Ksp移动信道中的电波传播课件.ppt

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1、第3章 移动信道中的电波传播,3.1 无线电波传播特性 3.2 移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的传输损耗 3.4 移动信道的传播模型 思考题与习题,3.1 无线电波传播特性,3.1.1 电波传播方式 发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f30 MHz时，典型的传播通路如图 3-1 所示。沿路径从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播方式；沿路径的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波；路径的电波沿地球表面传播，称为地表面波。,由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大，传播距离迅速减小，因此在VHF和UHF频段地表面波的传播可以忽

2、略不计。除此之外，在移动信道中，电波遇到各种障碍物时会发生反射和散射现象，它对直射波会引起干涉，即产生多径衰落现象。下面先讨论直射波和反射波的传播特性。,3.1.2 直射波 直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间传播 是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数r和相对导磁率r都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这种情况下，电波可视作在自由空间传播。,自由空间传播损耗Lfs可定义为:Lfs

3、(dB)=32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz)(3-1)式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。,dB：是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）dBm：是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。dBc：是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。它是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等)以及耦合、杂散等的相对量值。dBi、dBd：是考征增益的值（功率增益），两者都是一个

4、相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15,3.1.3 大气中的电波传播 1.大气折射 在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率n与相对介电系数r的关系为,(3-2),众所周知，大气的相对介电系数与温度、湿度和气压有关。大气高度不同，r也不同，即dn/dh是不同的。根据折射定律，电波传播速度v与大气折射率n成反比，即,(3-3),式中，c为光速。,大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径

5、R0(6.37106m)变成了等效半径Re,Re与R0之间的关系为,(3-4),式中，k称作地球等效半径系数。标准大气折射情况下，等效地球半径Re=8500km,2.视线传播极限距离 视线传播的极限距离可右图 计算，天线的高度分别为ht和hr，两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。由于地球等效半径Re远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为,(3-5),同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为,(3-6),可见，视线传播的极限距离d为,(3-7),在标准大气折射情况下，Re=8500km,故,(3-8),式中，ht、hr的单位是m,d的单位是km。,3.1.4 障碍

6、物的影响与绕射损耗 在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。设障碍物与发射点和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至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，如图3-3(a)所示；无阻挡时余隙为正，如图3-3(b)所示。,图 3-3 障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙,由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图3-4所示。,图34 绕射损耗与余隙关系,由图3-4可见，当x/x10.5时，附加损耗约为0dB，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.

7、5x1;当x0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为 6dB。,图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播损耗的分贝数。横坐标为x/x1,其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式可求得：,(3-9),例3-1 设图3-3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解:先由式(3-1)求出自由空间传播的损耗Lfs为,Lfs=32.44+20lgd+20lg f=32.44+20lg(5+10)+20lg 150=32.44+23.5

8、2+43.54=99.5dB,由式(3-9)求第一菲涅尔区半径x1为,2 m,由图3-4 查得附加损耗(x/x1-1)为16.5dB,因此电波传播的损耗L为 L=Lfs+16.5=116.0dB,3.1.5 反射波 当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多，就会产生镜面反射。由于大地和大气是不同的介质，所以入射波会在界面上产生反射，如图 3-5 所示。,通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系数R表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，R可表示为 R=|R|e-j(3-10)式中，|R|为反射点

9、上反射波场强与入射波场强的振幅比，代表反射波相对于入射波的相移。对于地面反射，当工作频率高于150MHz(2m)时，1，可得 Rv=Rh=-1(3-11)即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为180。,在图3-5中，由发射点T发出的电波分别经过直射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R，由于两者的路径不同，从而会产生附加相移。由图3-5可知，反射波与直射波的路径差为,(3-12),式中，d=d1+d2。,通常(ht+hr)d,故上式中每个根号均可用二项式定理展开，并且只取展开式中的前两项。例如：,由此可得到,(3-13),由路径差d引起的附加相移为,(3-14),式中，2/称

10、为传播相移常数。这时接收场强E可表示为,(3-15),或调整天线的位置、高度，使地面反射区离开光滑界面,3.2 移动信道的特征,3.2.1 传播路径与信号衰落 在VHF、UHF移动信道中，电波传播方式除了上述的直射波和地面反射波之外，还需要考虑传播路径中各种障碍物所引起的散射波。图3-6是移动信道传播路径的示意图。,图中，hb为基站天线高度,hm为移动台天线高度。直射波的传播距离为d,地面反射波的传播距离为d1，散射波的传播距离为d2。移动台接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。为分析简便，假设反射系数R=-1(镜面反射)，则合成场强E为,(3-16),快衰落多径效应几秒或几分慢衰落局部中值

