第2讲 移动通信的电波传播

1、 引言引言1电波传播特性电波传播特性2陆地信道场强计算陆地信道场强计算3无线链路计算无线链路计算41.1.导入导入 传播特性如何直接关系到通信的可靠性传播特性如何直接关系到通信的可靠性。 不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。相同的。 移动信道是最为复杂的，其衰落特性取决于移动信道是最为复杂的，其衰落特性取决于无线电波的传播环境。无线电波的传播环境。 移动信道特性的研究成为热点。移动信道特性的研究成为热点。 移动通信广泛使用移动通信广泛使用VHF和和UHF频段。从移动信道的频段。从移动信道的电磁波传播上看，有三种传播方式：电磁波传播上看，有三种

2、传播方式： 直射波直射波：是指在：是指在视距覆盖范围内无遮挡的传播视距覆盖范围内无遮挡的传播，是，是超短波、微波的主要传输方式，经直射波传播的信号最超短波、微波的主要传输方式，经直射波传播的信号最强。强。 反射波反射波：是指：是指从不同建筑物或其他反射体反射后到从不同建筑物或其他反射体反射后到达接收点的传播信号达接收点的传播信号，其信号强度较直射波弱。，其信号强度较直射波弱。 绕射波绕射波：从：从较大建筑物或山丘绕射后到达接收点的较大建筑物或山丘绕射后到达接收点的传播信号传播信号。它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强。它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度亦较直射波弱，与反射波相当。度亦较

3、直射波弱，与反射波相当。2. 2. 移动信道研究的基本方法移动信道研究的基本方法 理论分析：用电磁场理论或统计理论分析电理论分析：用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种波在移动环境中的传播特性，并用各种数学模型数学模型来描述移动信道。来描述移动信道。 现场电波传播实测：在不同的传播环境中，现场电波传播实测：在不同的传播环境中，做电波传播的实测试验。做电波传播的实测试验。信号场强测试和误码率信号场强测试和误码率测试。测试。 移动信道的计算机模拟。移动信道的计算机模拟。3. 3. 影响传播环境的主要因素影响传播环境的主要因素 自然地形自然地形 建筑的数量、高度、分布和材料建

4、筑的数量、高度、分布和材料 天气状况天气状况 电磁噪声状况电磁噪声状况 系统工作频率和移动台运动状况系统工作频率和移动台运动状况4. 4. 解决的三个问题解决的三个问题 信号可能发生的变化及原因信号可能发生的变化及原因 变化对传输质量和性能的影响变化对传输质量和性能的影响 采用哪些方法和技术采用哪些方法和技术 这些影响这些影响1. 1. 电波传播的方式电波传播的方式 2. 2. 电波衰落电波衰落 1）自由空间的传播损耗：）自由空间的传播损耗： 自由空间自由空间: 指相对指相对介质电常数和磁导率为介质电常数和磁导率为l l的均的均匀介质所存在的空间。匀介质所存在的空间。 自由空间路径损耗自由空间

5、路径损耗计算公式：计算公式： 2）多径效应：）多径效应： 2）多径效应：）多径效应： 多径衰落：多径衰落：由于多径现象所引起的衰落。由于多径现象所引起的衰落。 最大衰落速率计算：最大衰落速率计算： 驻波场强：驻波场强： 多径衰落的空间描述：多径衰落的空间描述：接收信号的强度随距离接收信号的强度随距离的变动呈现衰减。的变动呈现衰减。2）多径效应：）多径效应： 多径衰落的时间描述：多径衰落的时间描述：时延扩展时延扩展 时延扩展时延扩展()()：由于多径效应引起的接收信号由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现象。中脉冲的宽度扩展的现象。 相关带宽：相关带宽：两衰落信号相关时的两衰落信号相关时

6、的频率间隔频率间隔，是对，是对信道传输信号带宽能力的统计度量。信道传输信号带宽能力的统计度量。 二者的关系：二者的关系：时延扩展时延扩展越大，相关带宽越窄，信越大，相关带宽越窄，信道容许传输的不失真频带就越窄；反之，道容许传输的不失真频带就越窄；反之， 越小，越小，相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。3 3）阴影效应）阴影效应 随着车辆的运动，信号场强中值也在缓慢地随着车辆的运动，信号场强中值也在缓慢地起伏，它起因于建筑物和起伏地形的起伏，它起因于建筑物和起伏地形的阴影效应阴影效应，故称之为故称之为地形衰落地形衰落（慢衰落）。（慢衰落）。

