成為熱點。移動信道特性的研究成為熱點。 移動通信廣泛使用移動通信廣泛使用VHF和和UHF頻段。從移動信道的頻段。從移動信道的電磁波傳播上看，有三種傳播方式：電磁波傳播上看，有三種

2、傳播方式： 直射波直射波：是指在：是指在視距覆蓋范圍內(nèi)無遮擋的傳播視距覆蓋范圍內(nèi)無遮擋的傳播，是，是超短波、微波的主要傳輸方式，經(jīng)直射波傳播的信號最超短波、微波的主要傳輸方式，經(jīng)直射波傳播的信號最強。強。 反射波反射波：是指：是指從不同建筑物或其他反射體反射后到從不同建筑物或其他反射體反射后到達接收點的傳播信號達接收點的傳播信號，其信號強度較直射波弱。，其信號強度較直射波弱。 繞射波繞射波：從：從較大建筑物或山丘繞射后到達接收點的較大建筑物或山丘繞射后到達接收點的傳播信號傳播信號。它需要滿足電波產(chǎn)生繞射的條件，其信號強。它需要滿足電波產(chǎn)生繞射的條件，其信號強度亦較直射波弱，與反射波相當(dāng)。度亦較

3、直射波弱，與反射波相當(dāng)。2. 2. 移動信道研究的基本方法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，并用各種波在移動環(huán)境中的傳播特性，并用各種數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型來描述移動信道。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，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。做電波傳播的實測試驗。信號場強測試和誤碼率信號場強測試和誤碼率測試。測試。 移動信道的計算機模擬。移動信道的計算機模擬。3. 3. 影響傳播環(huán)境的主要因素影響傳播環(huán)境的主要因素 自然地形自然地形 建筑的數(shù)量、高度、分布和材料建

4、筑的數(shù)量、高度、分布和材料 天氣狀況天氣狀況 電磁噪聲狀況電磁噪聲狀況 系統(tǒng)工作頻率和移動臺運動狀況系統(tǒng)工作頻率和移動臺運動狀況4. 4. 解決的三個問題解決的三個問題 信號可能發(fā)生的變化及原因信號可能發(fā)生的變化及原因 變化對傳輸質(zhì)量和性能的影響變化對傳輸質(zhì)量和性能的影響 采用哪些方法和技術(shù)采用哪些方法和技術(shù) 這些影響這些影響1. 1. 電波傳播的方式電波傳播的方式 2. 2. 電波衰落電波衰落 1）自由空間的傳播損耗：）自由空間的傳播損耗： 自由空間自由空間: 指相對指相對介質(zhì)電常數(shù)和磁導(dǎo)率為介質(zhì)電常數(shù)和磁導(dǎo)率為l l的均的均勻介質(zhì)所存在的空間。勻介質(zhì)所存在的空間。 自由空間路徑損耗自由空間

5、路徑損耗計算公式：計算公式： 2）多徑效應(yīng)：）多徑效應(yīng)： 2）多徑效應(yīng)：）多徑效應(yīng)： 多徑衰落：多徑衰落：由于多徑現(xiàn)象所引起的衰落。由于多徑現(xiàn)象所引起的衰落。 最大衰落速率計算：最大衰落速率計算： 駐波場強：駐波場強： 多徑衰落的空間描述：多徑衰落的空間描述：接收信號的強度隨距離接收信號的強度隨距離的變動呈現(xiàn)衰減。的變動呈現(xiàn)衰減。2）多徑效應(yīng)：）多徑效應(yīng)： 多徑衰落的時間描述：多徑衰落的時間描述：時延擴展時延擴展 時延擴展時延擴展()()：由于多徑效應(yīng)引起的接收信號由于多徑效應(yīng)引起的接收信號中脈沖的寬度擴展的現(xiàn)象。中脈沖的寬度擴展的現(xiàn)象。 相關(guān)帶寬：相關(guān)帶寬：兩衰落信號相關(guān)時的兩衰落信號相關(guān)時