11、几十分到几小时,3.2.2 多径效应与瑞利衰落 在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和，如图 3-7所示。假设基站发射的信号为,(3-17),式中，0为载波角频率，0为载波初相。经反射(或散射)到达接收天线的第i个信号为Si(t)，其振幅为i,相移为i。假设Si(t)与移动台运动方向之间的夹角为i,其多普勒频移值为,(3-18),式中，v为车速，为波长，fm为i=0时的最大多普勒频移，因此Si(t)可写成,(3-19),对积分，可求得包络概率密度函数p(r)为,r0(3-20),同理，对r积分可求得相位概率密度函数p()为

12、,02(3-21),联合概率密度函数为,多径衰落服从瑞利分布,由式(3-21)不难得出瑞利衰落信号的如下一些特征：均 值,均方值,(3-22),(3-23),瑞利分布的概率密度函数p(r)与r的关系如图3-8所示。,在典型移动信道中，衰落深度达30dB左右，衰落速率约30-40次/秒。,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备 在移动信道中，由大量统计测试表明：在信号电平发生快衰落的同时，其局部中值电平还随地点、时间以及移动台速度作比较平缓的变化，其衰落周期以分级计，称作慢衰落或长期衰落。慢衰落近似服从对数正态分布。所谓对数正态分布，是指以分贝数表示的信号电平为正态分布。还有一种随时间变化的慢衰落，它

13、也服从对数正态分布。这是由于大气折射率的平缓变化，使得同一地点处所收到的信号中值电平随时间作慢变化，这种因气象条件造成的慢衰落其变化速度更缓慢(其衰落周期常以小时甚至天为量级计)，因此常可忽略不计。,图3-9 信号慢衰落特性曲线(a)市区；(b)郊区,为研究慢衰落的规律，通常把同一类地形、地物中的某一段距离(12km)作为样本区间，每隔20m(小区间)左右观察信号电平的中值变动，以统计分析信号在各小区间的累积分布和标准偏差。,图3-10 慢衰落中值标准偏差,衰落储备在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率小于规定的指标。图3-11示出了可通率T分别为90%、95%和99%的三组

14、曲线，根据地形、地物、工作频率和可通率要求，由此图可查得必须的衰落储备量。例如：f=450MHz，市区工作，要求T=99%，则由图可查得此时必须的衰落约为22.5dB。,图3-11 衰落储备量,3.3 陆地移动信道的传输损耗,3.3.1 接收机输入电压、功率与场强的关系 1.接收机输入电压的定义,2.接收场强与接收电压的关系,接收机输入端的端电压U与天线上的感应电势Us有以下关系：,3.3.2 地形、地物分类1.地形的分类与定义 中等起伏地形:是指在传播路径的地形剖面图上 地面起伏高度不超过20m 且起伏缓慢 峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。不规则地形:其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水

15、陆混合地形等统称为不规则地形。2.地物(或地区)分类 不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区 开阔地。在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠等。郊区。在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等。市区。有较密集的建筑物和高层楼房。,3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中值 1.市区传播损耗的中值 在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。,图312 中等起伏地形上市区基本损耗中值,图3-13 天线高度增益因子(a)基站Hb(

16、hb,d);(b)移动台Hm(hm,f),图3-14 街道走向修正曲线,2.郊区和开阔地损耗的中值 郊区的建筑物一般是分散、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子，记作Kmr。,图3-15郊区修正因子,图3-16开阔地、准开阔地修正因子,为了求出郊区、开阔地及准开阔地的损耗中值，应先求出相应的市区传播损耗中值，然后再减去由图3-15或图3-16查得的修正因子即可。3.3.4 不规则地形上传播损耗的中值 1.丘陵地的修正因子Kh 丘陵地的地形参数用地形起伏高度h表征。它的定义是：自接收点向发射点延伸10 km的范围内，地形起伏的90%与10%的高度差(参见

17、图3-17(a)上方)即为h。分为丘陵地平均修正因子Kh、微小修正因子Khf,图3-17 丘陵地场强中值修正因子(a)修正因子Kh;(b)微小修正因子Khf,2.孤立山岳修正因子Kjs 当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时，若求山背后的电场强度，一般从相应的自由空间场强中减去刃峰绕射损耗即可。但对天线高度较低的陆上移动台来说，还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗。(450-900M，110-350m),图3-18 孤立山岳修正因子Kjs,其中，d1是发射天线至山顶的水平距离，d2是山顶至移动台的水平距离。如果实际的山岳高度不为200m，则上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数，计算的

