第2講移動通信的電波傳播

引言1電波傳播特性2陸地信道場強計算3無線鏈路計算41引言1.導入

◆傳播特性如何直接關系到通信的可靠性。

◆不同頻段的無線電波，其傳播方式和特點是不相同的。

◆移動信道是最為復雜的，其衰落特性取決于無線電波的傳播環境。

◆移動信道特性的研究成為熱點。1引言

移動通信廣泛使用VHF和UHF頻段。從移動信道的電磁波傳播上看，有三種傳播方式：

◆直射波：是指在視距覆蓋范圍內無遮擋的傳播，是超短波、微波的主要傳輸方式，經直射波傳播的信號最強。

◆反射波：是指從不同建筑物或其他反射體反射后到達接收點的傳播信號，其信號強度較直射波弱。

◆繞射波：從較大建筑物或山丘繞射后到達接收點的傳播信號。它需要滿足電波產生繞射的條件，其信號強度亦較直射波弱，與反射波相當。1引言2.移動信道研究的基本方法

◆理論分析：用電磁場理論或統計理論分析電波在移動環境中的傳播特性，并用各種數學模型來描述移動信道。

◆現場電波傳播實測：在不同的傳播環境中，做電波傳播的實測試驗。信號場強測試和誤碼率測試。

◆移動信道的計算機模擬。1引言3.影響傳播環境的主要因素

◆自然地形

◆建筑的數量、高度、分布和材料

◆天氣狀況

◆電磁噪聲狀況◆系統工作頻率和移動臺運動狀況1引言4.解決的三個問題

◆信號可能發生的變化及原因

◆變化對傳輸質量和性能的影響

◆采用哪些方法和技術

這些影響2移動通信電波傳播特性1.電波傳播的方式

2移動通信電波傳播特性2.電波衰落1）自由空間的傳播損耗：

自由空間:指相對介質電常數和磁導率為l的均勻介質所存在的空間。

自由空間路徑損耗計算公式：

2移動通信電波傳播特性2）多徑效應：

2移動通信電波傳播特性2）多徑效應：

多徑衰落：由于多徑現象所引起的衰落。

最大衰落速率計算：

駐波場強：多徑衰落的空間描述：接收信號的強度隨距離的變動呈現衰減。2移動通信電波傳播特性2）多徑效應：

多徑衰落的時間描述：時延擴展

時延擴展(Δ)：由于多徑效應引起的接收信號中脈沖的寬度擴展的現象。

相關帶寬：兩衰落信號相關時的頻率間隔，是對信道傳輸信號帶寬能力的統計度量。

二者的關系：時延擴展?越大，相關帶寬越窄，信道容許傳輸的不失真頻帶就越窄；反之，?越小，相關帶寬越寬，信道容許傳輸的不失真頻帶就越寬。2移動通信電波傳播特性3）陰影效應

◆隨著車輛的運動，信號場強中值也在緩慢地起伏，它起因于建筑物和起伏地形的陰影效應，故稱之為地形衰落（慢衰落）。◆慢衰落：還有由于大氣折射狀況，使得信號場強隨時間緩慢地變化。

◆慢衰落服從正態分布。

3陸地信道的場強計算1.地形、地物分類

1）地形分類和定義

◆準平滑地形：在電波傳播路徑上地形斷面的起伏量在20m以下，且起伏變化緩慢的平坦地形。

◆不規則地形：除準平滑地形之外均屬于不規則地形

①丘陵地形②孤立山岳

③傾斜地形④防水混合通路3陸地信道的場強計算

2）地物分類和定義：

◆開闊地：在電波傳播的方向上無高大樹木、建筑物等障礙物，地面呈開闊狀態．一般定義為在電波傳播方向300一400m以內無障礙物的開闊原野為開闊地。◆郊區地：移動臺附近處有障礙物但不稠密的地區。

◆市區：指有兩層以上建筑物的稠密地區。3陸地信道的場強計算

3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效高度

◆地形波動高度(Δh)：沿通信方向，距離接收點10km范圍內，10%高度線和90%高度線之間的高度差。

10%高度線:在地形剖面圖的有10%的地段高度超過此線的一條水平線。

3陸地信道的場強計算

3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效高度

◆基地臺天線有效高度(hb)：若天線的有效高度為hb，地面的平均高度為hgb，海拔高度為htg，則為基地臺天線有效高度

3陸地信道的場強計算

3）地形波動高度，基地臺、移動臺有效高度

◆移動臺天線高度(hm)：在地面以上的高度，包括車體高度，通常hm≤3m3陸地信道的場強計算2.平滑地形電波傳播特性及場強中值的計算

1）市區損耗中值與工作頻率f及與通信距離d的關系。當市區道路方向和電波傳播方向平行或垂直時，相對基準中心值，的修正因子曲線。

準平滑地形，城市街道地區的基本衰耗中值市區縱向(a)和橫向(b)場強中值對基準中值的修正值由曲線上查得的市區衰耗中值Am(f，d)加上自由中間的傳播衰耗Lbs才是實際路徑衰耗LM：

LM=Lbs+Am(f，d)3陸地信道的場強計算2）天線高度與場強的關系在準平滑地形上，基地臺天線有效高度相對增益Hb(hb,d)，其計算曲線如圖。移動臺天線有效高度相對增益Hm(hm,d)，其計算曲線如圖。

