1、第3章 移動通信的電波傳播 第3章 移動通信的電波傳播 3.1 VHF、 UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性 3.2 電波傳播特性的估算（工程計算）電波傳播特性的估算（工程計算） 第3章 移動通信的電波傳播 3.1 VHF、UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性 當前陸地移動通信主要使用的頻段為VHF和UHF,即150 MHz、450 MHz、900 MHz、1800 MHz。移動通信中的傳播方式主要有直射波、反射波和地表面波等傳播方JP2式。 由于地表面波的傳播損耗隨著頻率的增高而增大， 傳播距離有限，因此在分析移動通信信道時， 主要考慮直射波和反射波的影響。 圖3-1表示出了典

2、型的移動信道電波傳播路徑。 第3章 移動通信的電波傳播 圖圖3-1 典型的移動信道電波傳播路徑典型的移動信道電波傳播路徑 第3章 移動通信的電波傳播 3.1.1 直射波直射波 在自由空間中, 電波沿直線傳播而不被吸收, 也不發生反射、 折射和散射等現象而直接到達接收點的傳播方式稱為直射波傳播。直射波傳播損耗可看成自由空間的電波傳播損耗Lbs, Lbs的表示式為 )(lg20lg2045.32dBfdLbs式中, d為距離(km), f為工作頻率(MHz)。 第3章 移動通信的電波傳播 3.1.2 視距傳播的極限距離視距傳播的極限距離 圖3-2 視距傳播的極限距離 第3章 移動通信的電波傳播 已

3、知地球半徑為R=6370 km, 設發射天線和接收天線高度分別為hT和hR(單位為m), 理論上可得視距傳播的極限距離d0為 )()()(57. 30kmmhmhdTR 由此可見, 視距決定于收、發天線的高度。天線架設越高, 視線距離越遠。 實際上，當考慮了空氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響后, 在標準大氣折射情況下，等效地球半徑R=8500 km, 可得修正后的視距傳播的極限距離d0為 )()()(12. 40kmmhmhdTR第3章 移動通信的電波傳播 3.1.3繞射損耗繞射損耗在移動通信中，通信的地形環境十分復雜，很難對各種地形引起的電波損耗做出準確的定量計算，只能作出一些定性分析，采用

4、工程估算的方法。在實際情況下，除了考慮在自由空間中的視距傳輸損耗外，還應考慮各種障礙物對電波傳輸所引起的損耗。通常將這種損耗稱為繞射損耗。設障礙物與發射點、接收點的相對位置如圖3-3所示，圖中x表示障礙物頂點P至直線AB之間的垂直距離，在傳播理論中x稱為菲涅爾余隙。 第3章 移動通信的電波傳播 圖3-3 菲涅爾余隙（a） 負余隙; （b）正余隙 第3章 移動通信的電波傳播 根據菲涅爾繞射理論，可得到障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關系如圖3-4 所示。圖中, 橫坐標為x/x1，x1稱菲涅爾半徑（第一菲涅爾半徑），且有 21211ddddx 由圖3-4可見，當橫坐標x/x10.5時，則障礙

5、物對直射波的傳播基本上沒有影響。當x=0時，TR直射線從障礙物頂點擦過時，繞射損耗約為6 dB；當x0時，TR直射線低于障礙物頂點，損耗急劇增加。 （3-4）第3章 移動通信的電波傳播 圖3-4 繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關系 第3章 移動通信的電波傳播 3.1.4 反射波反射波 圖3-5 反射波和直射波 第3章 移動通信的電波傳播 反射波與直射波的行距差為 dhhcbadRT2 由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此兩路信號到達接收天線的時間差換算成相位差0為 dTt220 再加上地面反射時大都要發生一次反相， 實際的兩路電波相位差為 d20(3-5)(3-6)(3-7)第3章 移動通信

6、的電波傳播 3.1.5 多徑效應與瑞利型多徑效應與瑞利型(衰落特性衰落特性) 設發射機發A cosct后, 接收機接收端收到的合成信號為 )(cos)()(cos)()(11tttRtttRtRicniiicnii式中: Ri(t)為第i條路徑的接收信號；i(t)為第i條路徑的傳輸時間；i(t)為第i條路徑的相位滯后，i(t)=-ci(t)。 經大量觀察表明，Ri(t)和i(t)隨時間的變化與發射信號的載頻周期相比，通常要緩慢得多，所以，Ri(t)和i(t)可以認為是緩慢變化的隨機過程，故式（3-8)可以寫成 tttRtttRtRciniiciniisin)(sin)(cos)(cos)()(

7、11（3-9）(3-8)第3章 移動通信的電波傳播 設: niiisniiicttRtxttRtx11)(sin)()()(cos)()(則式（3-9）可寫成 )(cos)()(sin)()(cos)()(tttUttxttxtRccscc式中: U(t)為合成波R(t)的包絡； (t)為合成波R(t)的相位。 (3-10)第3章 移動通信的電波傳播 )()(arctan)()()()(22txtxttxtxtUcssc 由于Ri(t)和i(t)隨時間的變化與發射信號的載頻周期相比，是緩慢變化的，因此xc（t）、xs（t）及包絡U(t)、相位(t)也是緩慢變化的。通常，U(t)滿足瑞利分布，相