18、经验公式为,3.斜波地形修正因子Ksp 斜坡地形系指在510km范围内的倾斜地形。若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角为+m；反之为负斜坡，倾角为-m，如图3-19 的下部所示。,图3-19 斜坡地形修正因子Ksp,4.水陆混合路径修正因子KS 在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，接收信号的场强往往比全是陆地时要高。为估算水陆混合路径情况下的场强中值，用水面距离dSR与全程距离d的比值作为地形参数。此外，水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有关。曲线A表示水面靠近移动台一方的修正因子,图3-20 水陆混合路径修正因子,3.3.5 任意地形地区的传播损耗的中值 1.中等起

19、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：PP=P0-Am(f,d)+Hb(hb,d)+Hm(hm,f)(3-24)式中，P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即,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0dB，基站天线高度为200m,移动台天线高度为3m的情况下得到的损耗中值，它可由图3-12求出。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 3-13

20、(a)求出。Hm(hm,f)是移动台天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为基准得到的相对增益，可由图 3-13(b)求得。若需要考虑街道走向，式(3-24)还应再加上纵向或横向路径的修正值。,2.任意地形地区接收信号的功率中值PPC 任意地形地区接收信号的功率中值以中等起伏地市区接收信号的功率中值PP为基础，加上地形地物修正因子KT，即 PPC=PP+KT(3-25)地形地物修正因子KT一般可写成 KT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+KS(3-26)式中：Kmr郊区修正因子 可由图3-15 求得；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图3-16求得；Kh、Khf丘陵

21、地修正因子及微小修正因子，可由图3-17求得；,Kjs孤立山岳修正因子，可由图3-18 求得；Ksp斜坡地形修正因子 可由图3-19 求得；KS水陆混合路径修正因子，可由图3-20 求得。任意地形地区的传播损耗中值 LA=LT-KT(3-27)式中，LT为中等起伏地市区传播损耗中值，即 LT=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)(3-28),例3-2 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

22、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。,解:根据已知条件，KT=0,LA=LT，式(3-68)可分别计算如下：由式(3-1)可得自由空间传播损耗 Lfs=32.44+20lgf+20lgd=32.44+20lg450+20lg10=105.5dB由图3-12查得市区基本损耗中值 Am(f,d)=27dB由图3-13(a)可得基站天线高度增益因子 Hb(hb,d)=-12dB,由图3-13(b),可得移动台天线高度增益因子 Hm(hm,f)=0dB把上述各项代入式(3-28)，可得传播路径损耗中值为 LA=LT=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)=

23、105.5+27+12=144.5dB(2)由式(3-24)可求得中等起伏地市区中接收信号的功率中值,3.4 移动信道的传播模型,3.4.1 传播损耗预测模型 1.Okumura-Hata模-宏蜂窝（150-1000 MHz）Hata模型是针对3.3节讨论的由Okumura用图表给出的路径损耗数据的经验公式，该公式适用于1501000 MHz频率范围。Hata将市区的传播损耗表示为一个标准的公式和一个应用于其他不同环境的附加校正公式。在市区的中值路径损耗的标准公式为(CCIR采纳的建议)Lurban(dB)=69.55+26.16lgfc-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55l

24、ghb)lgd（3-29）,对于小城市到中等城市，a(hm)的表达式为 a(hm)=(1.1lgfc-0.7)hm-(1.56lgfc-0.8)dB（3-30）对于大城市,a(hm)的表达式为 a(hm)=8.29(lg1.54hm)2-1.1dB fc300 MHz（3-31）a(hm)=3.2(lg11.754hm)2-4.97dB fc300MHz(3-32)为了得到郊区的路径损耗，式（3-29）可以修正为 Lsuburban(dB)=Lurban-2lg(fc/28)2-5.4（3-33）对于开阔的农村地带的路径损耗，式（3-29）可以修正为 Lrural(dB)=Lurban-4.7

25、8(lgfc)2+18.33lgfc-40.94(3-34）,2.Cost231-Hata模型-宏蜂窝（1500-2000 MHz）Lurban(dB)=46.3+33.9lgfc-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-Acost231hm+Cm(3-35）Acost231hm=(1.1 lgf-0.7)hm-(1.56 lgf-0.8)Cm 大城市修正，在中等城市或中等树木密度的市郊中心取值0dB，大城市取值3大dB。3.ASSET模型-宏蜂窝（900/1800 MHz）用于ASSET规划软件 Lurban(dB)=K1+K2lgd+K3(hm)+k4lghm+K5lg(

26、Hb)+k6lg(Hb)lgd+K7diffn+Kclutter(3-36）K1与频率有关的常数；K2距离衰减常数；K3、K4移动台天线高度修正系数；K5、K6基站天线高度修正系数；K7绕射修正系数；Kclutter 地物衰减修正系数；d移动台和基站之间的距离；Hm、Hb移动台天线和基站天线的有效高度。,4.COST-231WalfishIkegami模型-微小区(900/1800Mhz)这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗。COST-231模型已被用于微小区的实际工程设计。该模型适用的范围：频率f：8002000 MHz；距离d：0.025 k

