第3章 移动通信的电波传输

第3章移动通信的电波传播第3章移动通信的电波传播3.1VHF、UHF频段的电波传播特性3.2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3.1VHF、UHF频段的电波传播特性图3-1典型的移动信道电波传播路径hRd1hTdd2d—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=6370km,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播轨迹的影响后,在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8500km,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绕射损耗图3-3菲涅尔余隙（a）负余隙;（b）正余隙hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RRhRTThTd1Pxd2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6dB；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2624201612840－2绕射损耗/dB－2.5－2－1012x/x1第3章移动通信的电波传播例1：在一条无线传播路径中，若菲涅尔余隙为x＝－82m，d1＝5km，d2＝10km，工作频率为150MHz。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：Lfs＝32.44+20lgd+20lgf=32.44+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB再求出第一菲涅尔区半径＝81.7m21211ddddx第3章移动通信的电波传播根据x/x1=-1查表得附加损耗为16.5dB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反射波图3-5反射波和直射波d1d2hRacbhT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，因此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差Δφ0为dTt220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Δφ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）3.2.1EgliJohnJ.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。EgliJohnJ.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,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(Okumura)OM模型适用的范围：频率为150～1500MHz，基地站天线高度为30～200m，移动台天线高度为1～10m，传播距离为1～20km。第3章移动通信的电波传播1.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、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=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)。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3-6大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f,d)1009080706050403020105321d/km300020001000700500300200100101235102030302040504060708090100506070d/km市区hb＝200mhm＝3m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3-1当d=10km,hb=200m,hm=3m,f=900MHz时，由式（３-１）可求得自由空间的传播衰耗中值LbsdBfdLbs5.111900lg2010lg2045.32lg20lg2045.32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hb＝200m基地站天线高度增益因子Hb(hb,d)/dB－3040201053110080705060203050701002003005007001000基地站天线有效高度hb/m－20－10虚线实线0102030d/km70～1006040201～10d/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)2000100070040020010010020040010001075321－505101520市区:hm＝3m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400MHz以上200MHz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=200m,hm=3m,d=10km,f=900MHz时，计算得LT=141.5dB。;若将基地站天线高度改为hb=50m,移动台天线高度改为hm=2m,利用图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图3-9郊区修正因子Kmr200010007005003002001000510152025郊区修正因子Kmr/dB频率/MHzd＝1kmd＝5kmd＝10kmd≥20km第3章移动通信的电波传播图3-10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(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Δh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，如图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Kh100－10－20－301020305070100200300500h/m丘陵地修正因子Kh/dB基地站发射d＜10km时dm＝5～10kmdm＝10kmhh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Khf102030507010020030050001020h/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H=200m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200m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Kjs20100－10－200246810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:d1≥60kmB曲线:d1＝30kmC曲线:d1≤15kmABC孤立山岳典型地形T(基地站)T(基地站)－3－1013kmd1d2HR(移动台)H＝200m第3章移动通信的电波传播(3)斜坡地形的修正因子。图3-14斜坡地形修正因子Ksp20100－10－20－20－1001020斜坡地形修正因子Ksp/dB平均倾角m/mradd＞60kmd＝30kmd＜10kmd＞30km(基地站)发射＋m－m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3-15水陆混合地形的修正因子Ks1008060402005101520水面距离与全距离的比率(dSR/d)/%水陆混合路径修正因子Ks/dBd＜30kmd＜60kmAABB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(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Kmr——郊区修正因子，可由图3-9Qo、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3－12求得；Kjs——孤立山岳修正因子，可由图3-13Ksp——斜坡地形修正因子，可由图3-14KS——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