移动通信-第三章.ppt

第三章 移动通信电波传播 无线电波传播特点 由移动所带来的随机性 复杂的路径带来信号电平的衰耗 移动台的速度也会对信号电平的衰落带来影响 传播模型的建立 集中于给定范围内平均接收场强的预测 和特定位置附近场强的变化 分为大尺度传播模型和小尺度传播模型 1大尺度传播模型 描述发射机和接收机之间 T R 长距离 几百米或几千米 上的场强变化的模型 2描述短距离 几个波长 或短时间 秒级 内的接收场强的快速波动的传播模型 3 1VHF UHF频段电波传播特性 当前陆地移动通信主要使用的频段VHF和UHF 即150MHz 450MHz 900MHz 1800MHz 其频率收发间隔分别为 5 7MHz 10MHz 45MHz 95MHz 移动通信中传播的方式主要有直射波 反射波 绕射波 散射波和地表面波等传播方式 在分析移动通信信道时 主要考虑直射波和反射波的影响 图3 1为典型的移动信道电波传播路径 图3 1典型的移动信道电波传播路径 3 1 1直射波 直射波传播 在自由空间中 电波沿直线传播而不被吸收 也不发生反射 折射和散射等现象而直接到达接收点的传播方式 直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗 其中 d为距离 km f为工作频率 MHz 3 1 2视距传播的极限距离 视线所能到达的最远距离称为视线距离d0 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m 理论上可得视距传播的极限距离为 当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后 等效为地球半径R 8500km 可得修正后的视距传播的极限距离 3 1 3绕射损耗 绕射 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射 由阻挡表面产生的二次波散布于空间 甚至于阻挡体的背面 绕射损耗 各种障碍物对电波传输所引起的损耗 菲涅尔余隙 设障碍物与发射点 接收点的相对位置如图3 3所示 图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离 在传播理论中x称为菲涅尔余隙 a 负余隙 b 正余隙图3 3菲涅尔余隙 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擦过时 绕射损耗约6dB 当x 0时 TR直射线低于障碍物顶点 损耗急剧增加 图3 4绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系 3 1 4反射波 电波在传输过程中 遇到两种不同介质的光滑界面时 就会发生反射现象 图3 5给出了从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况 反射波与直射波的行距差为 两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差为 图3 5反射波和直射波 3 1 5散射 散射 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时 发生散射 散射波产生于粗糙表面 小物体或其他不规则物体 在实际的通信系统中 树叶 街道标志和灯柱等会引发散射 3 1 6多径效应与瑞利型衰落特性 设发射机发出的信号为 则接收机接收端收到的合成信号为 式中为第i条路径的接收信号 为第i条路径的传输时间 为第i条路径的相位滞后 3 8 和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 可以认为是缓慢变化的随机过程 所以 3 8 式可写成 3 9 设 则 3 9 式可写为 为合成波的包络 为合成波的相位 通常满足瑞利分布 相位满足均匀分布 可视为一个窄带过程 则 由上式可得出瑞利衰落的一些特性 均值为 方差为 3 1 7莱斯 Riceam 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 此时 接收端接收信号的包络为莱斯 Riceam 分布 设 若 莱斯分布瑞利分布 3 2电波传播特性的估算 工程计算 3 2 1Egli John J 场强计算公式 在实际中 由于移动通信的移动体在不停地运动 计算绕射损耗中的x x1的数值处于变化中 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 则不平坦的场强公式为 或者说 不平坦地带传播衰减为 如果h1 h2用米表示 d用公里 km 表示 f用MHz表示 则 常用的传播模型 室外 Longley Rice模型 应用于f为40MHz到100GHz之间 不同种类的地形中点对点的通信系统 可以做到点到点方式的预测和区域预测 Durkin模型 建立访问服务区的地形数据库 可看成是二维阵列 然后计算沿径向的路径损耗 最后仿真的接收机位置可被重复地移动到服务区不同的位置来推导出信号场强轮廓 Okumura模型 应用最广泛 Hata模型 根据Okumura曲线图所作的经验公式 频率范围从150MHz到1500MHz 以市区传播损耗为标准 其他地区在此基础上进行修正 Walfish和Bertoni模型宽带PCS微蜂窝模型 室内 室内信道分为视距和阻挡两种 分隔损耗 同楼层 模型楼层间分隔损耗模型对数距离路径损耗模型Ericsson多重断点模型衰减因子模型 3 2 2奥村 Okumura 模型 OM模型 Okumura模型 由奥村等人 在日本东京 使用不同的频率 不同的天线高度 选择不同的距离进行一系列测试 最后绘成经验曲线构成的模型 思路 将城市视为 准平滑地形 给出城市场强中值 对于郊区 开阔区的场强中值 则以城市场强中值为基础进行修正 对于 不规划地形 也给出了相应的修正因子 由于这种模型给出的修正因子较多 可以在掌握详细地形 地物的情况下 得到更加准确的预测结果 OM模型适用的范围 频率150MHZ 1500MHZ 可扩展到3000MHz 基地站天线高度为30 200米 移动台天线高度为1 10米 传播距离为1 20千米的场强预测 市区传播衰耗中值在城市街道地区 电波传播衰耗取决于传播距离d 工作频率f 基地站天线有效高度hb 移动台天线高度hm以及街道的走向和宽度等 准平滑地形 市区的传播衰耗中值又称其为基本衰耗中值 或基准衰耗中值 OM模型中 给出了准平滑地形 市区传播衰耗中值的预测曲线族 如图3 6所示 图中是在基地站天线有效高度hb 200m 移动台天线高度hm 3m 以自由空间传播衰耗为基准 