移动通信的关键技术-电波传播分、集均衡与天线

1、第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术一一. . 移动通信的特点移动通信的特点 根据移动通信的定义及其无线电波传播特性可知， 陆地移动通信有以下特点: 1) 电波传播条件恶劣 由于移动体来往于地面的建筑群和各种障碍物之中, 根据电波传播的特性会发生直射、折射、绕射等各种情况，从而使电波传播的路径不同。使接收端收到的信号是这些信号的合成波。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 移动体(汽车)在不同位置, 不同的方向接收到的合成波信号强度会有起伏, 而且相差很大, 可达30 dB以上。图2所示的这种现象称为衰落, 它严重地影响着通话质量。 电波传播引

2、起信号变坏的例子很多, 如接收差转电视时，在接收天线的不同位置, 图像质量会发生很大差别, 有的位置图像清晰, 有的位置雪花点严重, 有的位置图像模糊不清, 有的位置出现许多重影等等。 这就是由于电波通过传播，到室内天线时, 已经过了电波直射、 折射， 到家庭中时, 又经过房屋四壁反射, 这些不同强度相位波的叠加就形成了上面的多种现象。这种现象我们称之为多径衰落。多径衰落直接影响了电视图像质量, 如图3所示。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 在移

3、动通信中, 接收信号的强弱值称为场强。为了表征电波传播的特性, 特用统计分析的方法, 采用统计的数字特征来描述。 (1) 场强中值。 具有50的概率场强值称为场强中值, 这是一个统计平均值, 如图7.4所示。在图中, 场强变化曲线高于规定电平值的持续时间, 占统计时间一半时, 则所规定的那个电平值即为场强中值。图中的T为统计时间, 规定电平值为E0。在周期T内, 高于E0的值的时间段有t1, t2, t3。如果统计时间T足够长, 则在T时间内超过E0的概率为 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 P()= %1

4、00321Tttt用一般式表示为 %100(%)1TtPini 在上式统计时间T内, 当超过E0值的百分比为50时, 即称E0 为场强中值。 依次类推, 当概率超过50时, 称80或90概率场强值。在实际的应用中, 场强中值恰好等于接收机的最低门限值, 即通信的可通率为50, 这就是说只有50能维持正常通信。 因此,在实际应用中要使场强中值远大于接收机门限, 才能在绝大多数时间保证通信正常进行。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 (2) 衰落深度。 衰落深度定义为接收的电平值与场强中值电平之差, 即以场强中值电平为参考电平, 表明信号起伏偏离其中值电平的幅度。这是电

5、波衰落程度的一种量度(即数字特征), 用电平表示为 衰落深度/dB=20lg 式中, Ei为接收电平值; E0为场强中值。 (3) 衰落速率。 衰落速率描述接收信号场强变化快慢, 即衰落的频繁程度。衰落速率与工作频率、移动体行进速度及行进方向有关。 工作频率越高衰落越快；速度越快衰落越快, 其平均衰落率表示为0EEi第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 N= =1.85103vf (Hz) (7.1.4) 式中, N为衰落率; v为移动体速度单位为km/h; 为波长, 应与v同单位(km)； F为频率, 一般以MHz为单位。 (4) 衰落持续时间。 衰落时间是指场强低于

6、某一给定电平值的持续时间。 在移动通信中, 常会出现移动台收不到电台信号或者中断了信号的情况。这种情况是由于接收到的信号电平值低于接收机门限电平所致。2V第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 2) 在强干扰条件下工作 移动通信, 特别是陆地移动通信的电波在地面受到许多干扰和噪声。噪声主要是人为噪声, 如汽车点火、电火花、发动机噪声等。 主要的干扰是内部的干扰, 有互调干扰、同频干扰、多路干扰、邻道干扰等。另外，还有雷达以及其他种类的移动信号干扰等。 3) 具有多卜勒频移效应 当移动体运动达到一定的速度, 设备接收的载波频率将会随运动速度变化而产生频移, 这种现象称为多卜

7、勒频移。用公式表示为第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术cosvfd 为电波到达时的入射角。 4) 移动用户经常移动 由于移动体经常移动, 它与固定点无固定联系, 加之开、 关的随意性以及电池更换等原因, 带来了呼叫、接续等的复杂情况。所以在移动通信网的信号设计时要考虑的因素很多, 因此技术复杂, 也因此带来了设备价格昂贵影响普及程度等缺点。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术二、移动通信中的电波传播二、移动通信中的电波传播一一电波传播电波传播图 1移动通信系统中的电波传播 信息发送发送设备发送天线电磁波信息接收接收设备接收天线第第2 2章章

