第八章电波的传播特性

1、移动通信技术 (第2版)第8章 电波的传播特性第8章 电波的传播特性v 内容n电波传播中的衰落nOM模型概念及场强衰耗中值的预测n任意地形、地物衰耗场强中值和信号中值的预测n电波传播电路的计算、覆盖设计第8章 电波的传播特性v 重点nOM模型及任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测n系统均衡v 难点n电波传播衰耗特性的统计数字特征量n任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测v 目的和要求n了解衰落对信号传输的影响n理解表征电波传播衰耗特性的统计数字特征量n掌握自由空间传输衰耗、OM模型及电波传播衰耗中值的计算方法8.1 无线电波v 无线电波的概念n无线电波是一种能量的传输形式n电场和磁场

2、在空间交替变换，向前行进n传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向v无线电波的传播速度n传播速度和传播媒质有关 n真空中的传播速度等于光速(3108ms )n空气中的传播速度略小于光速 通常认为它等于光速 n无线电波的波长、频率和传播速度的关系： /为速度(m/s)；为频率(Hz)；为波长(m)n不同介质中传播速度不同、波长不同 v无线电波的极化n概念：无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化 n电波的极化方向：无线电波的电场方向n极化波必须用对应的极化特性的天线接收否则在接收过程中会产生极化损失n极化的类型n线极化n水平极化、垂直极化n+45倾斜极化

3、、- 45倾斜极化n椭圆极化n圆极化n双极化天线n两个天线为一个整体，有两个独立的波，这两个波的极化方向相互垂直 n类型nV/H（垂直/水平）极化n倾斜（+45/-45 ）极化8.1.2 电波的传播方式v 电波的传播方式n在分析电波传播特性时总是以自由空间的传播环境为参考进行n自由空间n一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间n当电磁波在自由空间中传播时直线传播，不发生反射、折射、散射和吸收现象n只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗n实际传播环境中电波的传播方式n直射、反射、绕射、散射v 超短波传播特性n无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同 n主要传播特性n视距传播n多径传播n绕射能力弱v

4、电波传播中的三种损耗n路径传播损耗 n慢衰落损耗 n快衰落损耗室内环境的传播v 电波在建筑物内传播的类型n由室外向建筑物内的穿透传播n电波只在建筑物内传播v 室内无线环境特点n覆盖范围小n传播距离短n传播时延要小的多n室内环境中用户多处于静止和慢速移动状态，可忽略多普勒频移n室内环境变化更复杂，电波传播受建筑类型、室内布局、建筑材料影响较大即使在同一个建筑物内的不同位置，其传播环境也不尽相同，甚至差别很大 8.2 电波传播中的衰落v 电波传播的衰落特性v 场强估算模型8.2.1 电波传播的衰落特性v 衰落的概念n由于实际传播环境中复杂的地形地物对传播信号的阻挡，及反射、绕射和散射引起的无线信号

5、的多径传播都会对电磁波的传播产生影响，导致接收信号的随机变化。v 衰落的类型n阴影衰落（阴影效应、气象条件变化）场强中值的缓慢变化（慢衰落），服从对数正态分布。n多径衰落（多径效应）瞬时值有快速、大幅度的变化（快衰落），统计特性满足瑞利分布v 空间选择性衰落：平滑瑞利衰落，在不同地点（空间）衰落特性不一样，是由于天线点波束的扩散引起。v 频率选择性衰落：在不同频率衰落特性不一样，是由于时延扩展引起的衰落。v 时间选择性衰落：在不同时间衰落特性不一样，是由于变速移动引起频率扩散，在接收点波形产生了时间选择性衰落。v 定点通信的衰落需考虑慢衰落，对移动通信影响最大的是快衰落。8.2.1 电波传播的

6、衰落特性表征衰落的统计数字特征v 场强中值E0n概念：场强值超过设定场强值的概率为50%时，该设定值为场强中值n若场强中值等于接收机最低门限值，则可通信率为50%。 （只有50%的时间可正常通信），必须使实际的场强中值远大于接收机的门限值，才能在绝大多数时间内保证正常通信。n场强中值不能反映衰落的严重程度例：统计时间为T，超过E0的时间为t1、t2、t3则：超过E0的概率为 p(t)=( t1+t2 + t3)/T100% 当p(t)=50%时， E0为场强中值v衰落深度：n衡量衰落的严重程度n接收电平与场强中值电平之差表示n以场强中值电平为参考，表明信号起伏偏离其中值电平的程度n衰落深度=2

