《移动通信第3章》PPT课件

1、第3章 移动通信的电波传播 第3章 挪动通讯的电波传播 3.1 VHF、 UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 3.2 电波传播特性的估算工程计算电波传播特性的估算工程计算 第3章 移动通信的电波传播 3.1 VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 图图3-1 典型的挪动信道电波传播途径典型的挪动信道电波传播途径 hRd1hTdd2d 直 射 波 传 播 距 离d1 地 面 反 射 波 传 播 距 离d2 散 射 波 传 播 距 离第3章 移动通信的电波传播 3.1.1 直射波直射波 在自在空间中, 电波沿直线传播而不被吸收, 也不发生反射、 折射和散射等景象而直接到达接纳点

2、的传播方式称为直射波传播。直射波传播损耗可看成自在空间的电波传播损耗Lbs, Lbs的表示式为 )(lg20lg2045.32dBfdLbs式中, d为间隔(km), f为任务频率(MHz)。 第3章 移动通信的电波传播 3.1.2 视距传播的极限间隔视距传播的极限间隔 图3-2 视距传播的极限间隔 ACd1d2BohThRR第3章 移动通信的电波传播 知地球半径为R=6370 km, 设发射天线和接纳天线高度分别为hT和hR(单位为m), 实际上可得视距传播的极限间隔d0为 )()()(57. 30kmmhmhdTR 由此可见, 视距决议于收、发天线的高度。天线架设越高, 视野间隔越远。 实

3、践上，当思索了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后, 在规范大气折射情况下，等效地球半径R=8500 km, 可得修正后的视距传播的极限间隔d0为 )()()(12. 40kmmhmhdTR第3章 移动通信的电波传播 3.1.3 绕射损耗绕射损耗 图3-3 菲涅尔余隙a 负余隙; b正余隙 hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RR hRTThTd1Pxd2第3章 移动通信的电波传播 根据菲涅尔绕射实际，可得到妨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。图中, 横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径第一菲涅尔半径，且有 21211ddddx 由图3-4可见，当横坐标x/x10.5

4、时，那么妨碍物对直射波的传播根本上没有影响。当x=0时，TR直射线从妨碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6 dB；当x0时，TR直射线低于妨碍物顶点，损耗急剧添加。 第3章 移动通信的电波传播 图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系 26242016128402绕射损耗 / dB2.5 21012x / x1第3章 移动通信的电波传播 3.1.4 反射波反射波 图3-5 反射波和直射波 d1d2hRacbhT第3章 移动通信的电波传播 反射波与直射波的行距差为 dhhcbadRT2 由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号到达接纳天线的时间差换算成相位差0为 dTt220 再加上地面反射

5、时大都要发生一次反相， 实践的两路电波相位差为 d20第3章 移动通信的电波传播 3.1.5 多径效应与瑞利型多径效应与瑞利型(衰落特性衰落特性) 设发射机发A cosct后, 接纳机接纳端收到的合成信号为 )(cos)()(cos)()(11tttRtttRtRicniiicnii式中: Ri(t)为第i条途径的接纳信号；i(t)为第i条途径的传输时间；i(t)为第i条途径的相位滞后，i(t)=-ci(t)。 经大量察看阐明，Ri(t)和i(t)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，Ri(t)和i(t)可以以为是缓慢变化的随机过程，故式3-8)可以写成 tttRtttR

6、tRciniiciniisin)(sin)(cos)(cos)()(113-9第3章 移动通信的电波传播 设: niiisniiicttRtxttRtx11)(sin)()()(cos)()(那么式3-9可写成 )(cos)()(sin)()(cos)()(tttUttxttxtRccscc式中: U(t)为合成波R(t)的包络； (t)为合成波R(t)的相位。 第3章 移动通信的电波传播 )()(arctan)()()()(22txtxttxtxtUcssc 由于Ri(t)和i(t)随时间的变化与发射信号的载频周期相比，是缓慢变化的，因此xct、xst及包络U(t)、相位(t)也是缓慢变化的

7、。通常，U(t)满足瑞利分布，相位(t)满足均匀分布， R(t)可视为一个窄带过程。假设噪声为高斯白噪声，为噪声方差，r为接纳信号的损失幅度，那么包络概率密度函数p(r)和相位概率密度函数p()分别为： 第3章 移动通信的电波传播 2222exp)(rrrp0r+ 21)(p02 均值 2533. 12)(0drrrprErmean方差 222022224292. 0222)(drrprrErEr第3章 移动通信的电波传播 3.1.6 莱斯莱斯Riceam衰落分布衰落分布 在挪动通讯中，假设存在一个起支配作用的直达波未受衰落影响，这时，接纳端接纳信号的包络为莱斯Riceam分布。 包络的概率密

