移动通信第3章

1、第3章移动信道的传播特性第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性3.1 无线电波传播特性无线电波传播特性 3.2 移动信道的特征移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗 3.4 移动信道的传播模型移动信道的传播模型第3章移动信道的传播特性3.1 VHF、UHF电波传播特性电波传播特性 3.1.1 电波传播方式电波传播方式 发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率收机，当频率f30 MHz时，典型的传播通路如图时，典型的传播通路如图 3-1 所示。所示。图 3 1 典型的传播通路 发射天线接收

2、天线第3章移动信道的传播特性3.1.2 直射波直射波 n 直射波传播可按自由空间传播来考虑，是直线传播。直射波传播可按自由空间传播来考虑，是直线传播。n 单位面积上的电波功率密度单位面积上的电波功率密度S为为 )/(422mWdPSTRRGA42n 有效接受面积为有效接受面积为 n 接收天线获取的电波功率接收天线获取的电波功率 PR = SAR n 自由空间损耗自由空间损耗 Lfs(dB) = 32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz) 第3章移动信道的传播特性3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播 1. 大气折射大气折射当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不当一

3、束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dn/dh。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为现象，称为大气对电波的折射大气对电波的折射。大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等地球等效半径效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径是地球的实际

4、半径R0(6.37106 m)变成了等效半径变成了等效半径Re第3章移动信道的传播特性2. 视线传播极限距离视线传播极限距离 图 3 2 视线传播极限距离 htReoAd1Cd2Bhrd1,d2可求，故极限距离可求第3章移动信道的传播特性 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗n x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离， 称为菲涅尔余菲涅尔余隙。隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正。d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b) 图 3 - 3 障碍物与余隙(a) 负余隙； (b) 正余隙第3章移动信道的传播特性图3 4 绕射损耗与余隙关系 26242220181614121086

5、42024绕射损耗 / dB2.52.01.51.00.50.501.0 1.5 2.0 2.5x / x121211ddddx第3章移动信道的传播特性 例 设菲涅尔余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试求出电波传播损耗。 Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB求第一菲涅尔区半径x1为 mddddx7 .8110151010105233321211 由图 3 - 4 查得附加损耗(x/x1-1)为16.5dB, 因此电波传播的损耗L为 L = Lfs+16.5 = 116.0dB 解：先由式(3 - 13)求

6、出自由空间传播的损耗Lfs为 第3章移动信道的传播特性3.1.5 反射波反射波 图 3 5 反射波与直射波 TaobcRhrd1d2ht第3章移动信道的传播特性3.2 移动信道的特征移动信道的特征 3.2.1 传播路径与信号衰落传播路径与信号衰落 图 3 6 移动信道的传播路径 dd1d2hmhb第3章移动信道的传播特性图 3 7 典型信号衰落特性 第3章移动信道的传播特性3.2.2 多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落 图 3-8 移动台接收N条路径信号 iyxSi(t)基站天线第3章移动信道的传播特性经反射(或散射)到达接收天线的第i个信号为Si(t)，其振幅为i, 相移为i。 假设Si(

7、t)与移动台运动方向之间的夹角为i, 其多普勒频移值为 imiiffcoscos式中，v为车速，为波长，fm为i=0时的最大多普勒频移，因此S i(t)可写成 )(exp)cos2(exp)(00jtjatSiiii假设基站发射的信号为 )(exp0000tjaS式中，0为载波角频率，0为载波初相。第3章移动信道的传播特性可求得多径合成联合概率密度函数为 22222),(rerrp同理，对r积分可求得相位概率密度函数p()为 2121)(22202drerpr20对积分，可求得包络概率密度函数p(r)为 222222220221)(rrerderrp0r(3-44)第3章移动信道的传播特性 多

8、径衰落的信号包络服从瑞利分布，故把这种多径衰落多径衰落的信号包络服从瑞利分布，故把这种多径衰落称为称为瑞利衰落瑞利衰落。 均均 值值 253. 12)()(0drrprrEm均方值均方值 20222)()(drrprrE第3章移动信道的传播特性图 3 9 瑞利分布的概率密度 第3章移动信道的传播特性3.2.3 慢衰落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备 移动信道中移动信道中,当信号电平发生快衰落的同时当信号电平发生快衰落的同时,其局部中其局部中值值, 还随地点还随地点,时间以及移动台速度作比较平缓的变化时间以及移动台速度作比较平缓的变化,其其衰落周期以秒记衰落周期以秒记,称为称为慢衰落慢衰落.

