移动通信电波传播1.pptx

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1、主要内容无线移动通信信道概述无线信道的电波传播特性自由空间传播阴影衰落传播多径传播信道：瑞利衰落分布、莱斯衰落分布电波传播特性的工程估算Egli John J公式、奥村模型、Okumura-Hata方法、微蜂窝系统的覆盖预测模型第1页/共71页无线移动通信信道的基本概念 接收信号 r(t)=m(t)r0(t)长期慢衰落：m(t)由信道路径上的固定障碍物的阴影产生，d-n短期快衰落：r0(t)由移动台的运动和环境变化产生3.0 概述第2页/共71页移动信道环境（1/2）基站天线与移动台天线存在显著高度差别第3页/共71页移动信道环境（2/2）近端区域物体的反射导致多径衰落第4页/共71页长期慢衰

2、落和短期快衰落移动台相对位移（距离）移动台运动的小区域基站发射天线实线：短期快衰落虚线：长期慢衰落第5页/共71页移动通信环境的几个效应空间传播损耗-Path loss阴影效应：由地形结构引起，表现为慢衰落多径效应：由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引起多径条件下多普勒频谱展宽第6页/共71页阴影衰落长期衰落（大尺度衰落），由移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应特点：慢，电平起伏相对缓慢衰落与地形、地物的分布和高度有关第7页/共71页阴影衰落传播的基本特性阴影衰落与传播距离（m次幂

3、）、阴影损耗的关系：l(r,z)=rm10z/10z由阴影产生的对数损耗(dB)，服从零均值和标准偏差s dB的对数正态分布；10lgl(r,z)=10mlgr+z第8页/共71页多径衰落1.多径：R0(t)=a0S(t)+a1S(t-1)+a2S(t-2)+在移动通信环境中，发射的电磁波经历了不同路径；电磁波通过各个路径的距离不同，导致传播时间和相位均不相同。多个不同相位的信号在接收天线处叠加，时而同相叠加增强，时而反相叠加减弱。接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产生了衰落，由于它由多径引起，称之为多径衰落。第9页/共71页多径衰落现象的本质（1/2）图(a)两径传播的叠加（加强和减弱）图

4、(b)衰落包络随两径不同相位的变化第10页/共71页多径衰落现象的本质（2/2）散射阴影散射直视路径反射移动终端衍(绕)射基站电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物或多面体时发生散射电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长的障碍物时发生反射信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射传播环境中由于地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应第11页/共71页多径衰落的时、频特性时域：多径效应引起信号的时延扩展，接收信号的信号分量被展宽相关带宽与信号带宽频率选择性衰落与频率平坦性衰落频域：多谱勒效应引起频域扩展，接收信号产生多谱勒频展相关时间与信号的数据字符周期时间选择性衰落和时间平坦性

5、衰落无线移动信道是一种弥散（dispersive）信道第12页/共71页3.1 VHF、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 第13页/共71页直射波 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 式中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。第14页/共71页视距传播的极限距离 图3-2 视距传播的极限距离 第15页/共71页 已知地球半径为R=6370 km,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

6、的极限距离d0为 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=8500 km,修正后的视距传播的极限距离d0为 第16页/共71页绕射损耗 图3-3 菲涅尔余隙（a）负余隙;（b）正余隙 菲涅尔余隙第17页/共71页 根据菲涅尔绕射理论，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，横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有 第18页/共71页图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系 x1:菲涅尔半径当横坐标x/x10.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响

7、。当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6 dB；当x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。第19页/共71页反射波 图3-5 反射波和直射波 第20页/共71页反射波与直射波的行距差为 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0为 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为 第21页/共71页多径效应与瑞利型(衰落特性)假设发射机发射正弦波后,接收机收到的合成信号为 式中:Ri(t)为第i条路径的接收信号；i(t)为第i条路径的传输时间；i(t)为第i条路径的相位滞后，i(t)=-ci(t)。研究表明，Ri(t

8、)和i(t)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，Ri(t)和i(t)可以认为是缓慢变化的随机过程，故上式可写成（3-9）第22页/共71页设:则式（3-9）可写成 式中:U(t)为合成波R(t)的包络；(t)为合成波R(t)的相位。第23页/共71页 由于Ri(t)和i(t)随时间的变化与发射信号的载频周期相比，是缓慢变化的，因此xc（t）、xs（t）及包络U(t)、相位(t)也是缓慢变化的。通常，U(t)满足瑞利分布，相位(t)满足均匀分布，R(t)可视为一个窄带过程。假设噪声为高斯白噪声，为噪声方差，r为接收信号的损失幅度，则包络概率密度函数p(r)和相位概率密度函