8、度函数p(r)为 0)(202)(2222ArIerrpArA0, r0 r0 式中, A为直达波振幅，r为接纳信号的瞬时幅度，为噪声方差， I0为第一类0阶Bessel函数。设 )(2lg1022dBAK第3章 移动通信的电波传播 3.2 电波传播特性的估算工程计算电波传播特性的估算工程计算 3.2.1 Egli John J.场强计算公式场强计算公式 在实践中，由于挪动通讯的挪动台在不停地运动。在实践中，由于挪动通讯的挪动台在不停地运动。计算绕射损耗中的计算绕射损耗中的x、x1的数值处于变化中，因此运用的数值处于变化中，因此运用公式计算不平坦地域场强时遇到较大的费事。公式计算不平坦地域场强

9、时遇到较大的费事。 Egli John J.提出一种阅历模型，并根据此模型提出阅历修提出一种阅历模型，并根据此模型提出阅历修正公式，以为不平坦地域的场强等于平面大地反射公正公式，以为不平坦地域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，其修正值为式算出的场强加上一个修正值，其修正值为 f40lg20式中, f为任务频率，以MHz为单位。 第3章 移动通信的电波传播 这样，不平坦地域的场强公式为 fdhhdBEdBE40lg204lg20)()(210或者说，不平坦地带传播衰减 fdhhdBA40lg204lg20)(21假设hT、hR采用米(m)表示，d用公里(km)表示，f用MHz表

10、示， 那么不平坦地域的传播衰耗LA为 )(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(kmdmhmhMHzfdBLRTA第3章 移动通信的电波传播 3.2.2 奥村奥村(Okumura)模型模型 OM模型适用的范围：频率为1501500 MHz，基地站天线高度为30200 m，挪动台天线高度为110 m，传播间隔为120 km。 第3章 移动通信的电波传播 1. 市区传播衰耗中值市区传播衰耗中值 (3-18) 图3-6阐明了根本衰耗中值Am(f, d)与任务频率、通讯间隔的关系。 可以看出随着任务频率的升高或通讯间隔的增大，传播衰耗都会添加。图中，纵坐标以分贝计量，这是在基地站天线有效

11、高度hb=200 m，挪动台天线高度hm=3 m，以自在空间传播衰耗为基准(0 dB)， 求得的衰耗中值的修正值Am(f, d)。 换言之， 由曲线上查得的根本衰耗中值Am(f, d)加上自在空间的传播衰耗Lbs才是实践途径衰耗LT， 即 ),(dfALLmbsT第3章 移动通信的电波传播 图图3-6 大城市准平滑地形根本衰耗中值大城市准平滑地形根本衰耗中值Am(f, d) 1009080706050403020105321d / km300020001000700500300200100101235102030302040504060708090100506070d / km市区hb200

12、mhm3 m基本衰耗中值Am(f , d) / dB频率 / MHz第3章 移动通信的电波传播 例3-1 当d=10 km, hb=200 m, hm=3 m, f=900 MHz时，由式-可求得自在空间的传播衰耗中值Lbs为 dBfdLbs5 .111900lg2010lg2045.32lg20lg2045.32查图3-6可求得Am(f, d)，即 dBAdfAmm30)10,900(),( 利用式(3-18)就可以计算出城市街道地域准平滑地形的传播衰耗中值为 dBdfALLmbsT5 .141305 .111),(第3章 移动通信的电波传播 图3-7 基地站天线高度增益因子Hb(hb,d)

13、 市区hb200 m基地站天线高度增益因子Hb(hb , d) / dB304020105311008070506020305070100200300500 700 1000基地站天线有效高度hb / m2010虚线实线0102030d / km70100604020110d / km第3章 移动通信的电波传播 图3-8 挪动台天线高度增益因子Hm(hm, f) 2000100070040020010010020040010001075321505101520市区 :hm3 m移动天线高度增益因子Hm(hm , f) / dB移动天线高度hm / m大城市内中小城市内400 MHz以上200

14、MHz以下f / MHz第3章 移动通信的电波传播 在思索基站天线高度因子与挪动台天线高度因子的情况下，式3-18所示市区准平滑地形的途径传播衰耗中值应为 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT 例例3-2 在前面计算城市地域准平滑地形的途径衰耗中值在前面计算城市地域准平滑地形的途径衰耗中值的例子中，当的例子中，当hb=200 m, hm=3 m, d=10 km, f=900 MHz时，时，计算得计算得LT=141.5 dB。;假设将基地站天线高度改为假设将基地站天线高度改为hb=50 m, 挪动台天线高度改为挪动台天线高度改为hm=2 m, 利用图利用图3-7、图、图3-

