移动通信-第三章

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:)1.3()(lg20)(lg2045.32dBMHzfkmdLbs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：)2.3()())()((57.30kmmhmhdTR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：)3.3()())()((12.40kmmhmhdTR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/x10.5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x0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：dhhcbadRT2)6.3(220dTt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tAccos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：niicitttRtR1)]}([cos{)()()]}({[cos)(1tttRicnii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，)(tRi)(ti)(ti)()(ttioi（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。)(tRi)(ti所以（3-8）式可写成：niniciiciitttRtttRtR11sin)(sin)(cos)(cos)()(（3-9）设：niiisniiicttRtxttRtx11)(sin)()()(cos)()()(sin)()(cos)()(ttxttxtRcccs)](cos[)(tttUc则（3-9）式可写为：)()()(22txtxtUsc)()()(1txtxtgtsc)(tU为合成波的包络；为合成波的相位。)(tR)(tR)(t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。)(tU)(t)(tRrrrrP0)2exp()(2222021)(P则：由上式可得出瑞利衰落的一些特性：均值为：方差为：2533.12)(][0drrrPrErmean222022224292.0)22(2)(][][drrPrrErEr3.1.7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。)(2lg10)(22dBAdbK000,0)()(202)(2222rrAArIerrPAr设KA,0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：)14.3(40lg20f☆则不平坦的场强公式为)15.3(40lg204lg20)()(210fdhhdBEdBE☆或者说，不平坦地带传播衰减为)16.3(40lg204lg20)(21fdhhdBA☆如果h1、h2用米表示，d用公里(km)表示，f用MHz表示，则)(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(21kmdmhmhMHZfdBLA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。⒈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。)18.3(),(dfALLmbsT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：)193.(),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT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：fdLbslg20lg2045.32900lg2010lg2045.32)(5.111dB查图3-6可求得Am(f,d)，即)(30)10,900(),(dBAdfAmm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：)(5.141305.111),(dBdfALLmbsT若hb=50m,hm=2m，其他条件不变，求损耗中值。)(12)10,50(),(dBHdhHbbb)(2)900,2(),(dBHfhHmmm),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT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：)900,2()10,50(5.141mbHH)(5.155)2()12(5.141dB⒉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⒊不规则地形上的传播衰耗中值⑴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。⑵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)20.3('07.0H⑶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+θm；反之为负斜坡，倾角为-θm。斜坡地形修正因子ksp也是增益因子。⑷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。⒋任意地形的信号中值预测⑴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)(lg2045.32MHZfkmdLbs⑵计算准平滑地形市