移动通信的电波传输

1、第3章 移动通信的电波传播 第3章 移动通信的电波传播 3.1 VHF、 UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 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3章 移动通信的电波传播 3.1 VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 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 hRd1hTdd2d直射波传播距离d1地面反射波传播距离d2散射波传播距离第3章 移动通信的电波传播 3.1.1 直射波直射波 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称为直射波传播。直射波传播损

2、耗可看成自由空间的电波传播损耗Lbs, Lbs的表示式为 )(lg20lg2045.32dBfdLbs式中, d为距离(km), f为工作频率(MHz)。 第3章 移动通信的电波传播 3.1.2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离 图3-2 视距传播的极限距离 ACd1d2BohThRR第3章 移动通信的电波传播 已知地球半径为R=6370 km, 设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR(单位为m), 理论上可得视距传播的极限距离d0为 )()()(57. 30kmmhmhdTR 由此可见, 视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高, 视线距离越远。 实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传

3、播轨迹的影响后, 在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8500 km, 可得修正后的视距传播的极限距离d0为 )()()(12. 40kmmhmhdTR第3章 移动通信的电波传播 3.1.3 绕射损耗绕射损耗 图3-3 菲涅尔余隙（a） 负余隙; （b）正余隙 hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RR hRTThTd1Pxd2第3章 移动通信的电波传播 根据菲涅尔绕射理论，可得到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。图中, 横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有 21211ddddx 由图3-4可见，当横坐标x/x10.5时，则障碍物对直射波的传

4、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，绕射损耗约为6 dB；当x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。 第3章 移动通信的电波传播 图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系 26242016128402绕射损耗 / dB2.5 21012x / x1第3章 移动通信的电波传播 例例1：在一条无线传播路径中，若：在一条无线传播路径中，若菲涅尔余隙为菲涅尔余隙为 x 82m，d15km， d2 10km，工作频率为，工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。试求出电波传播损耗。 第3章 移动通信的电波传播 解：先求出自由空间传播的损耗为：解：先求出自由空间传播的损耗

5、为：Lfs 32.44 + 20lgd + 20lgf = 32.44 + 20lg(5+10) +20lg150 = 99.5dB再求出第一菲涅尔区半径再求出第一菲涅尔区半径81.7m 21211ddddx第3章 移动通信的电波传播 根据根据x/x1 = -1查表得附加损耗为查表得附加损耗为16.5dB因此电波传播的损耗因此电波传播的损耗 L Lfs 16.5 = 116.0dB 第3章 移动通信的电波传播 3.1.4 反射波反射波 图3-5 反射波和直射波 d1d2hRacbhT第3章 移动通信的电波传播 反射波与直射波的行距差为 dhhcbadRT2 由于直射波和反射波的起始相位是一致的

6、，因此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差0为 dTt220 再加上地面反射时大都要发生一次反相， 实际的两路电波相位差为 d20第3章 移动通信的电波传播 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） 3.2.1 Egli John J.场强计算公式场强计算公式 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。 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 f40lg20式中,

7、 f为工作频率，以MHz为单位。 第3章 移动通信的电波传播 如果hT、hR采用米(m)表示，d用公里(km)表示，f用MHz表示， 则不平坦地区的传播衰耗LA为 )(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(kmdmhmhMHzfdBLRTA第3章 移动通信的电波传播 3.2.2 奥村奥村(Okumura)模型模型 OM模型适用的范围：频率为1501500 MHz，基地站天线高度为30200 m，移动台天线高度为110 m，传播距离为120 km。 第3章 移动通信的电波传播 1. 市区传播衰耗中值市区传播衰耗中值 (3-18) 图3-6表明了基本衰耗中值Am(f, d)与工作频率

8、、通信距离的关系。 可以看出随着工作频率的升高或通信距离的增大，传播衰耗都会增加。图中，纵坐标以分贝计量，这是在基地站天线有效高度hb=200 m，移动台天线高度hm=3 m，以自由空间传播衰耗为基准(0 dB)， 求得的衰耗中值的修正值Am(f, d)。 换言之， 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， 即 ),(dfALLmbsT第3章 移动通信的电波传播 图图3-6 大城市准平滑地形基本衰耗中值大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f, d) 1009080706050403020105321d / km30002000100070050

9、0300200100101235102030302040504060708090100506070d / km市区hb200 mhm3 m基本衰耗中值Am(f , d) / dB频率 / MHz第3章 移动通信的电波传播 例例3-1 当d=10 km, hb=200 m, hm=3 m, f=900 MHz时，由式（-）可求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为 dBfdLbs5 .111900lg2010lg2045.32lg20lg2045.32查图3-6可求得Am(f, d)，即 dBAdfAmm30)10,900(),( 利用式(3-18)就可以计算出城市街道地区准平滑地形的传播衰耗中值为

10、dBdfALLmbsT5 .141305 .111),(第3章 移动通信的电波传播 图3-7 基地站天线高度增益因子Hb(hb,d) 市区hb200 m基地站天线高度增益因子Hb(hb , d) / dB304020105311008070506020305070100200300500 700 1000基地站天线有效高度hb / m2010虚线实线0102030d / km70100604020110d / km第3章 移动通信的电波传播 图3-8 移动台天线高度增益因子Hm(hm, f) 2000100070040020010010020040010001075321505101520市区

11、 :hm3 m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400 MHz以上200 MHz以下f / MHz第3章 移动通信的电波传播 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，式（3-18）所示市区准平滑地形的路径传播衰耗中值应为 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT 例例3-2 在前面计算城市地区准平滑地形的路径衰耗中值的例子中，当hb=200 m, hm=3 m, d=10 km, f=900 MHz时，计算得LT=141.5 dB。;若将基地站天线高度改为hb=50 m, 移动台天线高度改为hm=2 m, 利

12、用图3-7、图3-8 可以对路径传播衰耗中值重新进行修正。 第3章 移动通信的电波传播 查图3-7得 dBHdhHbbb12)10,50(),(查图3-8得 dBHfhHmmm2)900, 2(),(修正后的路径衰耗中值LT为 dBHHfhHdhHdfALLmbmmbbmbsT5 .155)2()12(5 .141)900, 2()10,50(5 .141),(),(),(第3章 移动通信的电波传播 2. 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3-9 郊区修正因子Kmr 200010007005003002001000510152025郊区修正因子Kmr / dB频率 / M

13、Hzd 1 kmd 5 kmd 10 kmd 20 km第3章 移动通信的电波传播 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（Qo，Qr）Qo : 开阔区Qr : 准开阔区353025201510020030050070010002000频率 f / MHz开阔区修正因子Qo / dB准开阔区修正因子Qr / dBQrQo第3章 移动通信的电波传播 3. 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 (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10 km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差， 如图

14、3-11所示。 第3章 移动通信的电波传播 图3-11 丘陵地形的修正因子Kh 10010203010203050 70 100200 300500h / m丘陵地修正因子Kh / dB基地站发射d10 km时dm510 kmdm10 kmhh的定义10%90%第3章 移动通信的电波传播 图3-12 丘陵地形微小修正值Khf 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第3章 移动通信的电波传播 (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

15、山岳时，若求山背后的场强时， 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，其曲线如图3-13所示。 它表示在使用450 MHz，900 MHz频段，山岳高度H=110350 m时，基本衰耗中值与实测的衰耗中值的差值，并归一化为H=200 m 时的值，即孤立山岳修正因子Kjs。显然，Kjs亦为增益因子。当山岳高度不等于200 m 时，查得的Kjs值还需乘以一个系数 07. 0H第3章 移动通信的电波传播 图3-13 孤立山岳地形的修正因子Kjs 2010010200246810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

16、 : d160 kmB曲线 : d130 kmC曲线 : d115 kmABC孤立山岳典型地形T(基地站)T(基地站)31 013kmd1d2HR(移动台)H200 m第3章 移动通信的电波传播 (3) 斜坡地形的修正因子。斜坡地形的修正因子。 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mm第3章 移动通信的电波传播 (4) 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 1008060

17、402005101520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 kmd60 kmAABB水面水面T(基地站)(移动台)R(移动台)RT(基地站)dSRddSRd(A)(B)第3章 移动通信的电波传播 4. 任意地形的信号中值预测任意地形的信号中值预测 (1) 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 )()(lg20)(lg2045.32dBMHzfkmdLbs(2) 市区准平滑地形的信号中值。 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT第3章 移动通信的电波传播 (3) 任意地形地物情况下的信号中

18、值。 任意地形地物情况下的传播信号中值LA为 TTAKLL式中：LT为准平滑地形市区的传播衰耗中值；KT为地形地物修正因子。 KT由如下项目构成： sspjshfhromrTKKKKKQQkK第3章 移动通信的电波传播 式中：Kmr郊区修正因子，可由图 3 - 9 求得；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图 3-10 求得；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 3- 11及312求得；Kjs孤立山岳修正因子，可由图 3 - 13 求得；Ksp斜坡地形修正因子，可由图 3 - 14 求得；KS水陆混合路径修正因子，可由图 3 - 15 求得 第3章 移动通信的电波传播 根据实际的

19、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 spoTKQK其余各项为零。其他情况可以类推。 任意地形地物情况下接收信号的功率中值PPC是以市区准平滑地形的接收功率中值PP为基础，加上地形地物修正因子KT， 即 TPPCKPP第3章 移动通信的电波传播 例例3-3 某一移动电话系统，工作频率为450 MHz，基站天线高度为70 m，移动台天线高度为1.5 m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20 km，求传播路径的衰耗中值。 解解 (1) 自由空间的传播衰耗Lbs。 dBMHzkmMHzfkmdLbs5 .111)(450lg20)(20l

20、g2045.32)(lg20)(lg2045.32第3章 移动通信的电波传播 (2) 市区准平滑地形的衰耗中值。 由图3-6查得 dBAdfAmm5 .30)20,450(),(由图3-7查得 dBHdhHbbb10)20,70(),(由图3-8查得 dBHfhHmmm3)450, 5 . 1 (),(第3章 移动通信的电波传播 所以，准平滑地形市区衰耗中值为 dBfhHdhHdfALLmmbbmbsT155) 3()10(5 .305 .111),(),(),(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 LA=LT-KT=LT=155 dB 第3章 移动通信

21、的电波传播 例例3-4 若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且m =15 mrad，其他条件不变，再求传播路径的衰耗中值。 解解 根据已知条件，由图3-9查得 dBKmr5 . 8由图3-14查得 dBKsp5 . 4所以地形地物修正因子KT为 dBKKKspmrT13因此传播路径衰耗中值LA为 dBKLLTTA14313155第3章 移动通信的电波传播 5. 中等起伏地市区中接收信号的功率中值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： ),(),(),(0fhHdhHdfAPPmmbbmP式中，P0为自由空间传播条件下的接

22、收信号的功率，即 mbTGGdPP204第3章 移动通信的电波传播 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。 Am(f, d)是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由空间损耗为0 dB，基站天线高度为200m, 移动台天线高度为3 m的情况下得到的损耗中值，它可由图 3-6求出。 第3章 移动通信的电波传播 Hb(hb, d)是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高度200m为基准得到的相对增益，其值可由图3-7求出。 Hm(hm, f)是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为基准得到的相对增益，可由图38求

23、得。 第3章 移动通信的电波传播 例例 3-5 某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为 0dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地，通信距离为 10km。试求： (1) 传播路径损耗中值； (2) 若基站发射机送至天线的信号功率为 10W，求移动台天线得到的信号功率中值。 第3章 移动通信的电波传播 解解 (1) 根据已知条件，KT=0, LA=LT，式(3 - 68)可分别计算如下： 由式(3 - 13)可得自由空间传播损耗 由图 3 - 23 查得市区基本损耗中值 dBLgdfLfs5 .10510lg204502044

24、.32lg20lg2044.32dBdfAm27),(第3章 移动通信的电波传播 dB.LLdB)f ,h(HdB)d ,h(HTAmmbb514412275105012(2) 中等起伏地市区中接收信号的功率中值dBmdBWLGGPfhHdhHdfAGGLPfhHdhHdfAGGdPPTmbTmmbbmmbfsTmmbbmmbTP5 .985 .1285 .1440610lg10),(),(),(),(),(),(42第3章 移动通信的电波传播 6. 其他因素的影响其他因素的影响 (1) 街道走向的影响。 图图3-16 市区街道走向修正值市区街道走向修正值 100705030201075864

25、202468距离 d / km(a) 纵向线路修正值Kai /dB(b) 横向线路修正值Kac / dB(b) Kac(a) Kai第3章 移动通信的电波传播 (2) 建筑物的穿透衰耗Lp。 各个频段的电波穿透建筑物的能力是不同的。一般来说，波长越短，穿透能力越强。 同时，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。一般介绍的经验传播模型都是以在街心或空阔地面为假设条件，故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。即有 pbLLL0

26、第3章 移动通信的电波传播 表表3-1 建筑物的穿透衰耗建筑物的穿透衰耗(地面层地面层) 频率/MHz 150250450800平均穿透衰耗/dB 22221817 一般情况下，Lp不是一个固定的数值，而是一个030 dB的范围， 需根据具体情况而定, 参见表3-1。此外，穿透衰耗还随不同的楼层高度而变化，衰耗中值随楼层的增高而近似线性下降，大致为-2 dB/层， 如图3-17所示。 此外，在建筑物内从建筑物的入口沿着走廊向建筑物中央每进入1米，穿透衰耗将增加12 dB。 第3章 移动通信的电波传播 图3-17 信号衰耗与楼层高度 14楼层12108642001010203040衰耗 / dB

27、第3章 移动通信的电波传播 (3) 植被衰耗Lz 图3-18 森林地带的附加衰耗 zbLLL00.40.30.20.100.40.30.20.1100005000305010020050010002000f / MHz附加损耗 / (dB / m)A : 垂直极化B : 水平极化第3章 移动通信的电波传播 (4) 隧道中的传播衰减Lsd。 sdbLLL0图 3-19 电波在隧道中的传播衰耗 104070100130160103050100300距离 / m衰耗 / dBAB第3章 移动通信的电波传播 3.2.3 Okumura-Hata方法方法 为了在系统设计时, 使Okumura预测方法能采用计算机进行预测， Hata对Okumura提出的基本中值场强曲线进行了公式化处理， 所得基本传输损耗的计算公式如下： )(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市区)(4 . 528lg2)()(2dBfLLbb市区郊区)(94.40lg33.18)(lg78. 4)()(2dBffLLbb市区开阔区第3章 移动通信的电波传播 式中：d为收发天线之间的距离， km； hb为基站天线有效高度，m； （hm）为移动台天线高度校正因子，hm为移动台天线高度（m）。（hm）由下式计算： )400(97. 4)75.11(lg2