第3章 移动信道的传播特性

1、勤学 务实 开拓 创新 1第3章 移动信道的传播特性勤学 务实 开拓 创新 2n移动通信所用信道是以无线电通信为基础。移动通信所用信道是以无线电通信为基础。无线电波如何进行传播？无线电波如何进行传播？ 具有什么特点？具有什么特点？ n大家都见过铁塔式基站，基站如何选址？大家都见过铁塔式基站，基站如何选址？基站间距离多远合适？建在什么地方？高基站间距离多远合适？建在什么地方？高度如何确定？发射功率多大？度如何确定？发射功率多大？n中国移动在长春有多少个基站？中国移动在长春有多少个基站？引言勤学 务实 开拓 创新 3一、无线电波传输特性n一、无线电波传输特性一、无线电波传输特性1 1、无线电波的划

2、分、无线电波的划分3Hz-30KHz VLF (3Hz-30KHz VLF (甚低频甚低频) ) 长波长波 导航、电话、数据终端导航、电话、数据终端3kHz-300KHz LF (3kHz-300KHz LF (低频低频) ) 长波长波 导航、电力线通信导航、电力线通信300kHz-3MHz MF (300kHz-3MHz MF (中频中频) ) 中波中波 广播、业余无线电广播、业余无线电3MHz-30MHz HF (3MHz-30MHz HF (高频高频) ) 短波短波 广播广播30MHz-300MHz VHF (30MHz-300MHz VHF (甚高频甚高频) ) 米波米波 电视、调频广

3、播、电视、调频广播、 无线寻呼无线寻呼300MHz-3GHz UHF (300MHz-3GHz UHF (超高频超高频) ) 分米波分米波 电视、移动蜂窝电视、移动蜂窝3GHz-30GHz SHF (3GHz-30GHz SHF (特高频特高频) ) 厘米波厘米波 卫星、雷达卫星、雷达30GHz-300GHz EHF (30GHz-300GHz EHF (极高频极高频) ) 毫米波毫米波 雷达、射电天文雷达、射电天文10105 5GHz-10GHz-107 7GHz GHz 光光移动蜂窝网在UHF频段IS-95 800MHz、GSM 900MHz、DCS 1800MHz、3G 1900MHzU

4、HF主要以直射波、反射波、绕射波为主，分别讨论。 勤学 务实 开拓 创新 4无线电波传输特性03.57()RTdhh04.12()RTdhh2 2、直射波、直射波 在自由空间电波沿直线直接到达接收点的传播方式，称在自由空间电波沿直线直接到达接收点的传播方式，称直射波损耗，可看成是自由空间的电波传播损耗。直射波损耗，可看成是自由空间的电波传播损耗。 Lfs=32.44+20lgd+20lgf(dB)Lfs=32.44+20lgd+20lgf(dB) 损耗只与损耗只与d d、f f有关，由此可以推论，有关，由此可以推论，FDDFDD工作方式时，工作方式时，移动台发射功率低使用较低频率、基站发射功率

5、高使用较移动台发射功率低使用较低频率、基站发射功率高使用较高频率。高频率。 直线传播的距离是有限制的，为什么？直线传播的距离是有限制的，为什么？ 视线传播极限距离视线传播极限距离 考虑标准大气折射考虑标准大气折射地球是圆的。地球是圆的。地面上一米七的人能看多远？ 4.12 =5.3km1.716m高的天线基站能传多远？ 4.12 =16.5km16勤学 务实 开拓 创新 5无线电波传输特性3 3、绕射波、绕射波 电波直射路径上存在各种障碍物，所引起的损耗，电波直射路径上存在各种障碍物，所引起的损耗，称为绕射损耗。称为绕射损耗。12112ddxdd x/x x/x1 10.5 0.5 附加损耗为

6、附加损耗为0 0，x/xx/x1 10.5 0.5 附加损耗急附加损耗急剧增加。剧增加。 所以在选择基站位置高度时，要根据所在地区，所以在选择基站位置高度时，要根据所在地区，尽可能使各处的尽可能使各处的X X0.5X0.5X1 1。x-x-菲涅尔余隙菲涅尔余隙 x x1 1= =菲涅尔第一余隙菲涅尔第一余隙勤学 务实 开拓 创新 6无线电波传输特性4 4、反射波、反射波 电波传播过程中遇到光滑界面时，会产生镜面反射，反电波传播过程中遇到光滑界面时，会产生镜面反射，反射波的相位会发生变化，地面、建筑物都会形成反射波，相射波的相位会发生变化，地面、建筑物都会形成反射波，相位变化模糊不定，直射波和各