6、的頻率間隔頻率間隔，是對，是對信道傳輸信號帶寬能力的統(tǒng)計度量。信道傳輸信號帶寬能力的統(tǒng)計度量。 二者的關(guān)系：二者的關(guān)系：時延擴展時延擴展越大，相關(guān)帶寬越窄，信越大，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，道容許傳輸?shù)牟皇д骖l帶就越窄；反之， 越小，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。相關(guān)帶寬越寬，信道容許傳輸?shù)牟皇д骖l帶就越寬。3 3）陰影效應(yīng)）陰影效應(yīng) 隨著車輛的運動，信號場強中值也在緩慢地隨著車輛的運動，信號場強中值也在緩慢地起伏，它起因于建筑物和起伏地形的起伏，它起因于建筑物和起伏地形的陰影效應(yīng)陰影效應(yīng)，故稱之為故稱之為地形衰落地形衰落（慢衰落）。（慢衰落）。

7、慢衰落：還有由于大氣折射狀況，使得信號場慢衰落：還有由于大氣折射狀況，使得信號場強隨時間緩慢地變化。強隨時間緩慢地變化。 慢衰落服從慢衰落服從正態(tài)分布正態(tài)分布。 1. 1. 地形、地物分類地形、地物分類 1）地形分類和定義）地形分類和定義 準(zhǔn)平滑地形：準(zhǔn)平滑地形：在電波傳播路徑上地形斷面的起伏量在電波傳播路徑上地形斷面的起伏量在在20m以下以下，且起伏變化緩慢的平坦地形。，且起伏變化緩慢的平坦地形。 不規(guī)則地形：不規(guī)則地形：除準(zhǔn)平滑地形之外均屬于不規(guī)則地除準(zhǔn)平滑地形之外均屬于不規(guī)則地形形 丘陵地形丘陵地形 孤立山岳孤立山岳 傾斜地形傾斜地形 防水混合通路防水混合通路 2）地物分類和定義：）地物

8、分類和定義： 開闊地開闊地：在電波傳播的方向上無高大樹木、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在電波傳播方向300一一400m以內(nèi)無障礙物的開闊以內(nèi)無障礙物的開闊原野為開闊地。原野為開闊地。 郊區(qū)地郊區(qū)地：移動臺附近處有障礙物但不稠密的移動臺附近處有障礙物但不稠密的地區(qū)。地區(qū)。 市區(qū)市區(qū)：指有兩層以上建筑物的稠密地區(qū)。指有兩層以上建筑物的稠密地區(qū)。 3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效）地形波動高度，基地臺、移動臺有效高度高度 地形波動高度地形波動高度(h)：沿通信方向，距離接沿通信方向，距離接收點收點10

9、km范圍內(nèi)，范圍內(nèi)， 10%10%高度線和高度線和90%90%高度線高度線之間的高度差之間的高度差。 10%10%高度線高度線: :在地形剖面圖的有在地形剖面圖的有10%10%的地段高的地段高度超過此線的一條水平線。度超過此線的一條水平線。 3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效）地形波動高度，基地臺、移動臺有效高度高度 基地臺天線有效高度基地臺天線有效高度(hb )：若天線的有效高若天線的有效高度為度為hb，地面的平均高度為，地面的平均高度為hgb，海拔高度為，海拔高度為htg，則為，則為基地臺天線有效高度基地臺天線有效高度 3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效）地形波動高度，基地臺、移動臺有

10、效高度高度 移動臺天線高度移動臺天線高度( (hm) )：在地面以上的高度，在地面以上的高度，包括車體高度，通常包括車體高度，通常hm3m2.2.平滑地形電波傳播特性及場強中值的計算 1）市區(qū)損耗中值）市區(qū)損耗中值 與工作頻率與工作頻率f f及與通信距離及與通信距離d d的關(guān)系。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，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。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)衰耗中值由曲