9、数p()分别为：第24页/共71页0r+02 均值 方差 均匀分布：瑞利分布：第25页/共71页莱斯（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），则接收端接收信号的包络为莱斯（Riceam）分布。包络的概率密度函数p(r)为 A0,r0 r0 式中,A为直达波振幅，r为接收信号的瞬时幅度，为噪声方差，I0（）为第一类0阶Bessel函数。设 第26页/共71页3.2 电波传播特性的估算（工程计算）场强计算公式 实际情况下，移动台在不停地运动使得计算绕射损耗中的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困难。Egli John J.提

10、出一种经验模型修正公式，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 式中,f为工作频率，以MHz为单位。第27页/共71页不平坦地区的场强公式为 或者说，不平坦地带传播衰减 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 第28页/共71页奥村(Okumura)模型 OM模型适用的范围：频率为1501500 MHz，基地站天线高度为30200 m，移动台天线高度为110 m，传播距离为120 km。第29页/共71页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

11、的关系。传播衰耗随着工作频率的升高或通信距离的增大而增加。图中，基地站天线有效高度hb=200 m，移动台天线高度hm=3 m，以自由空间传播衰耗为基准(0 dB)，求得的衰耗中值修正值Am(f,d)。实际路径衰耗LT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，即 第30页/共71页图3-6 大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f,d)第31页/共71页 例3-1 当d=10 km,hb=200 m,hm=3 m,f=900 MHz时，可求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为 查图3-6可求得基本衰耗中值Am(f,d)，由式(3-18)可计算出城市街道地区准平滑地形的实际传

12、播衰耗中值为 第32页/共71页图3-7 基地站天线高度增益因子Hb(hb,d)基站天线有效高度不足200m时的增益因子第33页/共71页图3-8 移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)移动台天线高度不足3m时的增益因子第34页/共71页 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 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=200 m,hm=3 m,d=10 km,f=900 MHz时，计算得LT=141.5 dB。;若将基地站天线高度改为hb=50 m,移动台天线高度改为hm=2 m,利用图3-7、图

13、3-8 可以对路径传播衰耗中值重新进行修正。第35页/共71页查图3-7得 查图3-8得 修正后的路径衰耗中值LT为 第36页/共71页2.郊区和开阔区的传播衰耗中值 图3-9 郊区修正因子Kmr 第37页/共71页图3-10 开阔区、准开阔区修正因子（Qo，Qr）第38页/共71页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h表示。其定义是：自接收点向发射点延伸10 km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差，如图3-11所示。第39页/共71页图3-11 丘陵地形的修正因子Kh 第40页/共71页图3-12 丘陵地形微小修正值Khf 第4

14、1页/共71页(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450 MHz，900 MHz频段，山岳高度H=110350 m时，基本衰耗中值与实测的衰耗中值的差值，并归一化为H=200 m 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200 m 时，查得的Kjs值还需乘以一个系数 第42页/共71页图3-13 孤立山岳地形的修正因子Kjs 第43页/共71页(3)斜坡地形的修正因子。图3-14 斜

15、坡地形修正因子Ksp 第44页/共71页(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Ks 第45页/共71页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(2)市区准平滑地形的信号中值。如果发射机送至天线的发射功率为PT，则市区准平滑地形接收功率中值PP为 第46页/共71页 (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 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：第47页/共71页 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，

16、传播路径是开阔区、斜坡地形，则 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 第48页/共71页 例3-3 某一移动电话系统，工作频率为450 MHz，基站天线高度为70 m，移动台天线高度为1.5 m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20 km，求传播路径的衰耗中值。解 (1)自由空间的传播衰耗Lbs。第49页/共71页 (2)市区准平滑地形的衰耗中值。由图3-6查得 由图3-7查得 由图3-8查得 第50页/共71页所以，准平滑地形市区衰耗中值为(3)任意地形地物情况下的衰耗中