8、蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术1.电波传播方式电波传播方式图 2 移动通信电波传播方式示意图 直射波反射波绕射波散射波第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 1) 直射波 电波传播过程中没有遇到任何的障碍物, 直接到达接收端的电波, 称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。 2) 反射波 电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时, 会在物体表面发生反射, 形成反射波。 反射常发生于地表、 建筑物的墙壁表面等。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 3) 绕射波 电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时, 会由阻挡表面产生二次

9、波, 二次波能够散布于空间, 甚至到达阻挡体的背面, 那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。 由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性, 使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。 4) 散射波 电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时, 会在其表面发生散射, 形成散射波。 散射波可能散布于许多方向, 因而电波的能量也被分散于多个方向。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术2.电波传播现象电波传播现象图 3移动通信电波传播路径损耗和多径衰落 阴影效应路径损耗多径衰落移动电台发射台穿透损耗第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 移动通信电

10、波传播最具特色的现象是多径衰落多径衰落, 或称多径效多径效应应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等, 从而使电波沿着各种不同的路径传播, 这称为多径传播。由于多径传播使得部分电波不能到达接收端, 而接收端接收到的信号也是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号, 因而会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象, 这些被称为多径衰落或多径多径衰落或多径效应。效应。 所谓频率选择性衰落频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关, 即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致, 因此衰落信号波形

11、将产生失真。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径, 路径长度不同, 且传输路径随移动台的运动而不断变化, 因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号s0(t)=a0(t)在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号 。时延扩展可直观地理解为在一串接受脉冲中, 最大传输时延和最小传输时延的差值, 即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值, 记为。实际上,就是脉冲展宽的时间。 时延扩展示意图如图4所示。 tjiniieaats)()(10第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图 4 时

12、延扩展示意图 a0n4t第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化(即衰落), 这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。 因此移动通信电波传播中的衰落又常分为慢衰落慢衰落和快衰落快衰落两种。 慢衰落慢衰落(也称长期衰落)指的是接收信号强度随机变化缓慢, 具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落主要是由电波传播中的阴影效应以及能量扩散所引起的, 具有对数正态分布对数正态分布的统计特性。 快衰落快衰落(也称短期衰落或多径衰落)指的是接收信号强度随机变化较快, 具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。快衰落主要是由电波传播中的多径效应所引起的

13、, 具有莱斯分布或瑞利分布的统计特性。当发射机和接收机之间有视距路径时一般服从莱斯莱斯分布分布, 无视距路径时一般服从瑞利分布。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 路径损耗是上述现象的一个综合结果, 指的是信号从发射天线经无线路径传播到接收天线时的功率损耗, 可以用发射天线的绝对功率电平与接收天线的绝对功率电平之差值来表示。路径损耗的一个主要原因是电波会随着距离而扩散, 从而使接收机的接收功率随着传输距离的增加而减小; 路径损耗的另一个原因是地表以及地表上的各种障碍物的影响。因而, 影响路径损耗的几点要素是: 传输距离、天线高度和频率间隙等。例如, 发射机的功率电平

14、是10 dB, 若路径损耗为50 dB, 则接收机的接收功率电平是-40 dB。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 3.电波传播的分类电波传播的分类 当电波频率、移动体和电波传播环境不同时, 电波传播特性也不相同。在对电波传播特性进行研究时, 可以根据电波的频率分为甚低频(VLF)、低频(LF)、中频(MF)、高频(HF)、甚高频(VHF)、 特高频(UHF)和更高频(超高频、极高频等)几种情况。 其中甚高频和特高频是目前移动通信电波传播研究工作应侧重的频段。 电波传播也可以根据移动通信系统的类型, 分为陆地移动通信的电波传播、海上移动通信的电波传播、空中移动通信的

15、电波传播和卫星移动通信的电波传播等。而陆地移动通信的电波传播又可分为自由空间电波传播、 建筑物内电波传播、 隧道内电波传播、 小区(微小区、 微微小区)电波传播等。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图5 不同途径的电波传播示意图(a) 沿地球表面传播的地波; (b) 沿空间直射或经地表反射传播的空间波;(c) 沿空间经电离层反射或折射传播的空间波 地球发射天线接收天线发射天线地球发射天线接收天线地球(a)(b)接收天线(c)第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 1) 地形的分类与定义 各种各样的地形可归结为两大类: 准平坦地形和不规则地形。