11、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加上自由中間的傳播衰耗Lbs才是實際路徑才是實際路徑衰耗衰耗LM： LM=Lbs+Am(f，d)2）天線高度與場強的關(guān)系）天線高度與場強的關(guān)系 在準(zhǔn)平滑地形上，基地臺天線有效高度相對在準(zhǔn)平滑地形上，基地臺天線有效高度相對增益增益H Hb b(h(hb b,d),d)，其計算曲線如圖。移動臺天線有效，其計算曲線如圖。移動臺天線有效高度相對增益高度相對增益H Hm m(h(hm m,d),d)，其計算曲線如圖。，其計算曲線如圖。 基地臺天線有效高度增益因子曲線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移動臺天線有效高度增益

12、因子曲線總結(jié)總結(jié)：準(zhǔn)平滑市區(qū)的中值傳輸損耗：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）效區(qū)和開闊地的衰耗中值）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郊區(qū)地和開闊地的衰耗中值可用市區(qū)衰市區(qū)衰耗中值耗中值作為作為基準(zhǔn)值基準(zhǔn)值，再經(jīng)適當(dāng)?shù)男拚玫?。，再?jīng)適當(dāng)?shù)男拚玫健?郊區(qū)地場強中值修正值為郊區(qū)地場強中值修正值為k kmrmr(f,d)(f,d) 開闊地及準(zhǔn)開闊地修正值分別為開闊地及準(zhǔn)開闊地修正值分別為Qo(f)、Qr(f)3.3.各種不規(guī)則地形、地物的傳播特性及計算 1）丘陵地場強中值修正值）丘陵地場強中值修正值 相對于相對

13、于準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)電場中值準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)電場中值即基準(zhǔn)即基準(zhǔn)中值的修正值為中值的修正值為K Kh h(h)(h) ，其曲線。，其曲線。 由于地形起伏不同，位置上的場強偏差較大，由于地形起伏不同，位置上的場強偏差較大，故需要作進一步修正。其修正值故需要作進一步修正。其修正值K Khfhf(h)(h)及曲線。及曲線。 2）水陸混合地形的修正值）水陸混合地形的修正值 三種不同分布情況：三種不同分布情況：移動臺一側(cè)有水；移動臺一側(cè)有水；基地臺一例有水；基地臺一例有水；水處在陸地中間，即基地水處在陸地中間，即基地臺、移動臺在陸上，中間為水。其修正值分別用臺、移動臺在陸上，中間為水。其修正值分別用 和和

14、 ，其曲線。，其曲線。)/(ddKsRs)/(ddKsrs3 3）傾斜地形的修正值）傾斜地形的修正值 地形處于傾斜狀態(tài)且距離為地形處于傾斜狀態(tài)且距離為5km以上的范以上的范圍，平均傾角圍，平均傾角m m（以弧度表示）的修正值（以弧度表示）的修正值K Kspsp(m m.d).d)曲線如圖。曲線如圖。4 4）孤立山岳的修正值）孤立山岳的修正值 孤立山丘的定義及修正值孤立山丘的定義及修正值 曲線如圖。曲線如圖。)(12ddKfm 總結(jié)：總結(jié)：應(yīng)用應(yīng)用Okumura(Okumura(奧村奧村) )模型進行傳播衰耗計算的步驟：模型進行傳播衰耗計算的步驟： 4）Hata(哈塔哈塔)模型模型 適用頻率范圍

15、適用頻率范圍150Mhz1.5Ghz 150Mhz1.5Ghz 根據(jù)根據(jù)OkumuraOkumura曲線所作的經(jīng)驗公式，以曲線所作的經(jīng)驗公式，以市區(qū)傳播損耗市區(qū)傳播損耗為基準(zhǔn)，并對其它地區(qū)進行修為基準(zhǔn)，并對其它地區(qū)進行修正。正。 市區(qū)路徑損耗公式，在市區(qū)路徑損耗公式，在1km1km以上，結(jié)果以上，結(jié)果與與OkumuraOkumura非常接近。非常接近。 缺點：適用于大區(qū)制移動系統(tǒng)。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、其中，是移動臺天線高度的修正因子，對于中、小城市的值為小城市的值為對于大城市，其值為：對于大城市，其值為