7、0Lg（Ei/Eo)n若为电平值，则衰落深度= Ei-Eon一般移动通信系统中，衰落深度可达20-30dB。v 衰落速率Nn衡量场强变化的快慢，即频繁程度n单位时间内场强包络与给定电平值ER相交次数的一半n衰落率与工作频率、移动台行进速度和方向等因素有关平均衰落率： 其中v（km/h）、f（MHz）v 系统设计时，音频通带或信令数据通带的低端应高于衰落率v 衰落持续时间n场强低于某一给定电平值的持续时间n表示信息传输的受影响程度 或用于判断信令误码的长度8.2.2 场强估算模型v电波传播受地形地物的影响 即电波传播特性与实际空间环境相关v 预测时在自由空间基础上考虑具体环境影响nOM模型nEg

8、li模型nBM模型nCost231模型v 以日本东京城市场强中值实测结果得到的经验曲线构成的模型。v 模型：城市视为准平滑地形，给出经验曲线其他地形地物情况则给出修正值v 适用范围：n频率：100MHz1500MHznBTS天线高度：30 m 200mnMS天线高度：1 m10mn传播距离： 1km 20km1.OM模型(Okumura-M.Hata奥村哈达)v 美国陆上移动通信、VHF、UHF信号预测方法，对丘陵地形预测较准v 在传播地形起伏高度为20m的基本条件下，基本传播衰减公式：L(dB)=177+20lgd+20lgf-20lghThR 单位：d (英里) ；f(MHz) ； hT

9、、 hR(英尺) 其他地形给出修正因子v 适用范围：n频率：25MHz 470MHzn传播距离： 60km 以内2. Egli模型v理论模型n以自由空间、平面大地和球面地形传播理论为基础，以诺模图形式给出。v适用范围：n频率：30MHz 3000MHzn传播距离：1 几百公里3. BM（Bullingron）v 欧洲建议n广泛用于建筑物高度近似一致的城区和郊区环境v 应用分两种情况：n高基站天线-非视距NLOSn低基站天线-视距LOS4. cost231模型8.3 电波传播特性预测v OM模型v 任意地形地物信号中值的预测v 场强中值变动分布及预测v 覆盖设计8.3.1 OM模型v模型：城市视

10、为准平滑地形，给出经验曲线其他地形地物情况则给出修正值vOM模型可在适用范围内作电波传播预测 n地形、地物的分类n准平滑地形上的电波传播特性n不规则地形修正因子n其他因素对电波传播的影响1.地形、地物的分类v 地形的分类n准平滑地形：地形剖面图上，表面起伏高度在20m以下，且起伏缓慢n不规则地形n丘陵地形n孤立山岳n倾斜地形n水陆混合地形v 地物的分类n根据障碍物的密集程度和屏蔽程度分类n地物的类型n开阔地：无较大树木、建筑物等障碍物准开阔地n郊区：障碍物不稠密n市区：障碍物稠密只能考虑一种地物形态，而地形可根据实际情况组合v 天线有效高度n基站天线有效高度hb = hta -hganhga：

11、从基站天线架设点起315km距离内的平均地面海拔高度nhta：基站天线架设的海拔高度nMS天线有效高度hm：地面以上有效高度以后所有天线高度均指天线有效高度1.准平滑地形上的电波传播v 自由空间的传播损耗v 市区传播衰耗中值的预算v 郊区、开阔地传播衰耗中值的预算v 预算中的注意点v自由空间：理想的空间（真空）n电波沿直线传播，不被吸收，不会被反射、折射、绕射和散射，电磁波的能量没有损失n自由空间传播损耗的含义：损耗来自于球面波发散传播中，天线未接收到的能量 即：球面波的扩散损耗v自由空间传播损耗（1）自由空间的传播损耗Lbs仅与d、f有关v 基本衰耗中值Am(f,d)v 基站天线有效高度增益

12、因子Hb(hb,d)v 移动台天线有效高度增益因子Hm(hm,f)v 准平滑市区传播衰耗中值L市区（2）市区传播衰耗中值的预算v 基本衰耗中值Am(f,d)nhb=200m hm=3mn参数：f、dv 基站天线有效高度增益因子Hb(hb,d)n以hb=200m时的值为基准(0dB)v 移动台天线有效高度增益因子Hm(hm,f)n以hm=3m时的值为基准(0dB)n当hm5m时，还与环境有关（拐点）v 自由空间传播衰耗 Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz)v 准平滑市区传播衰耗中值 L市区=Lbs+ Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) Hb(hb,d)、Hm(hm,f)为增益因子，计算衰减中值时取减号 郊区、开阔地传播衰耗中值的预算v 郊区修正因子Kmr的预测n参数：f，d第3节 陆地信道的场强计算例2-1：设基站天线有效高度为30m，发射机工作频率为450MHz，移动台天线高度为1.5m，工作在准平坦地形的大城市的郊区，通信距离为10km时，求传播路径损耗预测值。解：自由空间传播衰耗Lbs=32.45+20lgf+20lgd =32.45+20lg450+20lg10 =105.4dB查图得Am(f,d)