7、种反射波合成的场强将随反射位变化模糊不定，直射波和各种反射波合成的场强将随反射系数和路径变化而变化，同相相加，反相抵消，合成波有衰系数和路径变化而变化，同相相加，反相抵消，合成波有衰落现象。落现象。5 5、散射波、散射波 电波遇到粗糙表面时，反射散布于各个方向。电波遇到粗糙表面时，反射散布于各个方向。勤学 务实 开拓 创新 7无线电波传输特性1.直射波直射波(最强最强)3.绕射波绕射波(次强次强)2.反射波反射波(次强次强)4.散射波散射波(最弱最弱)勤学 务实 开拓 创新 8二、移动信道的特点二、移动信道的特点二、移动信道的特点1 1、传播的开放性、传播的开放性 开放式信息传输，任何人都可以

8、收发，必须采取措施，开放式信息传输，任何人都可以收发，必须采取措施，鉴权和加密。鉴权和加密。2 2、接收环境的复杂性、接收环境的复杂性接收点地理位置环境复杂多样，有接收点地理位置环境复杂多样，有3 3类典型区域。类典型区域。高楼林立的城市繁华区。高楼林立的城市繁华区。 一般建筑物为主体的近郊区。一般建筑物为主体的近郊区。以山岳、湖泊、平原为主的农村及远郊区。以山岳、湖泊、平原为主的农村及远郊区。3 3、用户的移动性、用户的移动性以移动速度来区别，有以移动速度来区别，有3 3种类型种类型准静态的室内用户。准静态的室内用户。 慢速步行用户。慢速步行用户。高速车载用户。高速车载用户。勤学 务实 开拓

9、 创新 9三、移动信道的特征三、移动信道的特征三、移动信道的特征3 3类损耗和类损耗和4 4种效应种效应3 3类损耗类损耗1 1、路径传播损耗、路径传播损耗 指电波在自由空间传播时所产生的损耗，反映在传播指电波在自由空间传播时所产生的损耗，反映在传播宏观大范围的空间距离上接收信号电平的变化。宏观大范围的空间距离上接收信号电平的变化。2 2、慢衰落损耗、慢衰落损耗 指电波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生的损指电波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生的损耗，反映在中等范围的空间距离上接收信号电平的变化。耗，反映在中等范围的空间距离上接收信号电平的变化。其变化率比传送信息速率慢故称慢衰落。其变化

10、率比传送信息速率慢故称慢衰落。勤学 务实 开拓 创新 10移动信道的特征3 3、快衰落损耗、快衰落损耗 指电波在传播时产生反射或由于用户快速移动而产指电波在传播时产生反射或由于用户快速移动而产生的损耗，反映在小范围的空间距离上接收信号电平的生的损耗，反映在小范围的空间距离上接收信号电平的变化。其变化率比慢衰落快得多。其在不同的空间、时变化。其变化率比慢衰落快得多。其在不同的空间、时间、频率上衰落特性是不一样的。间、频率上衰落特性是不一样的。空间选择性衰落空间选择性衰落 指电波在不同的空间衰落特性是不一样的，是由天指电波在不同的空间衰落特性是不一样的，是由天线的点波束产生扩散引起的。又称平坦瑞利

11、衰落。线的点波束产生扩散引起的。又称平坦瑞利衰落。 衰落周期衰落周期 T T1 1/ 其中其中 - -波长波长 - -扩散角度扩散角度勤学 务实 开拓 创新 11移动信道的特征频率选择性衰落频率选择性衰落 指电波在不同的频段上衰落特性是不一样的，由反射指电波在不同的频段上衰落特性是不一样的，由反射形成多径而在时间上产生的扩散而引起的（多径时散）。形成多径而在时间上产生的扩散而引起的（多径时散）。直射波比反射波先到达，产生时延，时域上的扩散引起接直射波比反射波先到达，产生时延，时域上的扩散引起接收地点的信号产生频率选择性衰落。收地点的信号产生频率选择性衰落。 衰落周期衰落周期 T T2 21/L