7、慢衰落：还有由于大气折射状况，使得信号场慢衰落：还有由于大气折射状况，使得信号场强随时间缓慢地变化。强随时间缓慢地变化。 慢衰落服从慢衰落服从正态分布正态分布。 1. 1. 地形、地物分类地形、地物分类 1）地形分类和定义）地形分类和定义 准平滑地形：准平滑地形：在电波传播路径上地形断面的起伏量在电波传播路径上地形断面的起伏量在在20m以下以下，且起伏变化缓慢的平坦地形。，且起伏变化缓慢的平坦地形。 不规则地形：不规则地形：除准平滑地形之外均属于不规则地除准平滑地形之外均属于不规则地形形 丘陵地形丘陵地形 孤立山岳孤立山岳 倾斜地形倾斜地形 防水混合通路防水混合通路 2）地物分类和定义：）地物

8、分类和定义： 开阔地开阔地：在电波传播的方向上无高大树木、在电波传播的方向上无高大树木、建筑物等障碍物，地面呈开阔状态一般定义为建筑物等障碍物，地面呈开阔状态一般定义为在电波传播方向在电波传播方向300一一400m以内无障碍物的开阔以内无障碍物的开阔原野为开阔地。原野为开阔地。 郊区地郊区地：移动台附近处有障碍物但不稠密的移动台附近处有障碍物但不稠密的地区。地区。 市区市区：指有两层以上建筑物的稠密地区。指有两层以上建筑物的稠密地区。 3）地形波动高度，基地台、移动台有效）地形波动高度，基地台、移动台有效高度高度 地形波动高度地形波动高度(h)：沿通信方向，距离接沿通信方向，距离接收点收点10

9、km范围内，范围内， 10%10%高度线和高度线和90%90%高度线高度线之间的高度差之间的高度差。 10%10%高度线高度线: :在地形剖面图的有在地形剖面图的有10%10%的地段高的地段高度超过此线的一条水平线。度超过此线的一条水平线。 3）地形波动高度，基地台、移动台有效）地形波动高度，基地台、移动台有效高度高度 基地台天线有效高度基地台天线有效高度(hb )：若天线的有效高若天线的有效高度为度为hb，地面的平均高度为，地面的平均高度为hgb，海拔高度为，海拔高度为htg，则为，则为基地台天线有效高度基地台天线有效高度 3）地形波动高度，基地台、移动台有效）地形波动高度，基地台、移动台有

10、效高度高度 移动台天线高度移动台天线高度( (hm) )：在地面以上的高度，在地面以上的高度，包括车体高度，通常包括车体高度，通常hm3m2.2.平滑地形电波传播特性及场强中值的计算 1）市区损耗中值）市区损耗中值 与工作频率与工作频率f f及与通信距离及与通信距离d d的关系。的关系。 当市区道路方向和电波传播方向平行或垂直时，当市区道路方向和电波传播方向平行或垂直时，相对基准中心值，的修正因子曲线。相对基准中心值，的修正因子曲线。 准平滑地形，城市街道地区的基本衰耗中值准平滑地形，城市街道地区的基本衰耗中值市区纵向(a)和横向(b)场强中值对基准中值的修正值 由曲线上查得的市区衰耗中值由曲

11、线上查得的市区衰耗中值Am(f，d)加上自由中间的传播衰耗加上自由中间的传播衰耗Lbs才是实际路径才是实际路径衰耗衰耗LM： LM=Lbs+Am(f，d)2）天线高度与场强的关系）天线高度与场强的关系 在准平滑地形上，基地台天线有效高度相对在准平滑地形上，基地台天线有效高度相对增益增益H Hb b(h(hb b,d),d)，其计算曲线如图。移动台天线有效，其计算曲线如图。移动台天线有效高度相对增益高度相对增益H Hm m(h(hm m,d),d)，其计算曲线如图。，其计算曲线如图。 基地台天线有效高度增益因子曲线基地台天线有效高度增益因子曲线移动台天线有效高度增益因子曲线移动台天线有效高度增益

12、因子曲线总结总结：准平滑市区的中值传输损耗：准平滑市区的中值传输损耗LT： LT=Lbs+Am(f，d)-Hb(hb，d)-Hm(hm,d)3）效区和开阔地的衰耗中值）效区和开阔地的衰耗中值 郊区地和开阔地的衰耗中值可用郊区地和开阔地的衰耗中值可用市区衰市区衰耗中值耗中值作为作为基准值基准值，再经适当的修正得到。，再经适当的修正得到。 郊区地场强中值修正值为郊区地场强中值修正值为k kmrmr(f,d)(f,d) 开阔地及准开阔地修正值分别为开阔地及准开阔地修正值分别为Qo(f)、Qr(f)3.3.各种不规则地形、地物的传播特性及计算 1）丘陵地场强中值修正值）丘陵地场强中值修正值 相对于相对

13、于准平滑地形的市区电场中值准平滑地形的市区电场中值即基准即基准中值的修正值为中值的修正值为K Kh h(h)(h) ，其曲线。，其曲线。 由于地形起伏不同，位置上的场强偏差较大，由于地形起伏不同，位置上的场强偏差较大，故需要作进一步修正。其修正值故需要作进一步修正。其修正值K Khfhf(h)(h)及曲线。及曲线。 2）水陆混合地形的修正值）水陆混合地形的修正值 三种不同分布情况：三种不同分布情况：移动台一侧有水；移动台一侧有水；基地台一例有水；基地台一例有水；水处在陆地中间，即基地水处在陆地中间，即基地台、移动台在陆上，中间为水。其修正值分别用台、移动台在陆上，中间为水。其修正值分别用 和和

14、 ，其曲线。，其曲线。)/(ddKsRs)/(ddKsrs3 3）倾斜地形的修正值）倾斜地形的修正值 地形处于倾斜状态且距离为地形处于倾斜状态且距离为5km以上的范以上的范围，平均倾角围，平均倾角m m（以弧度表示）的修正值（以弧度表示）的修正值K Kspsp(m m.d).d)曲线如图。曲线如图。4 4）孤立山岳的修正值）孤立山岳的修正值 孤立山丘的定义及修正值孤立山丘的定义及修正值 曲线如图。曲线如图。)(12ddKfm 总结：总结：应用应用Okumura(Okumura(奥村奥村) )模型进行传播衰耗计算的步骤：模型进行传播衰耗计算的步骤： 4）Hata(哈塔哈塔)模型模型 适用频率范围

15、适用频率范围150Mhz1.5Ghz 150Mhz1.5Ghz 根据根据OkumuraOkumura曲线所作的经验公式，以曲线所作的经验公式，以市区传播损耗市区传播损耗为基准，并对其它地区进行修为基准，并对其它地区进行修正。正。 市区路径损耗公式，在市区路径损耗公式，在1km1km以上，结果以上，结果与与OkumuraOkumura非常接近。非常接近。 缺点：适用于大区制移动系统。缺点：适用于大区制移动系统。 (1)市区衰耗经验公式市区衰耗经验公式：其中，是移动台天线高度的修正因子，对于中、其中，是移动台天线高度的修正因子，对于中、小城市的值为小城市的值为对于大城市，其值为：对于大城市，其值为

16、： )(lg)lg5 . 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69dBdhhhfLbmbp)(mh)(mh)8 .0lg5 .1 ()7 .0lg(10.1)(fhfhmm1 . 1)54. 1(lg29. 8)(2mmhhMHzf20097. 4)75.11(lg2 . 3)(2mmhhMHzf400（2）郊区和开阔地修正因子经验公式：郊区地：郊区地：其中：其中：开阔地：开阔地：)(24. 604. 0)10(56. 0lg57. 5)(lg77. 122dBddffKmr94.40lg33.18)(lg78. 420ffQkmd20kmd201)20(kmdKKmrmr（3

17、）丘陵地修正因子经验公式：）丘陵地修正因子经验公式： Khf(h)是对不同位置的修正，可用所求点的偏离平均高度值来代替h求得。（4）水陆混合修正因子经验公式：）水陆混合修正因子经验公式：（5）倾斜地形修正因子经验公式：）倾斜地形修正因子经验公式：mmmspddK4 . 0002. 0008. 02（6）孤立山岳的修正因子经验公式：）孤立山岳的修正因子经验公式：H07. 0f038. 0其中其中4.4.场强中值的场强中值的计算 基地台有效天线高度为基地台有效天线高度为30m，发射机工作频率为，发射机工作频率为450MHz，移动，移动台天线高度台天线高度h hm m=1.5m=1.5m，工作在准平

18、坦地，工作在准平坦地形的大城市的郊区，通信距离为形的大城市的郊区，通信距离为10km，求传播路径损耗预测值。，求传播路径损耗预测值。 解：解：自由空间路径损耗自由空间路径损耗Lbs： Lbs=32.45+20lg450+20lg10=105.4dB 计算准平滑地形市区的衰耗中值：计算准平滑地形市区的衰耗中值： 查图查图2-8得：得：Am(f,d)=Am(450,10)=27.5dB 查图查图2-10得：得：Hb(hb,d)=Hb(30,10)=-15dB 查图查图2-11得：得：Hm(hm,f)=Hm(1.5,450)=-3dB 所以准平滑地形市区的衰耗中值：所以准平滑地形市区的衰耗中值： L

19、T=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) =105.4+27.5-(-15)-(-3)=150.9dB 计算任意地形地物情况下的衰耗中值：计算任意地形地物情况下的衰耗中值： 依据已知条件为郊区：依据已知条件为郊区：KT=Kmr(f,d) 查图查图2-12得：得：Kmr(f,d)=Kmr(450,10)=12.8dB LA=LT-KT=150.9-12.8=138.1dB注：用注：用Hata的经验公式计算，结果也相近。的经验公式计算，结果也相近。 另：另：在给定发射功率的条件下，淮平滑地形在给定发射功率的条件下，淮平滑地形的市区接收点的的市区接收点的功率中值功率中值：式中，

20、式中， 是给定发射功率在自由空间传播下的接收信是给定发射功率在自由空间传播下的接收信号的功率。号的功率。式中，式中， 是发射机送至天线的发射功率，是发射机送至天线的发射功率， 是工作波是工作波长，长， )()()(0fhHdhHdfAPPmmbbmp0PmbiGGdPP20)4(iP分别表示基地台和移动台的天线增益。 在任意地形、地物的情况下，接收功率中值在任意地形、地物的情况下，接收功率中值可用下式计算：可用下式计算：式中，式中， 值为值为TppKPP0TK 在计算收发天线间的电波传播衰耗中值时，可在计算收发天线间的电波传播衰耗中值时，可用下式：用下式：式中，式中， 为为准平滑地形的市区衰耗

21、中值准平滑地形的市区衰耗中值，即，即TTMKLLTL)()()(fhHdhHdfALLmmbbmbsT5.5.建筑物穿透衰减的预测建筑物穿透衰减的预测 建筑物穿透衰减建筑物穿透衰减：指电波由建筑物外进入室内的衰：指电波由建筑物外进入室内的衰减。减。 其大小其大小：建筑物附近街道上的场强中值与在建筑物：建筑物附近街道上的场强中值与在建筑物一楼测得的场强差。一楼测得的场强差。 150一一400MHz：频段的建筑物穿适衰减较小。：频段的建筑物穿适衰减较小。 穿透衰减还随测量点的高度变化而变化，一楼和二穿透衰减还随测量点的高度变化而变化，一楼和二楼有明显差别。在二楼以上，随高度的增加穿透衰减大楼有明显

22、差别。在二楼以上，随高度的增加穿透衰减大体上直线下降。体上直线下降。 电波传播电路计算电波传播电路计算（覆盖区域计算）：任务是根（覆盖区域计算）：任务是根据通信质量要求，对据通信质量要求，对无线区的覆盖无线区的覆盖或或基站天线高度基站天线高度作出比较符合实际的预测。作出比较符合实际的预测。 计算步骤：计算步骤： 1 1）确定服务区及无线区域组成、合格的话音质）确定服务区及无线区域组成、合格的话音质量、可靠通信概率；量、可靠通信概率； 2 2）预定无线设备方案并进行电波传播电路计算，）预定无线设备方案并进行电波传播电路计算，即考虑噪声、衰减等因素后计算区域覆盖或天线高即考虑噪声、衰减等因素后计算

23、区域覆盖或天线高度；度； 3 3）从技术、成本及使用等方面综合分析，对设）从技术、成本及使用等方面综合分析，对设备方案或无线区域组成进行适当调整。备方案或无线区域组成进行适当调整。1. 1. 话音质量话音质量 优优 5级：几乎无噪声；级：几乎无噪声； 良良 4级：有使人注意的轻微噪声；级：有使人注意的轻微噪声； 中中 3级：有使人烦恼的噪声；级：有使人烦恼的噪声； 差差 2级：有使人非常烦恼的噪声；级：有使人非常烦恼的噪声； 劣劣 1级：话音几乎不可懂。级：话音几乎不可懂。 一般系统设计：话音信噪比一般系统设计：话音信噪比S0/N020dB; 我国移动用户与固定电话通话：大于或等于我国移动用户

24、与固定电话通话：大于或等于29dB 2. 2. 接收机允许输入的最小信噪比接收机允许输入的最小信噪比 门限电平门限电平：输入信号电平和噪声信号：输入信号电平和噪声信号的峰值相等时的输入电平；的峰值相等时的输入电平； 信号和噪声有效值功率信号和噪声有效值功率比为比为9dB，调，调频门限信噪比约为频门限信噪比约为9dB。经推导可得：max32)(23)(fBfNSNSiiioo 以上说明接收机允许的最小输入信噪比以上说明接收机允许的最小输入信噪比 和音频输出信噪比之间的关系，也就是说调频接收和音频输出信噪比之间的关系，也就是说调频接收机的信噪比改善度可以用机的信噪比改善度可以用 表示：表示： iiNS /FMGimFMBffG3223lg10接收机允许的最小输入信噪比为接收机允许的最小输入信噪比为： 式中，式中， 移动通信网中最大可能的信号转发次数。移动通信网中最大可能的信号