16、： )(lg)lg5 . 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69dBdhhhfLbmbp)(mh)(mh)8 .0lg5 .1 ()7 .0lg(10.1)(fhfhmm1 . 1)54. 1(lg29. 8)(2mmhhMHzf20097. 4)75.11(lg2 . 3)(2mmhhMHzf400（2）郊區(qū)和開闊地修正因子經(jīng)驗公式：郊區(qū)地：郊區(qū)地：其中：其中：開闊地：開闊地：)(24. 604. 0)10(56. 0lg57. 5)(lg77. 122dBddffKmr94.40lg33.18)(lg78. 420ffQkmd20kmd201)20(kmdKKmrmr（3

17、）丘陵地修正因子經(jīng)驗公式：）丘陵地修正因子經(jīng)驗公式： Khf(h)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h求得。（4）水陸混合修正因子經(jīng)驗公式：）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：）傾斜地形修正因子經(jīng)驗公式：mmmspddK4 . 0002. 0008. 02（6）孤立山岳的修正因子經(jīng)驗公式：）孤立山岳的修正因子經(jīng)驗公式：H07. 0f038. 0其中其中4.4.場強中值的場強中值的計算 基地臺有效天線高度為基地臺有效天線高度為30m，發(fā)射機工作頻率為，發(fā)射機工作頻率為450MHz，移動，移動臺天線高度臺天線高度h hm m=1.5m=1.5m，工作在準(zhǔn)平

18、坦地，工作在準(zhǔn)平坦地形的大城市的郊區(qū)，通信距離為形的大城市的郊區(qū)，通信距離為10km，求傳播路徑損耗預(yù)測值。，求傳播路徑損耗預(yù)測值。 解：解：自由空間路徑損耗自由空間路徑損耗Lbs： Lbs=32.45+20lg450+20lg10=105.4dB 計算準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的衰耗中值：計算準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的衰耗中值： 查圖查圖2-8得：得：Am(f,d)=Am(450,10)=27.5dB 查圖查圖2-10得：得：Hb(hb,d)=Hb(30,10)=-15dB 查圖查圖2-11得：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：所以準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的衰耗中值： L

19、T=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) =105.4+27.5-(-15)-(-3)=150.9dB 計算任意地形地物情況下的衰耗中值：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)：依據(jù)已知條件為郊區(qū)：KT=Kmr(f,d) 查圖查圖2-12得：得：Kmr(f,d)=Kmr(450,10)=12.8dB LA=LT-KT=150.9-12.8=138.1dB注：用注：用Hata的經(jīng)驗公式計算，結(jié)果也相近。的經(jīng)驗公式計算，結(jié)果也相近。 另：另：在給定發(fā)射功率的條件下，淮平滑地形在給定發(fā)射功率的條件下，淮平滑地形的市區(qū)接收點的的市區(qū)接收點的功率中值功率中值：式中，

20、式中， 是給定發(fā)射功率在自由空間傳播下的接收信是給定發(fā)射功率在自由空間傳播下的接收信號的功率。號的功率。式中，式中， 是發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率，是發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率， 是工作波是工作波長，長， )()()(0fhHdhHdfAPPmmbbmp0PmbiGGdPP20)4(iP分別表示基地臺和移動臺的天線增益。 在任意地形、地物的情況下，接收功率中值在任意地形、地物的情況下，接收功率中值可用下式計算：可用下式計算：式中，式中， 值為值為TppKPP0TK 在計算收發(fā)天線間的電波傳播衰耗中值時，可在計算收發(fā)天線間的電波傳播衰耗中值時，可用下式：用下式：式中，式中， 為為準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)衰耗