9、为了防止因衰落而引起的通信中断为了防止因衰落而引起的通信中断,在信道设计中在信道设计中,必必须使信号的电平留有足够的余量须使信号的电平留有足够的余量,.以使中断率小于规定指以使中断率小于规定指标标,这种电平余量称为这种电平余量称为衰落储备衰落储备-衰落储备的大小决定于衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。第3章移动信道的传播特性3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 1. 多径时散多径时散 假设基站发射一个极短的脉冲信号假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(t)，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉

10、冲，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲， 结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为号时间扩散的现象，称为多径时散多径时散。 第3章移动信道的传播特性图 3 14 多径时散示例 基站天线3421第3章移动信道的传播特性 最大时延最大时延max是以包络电平下降是以包络电平下降30dB时测定的时延时测定的时延值，值， 如图如图 3-16 所示。所示。 图 3 16 多径时延信号包络 0220)()(dttEtdtttE第3章移动信道的传播特性表 3 1 多径时散参数典型值 第3章移动信道的传播特性2. 相关带宽相关带宽

11、图 3 17 双射线信道等效网络 第3章移动信道的传播特性图 3 18 双射线信道的幅频特性 A(,t)1+r1-r2n(t)(2n+1)(t)第3章移动信道的传播特性工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算：工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算： 21cB式中，式中，为时延扩展。为时延扩展。 例如，例如，=3s, Bc=1/(2)=53kHz。此时传输信号的。此时传输信号的带宽应小于带宽应小于Bc=53kHz。 第3章移动信道的传播特性3.3 陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗 u 接收机输入电压的定义接收机输入电压的定义 3.3.1 接收机输入电压、接收机输入电压

12、、 功率与场强的关系功率与场强的关系 RsUs信号产生器Ri接收机Us / 2Ri Rs第3章移动信道的传播特性 为了计算方便，电压或功率常以分贝计。 其中，电压常以1V作基准，功率常以1mW作基准，因而有： )(304lg10)(120lg202dBmRUPVdBUUsss(3 - 57) (3 - 58) 式中， Us以V计。第3章移动信道的传播特性2. 接收场强与接收电压的关系n 接收场强接收场强E是指有效长度为是指有效长度为1m的天线所感应的电压值，的天线所感应的电压值，常以常以V/m作单位。作单位。n 如果将中点电流作为高度构成一个矩形，如果将中点电流作为高度构成一个矩形， 并假定图

13、中并假定图中虚线与实线所围面积相等，虚线与实线所围面积相等， 则矩形的长度即为半波振则矩形的长度即为半波振子的有效长度子的有效长度22第3章移动信道的传播特性经过计算，半波振子天线的有效长度为/ /。 这样半波振子天线的感应电压Us为 EUs (3 - 59) )(lg20VdBEUs(3 - 60)第3章移动信道的传播特性 在实际中， 接收机的输入电路与接收天线之间并不一定满足上述的匹配条件(Rs=Ri=R)。 在这种情况下， 为了保持匹配， 在接收机的输入端应加入一阻抗匹配网络与天线相连接。 在图中， 假定天线阻抗为 73.12 ， 接收机的输入阻抗为50。 接收机输入端的端电压U与天线上

14、的感应电势Us有以下关系：sssisUURRUU41. 012.7350212173.12 Us阻抗匹配网络U73.12 50 50 12.73502sU第3章移动信道的传播特性3.3.2 地形、地形、 地物分类地物分类 1. 地形的分类与定义 为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)， 可将地形分为两大类， 即中等中等起伏地形起伏地形和不规则地形不规则地形， 并以中等起伏地形作传播基准。 所谓中等起伏地形，是指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。 其它地形如丘陵、 孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。

