移动通信第3章

1、3.1 VHFUHF频段电波传播特性频段电波传播特性3.2 电波传播特性的估算（工程计算）电波传播特性的估算（工程计算）第三章第三章 移动通信电波传播移动通信电波传播3.1 VHFUHF频段电波传播特性频段电波传播特性当前陆地移动通信主要使用的频段当前陆地移动通信主要使用的频段VHF和和UHF， 即即150MHZ、450MHZ、900MHZ 、 1800MHZ 、 2000MHZ。移动通信中传播的方式主要有直射波、反射波和地移动通信中传播的方式主要有直射波、反射波和地表面波等传播方式。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在分析移动通信信道时，主要考虑直射波和反射波的

2、影响的影响 。发射天线接收天线图图3-1 典型的移动信道电波传播路径典型的移动信道电波传播路径 3.1.1 直射波直射波直射波传播直射波传播 ：在自由空间中，电波沿直线传播而：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直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗: ) 1 . 3()(lg20)(lg2045.32dBMHzfkmdLbs其中，其中，d为距离为距离(km)，f为工作频率为工作频率(MHz)。 视线传播极限距离视线传播

3、极限距离3.1.2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离视线所能到达的最远距离称为视线所能到达的最远距离称为视线距离视线距离d0。设发射天线和接收天线高度分别为设发射天线和接收天线高度分别为hT和和hR(单位单位m)，理论上可得视距传播的极限距离为：，理论上可得视距传播的极限距离为：)2 . 3()() )()(57. 30kmmhmhdTR修正后：修正后： )3 . 3()() )()(12. 40kmmhmhdTR3.1.3 绕射损耗绕射损耗绕射损耗绕射损耗 ：各种障碍物对电波传输所引起的损耗：各种障碍物对电波传输所引起的损耗 。菲涅尔余隙：菲涅尔余隙：x（a）负余隙负余隙 （b）正余隙正

4、余隙 图图3-3 菲涅尔余隙菲涅尔余隙x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径）。称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径）。结论：结论：x/x10.5时，基本上没有影响；当时，基本上没有影响；当x=0时时，绕射损耗约，绕射损耗约6dB；当；当x0时，损耗急剧增加。时，损耗急剧增加。 图图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系 21211ddddx3.1.4 反射波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。，就会发生反射现象。 反射波与直射波的行距差为：反射波与直射波的行距差为： dhhcbadRT2图图3-

5、5 反射波和直射波反射波和直射波 3.1.5 多径效应与瑞利型衰落特性多径效应与瑞利型衰落特性tAccos设发射机发出的信号为：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：则接收机接收端收到的合成信号为： niicitttRtR1)(cos)()()(cos)(1tttRicniininiciiciitttRtttRtR11sin)(sin)(cos)(cos)()(niiisniiicttRtxttRtx11)(sin)()()(cos)()(ttxttxtRcccssin)(cos)()()(cos)(tttUc通常通常 满足满足瑞利分布瑞利分布，相位，相位 满足满足均匀分布均匀

6、分布。 )(tU)(t3.1.6 莱斯（莱斯（Rician）衰落分布）衰落分布在移动通信中，如果存在一个起支配作用在移动通信中，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（端接收信号的包络为莱斯（ Rician ）分）分布。布。Back3.2 电波传播特性的估算（工程计算）电波传播特性的估算（工程计算）3.2.1 Egli.John.J. 场强计算公式场强计算公式Egli.John.J.提出一种经验模型，并根据此模型提提出一种经验模型，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出经验修正公式，认为不平坦地

7、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，其修正大地反射公式算出的场强加上一个修正值，其修正值为：值为：)14. 3(40lg20f)15. 3(40lg204lg20)()(2210fdhhdBEdBE不平坦地带传播衰减为不平坦地带传播衰减为)16. 3(40lg204lg20)(221fdhhdBA如果如果h1、h2用米表示，用米表示，d用公里用公里(km)表示，表示，f用用MHz表示，则表示，则)(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(21kmdmhmhMHZfdBLA3.2.2 奥村奥村(Okumura)模型模型OM模型（模型（Okumura模型）：由奥村等人

8、，在日本东模型）：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。离进行一系列测试，最后绘成经验曲线构成的模型。 思路：将思路：将城市城市视为视为“准平滑地形准平滑地形“，给出城市场强中值，给出城市场强中值。对于。对于郊区、开阔区郊区、开阔区的场强中值，则以城市场强中值为的场强中值，则以城市场强中值为基础进行修正。对于基础进行修正。对于“不规划地形不规划地形“也给出了相应的修也给出了相应的修正因子。正因子。OM模型适用的范围：频率模型适用的范围：频率150 1920MHZ，可扩展，