27、m；基站天线高度hb：450m；移动台天线高度hm：13 m。,图3-21 COST-231/Walfish/Ikegami模型中的参数(a)模型中所用的参数；(b)街道方位的定义,1)可视传播路径损耗 可视传播路径损耗的计算公式为 Lb=42.6+26lgd+20lgf(3-37)式中损耗Lb以dB计算，距离d以km计算，频率f以MHz计算。(增加了市区传播损耗 10dB，有直射路经即天线低于屋顶高度)2)非可视传播路径损耗(没有直射路经）非可视传播路径损耗的计算公式为 Lb=L0+Lrts+Lmsd(3-38)式中，L0是自由空间传播损耗；Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗；Lmsd是多

28、重屏障的绕射损耗。(1)自由空间传播损耗的计算公式为 L0=32.4+20lgd+20lgf(3-39),(2)屋顶至街道的绕射及散射损耗(基于Ikegami模型)的计算公式为,(3-40),03535555590,(3-41),(3)多重屏障的绕射损耗(基于Walfish模型)的计算公式为,式中，b为沿传播路径建筑物之间的距离(m)；Lbsh和Ka表示由于基站天线高度降低而增加的路径损耗；Kd和Kf为Lmsd与距离d和频率f相关的修正因子，与传播环境有关。以上参数的值如下：,hbhroofhbhroof,hbhroof,(3-42),hbhroof且d0.5km,hbhroof且d0.5km

29、,(3-43),hbhroof,hbhroof,(3-44),用于中等城市及具有中等密度树木的郊区中心,用于大城市中心,(3-45),3)f=1800MHz的传输损耗 在同一条件下，f=1800MHz的传输损耗可用900MHz的损耗值求出，即：L1800=L900+10dB(3-46)一般来说，用COST-231模型作微蜂房覆盖区预测时，需要详细的街道及建筑物的数据，不宜采用统计近似值。,但在缺乏周围建筑物详细数据时，COST-231推荐使用下述缺省值：b=2050m；w=b/2;hroof=3（楼层数）+=90。,3 斜顶0 平顶,平均误差在+-3dB的范围内，标准偏差为5-7dB,5.室内

30、(办公室)测试环境路径损耗模型（Keenan-Motley)室内(办公室)路径损耗的基础是COST-231模型，定义如下：,Lfs发射机和接收机之间的自由空间损耗；Lc固定损耗(37dB)；kwi被穿透的i类墙的数量；n被穿透楼层数量(n=3)；Lwii类墙的损耗；Lf相邻层之间的损耗；b经验参数。,表3-2 对损耗分类的加权平均,室内路径损耗(dB)模型可用下面的简化形式表示:,(3-47),式中，d为收发信机的距离间隔(m)，n为在传播路径中楼层的数目。,据统计，损耗线的斜率是-1.9/层。第一层的平均损耗，市区为18dB左右，郊区在13dB左右,6.IMT-2000模式 第三代移动通信网

31、络，工作环境可分为室内办公环境、室外到室内步行的环境、车载环境。(1)室内办公环境 这种环境的特点是小区很小，发射功率低，室内既有基站又有步行用户。均方根迟延扩展范围从35ns460ns。由于墙、地板和诸如隔墙和档案柜等金属结构家具的散射和衰减，引起路径损耗规律的变化。这些物体还产生阴影效应，可以期望具有12 dB 标准差的对数正态阴影效应。衰落特性范围从莱斯衰落到瑞利衰落，具有由步行速度引起的多普勒频移。这种环境的路径损耗模式是：式中，d是发射机和接收机之间间距(m)，n是路径中的楼层数,(3-48),表3-3 常用的传播模型,思考题与习题 1.在标准大气折射下，Re=8500km,发射天线高度为200m，接 收天线高度为2m，试求视线传播极限距离。2.某一移动信道，传播路径如图3-3(a)所示，假设d1=5km，d2=10km，工作频率300MHz，x=28.87m，试求电波传播损耗 值。3.某一移动通信系统，基站天线高度为100m，天线增益Gb=6 dB，移动台天线高度为3 m，Gm=0 dB，市区为中等起伏地，通信距离为10 km，工作频率为150 MHz，试求：(1)传播路径上的损耗中值；(2)基站发射机送至天线的功率为10 W，试计算移动台 天线上的信号功率中值。4.常用的传播模型有哪几种？各用于什么场合？,