移动通信的电波传播1PPT学习教案

1、会计学1移动通信的电波传播移动通信的电波传播1第1页/共71页Lijiietr10)(第2页/共71页第3页/共71页第4页/共71页移动台相对位移（距离）移动台运动的小区域基站发射天线实线：短期快衰落虚线：长期慢衰落第5页/共71页第6页/共71页第7页/共71页第8页/共71页第9页/共71页图(a) 两径传播的叠加（加强和减弱）图(b) 衰落包络随两径不同相位的变化第10页/共71页散射散射阴影阴影散射散射直视路直视路径径反射反射移动终端移动终端衍(绕)射基站基站电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物或多面体多面体时发生散射电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长的障碍物时发生反射信号能量绕过

2、障碍物传播的机制称为绕射传播环境中由于地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应第11页/共71页落n无线移动信道是一种弥散（dispersive）信道第12页/共71页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 典型的移动信道电波传播路径典型的移动信道电波传播路径 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13页/共71页直射波直射波 在自由空间中, 电波沿直线传播而不被吸收, 也不发生反射、 折射和散射等现象而直接到达接收点的传播方式称为直射波传播直射波传播。直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗Lb

3、s, Lbs的表示式为 )(lg20lg2045.32dBfdLbs式中, d为距离(km), f为工作频率(MHz)。 第14页/共71页视距传播的极限距离视距传播的极限距离 图3-2 视距传播的极限距离 ACd1d2BohThRR第15页/共71页 已知地球半径为R=6370 km, 设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR(单位为m), 理论上可得视距传播的极限距离d0为 )()()(57. 30kmmhmhdTR 视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高, 视线距离越远。 实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后, 在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8500 km, 修

4、正后的视距传播的极限距离d0为 )()()(12. 40kmmhmhdTR第16页/共71页绕射损耗绕射损耗 图3-3 菲涅尔余隙（a） 负余隙; （b）正余隙 hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RR hRTThTd1Pxd2菲涅尔余隙第17页/共71页 根据菲涅尔绕射理论菲涅尔绕射理论，障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，横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有 21211ddddx第18页/共71页图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 / x1x1:菲涅尔半径当横坐标x/

5、x10.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6 dB；当x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。第19页/共71页反射波反射波 图3-5 反射波和直射波 d1d2hRacbhT第20页/共71页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收天线的时间差换算成相位差0为 dTt220 再加上地面反射时大都要发生一次反相， 实际的两路电波相位差为 d20第21页/共71页多径效应与瑞利型多径效应与瑞利型(衰落特性衰落特性) 假设发射机发射正弦波后, 接收机收到的合成信号

6、为 )(cos)()(cos)()(11tttRtttRtRicniiicnii式中: Ri(t)为第i条路径的接收信号；i(t)为第i条路径的传输时间；i(t)为第i条路径的相位滞后，i(t)=-ci(t)。 研究表明，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)可以认为是缓慢变化的随机过程，故上式可写成 tttRtttRtRciniiciniisin)(sin)(cos)(cos)()(11（3-9）第22页/共71页设: niiisniiicttRtxttRtx11)(sin)()()(cos)()(则式（3-9）可写成 )(cos

7、)()(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23页/共71页)()(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xc（t）、xs（t）及包络U(t)、相位(t)也是缓慢变化的。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，噪声为高斯白噪声，为噪声方差，为噪声方差，r为接收信号的损失幅度，为接收信号的损失幅度，则包络概率密度函数p(r)和相

8、位概率密度函数p()分别为： 第24页/共71页2222exp)(rrrp0r+ 21)(p02 均值均值 2533. 12)(0drrrprErmean方差方差 222022224292. 0222)(drrprrErEr均匀分布：均匀分布： 瑞利分布：瑞利分布：第25页/共71页莱斯（莱斯（Riceam）衰落分布）衰落分布 在移动通信中，如果存在一个起支配作用的直达波（未受衰落影响），则接收端接收信号的包络为莱斯（包络为莱斯（Riceam）分布）分布。 包络的概率密度函数p(r)为 0)(202)(2222ArIerrpArA0, r0 r0 式中, A为直达波振幅，为直达波振幅，r为接收