12、 1/L 其中其中 L-L-时散宽度时散宽度时间选择性衰落时间选择性衰落 指电波在不同时间上衰落特性是不一样的，由用户高指电波在不同时间上衰落特性是不一样的，由用户高速移动带来的频偏而引起的，表现在相应时域上信号产生速移动带来的频偏而引起的，表现在相应时域上信号产生时间选择性衰落。时间选择性衰落。 衰落周期衰落周期 T T3 3/B /B 其中其中 B-B-频移宽度频移宽度勤学 务实 开拓 创新 12移动信道的特征4 4种效应种效应阴影效应阴影效应 由大型建筑物和其他物体的阻挡，在接收区域产生半由大型建筑物和其他物体的阻挡，在接收区域产生半盲区，类拟太阳光受阻挡后的阴影，信号会相对弱些，是盲区

13、，类拟太阳光受阻挡后的阴影，信号会相对弱些，是无法解决的效应。无法解决的效应。勤学 务实 开拓 创新 13移动信道的特征远近效应远近效应 用户与基站之间有近有远，若各移动用户发射的用户与基站之间有近有远，若各移动用户发射的信号功率一样，到达基站的信号强弱不同，离基站近的信号功率一样，到达基站的信号强弱不同，离基站近的信号强，离基站远的信号弱，会出现以强压弱的现象。信号强，离基站远的信号弱，会出现以强压弱的现象。要解决远近效应，必须采用功率控制。要解决远近效应，必须采用功率控制。勤学 务实 开拓 创新 14移动信道的特征多径效应多径效应 接收信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同方接收信号不仅有

14、直射波的主径信号，还有从不同方向反射及绕射过来的多条不同的路径信号，且它们到达时向反射及绕射过来的多条不同的路径信号，且它们到达时信号强度、相位都不一样，是矢量和。各径之间产生干扰，信号强度、相位都不一样，是矢量和。各径之间产生干扰，称多径干扰，能引起严重的码间串扰。称多径干扰，能引起严重的码间串扰。 解决方法：解决方法：GSM采用均衡技术采用均衡技术 IS-95采用采用Rake接收技术接收技术基站基站散射散射阴影阴影散射散射直视路径直视路径反射反射移动终端移动终端衍衍(绕绕)射射勤学 务实 开拓 创新 15移动信道的特征多普勒效应多普勒效应 由于移动台处于高速移由于移动台处于高速移动中所引起

15、的传播频率的扩动中所引起的传播频率的扩散，其扩散程度与用户运动散，其扩散程度与用户运动速率成正比。速率成正比。 这一现象只能产生在高这一现象只能产生在高速大于速大于70km/h车载通信时。车载通信时。 多谱勒效应主要影响接多谱勒效应主要影响接收机的误码性能。收机的误码性能。 解决方法：降低指标解决方法：降低指标勤学 务实 开拓 创新 16四、传输损耗的定量分析四、传输损耗的定量分析四、传输损耗的定量分析 目的是为了基站选址，确定发射天线高度，增益、发目的是为了基站选址，确定发射天线高度，增益、发射功率等。射功率等。 移动通信电波传输是复杂多变的，人们通过大量的实移动通信电波传输是复杂多变的，人

16、们通过大量的实地测量和分析，总结归纳多种经验模型，目前应用较多的地测量和分析，总结归纳多种经验模型，目前应用较多的是是OMOM模型。模型。奥村模型奥村模型 是由奥村等人使用不同的频率、天线高度、距离、不是由奥村等人使用不同的频率、天线高度、距离、不同的地形地貌进行一系列测试，最后绘成的经验曲线而构同的地形地貌进行一系列测试，最后绘成的经验曲线而构成的模型，我国在移动通信工程设计中建议使用。成的模型，我国在移动通信工程设计中建议使用。 勤学 务实 开拓 创新 17传输损耗的定量分析1 1、市区传播损耗中值、市区传播损耗中值 AmAm（f f，d d） 是计算不同地形、地貌是计算不同地形、地貌传播

17、中值的基准。传播中值的基准。路径损耗路径损耗L LT T=L=Lbsbs+ Am+ Am（f f，d d）d=10kmd=10km，f=900MHzf=900MHz时的损耗时的损耗L Lbsbs=32.44+20lg10+20lg900=32.44+20lg10+20lg900 =111.52dB =111.52dBAmAm（f f，d d）=30dB=30dBL LT T=111.52+30=141.52dB=111.52+30=141.52dB勤学 务实 开拓 创新 18传输损耗的定量分析若基站天线不是若基站天线不是200m200m，基站天线修正因子，基站天线修正因子 H Hb b（h h

