第2章_移动通信的电波传播

主要内容：1移动信道中的电波传播特性2移动通信中的衰落3电波传播损耗的估算第二章移动信道中的电波传播3.1VHF、UHF电波的传播特性对电波特性的研究关系到一系列的系统设计问题天线高度的确定通信距离的计算如何保证优质可靠的通信3.1VHF、UHF电波的传播特性移动通信主要使用的频段（VHF、UHF）电波传播特性：150MHz频段专用通信、传呼等450MHz频段集群通信、模拟手机等900MHz频段公共移动通信1800MHz频段公共移动通信2000MHz频段第三代移动通信系统（3G）与传输距离、传播环境的反射物、障碍物和移动的速度有关移动通信的主要传播路径（VHF、UHF）电波传播的路径移动通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约，移动无线信道具有多样性典型的移动通信系统的传播路径：直射波、反射波和散射波在分析移动通信的信道时，主要要考虑主要以空间波方式传播典型的移动通信系统的主要的传播路径有三种：电波传播的路径直射波反射波散射波——直线传播。直射波和反射波的影响直射波：)(lg20lg2045.32dBfdLbs式中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)3.1.1直射波直射波可按自由空间中的传播来考虑直射波的传播损耗：在自由空间中,电波沿直线传播，它不被吸收,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。3.1.2视距传播的极限距离视线所能达到的最远距离称为视线距离已知地球半径为R=6370km,设发射天线和接收天线高度分别为ht和hr（单位为m），理论上可得视频传播的极限距离。0d自发射天线顶点A到切点C的距离d1为tRhd21由切点C到接收天线顶点B的距离d2为rRhd22)(221rthhRddd)(12.4rthhd式中，ht、hr的单位是m,d的单位是km。ACd1d2BohThRR当地球半径为R=6370km)())()((57.30kmmhmhdTR考虑大气传播的影响，等效地球半径R=8500kmd绕射：无线电波在传播过程中与尖锐的边缘碰撞，信号能量绕过障碍物传播3.1.3绕射损耗绕射损耗：电波遇到各种障碍物发生绕射所引起的损耗。图3-3（a）负余隙（b）正余隙绕射损耗——菲涅尔余隙菲涅尔余隙：阻挡物的顶点与发射点之间的垂直水平距离绕射损耗与菲涅尔半径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，其中X1称为菲涅尔半径（第一菲涅尔半径）。结论：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檫过时，绕射损耗约为6dB;当x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。21211ddddx菲涅尔半径：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，因此在原则基站位置时，尽量使x/x10.5绕射损耗与菲涅尔半径例3–1设图3-3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。[]32.44201(510)201150bsLgg（2）求第一菲涅尔区半径x1为mddddx7.811015101105234321211(4)电波传播的损耗L为[][]17116.5bsLLdB解:（1）自由空间传播的损耗Lbs为99.5dB（3）查图3-4得附加损耗(x/x1≈-1)为17dB反射波：电磁波在传播过程中，从不同建筑物或其它物体反射后到达接收点的传播信号。3.1.4反射波反射波与直射波的周期相同，但相位可能不同，导致接收到的信号与原信号有所差异反射波与直射波行程差反射波与直射波到达接收点的相位差反射波对直射波的影响3.1.5移动通信环境的几个效应及其衰落特性阴影效应多径效应多普勒效应以前还学过什么效应？快衰落与慢衰落慢衰落：电波在传播路径上遇到起伏的山丘、建筑物、树林等障碍物阻挡，形成电波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落。通常把这种现象称为阴影效应，由此引起的衰落又称为阴影慢衰落。快衰落：移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象叫快衰落。阴影效应：当电波在传播路径上遇到障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影，造成接收天线处场强中值的变化，这种现象就称为阴影效应,引起衰落就称阴影衰落.阴影效应表现为慢衰落多经效应：由散射，反射所引起的多经传播，表现为快衰落多径效应多普勒效应指当移动台在运动中通信时，相对速度引起频移。频移与速度和入射波方向有关。可用下式表示：式中，是入射电波与移动台运动方向的夹角，v是运动速度，是波长。多普勒效应多普勒效应：移动体的运动引起的，表现为快衰落多普勒效应快衰落产生的原因：多径效应多普勒效应三种典型情况：1、只有多径效应（移动台静止或移动缓慢）01()cos[2-]NiiistAft00()cos[2]stAft假设发射信号是001()cos[2]+cos[2(cos)]NiivstAftft2、只有多普勒效应3、多径传播+多普勒效应（移动台高速移动）0()cos[2(cos)]vstAft多普勒频移)(2][253.12][22平均功率均方值值均rErEm瑞利信号的数字特征：瑞利衰落-包络统计特性在移动通信中，如果存在一个起支配作用的直达波（未受衰落影响），此时，接收端接收信号的包络为莱斯（Riceam）分布。莱斯衰落000,0)()(202)(2222rrAArIerrPArA为直达波的振幅，r为接收信号的瞬时幅度，为噪声的方差衰落储备为防止因衰落而引起通信的中断，在信道设计时，必须使信号电平保留足够的余量，以使中断率小于规定值。这个电平余量称为衰落储备=中值－最小必需电平传播损耗:传播效应:路径传播损耗慢衰落损耗快衰落损耗移动信道的特征：小结阴影效应远近效应多普勒效应多径效应多普勒效应多径效应阴影效应路径传播损耗：即直射波的传播损耗，可看成自由空间的传播损耗快衰落损耗：（1）由于多经传输而产生的衰落，一般遵从瑞利分布或莱斯分布慢衰落损耗：由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻碍所产生的阴影效应而产生的损耗，一般遵从正态分布传播损耗的分类（小结）绕射损耗：与菲涅尔余隙和菲涅尔半径有关（2）由于接收端的运动引起多普勒频移引起的衰落树衰落呈什么分布？把蓝色那条直达波去掉又呈什么分布？3.2电波传播损耗的估算由于移动信道中电波传播的条件十分恶劣和复杂，要准确地计算信号场强或传播损耗是很困难的，通常采用分析和统计相结合的办法。通过大量实验，找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率、天线高度之间的关系。再分析计算不同地形、地物下的传播损耗。地形环境不同，电波传播特性就不同。将传播环境对地形分类，从而研究不同地形的传播特性从电波传播的角度，可以把千差万别的地形分为两类准平坦地形不规则地形一、地形分类指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，而且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。地形分类准平坦地形不规则地形：指除准平坦地形以外的其它地形。丘陵地形孤立山岳倾斜地形水陆混合地形地形的波动高度Δh描述电波传播路径中地形变化程度。Δh的定义：沿通信方向，距接收地点10km范围内，10%高度线和90%高度线之高度差地形的波动高度各类地形的地面波动高度Δh地形分类二、地物分类不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：①开阔地：在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等。②郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等；③市区：有较密集的建筑物和高层楼房。三、天线有效高度的计算移动台天线的有效高度hm：移动台天线距地面的高度。基站天线的有效高度hb：沿电波传播方向，距基站天线3~15Km的范围内平均地面高度以上的天线高度3.2电波传播衰耗的估算衰耗估算的意义：在各种复杂的环境中，估算电波传播的损耗，为建基站做准备。根据分析计算的结果，划分蜂窝小区，寻找基站位置。考虑建基站的成本以及基站的维护。实际使用后，进行实际测量，完善信号的覆盖。估算预测模型：Egli模型奥村模型3.2.1、EgliJohnJ.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的数值处于不断变化中，因而使用公式计算不平坦地区场强时遇到较大的麻烦。因此，EgliJohnJ.在不规则地形环境中大量实测数据总结出来的经验公式)(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(kmdmhmhMHzfdBLRTA其中hT、hR收发天线的有效高度，单位用米(m)，d是传输距离，单位是公里(km)，频率f单位MHz。3.2.2奥村模型前人进行了很多研究，提出了很多模型，比较有名的有奥村（OM）模型、Hata模型等，本节着重介绍奥村模型。由于移动信道中电波传播的条件十分恶劣和复杂，要准确地计算信号场强或传播损耗是很困难的，通常采用分析和统计相结合的办法。通过大量实验，找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率、天线高度之间的关系。它是由奥村等人在日本东京采用（1）不同的频率（2）不同的天线高度（3）不同的距离进行了一系列的测试，最后给出的经验曲线而构成的模型。思路：以市区传播损耗为基准，对不同的地形和地物，给出相应的修正因子。奥村模型奥村模型适用的范围：频率为：基地站天线高度为：移动台天线高度为:传播距离为:150～2000MHz20～1000m1～10m1～100km奥村模型以平坦地形大城市地区的路径损耗作为基准，对于不同的传播环境（接收和发射天线的高度、频率）和地形、地物条件等因素用校正因子加以修正。1、平坦地形大城市地区的路径损耗:),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT自由空间传播损耗平坦地形基本衰耗中值图3-6基站天线高度因子图3-7移动台天线高度因子图3-8自由空间的传播损耗：奥村模型图3-6大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f,d)1009080706050403020105321d/km300020001000700500300200100101235102030302040504060708090100506070d/km市区hb＝200mhm＝3m基本衰耗中值Am(f,d)/dB频率/MHzAm(1000,1)=?20dB图3-7基地站天线高度增益因子Hb(hb,d)市区hb＝200m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/km70～1006040201～10d/kmHb(30,5)=?-16dB图3-8移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)2000100070040020010010020040010001075321－505101520市区:hm＝3m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400MHz以上200MHz以下f/MHzHm(8,2000)=?14dB例3-2当d=10km,hb=50m,hm=2m,f=900MHz时，求传播损耗？32.4520lg20lgbsLdfdBHHfhHdhHdfALLmbmmbbmbsT5.155)2()12(5.141)900,2()10,50(5.141),(),(),(32.4520lg1020lg900111.5bsLdBdBAdfAmm30)10,900(),(dBHdhHbbb12)10,50(),(dBHfhHmmm2)900,2(),((,)(,)(,)TbsmbbmmLLAfdHhdHhf解:查