9、可扩展到到3000MHZ，基地站天线高度为，基地站天线高度为201000米，移动米，移动台天线高度为台天线高度为110米，传播距离为米，传播距离为1100千米。千米。 市区传播衰耗中值市区传播衰耗中值（又称其为基本衰耗中值或基（又称其为基本衰耗中值或基准衰耗中值）准衰耗中值）在城市街道地区，电波传播衰耗取决于传播距离在城市街道地区，电波传播衰耗取决于传播距离d、工作频率工作频率f、基地站天线有效高度、基地站天线有效高度hb、移动台天线高、移动台天线高度度hm以及街道的走向和宽度等。以及街道的走向和宽度等。由曲线上查得的基本衰耗中值由曲线上查得的基本衰耗中值Am(f，d)加上加上自由空自由空间的

10、传播衰耗间的传播衰耗Lbs才是实际路径衰耗才是实际路径衰耗LT 。)183(),(dfALLmbsT图图3-6 准平滑地形大城市基本衰耗中值准平滑地形大城市基本衰耗中值Am(f，d) 图中以自由空图中以自由空间传播衰耗为间传播衰耗为基准基准(0dB) 例例3-1 当当d=10 km， hb=200 m， hm=3 m， f=900 MHz时，时，计算出城市街道地区准平滑地形的传播衰耗中值。计算出城市街道地区准平滑地形的传播衰耗中值。由由式（式（-）可求得自由空间的传播衰耗中值可求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为为 dBfdLbs5 .111900lg2010lg2045.32lg20lg204

11、5.32查查图图3-6可求得可求得Am(f， d)，即，即 dBAdfAmm30)10,900(),(dBdfALLmbsT5 .141305 .111),( 图图3-7 基地站天线高度增益因子基地站天线高度增益因子 图图3-8 移动台天线高度增益因子移动台天线高度增益因子 例例3-2：计算准平滑地形，城市地区的路径衰耗中值：计算准平滑地形，城市地区的路径衰耗中值 。已知：。已知：hb=50m，hm=2m， d=10km，f=900MHz 解：自由空间的传播衰耗中值解：自由空间的传播衰耗中值Lbs为：为： fdLbslg20lg2045.32900lg2010lg2045.32)(5 .111

12、dB基本衰耗中值基本衰耗中值)(30)10,900(),(dBAdfAmm准平滑地形，城市街道地区的传播衰耗中值：准平滑地形，城市街道地区的传播衰耗中值： )(5 .141305 .111),(dBdfALLmbsT 在考虑基站天线高度因子与移动台天线高度因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子的情况下: )193(),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT则修正后的路径衰耗中值为：则修正后的路径衰耗中值为：),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT)900, 2()10,50(5 .141mbHH)( 5 .155)2()12(5 .141dB查查图

13、图3-7得得)(12)10,50(),(dBHdhHbbb查查图图3-8得得 )(2)900, 2(),(dBHfhHmmm图图3-9 郊区修正因子郊区修正因子 郊区和开阔区的传播衰耗中值郊区和开阔区的传播衰耗中值 图图3-10 开阔区、准开阔区修正因子开阔区、准开阔区修正因子 三者均为增益因子。三者均为增益因子。在求郊区或开阔区，准开阔区的传播衰耗中值时，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，减去由图应在市区衰耗中值的基础上，减去由图3-9或或3-10查得的修正因子。查得的修正因子。 不规则地形上的传播衰耗中值不规则地形上的传播衰耗中值 丘陵地的修正因子丘陵地

14、的修正因子 丘陵地的地形参数可用丘陵地的地形参数可用“地形起伏地形起伏“高度高度h表示表示。自接收点向发射点延伸自接收点向发射点延伸10km范围内，地形起伏的范围内，地形起伏的90%与与10%处的高度差。处的高度差。100 10 20 3010203050 70 100200 300500h / m丘 陵 地 修 正 因 子 Kh / dB基 地 站 发 射d 10 km时dm 5 10 kmdm 10 kmhh的 定 义10%90%图图3-11 丘陵地形的修正因子丘陵地形的修正因子Kh 10010203010203050 70 100200 300500h / m丘陵地修正因子Kh / dB

15、基地站发射d10 km时dm510 kmdm10 kmhh的定义10%90%kh为增益因子为增益因子1020305070 10020030050001020h / m微小修正值Khf / (dB)h地形起伏与电场变化的对应关系电场变化按 Kh修正后的中值地形起伏 Khf Khf图图3-12 丘陵地形微小修正值丘陵地形微小修正值Khf 丘陵地形微小修正值丘陵地形微小修正值图图3-13 孤立山岳地形的修正因子孤立山岳地形的修正因子Kjs 20100 10 200246810孤 立 山 岳 至 移 动 台 的 距 离 d2 / km孤 立 山 岳 修 正 因 子Kjs / dBA曲 线 : d160

16、 kmB曲 线 : d1 30 kmC曲 线 : d115 kmABC孤 立 山 岳 典 型 地 形T(基 地 站 )T(基 地 站 ) 3 1013kmd1d2HR(移 动 台 )H 200 m孤立山岳地形的修正因子孤立山岳地形的修正因子 它 表 示 在 使 用它 表 示 在 使 用450、900MHz频段，山岳高度频段，山岳高度H=110350m，并 归 一 化 为并 归 一 化 为H=200m时的值。时的值。亦为增益因子。亦为增益因子。当山岳高度不等于当山岳高度不等于200m时，查得的时，查得的kjs值还需乘以值还需乘以一个系数一个系数 H为山岳的实际高度。为山岳的实际高度。)203(0

