第2章_移动通信的电波传播.ppt

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 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 自发射天线顶点A到切点C的距离d1为 由切点C到接收天线顶点B的距离d2为 式中 ht hr的单位是m d的单位是km 当地球半径为R 6370km 考虑大气传播的影响 等效地球半径R 8500km d 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 x1 0 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x 0时 TR直射线低于障碍物顶点 损耗急剧增加 菲涅尔半径 当横坐标x x1 0 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 x1 0 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 2 求第一菲涅尔区半径x1为 4 电波传播的损耗L为 解 1 自由空间传播的损耗Lbs为 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 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 多普勒频移 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 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 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 会产生什么效应 衰落是快衰落还是慢衰落 会产生什么效应 衰落是快衰落还是慢衰落 会产生什么效应 衰落是快衰落还是慢衰落 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 h描述电波传播路径中地形变化程度 h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 h 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 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 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 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 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 2000MHz 20 1000m 1 10m 1 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 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 Am 1000 1 20dB 图3 7基地站天线高度增益因子Hb hb d Hb 30 5 16dB 图3 8移动台天线高度增益因子Hm hm f Hm 8 2000 14dB 例3 2当d 10km hb 50m hm 2m f 900MHz时 求传播损耗 2 郊区和开阔区的传播衰耗中值 图3 10开阔区 准开阔区修正因子 Qo Qr 在例3 2中 把它换为准开阔区 其它条件不变 则损耗为 3 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10km范围内 地形起伏的90 与10 处的高度差 丘陵地的修正指与地形的起伏高度 h有关 图3 11丘陵地形的修正因子Kh 图3 12丘陵地形微小修正值Khf 在丘陵地形中 顶部和底部的衰耗相差很大 因此需要进一步进行修正 在例3 2中 把它换为丘陵地 分别计算位于顶部和谷底时的传播衰耗 h 200m 练习 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 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 Kjs是使用450MHz 900MHz频段 山岳高度H 110 350m时 基本衰耗中值与实测的衰耗中值的差值 并归一化为山岳高度H 200m时的值 当山岳高度不等于200m时 查得的Kjs值还需乘以一个系数 图3 13孤立山岳地形的修正因子Kjs 斜坡地形是指在5 10km内倾斜的地形 若在电波传播方向上 地形逐渐升高 称为正斜坡 倾角为 m 若在电波传播方向上 地形逐渐降低 称为负斜坡 倾角为 m 3 斜坡地形 图3 14斜坡地形修正因子Ksp 4 水陆混合地形的修正因子Ks 图3 15 4 任意地形的信号中值预测 小结 1 计算自由空间的传播衰耗 2 市区准平滑地形的信号中值 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 3 任意地形地物情况下的传播衰耗 任意地形下的传播信号的衰耗LA为 式中 LT为准平滑地形市区的传播衰耗 KT为地形地物修正因子 KT由如下项目构成 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 其余各项为零 其他情况可以类推 开阔区修正因子 斜坡地形修正因子 例3 3某一移动电话系统 工作频率为450MHz 基站天线高度为70m 移动台天线高度为1 5m 在市区工作 传播路径为准平滑地形 通信距离为20km 求传播路径的衰耗 解 1 自由空间的传播衰耗Lbs 由图3 7查得 由图3 8查得 2 市区准平滑地形的衰耗中值 由图3 6查得 市区准平滑地形的衰耗中值 LA LT KT LT 155dB 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 例3 4若上题改为在郊区工作 传播路径是正斜坡 且 m 15mrad 其他条件不变 再求传播路径的衰耗 其它因素的影响 街道走向的影响 电波传播的衰耗中值与街道的走向 相对于电波传播方向 有关 在纵向街道上衰耗较小 横向街道上衰耗较大 建筑物的穿透衰耗 各个建筑物对电波的吸收是不同的 不同的材料 结构和楼房层数 其衰耗的数据都不一样 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 才能保持良好的通话 植被衰耗 树木 植被对电波有吸收作用 隧道中的传播衰耗 空间电波在隧道中传播时 由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗 电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关 频率越高 衰耗越小 当隧道出现分支或转弯时