第3章移动通信的电波传播.ppt
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 陆陆地地移移动动通通信信主主要要使使用用的的频频段段为为VHFVHF和和UHF:150 MHzUHF:150 MHz、450 MHz450 MHz、900 MHz900 MHz、1800 MHz1800 MHz 移移动动通通信信中中的的传传播播方方式式主主要要有有直直射射波波、反反射射波波和和地地表表面面波波等等传传播播方方式式。图图3-1表表示示出出了了典典型的移动信道电波传播路径。型的移动信道电波传播路径。主要考虑直射波和反射波的影响。主要考虑直射波和反射波的影响。第3章 移动通信的电波传播 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 第3章 移动通信的电波传播 3.1.1 直射波直射波 直直射射波波传传播播：电电波波沿沿直直线线传传播播而而不不被被吸吸收收,也也不不发发生生反反射射、折折射射和和散散射射等等现现象象而而直直接到达接收点的传播方式。接到达接收点的传播方式。直直射射波波传传播播损损耗耗可可看看成成自自由由空空间间的的电电波波传播损耗传播损耗Lbs,Lbs的表示式为：的表示式为：式中式中,d为距离为距离(km),f为工作频率为工作频率(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(讲到这讲到这)图图3-2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离 第3章 移动通信的电波传播 已已知知地地球球半半径径为为R=6370 km,设设发发射射天天线线和和接接收收天天线线高高度度分分别别为为hT和和hR(单单位位为为m),理理论论上上可可得得视视距距传传播播的的极极限限距距离离d0为为 由由此此可可见见,视视距距决决定定于于收收、发发天天线线的的高高度度。天天线线架架设设越越高高,视视线线距距离离越越远远。第3章 移动通信的电波传播 实际上，当考虑了空气的不均匀性实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后对电波传播轨迹的影响后,在标准大气折在标准大气折射情况下，等效地球半径射情况下，等效地球半径R=8500 km,可可得得修正后的视距传播的极限距离修正后的视距传播的极限距离d0为为 第3章 移动通信的电波传播 3.1.3绕射损耗绕射损耗绕绕射射损损耗耗：在在实实际际情情况况下下，除除了了考考虑虑在在自自由由空空间间中中的的视视距距传传输输损损耗耗外外，还还应应考考虑虑各各种种障障碍物对电波传输所引起的损耗。碍物对电波传输所引起的损耗。在在移移动动通通信信中中，通通信信的的地地形形环环境境十十分分复复杂杂，很很难难对对各各种种地地形形引引起起的的电电波波损损耗耗做做出出准准确确的的定定量量计计算算，只只能能作作出出一一些些定定性性分分析析，采采用工程估算的方法。用工程估算的方法。第3章 移动通信的电波传播 设设障障碍碍物物与与发发射射点点、接接收收点点的的相相对对位位置置如如图图3-3所所示示，图图中中x表表示示障障碍碍物物顶顶点点P至至直直线线AB之之间间的的垂垂直直距距离离，在在传传播播理理论论中中x称称为为菲菲涅涅尔尔余余隙。隙。第3章 移动通信的电波传播 图图3-3 菲涅尔余隙菲涅尔余隙（a）负余隙负余隙;（b）正余隙）正余隙 第3章 移动通信的电波传播 根根据据菲菲涅涅尔尔绕绕射射理理论论，可可得得到到障障碍碍物物引引起起的的绕绕射射损损耗耗与与菲菲涅涅尔尔余余隙隙之之间间的的关关系系如如图图3-4 所所示示。图图中中,横横坐坐标标为为x/x1，x1称称菲菲涅涅尔尔半半径径（第第一一菲菲涅涅尔尔半径），且有半径），且有 （3-4）第3章 移动通信的电波传播 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 第3章 移动通信的电波传播 由图由图3-43-4可见，当横坐标可见，当横坐标x x/x x1 10.50.5时，则障碍物对直射波的传播基本上时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。当没有影响。当x x=0=0时，时，TRTR直射线从障碍直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为物顶点擦过时，绕射损耗约为6 dB6 dB；当当x x00时，时，TRTR直射线低于障碍物顶点，直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。损耗急剧增加。第3章 移动通信的电波传播 3.1.4 反射波反射波 图图3-5 反射波和直射波反射波和直射波 第3章 移动通信的电波传播 反射波与直射波的行距差为 由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差0为 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(3-5)(3-6)(3-7)第3章 移动通信的电波传播 3.1.5 多径效应与瑞利型多径效应与瑞利型(衰落特性衰落特性)设发射机发设发射机发A cosct后后,接收机接收端接收机接收端收到的合成信号为收到的合成信号为:式式中中:Ri(t)为为第第i条条路路径径的的接接收收信信号号；i(t)为为第第i条条路路径径的的传传输输时时间间；i(t)为为第第i条条路路径径的的相位滞后，相位滞后，i(t)=-ci(t)。(3-8)第3章 移动通信的电波传播 经经大大量量观观察察表表明明，Ri(t)和和i(t)随随时时间间的的变变化化与与发发射射信信号号的的载载频频周周期期相相比比，通通常常要要缓缓慢慢得得多多，所所以以，Ri(t)和和i(t)可可以以认认为为是是缓缓慢慢变变化化的的随随机机过过程程，故式（故式（3-8)可以写成可以写成:（3-9）第3章 移动通信的电波传播 设设:则式（则式（3-9）可写成）可写成 式中式中:U(t)为合成波为合成波R(t)的包络的包络,(t)为合成波为合成波R(t)的相位。的相位。(3-10)第3章 移动通信的电波传播 由由于于R Ri i(t t)和和i i(t t)随随时时间间的的变变化化与与发发射射信信号号的的载载频频周周期期相相比比，是是缓缓慢慢变变化化的的，因因此此x xc c（t t）、x xs s（t t）及及包包络络U U(t t)、相相位位(t t)也也是是缓缓慢变化的。慢变化的。第3章 移动通信的电波传播 通常，通常，U(t)满足瑞利分布，相位满足瑞利分布，相位(t)满足均匀分布，满足均匀分布，R(t)可视为一个窄可视为一个窄带过程。假设噪声为高斯白噪声，带过程。假设噪声为高斯白噪声，为为噪声方差，噪声方差，r为接收信号的损失幅度，为接收信号的损失幅度，则包络概率密度函数则包络概率密度函数p(r)和相位概率密和相位概率密度函数度函数p()分别为：分别为：第3章 移动通信的电波传播 0r+02 均值为均值为 方差方差(3-11)(3-12)第3章 移动通信的电波传播 3.1.6 莱斯（莱斯（Riceam）衰落分布）衰落分布 在在移移动动通通信信中中，如如果果存存在在一一个个起起支支配配作作用用的的直直达达波波（未未受受衰衰落落影影响响），这这时时，接接 收收 端端 接接 收收 信信 号号 的的 包包 络络 为为 莱莱 斯斯（Riceam）分分布布。包包络络的的概概率率密密度度函函数数p(r)为为 第3章 移动通信的电波传播 式式中中,A为为直直达达波波振振幅幅，r为为接接收收信信号号的的瞬瞬时时幅幅度度，为为噪噪声声方方差差，I0（）为为第第一一类类0阶阶Bessel函数。设函数。设 A0,r0 r0,0,K Kacac00。从从图图3-163-16中中还还可可看看出出，随随着着传传播播距距离离的的增增加加，这这种种街街道道走走向向的的影影响响将将变变得得越越来来越越小小。例例如如，在在距距基基站站5km5km处处，纵纵向向街街道道走走向向的的接接收收场场强强中中值值比比横横向向街街道道高高出出12dB12dB，而而在在50km50km处则仅高出处则仅高出6.5dB。第3章 移动通信的电波传播 图图3-16 市区街道走向修正值市区街道走向修正值 第3章 移动通信的电波传播(2)建筑物的穿透衰耗建筑物的穿透衰耗Lp。各各个个频频段段的的电电波波穿穿透透建建筑筑物物的的能能力力是是不不同同的的。一一般般来来说说，波波长长越越短短，穿穿透透能能力力越越强强。同同时时，各各个个建建筑筑物物对对电电波波的的吸吸收收也也是是不不同同的的。不不同同的的材材料料、结结构构和和楼楼房房层层数数，其其吸吸收收衰衰耗耗的的数数据据都都不不一一样样。例例如如，砖砖石石的的吸吸收收较较小小，钢钢筋筋混混凝凝土土的的大些，大些，钢结构的最大。钢结构的最大。第3章 移动通信的电波传播 一般介绍的经验传播模型都是以在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，故如果移街心或空阔地面为假设条件，故如果移动台要在室内使用，动台要在室内使用，在计算传播衰耗和在计算传播衰耗和场强时，需要把建筑物的穿透衰耗也计场强时，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。即有算进去，才能保持良好的可通率。即有（3-26）第3章 移动通信的电波传播 一一般般情情况况下下，Lp不不是是一一个个固固定定的的数数值值，而而是是一一个个030 dB的的范范围围，需需根根据据具具体体情情况况而而定定,参参见见表表3-1。此此外外，穿穿透透衰衰耗耗还还随随不不同同的的楼楼层层高高度度而而变变化化，衰衰耗耗中中值值随随楼楼层层的的增增高高而而近近似似线线性性下下降降，大大致致为为-2 dB/层层，如图如图3-17所示。所示。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 此外，在建筑物内从建筑物的入此外，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口沿着走廊向建筑物中央每进入1米，米，穿透衰耗将增加穿透衰耗将增加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 第3章 移动通信的电波传播(3)植被衰耗植被衰耗Lz 图图3-18 森林地带的附加衰耗森林地带的附加衰耗 第3章 移动通信的电波传播(4)隧道中的传播衰减隧道中的传播衰减Lsd。图图 3-19 电波在隧道中的传播衰耗电波在隧道中的传播衰耗 第3章 移动通信的电波传播 3.2.3 Okumura-Hata方法方法 为为了了在在系系统统设设计计时时,使使Okumura预预测测方方法法能能采采用用计计算算机机进进行行预预测测，Hata对对Okumura提提出出的的基基本本中中值值场场强强曲曲线线进进行行了了公公式式化化处处理理，所所得得基基本本传传输输损损耗的计算公式如下：耗的计算公式如下：第3章 移动通信的电波传播(3-29)(3-30)(3-31)式中：式中：d为收发天线之间的距离，为收发天线之间的距离，km；hb为基站天线有效高度，为基站天线有效高度，m；第3章 移动通信的电波传播（hm）为为移移动动台台天天线线高高度度校校正正因因子子，hm为为移移动台天线高度（动台天线高度（m）。）。（hm）由下式计算：）由下式计算：中、中、小城市小城市 大城市大城市 大城市大城市 这这套套公公式式的的适适用用范范围围为为：150MHzf1500MHz，30mhb200m，1mhm10m，1kmd20km，准平坦地形。，准平坦地形。第3章 移动通信的电波传播 3.2.4 微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式 图图3-20 环境参数的定义环境参数的定义(a)环境参数；环境参数；(b)街道方向街道方向 第3章 移动通信的电波传播 市区环境的特性用下列参数表示（这些市区环境的特性用下列参数表示（这些参数的定义见图参数的定义见图3-20(a)和和(b)）：）：建筑物高度：建筑物高度：hRoof；街道宽度：街道宽度：w；建筑物间隔：建筑物间隔：b；相对于街道平面的直射波方向：相对于街道平面的直射波方向：。以上参数适用于市区地形为平滑地形。以上参数适用于市区地形为平滑地形。第3章 移动通信的电波传播 微蜂窝覆盖区预测计算模式分为两部分：微蜂窝覆盖区预测计算模式分为两部分：（1）视线传播。视线传播。基本传播损耗采用下式计算：基本传播损耗采用下式计算：式中，式中，d为基站至移动台之间的距离，为基站至移动台之间的距离，限限于于d20 m。(3-33)第3章 移动通信的电波传播 （2）非非视视线线传传播播。即即在在街街道道峡峡谷谷内内有有高高建建筑筑物物阻阻挡挡视视线线，基基本本传传输输损损耗耗Lb由由以下三项组成：以下三项组成：式中，式中，L0自由空间传播损耗：自由空间传播损耗：(3-34)第3章 移动通信的电波传播 Lrts屋顶至街道的绕射及散射损耗：屋顶至街道的绕射及散射损耗：用于用于hRoofhm 用于用于LrtshRoof d0.5 km及及hbhRoof d0.5km及及 hbhRoof(3-41)(3-42)第3章 移动通信的电波传播 用用于于中中等等城城市市及及具具有有中中等等密密度度的的树树的的郊郊区区中心中心 用于大城市中心用于大城市中心(3-43)第3章 移动通信的电波传播 式式中中：hb、hRoof的的单单位位用用m，f的的单单位用位用MHz，d的单位用的单位用km。COST-231-Walfish-Ikegami计计算算模模式式应应用用于于hbhRoof时时，计计算算结结果误差较大。果误差较大。第3章 移动通信的电波传播 在在同同一一条条件件下下，f=1800 MHz的的传传输输损损耗耗可可用用900 MHz的损耗值求得，即的损耗值求得，即L1800=L900+10dB 以以上上微微蜂蜂窝窝覆覆盖盖区区预预测测计计算算的的适适用用条条件件为为f：8002000 MHz；hBase：450m；hMobile：13 m；d：0.025 km。(3-44)