17、值。根据已知条件可知：因为 KT=0;所以 LA=LT-KT=LT=155 dB 第51页/共71页 例3-4 若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且m=15 mrad，其他条件不变，再求传播路径的衰耗中值。解 根据已知条件，由图3-9查得 由图3-14查得 所以地形地物修正因子KT为 因此传播路径衰耗中值LA为 第52页/共71页5.其他因素的影响(1)街道走向的影响。图3-16 市区街道走向修正值 第53页/共71页(2)建筑物的穿透衰耗Lp。各个频段的电波穿透建筑物的能力是不同的。一般来说，波长越短，穿透能力越强。同时，各个建筑物对电波的吸收也是不同的。不同的材料、结构和楼房层数，其

18、吸收衰耗的数据都不一样。例如，砖石的吸收较小，钢筋混凝土的大些，钢结构的最大。一般介绍的经验传播模型都是以在街心或空阔地面为假设条件，故如果移动台要在室内使用，在计算传播衰耗和场强时，需要把建筑物的穿透衰耗也计算进去，才能保持良好的可通率。即有 第54页/共71页表3-1 建筑物的穿透衰耗(地面层)频率/MHz 150250450800平均穿透衰耗/dB 22221817 一般情况下，Lp不是一个固定的数值，而是一个030 dB的范围，需根据具体情况而定,参见表3-1。此外，穿透衰耗还随不同的楼层高度而变化，衰耗中值随楼层的增高而近似线性下降，大致为-2 dB/层，如图3-17所示。此外，在建

19、筑物内从建筑物的入口沿着走廊向建筑物中央每进入1米，穿透衰耗将增加12 dB。第55页/共71页图3-17 信号衰耗与楼层高度 第56页/共71页(3)植被衰耗Lz图3-18 森林地带的附加衰耗 第57页/共71页(4)隧道中的传播衰减Lsd。图 3-19 电波在隧道中的传播衰耗 第58页/共71页方法 为了在系统设计时,使Okumura预测方法能采用计算机进行预测，Hata对Okumura提出的基本中值场强曲线进行了公式化处理，所得基本传输损耗的计算公式如下：第59页/共71页式中：d为收发天线之间的距离，km；hb为基站天线有效高度，m；（hm）为移动台天线高度校正因子，hm为移动台天线高

20、度（m）。（hm）由下式计算：中、小城市 大城市 大城市 这套公式的适用范围为：150 MHzf1500 MHz，30 mhb200 m，1 mhm10 m，1 kmd20 km，准平坦地形。第60页/共71页微蜂窝系统的覆盖区预测模式 图3-20 环境参数的定义(a)环境参数；(b)街道方向 第61页/共71页 市区环境参数如下（参数的定义见图3-20(a)和(b)）：建筑物高度：hRoof；街道宽度：w；建筑物间隔：b；相对于街道平面的直射波方向：。以上参数适用于市区地形为平滑地形。第62页/共71页微蜂窝覆盖区预测计算模式分为两部分：（1）视线传播。基本传播损耗采用下式计算：式中，d为基

21、站至移动台之间的距离，限于d20 m。第63页/共71页 （2）非视线传播。即在街道峡谷内有高建筑物阻挡视线，基本传输损耗Lb由以下三项组成：式中，L0自由空间传播损耗：Lrts屋顶至街道的绕射及散射损耗：用于hRoofhm 用于LrtshRoof d0.5 km及hbhRoof d0.5km及 hbhRoof 用于中等城市及具有中等密度的树的郊区中心 用于大城市中心 第67页/共71页式中：hb、hRoof的单位用m，f的单位用MHz，d的单位用km。COST-231-Walfish-Ikegami计算模式应用于hbhRoof时，计算结果误差较大。在同一条件下，f=1800 MHz的传输损耗

22、可用900 MHz的损耗值求得，即L1800=L900+10dB 以上微蜂窝覆盖区预测计算的适用条件为f：8002000 MHz；hBase：450m；hMobile：13 m；d：0.025 km。第68页/共71页小结1.Egli John J场强计算公式；2.奥村（Okumura）模型；3.Okumura-Hata方法；先建立移动无线传播模型，然后结合理论与实际工程经验得到计算方法。第69页/共71页1.简述同频干扰/同频复用距离/同频复用比/簇的大小/频谱利用率之间的关系。2.移动通信网的某个小区共有100个用户，平均每用户C=5次/天，T=180次/秒，K=14。问为保证呼损率小于5，需共用的信道数是几个？若允许呼损率达20，共用信道数可以节省几个？3.设某基站有8个无线信道，移动用户的忙时话务量为0.01爱尔兰，要求呼损率B=0.1。问容纳的用户数和波道利用率又为多少？上章习题第70页/共71页感谢您的观看！第71页/共71页