21、中值準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)衰耗中值，即，即TTMKLLTL)()()(fhHdhHdfALLmmbbmbsT5.5.建筑物穿透衰減的預(yù)測建筑物穿透衰減的預(yù)測 建筑物穿透衰減建筑物穿透衰減：指電波由建筑物外進入室內(nèi)的衰：指電波由建筑物外進入室內(nèi)的衰減。減。 其大小其大小：建筑物附近街道上的場強中值與在建筑物：建筑物附近街道上的場強中值與在建筑物一樓測得的場強差。一樓測得的場強差。 150一一400MHz：頻段的建筑物穿適衰減較小。：頻段的建筑物穿適衰減較小。 穿透衰減還隨測量點的高度變化而變化，一樓和二穿透衰減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樓有明顯

22、差別。在二樓以上，隨高度的增加穿透衰減大體上直線下降。體上直線下降。 電波傳播電路計算電波傳播電路計算（覆蓋區(qū)域計算）：任務(wù)是根（覆蓋區(qū)域計算）：任務(wù)是根據(jù)通信質(zhì)量要求，對據(jù)通信質(zhì)量要求，對無線區(qū)的覆蓋無線區(qū)的覆蓋或或基站天線高度基站天線高度作出比較符合實際的預(yù)測。作出比較符合實際的預(yù)測。 計算步驟：計算步驟： 1 1）確定服務(wù)區(qū)及無線區(qū)域組成、合格的話音質(zhì)）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；量、可靠通信概率； 2 2）預(yù)定無線設(shè)備方案并進行電波傳播電路計算，）預(yù)定無線設(shè)備方案并進行電波傳播電路計算，即考慮噪聲、衰減等因素后計算區(qū)域覆蓋或天線高即考慮噪聲、衰減等因素后計算

23、區(qū)域覆蓋或天線高度；度； 3 3）從技術(shù)、成本及使用等方面綜合分析，對設(shè)）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)域組成進行適當(dāng)調(diào)整。備方案或無線區(qū)域組成進行適當(dāng)調(diào)整。1. 1. 話音質(zhì)量話音質(zhì)量 優(yōu)優(yōu) 5級：幾乎無噪聲；級：幾乎無噪聲； 良良 4級：有使人注意的輕微噪聲；級：有使人注意的輕微噪聲； 中中 3級：有使人煩惱的噪聲；級：有使人煩惱的噪聲； 差差 2級：有使人非常煩惱的噪聲；級：有使人非常煩惱的噪聲； 劣劣 1級：話音幾乎不可懂。級：話音幾乎不可懂。 一般系統(tǒng)設(shè)計：話音信噪比一般系統(tǒng)設(shè)計：話音信噪比S0/N020dB; 我國移動用戶與固定電話通話：大于或等于我國移動用戶

24、與固定電話通話：大于或等于29dB 2. 2. 接收機允許輸入的最小信噪比接收機允許輸入的最小信噪比 門限電平門限電平：輸入信號電平和噪聲信號：輸入信號電平和噪聲信號的峰值相等時的輸入電平；的峰值相等時的輸入電平； 信號和噪聲有效值功率信號和噪聲有效值功率比為比為9dB，調(diào)，調(diào)頻門限信噪比約為頻門限信噪比約為9dB。經(jīng)推導(dǎo)可得：max32)(23)(fBfNSNSiiioo 以上說明接收機允許的最小輸入信噪比以上說明接收機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)頻接收和音頻輸出信噪比之間的關(guān)系，也就是說調(diào)頻接收機的信噪比改善度可以用機的信噪比改善度可以用 表示：表示： iiNS /FMGimFMBffG3223lg10接收機允許的最小輸入信噪比為接收機允許的最小輸入信噪比為： 式中，式中， 移動通信網(wǎng)中最大可能的信號轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。移動通信網(wǎng)中最大可能的信號