18、b b，d d）若移动台天线不是若移动台天线不是3m3m，移动台天线修正因子，移动台天线修正因子 HmHm（hmhm，f f）中小城市建筑物的影响较小，5m增益因子迅速增加，而大城市建筑物高，10m内没有拐点。 勤学 务实 开拓 创新 19传输损耗的定量分析路径损耗路径损耗 L LT T=L=Lbsbs+ Am+ Am（f f，d d）-H-Hb b（h hb b，d d）-Hm-Hm（hmhm，f f）例：计算例：计算d=10kmd=10km，f=900MHzf=900MHz，hbhb=50m=50m，hmhm=1m =1m 时的损耗时的损耗L Lbsbs=32.44+20lg10+20lg

19、900=111.52dB=32.44+20lg10+20lg900=111.52dBAmAm（f f，d d）=30dB =30dB H Hb b（h hb b，d d）=-12dB =-12dB HmHm（hmhm，f f）=-4dB=-4dBL LT T=111.52+30-(-12)-(-4)=157.52dB=111.52+30-(-12)-(-4)=157.52dB勤学 务实 开拓 创新 20传输损耗的定量分析2 2、郊区修正因子、郊区修正因子 KmrKmr 郊区建筑物一般是郊区建筑物一般是分散、低矮的，电波传分散、低矮的，电波传播条件优于市区，故其播条件优于市区，故其损耗中值低于市

20、区。损耗中值低于市区。d=10kmd=10km，f=900MHzf=900MHz时时Kmr=14dBKmr=14dB勤学 务实 开拓 创新 21传输损耗的定量分析3 3、开阔地修正因子开阔地修正因子 QoQo、QrQr传播条件优于郊区，只和频传播条件优于郊区，只和频率有关。率有关。f=900MHzf=900MHz时时Qr =24dBQr =24dBQo=29dBQo=29dB说明改善了说明改善了29dB29dB，接近自由，接近自由空间。空间。勤学 务实 开拓 创新 22传输损耗的定量分析4 4、不规则地形损耗中值、不规则地形损耗中值丘陵地修正因子丘陵地修正因子KhKh，KhtKht 地形参数用

21、地形起伏高度地形参数用地形起伏高度h h表示，谷顶谷底用表示，谷顶谷底用KhtKht表示表示hh=200=200时时KhKh=-16dB=-16dB谷顶谷顶KhtKht= = 14dB 14dB （-2dB-2dB）谷底谷底KhtKht= = 14dB 14dB （-30dB-30dB）勤学 务实 开拓 创新 23传输损耗的定量分析孤立山岳修正因子孤立山岳修正因子KjsKjs 当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时，当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时， 若若求山背后的电场强度，求山背后的电场强度， 一般从相应的自由空间场强中一般从相应的自由空间场强中减去刃峰绕射损耗即可。减去刃峰绕射损耗即

22、可。d2=2km时损耗最大h=100mh=100m，d d1 110km10km，d23km3km时时KjsKjs=-18dB=-18dBa=0.07a=0.0710=0.710=0.7修正后修正后KjsKjs=-12.6dB=-12.6dB勤学 务实 开拓 创新 24传输损耗的定量分析斜坡地修正因子斜坡地修正因子KspKsp 斜坡地形指在斜坡地形指在510km510km范围内的倾斜地范围内的倾斜地形。形。 若在电波传播方若在电波传播方向上，向上， 地形逐渐升高，地形逐渐升高， 称为正斜坡，称为正斜坡， 倾角为倾角为+m+m； 反之为负斜坡，反之为负斜坡， 倾角为倾角为-m-m 。d d10k

23、m10km，mm1515mrad上坡上坡KspKsp=3dB=3dB下坡下坡KspKsp=-12dB=-12dB勤学 务实 开拓 创新 25传输损耗的定量分析水陆混合修正因子水陆混合修正因子KsKs 在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，在传播路径中如遇有湖泊或其它水域， 接收信号的接收信号的场强往往比全是陆地时要高。场强往往比全是陆地时要高。 为估算水陆混合路径情况为估算水陆混合路径情况下的场强中值，下的场强中值， 用水面距离用水面距离d dSRSR与全程距离与全程距离d d的比值作为地的比值作为地形参数。形参数。d d10km10km， d dSRSR6km6kmA A：Ks=8dBKs=8d