16、所谓准平坦地形是指在电波传播路径上, 地面起伏平缓, 起伏高度不超过20 m, 峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度的地形。 当然, 平坦地形也包括在这一类中。所谓不规则地形是指除准平坦地形之外的所有地形, 如丘陵、孤立山岳、倾斜地带和水陆混合地形等。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 2) 地物的分类与定义 (1) 开阔地。呈开阔状地面, 在电波传播的路径上无高大树木或建筑物, 或在400 m内没有任何阻挡物的场地, 如荒野、广场、 沙漠和戈壁滩等。 在这种情况下, 到达接收端的大都是直射波, 相当于电波在自由空间中传播的情况。 (2) 郊区。在电波传播的路径上有

17、些高度较低且分布稀疏的障碍物, 如果木林, 郊区公路网和树木、房屋稀少的田园地带等。 (3) 市区。有密集的建筑物和较多的高层楼房区域, 如城市市区和茂盛林区等。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术4.典型电波传播的分析典型电波传播的分析 1) 自由空间电波传播 自由空间是指相对介电常数和导磁率为1的均匀介质所存在的空间, 该空间具有各向同性、电导率为零的特点, 它是一种理想的传播环境。 电波在自由空间传播时与在真空中传播一样, 只有直线传播的扩散损耗。 对于移动通信系统而言, 其自由空间路径损耗Lbs仅与传输距离d和电波频率f有关, 而与收、发天线增益无关。可用下式

18、来表示: Lbs=32.44+20lgd+20 lgf 式中, 传输距离d的单位为km, 电波频率f的单位为MHz，Lbs单位为dB。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 从上式可看出,传播距离d越远, 自由空间路径损耗Lbs越大, 当传播距离d加大一倍时, 自由空间路径损耗Lbs就增加6dB; 电波频率f越高, 自由空间路径损耗Lbs就越大, 当电波频率f提高一倍时, 自由空间传播损耗Lbs就增加6 dB。 在无线电传播中, 自由空间传播是最简单的形式。当讨论其他传播方式时, 常用自由空间传播作为参考。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术

19、2) 由建筑物外部向内部的穿透传播 发射机在建筑物外部时, 电磁波可能会在穿透建筑物后继续传播, 称为穿透传播。 穿透传播会造成穿透损耗。穿透损耗可定义为建筑物室外场强与室内场强之比(用dB表示)。影响穿透损耗的几点要素有建筑物结构(砖石、 钢筋混凝土、 土等)和建筑物厚度、电波频率、 楼层高度、进入室内的深度等。 简单来说, 钢筋混凝土结构的穿透损耗大于砖石或土结构的穿透损耗; 建筑物厚度大的穿透损耗比厚度小的低; 电波频率越高, 穿透能力越强, 越容易通过门窗到达室内, 越有利于在建筑物内部传播; 楼层越高, 穿透损耗越小; 建筑物内的损耗随电波穿透深度(即进入室内的深度)而增大。 第第2

20、 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术5.电波传播的估算电波传播的估算 对移动环境中电波传播特性的研究, 可以采用两种方法: 理论分析方法和实测分析方法。 理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播, 在确定收发天线的高度、 位置和周围环境的具体特征后, 可根据直射、折射、反射、散射、透射等波动现象, 用电磁波理论计算电波传播路径损耗及有关信道参数。实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试, 并用计算机对大量实测数据进行统计分析。 这两种方法最终都要建立有普遍适用性的数学模型, 以进行传播预测。 在实际工作中, 人们往往把二者结合起来, 从而能够实现对电波传播特性更准确的估算

21、。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术移动通信的电波传播估算 1VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性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）第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术一、一、VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性图图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散射波传播距离第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术1.1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

22、射等现象而直接到达接收点的传播方式称为直射波传播。直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗Lbs, Lbs的表示式为 )(lg20lg2045.32dBfdLbs式中, d为距离(km), f为工作频率(MHz)。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术1.2视距传播的极限距离视距传播的极限距离图2 视距传播的极限距离 ACd1d2BohThRR第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 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. 30kmmhmhd

23、TR 由此可见, 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, 可得修正后的视距传播的极限距离d0为 )()()(12. 40kmmhmhdTR第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术1.3绕射损耗绕射损耗图3 菲涅尔余隙（a） 负余隙; （b）正余隙 hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RR hRTThTd1Pxd2第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系

24、如图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4可见，当横坐标x/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。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术1.4反射波反射波图5 反射波和直射波 d1d2hRacbhT第第2