15、第3章移动信道的传播特性 由于天线架设在高度不同地形上， 天线的有效高度是不一样的。 若基站天线顶点的海拔高度为hts， 从天线设置地点开始， 沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga， 则定义基站天线天线的有效高度的有效高度hb为 hb = hts-hga (3 - 61)03 km15 km海平面平均地面高度hgahbhts第3章移动信道的传播特性 2. 地物(或地区)分类 不同地物环境其传播条件不同， 按照地物的密集程度不同可分为三类地区： 开阔地。 在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等。 郊区。在靠近移动

16、台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等。 市区。有较密集的建筑物和高层楼房。 自然，上述三种地区之间都有过渡区，但在了解以上三类地区的传播情况之后，对过渡区的传播情况就可以大致地作出估计。第3章移动信道的传播特性 3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中值中等起伏地形上传播损耗的中值 1. 市区传播损耗的中值 在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。 由电波传播理论可知，传播损耗取决于传播距离d、工作频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm等。在大量实验、统计分析的基础上， 可作出传播损耗基本中

17、值的预测曲线。第3章移动信道的传播特性图 3 - 23 中等起伏地上市区基本损耗中值 7060d / km5040302010100200 30050070010002000 30001009080706050403020105321d / km1009080706050403020105321频率 / MHz市区hb200 mhm3 m基本损耗中值 Am(f, d) / dB第3章移动信道的传播特性 图 3 - 24 天线高度增益因子(a) 基站Hb(hb, d); (b) 移动台Hm(hm, f)2000100070040020010010020040010001075321 505101

18、520市区移动台天线高度增益因子 Hm(hm , f) / dB移动台天线高度 hm / m中等城市 400 MHz 200 MHz(MHz)市区hb200 m基站天线高度增益因子 Hb(hb , d) / dB3040201053110080705060203050 70 100200300 500700 1000基站天线有效高度 hb / m20100102030d / km70100604020110d / km(a)大城市(b)第3章移动信道的传播特性图 3 - 25 街道走向修正曲线100705030201075864202468距离 d / km纵向线路修正值 Kal /dB横向线

19、路修正值 Kac / dB(b) Kac(a) Kal(a)为纵向路线 Kal； (b)为横向路线 Kac第3章移动信道的传播特性 2. 郊区和开阔地损耗的中值郊区和开阔地损耗的中值 郊区的建筑物一般是分散、低矮的， 故电波传播条件优于市区。 郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子郊区修正因子， 记作KmrQo表示开阔地修正因子开阔地修正因子, Qr表示准开准开阔地修正因子阔地修正因子。第3章移动信道的传播特性 郊区修正因子200010007005003002001000510152025郊区修正因子 Kmr / dB频率 f / MHzd 1 km5 km10 km20 km第3章移

20、动信道的传播特性图 3 - 27 开阔地、 准开阔地修正因子 Qo：开阔地Qr：准开阔地3530252015100200300500 700 10002000频率 f / MHz开阔地修正因子 Qo / dB准开阔地修正因子 Qr / dBQrQo第3章移动信道的传播特性 3.3.4 不规则地形上传播损耗的中值不规则地形上传播损耗的中值 1. 丘陵地的修正因子Kh 丘陵地的地形参数用地形起伏高度地形起伏高度h表征。它的定义是：自接收点向发射点延伸10km的范围内，地形起伏的90%与10%的高度差即为h。 这一定义只适用于地形起伏达数次以上的情况，对于单纯斜坡地形将用后述的另一种方法处理。第3章