9、信号的瞬时幅度，为接收信号的瞬时幅度，为噪声方差，为噪声方差， I0（）为第一类）为第一类0阶阶Bessel函数函数。设 ),(2lg1022dBAK利分布，则莱斯分布趋近于瑞，若KA0第26页/共71页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） 场强计算公式场强计算公式 实际情况下，移动台在不停地运动使得计算绕射损耗中的x、x1的数值处于变化中，因而使用公式计算不平坦地区场强时遇到困难。 Egli John J.提出一种经验模型修正公式，认为：不平坦地区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。不平坦地区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。

10、其修正值为 f40lg20式中, f为工作频率，以MHz为单位。 第27页/共71页不平坦地区的场强公式为不平坦地区的场强公式为 fdhhdBEdBE40lg204lg20)()(210或者说，不平坦地带传播衰减不平坦地带传播衰减 fdhhdBA40lg204lg20)(21如果hT、hR采用米(m)表示，d用公里(km)表示，f用MHz表示， 则不平坦地区的传播衰耗LA为 )(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(kmdmhmhMHzfdBLRTA第28页/共71页奥村奥村(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

11、m，移动台天线高度为110 m，传播距离为120 km。 第29页/共71页1. 市区传播衰耗中值市区传播衰耗中值 (3-18) 图图3-6表明了基本衰耗中值Am(f, d)与工作频率、通信距离的关系。传播衰耗随着工作频率的升高或通信距离的增大而增加。图中，基地站天线有效高度hb=200 m，移动台天线高度hm=3 m，以自由空间传播衰耗为基准(0 dB)， 求得的衰耗中值修正值Am(f, d)。实际路径衰耗实际路径衰耗LT由曲线上查得的基本衰耗中值由曲线上查得的基本衰耗中值Am(f, d)加上自由空间的传播衰耗加上自由空间的传播衰耗Lbs， 即即 ),(dfALLmbsT第30页/共71页图

12、图3-6 大城市准平滑地形基本衰耗中值大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f, d) 1009080706050403020105321d / km300020001000700500300200100101235102030302040504060708090100506070d / km市区hb200 mhm3 m基本衰耗中值Am(f , d) / dB频率 / MHz第31页/共71页 例例3-1 当d=10 km, hb=200 m, hm=3 m, f=900 MHz时，可求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为 dBfdLbs5 .111900lg2010lg2045.32lg20lg20

13、45.32查图3-6可求得基本衰耗中值Am(f, d)， dBAdfAmm30)10,900(),( 由式(3-18) 可计算出城市街道地区准平滑地形的实际传播衰耗中值为 dBdfALLmbsT5 .141305 .111),(第32页/共71页图3-7 基地站天线高度增益因子Hb(hb,d) 市 区hb 200 m基 地 站 天 线 高 度 增 益 因 子Hb(hb , d) / dB 3040201053110080705060203050701002003005007001000基 地 站 天 线 有 效 高 度 hb / m 20 10虚线实线0102030d / km70 10060

14、40201 10d / km基站天线有效高度不足200m时的增益因子第33页/共71页图3-8 移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 MHz以下f / MHz移动台天线高度不足3m时的增益因子第34页/共71页 在考虑基站天线高度因子与移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路径传播衰耗中值应为 ),(),(),(fhHdhHdfALLm

15、mbbmbsT 例例3-2 在前面计算城市地区准平滑地形的路径衰耗中值的例子中，当hb=200 m, hm=3 m, d=10 km, f=900 MHz时，计算得LT=141.5 dB。;若将基地站天线高度改为hb=50 m, 移动台天线高度改为hm=2 m, 利用图3-7、图3-8 可以对路径传播衰耗中值重新进行修正。 第35页/共71页查图3-7得 dBHdhHbbb12)10,50(),(查图3-8得 dBHfhHmmm2)900, 2(),(修正后的路径衰耗中值LT为 dBHHfhHdhHdfALLmbmmbbmbsT5 .155)2()12(5 .141)900, 2()10,50

16、(5 .141),(),(),(第36页/共71页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 / dB频率 / MHzd 1 kmd 5 kmd 10 kmd 20 km第37页/共71页图图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，Qr）Qo : 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38页/共71

17、页3. 不规则地形上的传播衰耗中值不规则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： 自接收点向发射点延伸10 km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差， 如图3-11所示。 第39页/共71页图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40页/共71页图3-12 丘陵地形微小修正值Khf 102030507010020030050001020h / m微

18、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41页/共71页(2) 孤立山岳地形的修正因子。 当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时，若求山背后的场强时， 则应考虑绕射衰耗、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。 它表示在使用450 MHz，900 MHz频段，山岳高度H=110350 m时，基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

19、不等于200 m 时，查得的Kjs值还需乘以一个系数 07. 0H第42页/共71页图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Kjs / 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43页/共71页(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

20、 / mradd60 kmd30 kmd10 kmd30 km(基地站) 发射mm第44页/共71页(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Ks 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45页/共71页4. 任意地形的信号中值预测任意地形的信号中值预测 (1) 计算自由空间的传播衰耗。 根据式（3-1），自由空间的传播衰耗Lbs为 )()(lg2

21、0)(lg2045.32dBMHzfkmdLbs(2) 市区准平滑地形的信号中值。 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT如果发射机送至天线的发射功率为PT，则市区准平滑地形接收功率中值PP为 ),(),(),(fhHdhHdfALPLPPmmbbmbsTTTP第46页/共71页 (3) 任意地形地物情况下的信号中值。 任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由如下项目构成： sspjshfhromrTKKKKKQQkK第47页/共71页 根据实际的地形地物情况，KT因子可能只有其中的某几项或

22、为零。例如，传播路径是开阔区、斜坡地形，则 spoTKQK其余各项为零。其他情况可以类推。 任意地形地物情况下接收信号的功率中值PPC是以市区准平滑地形的接收功率中值PP为基础，加上地形地物修正因子KT， 即 TPPCKPP第48页/共71页 例例3-3 某一移动电话系统，工作频率为450 MHz，基站天线高度为70 m，移动台天线高度为1.5 m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20 km，求传播路径的衰耗中值。 解解 (1) 自由空间的传播衰耗Lbs。 dBMHzkmMHzfkmdLbs5 .111)(450lg20)(20lg2045.32)(lg20)(lg2045.32第

23、49页/共71页 (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)20,70(),(由图3-8查得 dBHfhHmmm3)450, 5 . 1 (),(第50页/共71页所以，准平滑地形市区衰耗中值为 dBfhHdhHdfALLmmbbmbsT155) 3()10(5 .305 .111),(),(),(3) 任意地形地物情况下的衰耗中值。根据已知条件可知： 因为 KT=0;所以 LA=LT-KT=LT=155 dB 第51页/共71页 例例3-4 若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且m =15

24、mrad，其他条件不变，再求传播路径的衰耗中值。 解解 根据已知条件，由图3-9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因此传播路径衰耗中值LA为 dBKLLTTA14313155第52页/共71页5. 其他因素的影响其他因素的影响 (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53页/共71页(2) 建筑物的穿透衰耗L

25、p。 各个频段的电波穿透建筑物的能力是不同的。一般来说，波长越短，穿透能力越强。 同时，各个建筑物对电波的吸收也是不同的。不同的材料、结构和楼房层数，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， 钢结构的最大。一般介绍的经验传播模型都是以在街心或空阔地面为假设条件，故如果移动台要在室内使用， 在计算传播衰耗和场强时，需要把建筑物的穿透衰耗也计算进去，才能保持良好的可通率。即有 pbLLL0第54页/共71页表表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 一般情况下，Lp不是一个固定的

26、数值，而是一个030 dB的范围， 需根据具体情况而定, 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，穿透衰耗将增加12 dB。 第55页/共71页图3-17 信号衰耗与楼层高度 14楼层12108642001010203040衰耗 / dB第56页/共71页(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 / MHz

27、附加损耗 / (dB / m)A : 垂直极化B : 水平极化第57页/共71页(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58页/共71页方法方法 为了在系统设计时, 使Okumura预测方法能采用计算机进行预测， Hata对Okumura提出的基本中值场强曲线进行了公式化处理， 所得基本传输损耗的计算公式如下： )(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市区)(4 . 528lg2)()(2dBfL

28、Lbb市区郊区)(94.40lg33.18)(lg78. 4)()(2dBffLLbb市区开阔区第59页/共71页式中：d为收发天线之间的距离， km； hb为基站天线有效高度，m； （hm）为移动台天线高度校正因子，hm为移动台天线高度（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 这套公式的适用范围为：150 MHzf1500 MHz，30 mhb200 m，1 mhm10 m，1 kmd20 km，准