25、2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术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, 接收机接收端收到的合成信号为 )(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

26、(t)为第i条路径的相位滞后，i(t)=-ci(t)。 经大量观察表明，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，故上式可以写成 tttRtttRtRciniiciniisin)(sin)(cos)(cos)()(11第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术设: niiisniiicttRtxttRtx11)(sin)()()(cos)()(则上式可写成 )(cos)()(sin)()(cos)()(tttUttxttxtRccscc式中: U(t)为合成波R(t)的包络； (t)为合成

27、波R(t)的相位。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术)()(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，为噪声方差，r为接收信号的损失幅度，则包络概率密度函数p(r)和相位概率密度函数p()分别为： 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术2222exp)(rrrp0r+ 21)(p

28、02 均值 2533. 12)(0drrrprErmean方差 222022224292. 0222)(drrprrErEr第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术1.6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），这时，接收端接收信号的包络为莱斯（Riceam）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，r为接收信号的瞬时幅度，为噪声方差， I0（）为第一类0阶Bessel函数。设 )(2lg1022dBAK第第2 2章章 蜂窝移动

29、通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术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）2.1EgliJohnJ.场强计算公式场强计算公式 在实际中，由于移动通信的移动台在不停地运动。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较大的麻烦。 Egli John J.提出一种经验模型，并根据此模型提出经验修正公式，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，其修正值为 f40lg20式中, f为工作频率，以MHz为单位。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术这样，不平坦地区的场强公式为 fdhhdBEdBE

30、40lg204lg20)()(210或者说，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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术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，移动台天线高度为110 m，传播距离为120 km。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术1

31、.市区传播衰耗中值市区传播衰耗中值(3-18) 图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。 可以看出随着工作频率的升高或通信距离的增大，传播衰耗都会增加。图中，纵坐标以分贝计量，这是在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)， 求得的衰耗中值的修正值Am(f, d)。 换言之， 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Lbs才是实际路径衰耗LT， 即 ),(dfALLmbsT第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图图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

32、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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 例例1 当d=10 km, hb=200 m, hm=3 m, f=900 MHz时，由式（-）可求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为dBfdLbs5 .111900lg2010lg2045.32lg20lg2045.32查图

33、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区准平滑地形的传播衰耗中值为 dBdfALLmbsT5 .141305 .111),(第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图7 基地站天线高度增益因子Hb(hb,d) 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第第2

34、 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 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 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT例例2 在前面

35、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。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术查图7得 dBHdhHbbb12)10,50(),(查图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

36、(5 .141),(),(),(第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图图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

37、因子Qo / dB准开阔区修正因子Qr / dBQrQo第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术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11所示。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图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 k

38、mhh的定义10%90%第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术(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，90

39、0 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。当山岳高度不等于200 m 时，查得的Kjs值还需乘以一个系数 07. 0H第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图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

40、动台)H200 m第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术(3)斜坡地形的修正因子。斜坡地形的修正因子。图图14斜坡地形修正因子斜坡地形修正因子Ksp201001020201001020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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术(4) 水陆混合地形的修正因子。 图图15水陆混合地形的修正因子水陆混合地形的修正因子Ks1008060402005101520水面距离与全距离的比率(dSR / d ) / %水陆混合路径修正因子Ks / d

41、Bd30 kmd60 kmAABB水面水面T(基地站)(移动台)R(移动台)RT(基地站)dSRddSRd(A)(B)第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术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。 自由空间的传播衰耗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第第2 2章章 蜂

42、窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 (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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 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 TPP

43、CKPP第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 例例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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 (2) 市区准平滑地形的衰耗中值。 由图6查得 dBAdfAmm5 .30)20,450(),(由图7查得 dBHdhH

44、bbb10)20,70(),(由图8查得 dBHfhHmmm3)450, 5 . 1 (),(第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术所以，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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术例例4若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且m =15 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9查

45、得 dBKmr5 . 8由图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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术(2) 建筑物的穿透衰耗Lp。 各个频段

46、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第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术表表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

47、，Lp不是一个固定的数值，而是一个030 dB的范围， 需根据具体情况而定, 参见表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。 第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术图17 信号衰耗与楼层高度 14楼层12108642001010203040衰耗 / dB第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术(3) 植被衰耗Lz图18 森林地带的附加衰耗 zbLLL00.40.30.20.100.40.30.20.1100005000305010020050010002000f / MHz附加损耗 / (dB / m)A : 垂直极化B : 水平极化第第2 2章章 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术(4) 隧道