8、位(t)滿足均勻分布， R(t)可視為一個窄帶過程。假設噪聲為高斯白噪聲，為噪聲方差，r為接收信號的損失幅度，則包絡概率密度函數p(r)和相位概率密度函數p()分別為： 第3章 移動通信的電波傳播 2222exp)(rrrp0r+ 21)(p02 均值為 2533. 12)(0drrrprErmean方差 222022224292. 0222)(drrprrErEr(3-11)(3-12)第3章 移動通信的電波傳播 3.1.6 萊斯（萊斯（Riceam）衰落分布）衰落分布 在移動通信中，如果存在一個起支配作用的直達波（未受衰落影響），這時，接收端接收信號的包絡為萊斯（Riceam）分布。 包絡

9、的概率密度函數p(r)為 0)(202)(2222ArIerrpArA0, r0 r0, Kac0。從圖3-16中還可看出，隨著傳播距離的增加，這種街道走向的影響將變得越來越小。例如，在距基站5km處，縱向街道走向的接收場強中值比橫向街道高出12dB，而在50km處則僅高出6.5dB。第3章 移動通信的電波傳播 圖圖3-16 市區街道走向修正值市區街道走向修正值 第3章 移動通信的電波傳播 (2) 建筑物的穿透衰耗Lp。 各個頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的。一般來說，波長越短，穿透能力越強。 同時，各個建筑物對電波的吸收也是不同的。不同的材料、結構和樓房層數，其吸收衰耗的數據都不一樣。例如

10、，磚石的吸收較小，鋼筋混凝土的大些， 鋼結構的最大。一般介紹的經驗傳播模型都是以在街心或空闊地面為假設條件，故如果移動臺要在室內使用， 在計算傳播衰耗和場強時，需要把建筑物的穿透衰耗也計算進去，才能保持良好的可通率。即有 pbLLL0（3-26）第3章 移動通信的電波傳播 表表3-1 建筑物的穿透衰耗建筑物的穿透衰耗(地面層地面層) 頻率/MHz 150250450800平均穿透衰耗/dB 22221817 一般情況下，Lp不是一個固定的數值，而是一個030 dB的范圍， 需根據具體情況而定, 參見表3-1。此外，穿透衰耗還隨不同的樓層高度而變化，衰耗中值隨樓層的增高而近似線性下降，大致為-2

11、 dB/層， 如圖3-17所示。 此外，在建筑物內從建筑物的入口沿著走廊向建筑物中央每進入1米，穿透衰耗將增加12 dB。 第3章 移動通信的電波傳播 圖3-17 信號衰耗與樓層高度 第3章 移動通信的電波傳播 (3) 植被衰耗Lz 圖3-18 森林地帶的附加衰耗 zbLLL00.40.30.20.100.40.30.20.1100005000305010020050010002000f / MHz附加損耗 / (dB / m)A : 垂直極化B : 水平極化第3章 移動通信的電波傳播 (4) 隧道中的傳播衰減Lsd。 sdbLLL0圖 3-19 電波在隧道中的傳播衰耗 第3章 移動通信的電波

12、傳播 3.2.3 Okumura-Hata方法方法 為了在系統設計時, 使Okumura預測方法能采用計算機進行預測， Hata對Okumura提出的基本中值場強曲線進行了公式化處理， 所得基本傳輸損耗的計算公式如下： )(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市區)(4 . 528lg2)()(2dBfLLbb市區郊區)(94.40lg33.18)(lg78. 4)()(2dBffLLbb市區開闊區(3-29)(3-30)(3-31)第3章 移動通信的電波傳播 式中：d為收發天線之間的距離， km； hb為基站天線有效高度，m

13、； （hm）為移動臺天線高度校正因子，hm為移動臺天線高度（m）。（hm）由下式計算： )400(97. 4)75.11(lg2 . 3)200(1 . 1)54. 1(lg29. 88 . 0lg56. 1)7 . 0lg1 . 1 ()(22MHzfhMHzfhfhfhmmmm中、 小城市 大城市 大城市 這套公式的適用范圍為：150 MHzf1500 MHz，30 mhb200 m，1 mhm10 m，1 kmd20 km，準平坦地形。 第3章 移動通信的電波傳播 3.2.4 微蜂窩系統的覆蓋區預測模式微蜂窩系統的覆蓋區預測模式 圖圖3-20 環境參數的定義環境參數的定義(a) 環境參數

14、；環境參數； (b) 街道方向街道方向 第3章 移動通信的電波傳播 市區環境的特性用下列參數表示（這些參數的定義見圖3-20(a)和(b)）： 建筑物高度：hRoof； 街道寬度： w； 建筑物間隔：b； 相對于街道平面的直射波方向： 。 以上參數適用于市區地形為平滑地形。 第3章 移動通信的電波傳播 微蜂窩覆蓋區預測計算模式分為兩部分：（1） 視線傳播。視線傳播。 基本傳播損耗采用下式計算： )(lg20)(lg266 .42MHzfkmdLb式中，d為基站至移動臺之間的距離， 限于d20 m。 (3-33)第3章 移動通信的電波傳播 （2） 非視線傳播。即在街道峽谷內有高建筑物阻擋視線， 基本傳輸損耗Lb由以下三項組成： msdrtsbLLLL0式中， L0自由空間傳播損耗： )(lg20)(lg204 .320MHzfkmdL Lrts屋頂至街道的繞射及散射損耗： 0lg20lg10lg109 .16orimrtsLhfL用于hRoofhm 用于LrtshRoof d0.5 km及hbhRoof d0.5km及 hbhRoof 151818dKRoofbRoofbRoofbhhhhhh19255 . 119257 . 04ffKf用于中等城市及具有中等密度的樹的郊區中心 用于大城市中心 (3-41)(3-42)(3