基地臺天線有效高度增益因子曲線移動臺天線有效高度增益因子曲線總結：準平滑市區的中值傳輸損耗LT：

LT=Lbs+Am(f，d)-Hb(hb，d)-Hm(hm,d)3陸地信道的場強計算3）效區和開闊地的衰耗中值郊區地和開闊地的衰耗中值可用市區衰耗中值作為基準值，再經適當的修正得到。郊區地場強中值修正值為kmr(f,d)開闊地及準開闊地修正值分別為Qo(f)、Qr(f)3陸地信道的場強計算3.各種不規則地形、地物的傳播特性及計算

1）丘陵地場強中值修正值相對于準平滑地形的市區電場中值即基準中值的修正值為Kh(Δh)，其曲線。由于地形起伏不同，位置上的場強偏差較大，故需要作進一步修正。其修正值Khf(Δh)及曲線。

3陸地信道的場強計算2）水陸混合地形的修正值三種不同分布情況：①移動臺一側有水；⑦基地臺一例有水；②水處在陸地中間，即基地臺、移動臺在陸上，中間為水。其修正值分別用和，其曲線。3陸地信道的場強計算3）傾斜地形的修正值

地形處于傾斜狀態且距離為5km以上的范圍，平均傾角θm（以弧度表示）的修正值Ksp(θm.d)曲線如圖。3陸地信道的場強計算4）孤立山岳的修正值

孤立山丘的定義及修正值曲線如圖。

總結：應用Okumura(奧村)模型進行傳播衰耗計算的步驟：

3陸地信道的場強計算4）Hata(哈塔)模型適用頻率范圍150Mhz~1.5Ghz根據Okumura曲線所作的經驗公式，以市區傳播損耗為基準，并對其它地區進行修正。市區路徑損耗公式，在1km以上，結果與Okumura非常接近。缺點：適用于大區制移動系統。

(1)市區衰耗經驗公式：

其中，是移動臺天線高度的修正因子，對于中、小城市的值為

對于大城市，其值為：

（2）郊區和開闊地修正因子經驗公式：郊區地：

其中：

開闊地：（3）丘陵地修正因子經驗公式：

Khf(Δh)是對不同位置的修正，可用所求點的偏離平均高度值來代替Δh求得。（4）水陸混合修正因子經驗公式：（5）傾斜地形修正因子經驗公式：（6）孤立山岳的修正因子經驗公式：其中3陸地信道的場強計算4.場強中值的計算<例2-1>基地臺有效天線高度為30m，發射機工作頻率為450MHz，移動臺天線高度hm=1.5m，工作在準平坦地形的大城市的郊區，通信距離為10km，求傳播路徑損耗預測值。

解：①自由空間路徑損耗Lbs：Lbs=32.45+20lg450+20lg10=105.4dB

②計算準平滑地形市區的衰耗中值：查圖2-8得：Am(f,d)=Am(450,10)=27.5dB查圖2-10得：Hb(hb,d)=Hb(30,10)=-15dB查圖2-11得：Hm(hm,f)=Hm(1.5,450)=-3dB所以準平滑地形市區的衰耗中值：LT=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)=105.4+27.5-(-15)-(-3)=150.9dB③計算任意地形地物情況下的衰耗中值：依據已知條件為郊區：KT=Kmr(f,d)查圖2-12得：Kmr(f,d)=Kmr(450,10)=12.8dBLA=LT-KT=150.9-12.8=138.1dB注：用Hata的經驗公式計算，結果也相近。

另：①在給定發射功率的條件下，淮平滑地形的市區接收點的功率中值：式中，是給定發射功率在自由空間傳播下的接收信號的功率。式中，是發射機送至天線的發射功率，是工作波長，

分別表示基地臺和移動臺的天線增益。

②在任意地形、地物的情況下，接收功率中值可用下式計算：

式中，值為

在計算收發天線間的電波傳播衰耗中值時，可用下式：

式中，為準平滑地形的市區衰耗中值，即

3陸地信道的場強計算5.建筑物穿透衰減的預測

◆建筑物穿透衰減：指電波由建筑物外進入室內的衰減。

◆其大小：建筑物附近街道上的場強中值與在建筑物一樓測得的場強差。

◆150一400MHz：頻段的建筑物穿適衰減較小。◆穿透衰減還隨測量點的高度變化而變化，一樓和二樓有明顯差別。在二樓以上，隨高度的增加穿透衰減大體上直線下降。

4無線鏈路計算

電波傳播電路計算（覆蓋區域計算）：任務是根據通信質量要求，對無線區的覆蓋或基站天線高度作出比較符合實際的預測。

計算步驟：1）確定服務區及無線區域組成、合格的話音質量、可靠通信概率；2）預定無線設備方案并進行電波傳播電路計算，即考慮噪聲、衰減等因素后計算區域覆蓋或天線高度；3）從技術、成本及使用等方面綜合分析，對設備方案或無線區域組成進行適當調整。4無線鏈路計算1.話音質量優5級：幾乎無噪聲；良4級：有使人注意的輕微噪聲；中3級：有使人煩惱的噪聲；差2級：有使人非常煩惱的噪聲；劣1級：話音幾乎不可懂。一般系統設計：話音信噪比S0/N0>20dB;我國移動用戶與固定電話通話：大于或等于29dB

4無線鏈路計算2.接收機允許輸入的最小信噪比

門限電平：輸入信號電平和噪聲信號的峰值相等時的輸入電平；

信號和噪聲有效值功率比為9dB，調頻門限信噪比約為9dB。經推導可得：

以上說明接收機允許的最小輸入信噪比和音頻輸出信噪比之間的關系，也就是說調頻接收機的信噪比改善度可以用表示：

接收機允許的最小輸入信噪比為：

式中，移動通信網中最大可能的信號轉發次數。

注意：只有接收機輸入信噪比高于其門限信噪比時才有意義，否則應取門限信噪比作