21、移动信道的传播特性 丘陵地场强中值修正因子(a) 修正因子Kh; (b) 微小修正因子Khf1001020301020 3050 70100200300 500h / m丘陵地修正因子 Kh / dB基站发射dm10 kmhh的定义10%90%10203050 70100200300 50001020h / m微小修正值 Khf / dBh地形起伏与电场变化的对应关系电场变化按 (a)修正后的中值地形起伏 Khf Khf(a)(b)第3章移动信道的传播特性图 3 - 29 孤立山岳修正因子Kjs 2010010200246810孤立山岳至移动台的距离 d2 / km孤立山岳修正因子 Kjs /

22、 dBA曲线： d160 kmB曲线： d130 kmC曲线： d115 kmABC孤立山岳典型地形T(基站)(基站)T3 10 13kmd1d2HR(移动台)H200 m如果实际的山岳高度不为200m， 则上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数， 计算的经验公式为：H07. 02. 孤立山岳修正因子Kjs第3章移动信道的传播特性 3. 斜波地形修正因子Ksp 斜坡地形系指在510km范围内的倾斜地形。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。 第3章移动信道的传播特性图 3 - 30 斜坡地形修正因子Ksp 第3章移动信道的传播特性 4. 水陆混合路径

23、修正因子KS 在传播路径中如遇有湖泊或其它水域， 接收信号的场强往往比全是陆地时要高。为估算水陆混合路径情况下的场强中值，用水面距离dSR与全程距离d的比值作为地形参数。此外，水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有关。第3章移动信道的传播特性图 3 - 31 水陆混合路径修正因子 100806040200101520水面距离与全距离的比率(dSR / d ) / %水陆混合路径修正因子 KS / dBd30 kmd60 kmAABB移动 台RdSRddSRd(A) 实 线T移动 台R(B) 虚 线5基站T基站第3章移动信道的传播特性 3.3.5 任意地形地区的传播损耗的中值 1.

24、中等起伏地市区中接收信号的功率中值PP中等起伏地市区接收信号的功率中值PP(不考虑街道走向)可由下式确定：PP = P0-Am(f,d)+Hb(hb,d)+Hm(hm, f) 式中， P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率， 即mbTGGdPP20)4(第3章移动信道的传播特性 Am(f, d)是中等起伏地市区的基本损耗中值， 即假定自由空间损耗为0dB， 基站天线高度为200m, 移动台天线高度为3m的情况下得到的损耗中值。 Hb(hb, d)是基站天线高度增益因子， 它是以基站天线高度200m为基准得到的相对增益。 Hm(hm, f)是移动台天线高度增益因子， 它是以移动台天线高度3m为

25、基准得到的相对增益。 若需要考虑街道走向， 还应再加上纵向或横向路径的修正值。第3章移动信道的传播特性 2. 任意地形地区接收信号的功率中值PPC 任意地形地区接收信号的功率中值以中等起伏地市区接收信号的功率中值PP为基础， 加上地形地物修正因子KT， 即PPC = PP+KT 地形地物修正因子KT一般可写成 KT = Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+KS第3章移动信道的传播特性 式中： Kmr郊区修正因子 Qo、 Qr开阔地或准开阔地修正因子； Kh、 Khf丘陵地修正因子及微小修正因子； Kjs孤立山岳修正因子； Ksp斜坡地形修正因子； KS水陆混合路径修正因子。第3章

26、移动信道的传播特性 任意地形地区的传播损耗中值LA = LT-KT 式中， LT为中等起伏地市区传播损耗中值， 即LT = Lfs+Am(f, d)-Hb(hb, d)-Hm(hm, f)第3章移动信道的传播特性3.4 移动信道的传播模型移动信道的传播模型 3.4.1 传播损耗预测模型传播损耗预测模型 1. Hata模型 Hata模型是针对3.3节讨论的由Okumura用图表给出的路径损耗数据的经验公式，该公式适用于1501500 MHz频率范围。Hata将市区的传播损耗表示为一个标准的公式和一个应用于其他不同环境的附加校正公式。 第3章移动信道的传播特性 在市区的中值路径损耗的标准公式为 L