15、8 可以对途径可以对途径传播衰耗中值重新进展修正。传播衰耗中值重新进展修正。 第3章 移动通信的电波传播 查图3-7得 dBHdhHbbb12)10,50(),(查图3-8得 dBHfhHmmm2)900, 2(),(修正后的途径衰耗中值LT为 dBHHfhHdhHdfALLmbmmbbmbsT5 .155)2()12(5 .141)900, 2()10,50(5 .141),(),(),(第3章 移动通信的电波传播 2. 郊区和开阔区的传播衰耗中值郊区和开阔区的传播衰耗中值 图3-9 郊区修正因子Kmr 200010007005003002001000510152025郊区修正因子Kmr /

16、 dB频率 / MHzd 1 kmd 5 kmd 10 kmd 20 km第3章 移动通信的电波传播 图图3-10 开阔区、准开阔区修正因子开阔区、准开阔区修正因子Qo，QrQo : 开阔区Qr : 准开阔区353025201510020030050070010002000频率 f / MHz开阔区修正因子Qo / dB准开阔区修正因子Qr / dBQrQo第3章 移动通信的电波传播 3. 不规那么地形上的传播衰耗中值不规那么地形上的传播衰耗中值 (1) 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： 自接纳点向发射点延伸10 km范围内，地形起伏的90%与10%处的

17、高度差， 如图3-11所示。 第3章 移动通信的电波传播 图3-11 丘陵地形的修正因子Kh 10010203010203050 70 100200 300500h / m丘陵地修正因子Kh / dB基地站发射d10 km时dm510 kmdm10 kmhh的定义10%90%第3章 移动通信的电波传播 图3-12 丘陵地形微小修正值Khf 1020305070 10020030050001020h / m微小修正值Khf / (dB)h地形起伏与电场变化的对应关系电场变化按 Kh修正后的中值地形起伏 Khf Khf第3章 移动通信的电波传播 (2) 孤立山岳地形的修正因子。 当电波传播途径上有

18、近似刃形的单独山岳时，假设求山背后的场强时， 那么应思索绕射衰耗、阴影效应、屏蔽吸收等附加衰耗。 这时可用孤立山岳修正因子Kjs加以修正，其曲线如图3-13所示。 它表示在运用450 MHz，900 MHz频段，山岳高度H=110350 m时，根本衰耗中值与实测的衰耗中值的差值，并归一化为H=200 m 时的值，即孤立山岳修正因子Kjs。显然，Kjs亦为增益因子。当山岳高度不等于200 m 时，查得的Kjs值还需乘以一个系数 07. 0H第3章 移动通信的电波传播 图3-13 孤立山岳地形的修正因子Kjs 2010010200246810孤立山岳至移动台的距离d2 / km孤立山岳修正因子Kj

19、s / dBA曲线 : d160 kmB曲线 : d130 kmC曲线 : d115 kmABC孤立山岳典型地形T(基地站)T(基地站)31 013kmd1d2HR(移动台)H200 m第3章 移动通信的电波传播 (3) 斜坡地形的修正因子。斜坡地形的修正因子。 图图3-14 斜坡地形修正因子斜坡地形修正因子Ksp 201001020201001020斜坡地形修正因子Ksp / dB平均倾角m / mradd60 kmd30 kmd10 kmd30 km(基地站) 发射mm第3章 移动通信的电波传播 (4) 水陆混合地形的修正因子。 图图3-15 水陆混合地形的修正因子水陆混合地形的修正因子K

20、s 1008060402005101520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水面水面T(基地站)(移动台)R(移动台)RT(基地站)dSRddSRd(A)(B)第3章 移动通信的电波传播 4. 恣意地形的信号中值预测恣意地形的信号中值预测 (1) 计算自在空间的传播衰耗。 根据式3-1，自在空间的传播衰耗Lbs为 )()(lg20)(lg2045.32dBMHzfkmdLbs(2) 市区准平滑地形的信号中值。 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT假设发射机送至天线的发射功率为PT，那么市区准平

21、滑地形接纳功率中值PP为 ),(),(),(fhHdhHdfALPLPPmmbbmbsTTTP第3章 移动通信的电波传播 (3) 恣意地形地物情况下的信号中值。 恣意地形地物情况下的传播信号中值LA为 TTAKLL式中：LT为准平滑地形市区的传播衰耗中值；KT为地形地物修正因子。 KT由如下工程构成： sspjshfhromrTKKKKKQQkK第3章 移动通信的电波传播 根据实践的地形地物情况，KT因子能够只需其中的某几项或为零。例如，传播途径是开阔区、斜坡地形，那么 spoTKQK其他各项为零。其他情况可以类推。 恣意地形地物情况下接纳信号的功率中值PPC是以市区准平滑地形的接纳功率中值P