0dB 求得的衰耗中值的修正值Am f d 图3 6准平滑地形大城市基本衰耗中值Am f d 图3 7基地站天线高度增益因子 图3 8移动台天线高度增益因子 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 若基地站天线有效高度不是200m 可利用图3 7查出修正因子Hb hb d 对基本衰耗中值加以修正 称为基站天线高度的增加因子 若移动台天线高度不等于3m时 可利用图3 8查出修正因子Hm hm f 对基本衰耗中值进行修正 称为移动台天线高度的增益因子 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 市区路径传播衰耗中值应为 例 计算准平滑地形 城市地区的路径衰耗中值 已知 hb 200m hm 3m d 10km f 900MHz 解 首先求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为 查图3 6可求得Am f d 即 利用式 3 18 就可以计算出准平滑地形 城市街道地区的传播衰耗中值 若hb 50m hm 2m 其他条件不变 求损耗中值 查图3 7得 查图3 8得 在上题结果的基础上 要再加入基站和移动台的高度增益因子 则修正后的路径衰耗中值为 郊区和开阔区的传播衰耗中值 市区衰耗中值与郊区衰耗中值之差称为郊区修正因子kmr kmr为增益因子 它随工作频率和传播距离的变化关系如图3 9所示 开阔区 准开阔区 开阔区与郊区之间的过渡地区 的衰耗中值相对于市区衰耗中值的修正曲线 如图3 10所示 Q0为开阔区修正因子 Qr为准开阔区修正因子 在求郊区或开阔区 准开阔区的传播衰耗中值时 应在市区衰耗中值的基础上 减去由图3 9或3 10查得的修正因子 图3 9郊区修正因子 图3 10开阔区 准开阔区修正因子 不规则地形上的传播衰耗中值 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 基本衰耗中值与丘陵地衰耗中值之差 常称为丘陵地形修正因子kh kh为增益因子 丘陵地上起伏的顶部和谷部的微小修正值khf 它是在kh的基础上 进一步修正的微小修正值 孤立山岳地形的修正因子在使用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H 200m时的值 即孤立山岳修正因子kjs kjs亦为增益因子 当山岳高度不等于200m时 查得的kjs值还需乘以一个系数 斜坡地形的修正因子斜坡地形系指在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 反之为负斜坡 倾角为 m 斜坡地形修正因子ksp也是增益因子 水陆混合地形的修正因子水陆混合地形修正因子ks为增益因子 任意地形的信号中值预测 计算自由空间的传播衰耗根据式 3 1 自由空间的传播衰耗Lbs为 计算准平滑地形市区的信号中值 计算任意地形地物情况下的信号中值 KT为地形地物修正因子 式中 Kmr 郊区修正因子 Q0 Qr 开阔区 准开阔区修正因子 Kh Khf 丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值 Kjs 孤立山丘地形修正因子 Ksp 斜坡地形修正因子 Ks 水路混合地形修正因子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 某一移动电话系统 工作频率为450MHZ 基地站天线高度为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 求传播路径的衰耗中值 解 求自由空间的传播衰耗Lbs 由图3 6查得 由图3 7查得 由图3 8查得 计算准平滑地形市区的衰耗中值 所以准平滑地形市区衰耗中值为 计算任意地形地物情况下的衰耗中值 根据已知条件可知 例2 若上题改为在郊区工作 传播路径是正斜坡 且Qm 15mr 其它条件不变 再求传播路径的衰耗中值 解 根据已知条件 由图3 9查得 由图3 14查得 斜坡修正因子 所以地形地物修正因子KT为 因此传播路径衰耗中值LA为 郊区修正因子 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 也就是说 在纵向街道上的场强中值高于基准场强中值 在横向街道上的场强中值低于基准场强中值 纵向修正因子kal和横向修正因子kac如图3 16所示 图3 16市区街道走向修正值 建筑物的穿透衰耗一般来说波长越短 穿透能力越强 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 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 式中Lb为实际路径衰耗中值 L0在街心的衰耗中值 Lp为建筑物的穿透衰耗 植被衰耗树木 植被对电波有吸收作用 在传播路径上 由树木 植被引起的附加衰耗不仅取决于树木的高度 种类 形状 分布密度 空气湿度及季节变化 还取决于工作频率 天线极化 通过树木的路径长度等多方面因素 一般来说 垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些 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 衰耗会急剧增加 弯曲度越大 衰耗越严重 解决电波在隧道中的传播问题 通常可采用两种措施 在较高频段 数百兆赫 使用强方向性天线 把电磁波集中射入隧道中内 但传播距离也不能很长 在隧道中 纵向沿隧道壁铺设导波线 通常为泄漏电缆 使电磁波沿着导波线在隧道中传播 从而减小传播衰耗 3 2 3Okumura Hata方法 Hata对Okumura提出的基本中值场强曲线进行了公式化处理后所得的基本传输损耗的计算公式如下 式中 d为收发天线之间的距离 km f为工作频率 MHz hb为基站天线有效高度 m hm为移动台天线高度 m 为移动台天线高度校正因子 此公式适用范围为 150MHz f 1500MHz 30m hb 200m 1m hm 10m 1km d 20km 准平滑地形 由下式计算 3 2 4微蜂窝系统的覆盖区预测模式 Okumura Hata模型适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统 因为在宏蜂窝中 基站天线都安装在高于屋顶的位置 传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射决定 在微蜂窝系统中 基站天线高度