27、urban(dB) =69.55+26.16lgfc-13.82lghb-a(hb)+(44.9-6.55lghb)lgd 式中： fc是在1501500MHz内的工作频率； hb是基站发射机的有效天线高度（单位为m， 适用范围30200 m）; hre是移动台接收机的有效天线高度（单位为m， 适用范围110 m）; d是收发天线之间的距离（单位为km， 适用范围110km）； a(hre)是移动台接收机的有效天线高度的修正因子。 第3章移动信道的传播特性 对于小城市到中等城市， a(hre)的表达式为 a(hre)=(1.1lgfc-0.7)hre-(1.56lgfc-0.8)dB 对于大城

28、市, a(hre)的表达式为 a(hre)=8.29(lg1.54hre)2-1.1dB fc300 MHz a(hre)=3.2(lg11.754hre)2-4.97dB fc300 MHz 第3章移动信道的传播特性 为了得到郊区的路径损耗， Lurban可以修正为 Lsuburban(dB)=Lurban-2lg(fc/28)2-5.4对于开阔的农村地带的路径损耗， Lurban可以修正为 Lrural(dB)=Lurban-4.78(lgfc)2+18.33lgfc-40.94 第3章移动信道的传播特性 2. COST-231WalfishIkegami模型 欧洲研究委员会COST-23

29、1在Walfish和Ikegami分别提出的模型的基础上，对实测数据加以完善而提出了COST-231WalfishIkegami模型。 这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗损耗。COST-231模型已被用于微小区的实际工程设计。 第3章移动信道的传播特性该模型中的主要参数有： 建筑物高度hroof(m)； 道路宽度w(m)； 建筑物的间隔b(m)； 相对于直达无线电路径的道路方位。基站hbhroofhbhmhmwbd(a)(b)建筑物入射波移动台移动台第3章移动信道的

30、传播特性该模型适用的范围： 频率f： 8002000 MHz； 距离d： 0.025 km； 基站天线高度hb： 450m； 移动台天线高度hm： 13 m。第3章移动信道的传播特性 1) 可视传播路径损耗 可视传播路径损耗的计算公式为 Lb=42.6+26lgd+20lgf 式中损耗Lb以dB计算， 距离d以km计算， 频率f以MHz计算。 第3章移动信道的传播特性 2) 非可视传播路径损耗 非可视传播路径损耗的计算公式为 Lb= L0+Lrts+Lmsd 式中， L0是自由空间传播损耗； Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗； Lmsd是多重屏障的绕射损耗。 (1) 自由空间传播损耗的计算

31、公式为 L0=32.4+20lgd+20lgf 第3章移动信道的传播特性 (2) 屋顶至街道的绕射及散射损耗(基于Ikegami模型)的计算公式为00lg20lg10lg109 .16rtsmrooforimrtsLhhLhfL)55(114. 00 . 4)35(075. 05 . 2354. 010oriL035355555hroofhbhroof 5 . 08 . 0548 . 05454dhhKbb hbhroof且d0.5kmhbhroof hbhroof且d0.5km第3章移动信道的传播特性roofbdhhK51818hbhroof hbhroof 19255 . 1419257

32、. 04ffKf用于中等城市及具有中等密度树木的郊区中心 用于大城市中心 第3章移动信道的传播特性 3) f=1800MHz的传输损耗 在同一条件下， f=1800MHz的传输损耗可用900MHz的损耗值求出， 即： L1800=L900+10dB 一般来说， 用COST-231模型作微蜂房覆盖区预测时， 需要详细的街道及建筑物的数据，不宜采用统计近似值。 第3章移动信道的传播特性 但在缺乏周围建筑物详细数据时，COST-231推荐使用下述缺省值： b=2050m； w=b/2; hroof=3（楼层数）+ =90。 3 斜顶0 平顶第3章移动信道的传播特性 图3-33 COST-231/Walfish/Ikegami模型和Hata模型的比较0123456120140160180距发射机的距离 / km路径损耗 / dBCOST-231 / Walfish / Ikegami模型Hata模型第3章移动信道的传播特性 3