22、P为根底，加上地形地物修正因子KT， 即 TPPCKPP第3章 移动通信的电波传播 例3-3 某一挪动系统，任务频率为450 MHz，基站天线高度为70 m，挪动台天线高度为1.5 m，在市区任务，传播途径为准平滑地形，通讯间隔为20 km，求传播途径的衰耗中值。 解 (1) 自在空间的传播衰耗Lbs。 dBMHzkmMHzfkmdLbs5 .111)(450lg20)(20lg2045.32)(lg20)(lg2045.32第3章 移动通信的电波传播 (2) 市区准平滑地形的衰耗中值。 由图3-6查得 dBAdfAmm5 .30)20,450(),(由图3-7查得 dBHdhHbbb10)2

23、0,70(),(由图3-8查得 dBHfhHmmm3)450, 5 . 1 (),(第3章 移动通信的电波传播 所以，准平滑地形市区衰耗中值为 dBfhHdhHdfALLmmbbmbsT155) 3()10(5 .305 .111),(),(),(3) 恣意地形地物情况下的衰耗中值。根据知条件可知： 由于 KT=0;所以 LA=LT-KT=LT=155 dB 第3章 移动通信的电波传播 例例3-4 假设上题改为在郊区任务，传播途径是正斜坡，且假设上题改为在郊区任务，传播途径是正斜坡，且m =15 mrad，其他条件不变，再求传播途径的衰耗中值。，其他条件不变，再求传播途径的衰耗中值。 解解 根

24、据知条件，由图根据知条件，由图3-9查得查得 dBKmr5 . 8由图3-14查得 dBKsp5 . 4所以地形地物修正因子KT为 dBKKKspmrT13因此传播途径衰耗中值LA为 dBKLLTTA14313155第3章 移动通信的电波传播 5. 其他要素的影响其他要素的影响 (1) 街道走向的影响。 图图3-16 市区街道走向修正值市区街道走向修正值 100705030201075864202468距离 d / km(a) 纵向线路修正值Kai /dB(b) 横向线路修正值Kac / dB(b) Kac(a) Kai第3章 移动通信的电波传播 (2) 建筑物的穿透衰耗Lp。 各个频段的电波

25、穿透建筑物的才干是不同的。普通来说，波长越短，穿透才干越强。 同时，各个建筑物对电波的吸收也是不同的。不同的资料、构造和楼房层数，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， 钢构造的最大。普通引见的阅历传播模型都是以在街心或空阔地面为假设条件，故假设挪动台要在室内运用， 在计算传播衰耗和场强时，需求把建筑物的穿透衰耗也计算进去，才干坚持良好的可通率。即有 pbLLL0第3章 移动通信的电波传播 表表3-1 建筑物的穿透衰耗建筑物的穿透衰耗(地面层地面层) 频率/MHz 150250450800平均穿透衰耗/dB 22221817 普通情况下，Lp不是一个固定的数值，而是

26、一个030 dB的范围， 需根据详细情况而定, 参见表3-1。此外，穿透衰耗还随不同的楼层高度而变化，衰耗中值随楼层的增高而近似线性下降，大致为-2 dB/层， 如图3-17所示。 此外，在建筑物内从建筑物的入口沿着走廊向建筑物中央每进入1米，穿透衰耗将添加12 dB。 第3章 移动通信的电波传播 图3-17 信号衰耗与楼层高度 14楼层12108642001010203040衰耗 / dB第3章 移动通信的电波传播 (3) 植被衰耗Lz 图3-18 森林地带的附加衰耗 zbLLL00.40.30.20.100.40.30.20.1100005000305010020050010002000f

27、 / MHz附加损耗 / (dB / m)A : 垂直极化B : 水平极化第3章 移动通信的电波传播 (4) 隧道中的传播衰减Lsd。 sdbLLL0图 3-19 电波在隧道中的传播衰耗 104070100130160103050100300距离 / m衰耗 / dBAB第3章 移动通信的电波传播 3.2.3 Okumura-Hata方法方法 为了在系统设计时为了在系统设计时, 使使Okumura预测方法能采用计预测方法能采用计算机进展预测，算机进展预测， Hata对对Okumura提出的根本中值场强提出的根本中值场强曲线进展了公式化处置，曲线进展了公式化处置， 所得根本传输损耗的计算公所得根

28、本传输损耗的计算公式如下：式如下： )(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市区)(4 . 528lg2)()(2dBfLLbb市区郊区)(94.40lg33.18)(lg78. 4)()(2dBffLLbb市区开阔区第3章 移动通信的电波传播 式中：d为收发天线之间的间隔， km； hb为基站天线有效高度，m； hm为挪动台天线高度校正因子，hm为挪动台天线高度m。hm由下式计算： )400(97. 4)75.11(lg2 . 3)200(1 . 1)54. 1(lg29. 88 . 0lg56. 1)7 . 0lg1 . 1 ()(22MHzfhMHzfhfhfhmmmm中、 小城市 大城市 大城市