17、7. 0H斜坡地形的修正因子斜坡地形的修正因子 斜坡地形系指在斜坡地形系指在510km内倾斜的地形。内倾斜的地形。图图3-14 斜坡地形修正因子斜坡地形修正因子Ksp 201001020201001020斜坡地形修正因子Ksp / dB平均倾角m / mradd60 kmd30 kmd10 kmd30 km(基地站) 发射mmksp也是增益因子也是增益因子水陆混合地形的修正因子水陆混合地形的修正因子 图图3-15 水陆混合地形的修正因子水陆混合地形的修正因子Ks 1008060402005101520水面距离与全距离的比率(dSR / d ) / %水陆混合路径修正因子Ks / dBd30 k

18、md60 kmAABB水面水面T(基地站)(移动台)R(移动台)RT(基地站)dSRddSRd(A)(B)ks为增益因子为增益因子 任意地形的信号中值预测任意地形的信号中值预测 计算自由空间的传播衰耗计算自由空间的传播衰耗)(lg20)(lg2045.32MHZfkmdLbs计算准平滑地形市区的信号中值计算准平滑地形市区的信号中值 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbdmbsT计算任意地形地物情况下的信号中值计算任意地形地物情况下的信号中值 )22. 3(TTAKLLKT为地形地物修正因子为地形地物修正因子式中：式中：Kmr：郊区修正因子；郊区修正因子；Q0，Qr：开阔区，准开阔区修

19、正因子；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；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；孤立山丘地形修正因子；Ksp：斜坡地形修正因子；斜坡地形修正因子；Ks：水路混合地形修正因子水路混合地形修正因子 根据实际的地形地物情况，根据实际的地形地物情况，KT因子可能只有其因子可能只有其中的某几项或为零。中的某几项或为零。 )22. 3(TTAKLL)23. 3(0sspjshfhrmrTkkkkkQQkK例例1：某一移动电话系统，工作频率为：某一移动电话系统，工作频率为450MHZ，基地，基地站天线高度为站天线高度为70m，移动台天线高

20、度为，移动台天线高度为1.5m，在市，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为区工作，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？，求传播路径的衰耗中值？ 解：解： 求自由空间的传播衰耗求自由空间的传播衰耗Lbs。)(lg20)(lg2045.32MHZfkmdLbs)(450lg20)(20lg2045.32MHZkm )(5 .111dB由图由图3-6查得：查得： )(5 .30)20,450().(dBAdfAmm由图由图3-7查得：查得：)(10)20,70(),(dBHdhHbbb由图由图3-8查得：查得：)( 3)450, 5 . 1 (),(dBHfhHm

21、mm 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 所以准平滑地形市区衰耗中值为：所以准平滑地形市区衰耗中值为： ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT) 3()10(5 .305 .111)(155dB 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 根据已知条件可知：根据已知条件可知： 0TK)(155 dBLKLLTTTA例例2：若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且：若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且m=15mrad，其它条件不变，再求传播路径的衰耗中值？，其它条件不变，再求传播路径的衰耗中值？ 解：根据已知条件，由解：根据已

22、知条件，由图图3-9查得查得 ：)(5 . 8dBKmr由由图图3-14查得：查得：)(5 . 4dBKsp)(13 dBKKKspmrT所以地形地物修正因子所以地形地物修正因子KT为：为：因此传播路径衰耗中值因此传播路径衰耗中值LA为：为：)(14313155dBKLLTTA 其它因素的影响其它因素的影响 街道走向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，横向街道播方向）有关。在纵向街道上衰耗较小，横向街道上衰耗较大。上衰耗较大。纵向修正因子纵向修正因子kai和横向修正因子和横向修正因子ka

23、c如图如图3-16所所示。示。 图图3-16 市区街道走向修正值市区街道走向修正值 建筑物的穿透衰耗建筑物的穿透衰耗与信号波长、建筑物的材料、结构和楼房层数有关。与信号波长、建筑物的材料、结构和楼房层数有关。如果移动台要在室内使用，如果移动台要在室内使用，)263(0pbLLL 式中式中Lb为实际路径衰耗中值，为实际路径衰耗中值，L0在街心的衰耗在街心的衰耗中值，中值，Lp为建筑物的穿透衰耗。为建筑物的穿透衰耗。 植被衰耗植被衰耗由树木、植被引起的附加衰耗不仅取决于树木的由树木、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、空气湿度及季节高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季

24、节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树木变化，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。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一般来说，垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些。些。 隧道中的传播衰耗隧道中的传播衰耗 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。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，耗越小。当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加

25、，弯曲度越大，衰耗越严重。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：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。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在隧道中，纵向沿隧道壁铺设导波线(通常为泄漏电缆通常为泄漏电缆)，使电磁波沿着导波线在隧道中传播，从而减小传播，使电磁波沿着导波线在隧道中传播，从而减小传播衰耗。衰耗。 3.2.3 Okumura-Hata方法方法)(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg