第3章 移动信道的传播特性

第3章移动信道的传播特性 3 1无线电波传播特性3 2移动信道的特征3 3陆地移动信道的传输损耗3 4移动信道的传播模型思考题与习题 3 1无线电波传播特性 3 1 1电波传播方式发射机天线发出的无线电波 可依不同的路径到达接收机 当频率f 30MHz时 典型的传播通路如图3 1所示 沿路径 从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波 它是VHF和UHF频段的主要传播方式 沿路径 的电波经过地面反射到达接收机 称为地面反射波 路径 的电波沿地球表面传播 称为地表面波 图3 1典型的传播通路 3 1 2直射波直射波传播可按自由空间传播来考虑 所谓自由空间传播 是指天线周围为无限大真空时的电波传播 它是理想传播条件 电波在自由空间传播时 其能量既不会被障碍物所吸收 也不会产生反射或散射 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡 不产生反射 折射 绕射 散射和吸收 但是 当电波经过一段路径传播之后 能量仍会受到衰减 这是由辐射能量的扩散而引起的 由电磁场理论可知 若各向同性天线 亦称全向天线或无方向性天线 的辐射功率为PT瓦 则距辐射源dm处的电场强度有效值E0为 3 1 3大气中的电波传播1 大气折射在不考虑传导电流和介质磁化的情况下 介质折射率n与相对介电系数 r的关系为 众所周知 大气的相对介电系数与温度 湿度和气压有关 大气高度不同 r也不同 根据折射定律 电波传播速度v与大气折射率n成反比 即 式中 c为光速 3 1 4障碍物的影响与绕射损耗在实际情况下 电波的直射路径上存在各种障碍物 由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗 3 1 5反射波当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时 如果界面尺寸比电波波长大得多 就会产生镜面反射 由于大地和大气是不同的介质 所以入射波会在界面上产生反射 如图3 3所示 3 2移动信道的特征 3 2 1传播路径与信号衰落在VHF UHF移动信道中 电波传播方式除了上述的直射波和地面反射波之外 还需要考虑传播路径中各种障碍物所引起的散射波 图3 4是移动信道传播路径的示意图 图3 4移动信道的传播路径 图3 5典型信号衰落特性 3 2 3慢衰落特性和衰落储备在移动信道中 由大量统计测试表明 在信号电平发生快衰落的同时 其局部中值电平还随地点 时间以及移动台速度作比较平缓的变化 其衰落周期以秒级计 称作慢衰落或长期衰落 慢衰落近似服从对数正态分布 所谓对数正态分布 是指以分贝数表示的信号电平为正态分布 此外 还有一种随时间变化的慢衰落 它也服从对数正态分布 这是由于大气折射率的平缓变化 使得同一地点处所收到的信号中值电平随时间作慢变化 这种因气象条件造成的慢衰落其变化速度更缓慢 其衰落周期常以小时甚至天为量级计 因此常可忽略不计 3 2 4多径时散与相关带宽1 多径时散多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽 为了说明它对移动通信的影响 首先看一个简单的例子 参见图3 8 假设基站发射一个极短的脉冲信号Si t a0 t 经过多径信道后 移动台接收信号呈现为一串脉冲 结果使脉冲宽度被展宽了 这种因多径传播造成信号时间扩散的现象 称为多径时散 必须指出 多径性质是随时间而变化的 如果进行多次发送脉冲试验 则接收到的脉冲序列是变化的 如图3 9所示 它包括脉冲数目N的变化 脉冲大小的变化及脉冲延时差的变化 图3 9时变多径信道响应示例 a N 3 b N 4 c N 5 实际上 移动信道中的传播路径通常不止两条 而是多条 且由于移动台处于运动状态 相对多径时延差 t 也是随时间而变化的 因而合成信号振幅的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间而变化 使信道的传递函数呈现复杂情况 这就很难准确地分析相关带宽的大小 工程上 对于角度调制信号 相关带宽可按下式估算 式中 为时延扩展 3 3陆地移动信道的传输损耗 3 3 1地形 地物分类1 地形的分类与定义为了计算移动信道中信号电场强度中值 或传播损耗中值 可将地形分为两大类 即中等起伏地形和不规则地形 并以中等起伏地形作传播基准 所谓中等起伏地形 是指在传播路径的地形剖面图上 地面起伏高度不超过20m 且起伏缓慢 峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度 其它地形如丘陵 孤立山岳 斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形 由于天线架设在高度不同地形上 天线的有效高度是不一样的 例如 把20m的天线架设在地面上和架设在几十层的高楼顶上 通信效果自然不同 因此 必须合理规定天线的有效高度 其计算方法参见图3 11 若基站天线顶点的海拔高度为hts 从天线设置地点开始 沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga 则定义基站天线的有效高度hb为 hb hts hga 图3 11基站天线有效高度 hb 2 地物 或地区 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 自然 上述三种地区之间都有过渡区 但在了解以上三类地区的传播情况之后 对过渡区的传播情况就可以大致地作出估计 3 3 3中等起伏地形上传播损耗的中值1 市区传播损耗的中值在计算各种地形 地物上的传播损耗时 均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准 因而把它称作基准中值或基本中值 由电波传播理论可知 传播损耗取决于传播距离d 工作频率f 基站天线高度hb和移动台天线高度hm等 在大量实验 统计分析的基础上 可作出传播损耗基本中值的预测曲线 图3 12给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am f d 与频率 距离的关系曲线 图3 12中等起伏地上市区基本损耗中值 2 郊区和开阔地损耗的中值郊区的建筑物一般是分散 低矮的 故电波传播条件优于市区 郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子 记作Kmr 它与频率和距离的关系如图3 13所示 由图可知 郊区场强中值大于市区场强中值 或者说 郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小 图3 13郊区修正因子 图3 14开阔地 准开阔地修正因子 3 3 4不规则地形上传播损耗的中值1 丘陵地的修正因子Kh丘陵地的地形参数用地形起伏高度 h表征 它的定义是 自接收点向发射点延伸10km的范围内 地形起伏的90 与10 的高度差 参见图3 15 a 上方 即为 h 这一定义只适用于地形起伏达数次以上的情况 对于单纯斜坡地形将用后述的另一种方法处理 图3 15丘陵地场强中值修正因子 a 修正因子Kh b 微小修正因子Khf 4 水陆混合路径修正因子KS在传播路径中如遇有湖泊或其它水域 接收信号的场强往往比全是陆地时要高 为估算水陆混合路径情况下的场强中值 用水面距离dSR与全程距离d的比值作为地形参数 此外 水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有关 图3 16中 曲线A表示水面靠近移动台一方的修正因子 曲线B 虚线 表示水面靠近基站一方时的修正因子 在同样dSR d情况下 水面位于移动台一方的修正因子KS较大 即信号场强中值较大 如果水面位于传播路径中间 则应取上述两条曲线的中间值 图3 16水陆混合路径修正因子 3 3 5任意地形地区的传播损耗的中值1 中等起伏地市区中接收信号的功率中值PP中等起伏地市区接收信号的功率中值PP 不考虑街道走向 可由下式确定 PP P0 Am f d Hb hb d Hm hm f 式中 P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率 即 式中 PT 发射机送至天线的发射功率 工作波长 d 收发天线间的距离 Gb 基站天线增益 Gm 移动台天线增益 3 4移动信道的传播模型 3 4 1传播损耗预测模型1 Hata模型Hata模型是针对3 3节讨论的由Okumura用图表给出的路径损耗数据的经验公式 该公式适用于150 1500MHz频率范围 Hata将市区的传播损耗表示为一个标准的公式和一个应用于其他不同环境的附加校正公式 在市区的中值路径损耗的标准公式为 CCIR采纳的建议 Lurban dB 69 55 26 16lgfc 13 82lghb a hb 44 9 6 55lghb lgd 2 COST 231 Walfish Ikegami模型欧洲研究委员会COST 231在Walfish和Ikegami分别提出的模型的基础上 对实测数据加以完善而提出了COST 231 Walfish Ikegami模型 这种模型考虑到了自由空间损耗 沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗 COST 231模型已被用于微小区的实际工程设计 该模型中的主要参数有 建筑物高度hroof m 道路宽度w m 建筑物的间隔b m 相对于直达无线电路径的道路方位 该模型适用的范围 频率f 800 2000MHz 距离d 0 02 5km 基站天线高度hb 4 50m 移动台天线高度hm 1 3m 图3 22COST 231 Walfish Ikegami模型中的参数定义 a 模型中所用的参数 b 街道方位的定义 图3 23COST 231 Walfis