24、BB B：Ks=6dBKs=6dB勤学 务实 开拓 创新 26传输损耗的定量分析4 4、任意地形的信号中值、任意地形的信号中值先计算自由空间传播损耗先计算自由空间传播损耗 L Lbsbs=32.44+20lgd+20lgf=32.44+20lgd+20lgf准平滑地形的信号中值准平滑地形的信号中值 损耗中值损耗中值L LT T=L=Lbsbs+ Am+ Am（f f，d d）-H-Hb b（h hb b，d d）-Hm-Hm（hmhm，f f） 信号中值信号中值 Pp=PPp=PT T + Gb+ Gb + Gm L + Gm LT T任意地形信号中值任意地形信号中值 K KT T=kmr+Q

25、o+Qr+k=kmr+Qo+Qr+kh h+k+khfhf+k+kjsjs+k+kspsp+k+ks s 损耗中值损耗中值 L LA A=L=LT T-K-KT T 信号中值信号中值 Ppc=Pp+ KTPpc=Pp+ KT勤学 务实 开拓 创新 27传输损耗的定量分析例：中国联通例：中国联通GSMGSM网络在长春市郊区有一基站，小区半径网络在长春市郊区有一基站，小区半径为为10km10km，基站天线高度，基站天线高度70m70m，增益为，增益为5dB5dB，移动台天线高，移动台天线高度为度为1.5m1.5m，增益为，增益为-2dB-2dB，移动台接收灵敏度为，移动台接收灵敏度为-102dBm

26、,-102dBm,考考虑其它附加损耗约虑其它附加损耗约4.48dB4.48dB，为确保整个小区的移动台都能，为确保整个小区的移动台都能收到信号，求：基站发射机的发射功率？收到信号，求：基站发射机的发射功率？Kmr=14 dB PPC=10lgPT+5-2-4.48-140.52=10lgPT-142-102dBm=-132dB Lfs=32.44+20lg10+20lg900=111.52dBAm(f,d)=30dBHb(hb,d)=-10dBHm(hm,f)=-3dB LT=111.52+ 30-(-10)-(-3)=154.52dBLA=LT-KT=140.52dB发射功率为10W PT=

27、10W勤学 务实 开拓 创新 28传输损耗的定量分析6 6、其他因素的影响、其他因素的影响街道走向街道走向KaiKai、KacKac 电波损耗与街道电波损耗与街道走向有关，在距基站走向有关，在距基站同一距离时，平行，同一距离时，平行，垂直相差很大，建筑垂直相差很大，建筑物形成的沟道有利于物形成的沟道有利于电波的传播，相当于电波的传播，相当于波导，纵向街道场强波导，纵向街道场强高于基准值，横向街高于基准值，横向街道场强低于基准值。道场强低于基准值。勤学 务实 开拓 创新 29传输损耗的定量分析建筑物穿透损耗建筑物穿透损耗LpLp 移动台多在室内，会有附加损耗。移动台多在室内，会有附加损耗。 各频

28、段电波穿透建筑物的能力不同，波长越短，穿透各频段电波穿透建筑物的能力不同，波长越短，穿透能力越强，也就是频率越高，穿透损耗越小。能力越强，也就是频率越高，穿透损耗越小。 不同的材料、结构和层数，损耗也不同。不同的材料、结构和层数，损耗也不同。 砖石结构较小；钢筋混凝土结构较大；钢结构最大。砖石结构较小；钢筋混凝土结构较大；钢结构最大。 地面平均穿透损耗在地面平均穿透损耗在900MHz900MHz时，为时，为13dB13dB。 损耗随楼层增高而线性下降，损耗随楼层增高而线性下降，-2.5dB/-2.5dB/层。层。 OMOM模型是以街心为条件，没有考虑建筑物穿透损耗，模型是以街心为条件，没有考虑建筑物穿透损耗，在基站设计时需考虑穿透损耗，才能保持良好的可通率。在基站设计时需考虑穿透损耗，才能保持良好的可通率。 建筑物信号很差时（如地下室），可自已安装中继器。建筑物信号很差