移动通信.docx

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移动通信

第1节移动通信中的电波传播方式

无线电波传播特点：

∙由移动所带来的随机性；

∙复杂的路径带来信号电平的衰耗；

∙移动台的移动速度也会对信号电平的衰落带来影响

电波传播方式

移动通信中电波传播的方式主要有直射波、反射波、绕射波、散射波和地表面波等传播方式。

在分析移动通信信道时，主要考虑直射波和反射波的影响。

移动通信信号的传播模型

∙大尺度传播模型：

描述发射机和接收机之间长距离（几百米或几千米）上的场强变化的传播模型；

∙小尺度传播模型：

描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内的接收场强的快速波动的传播模型。

1.直射波

直射波传播：

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。

直射波传播损耗在自由空间的电波传播损耗:

Lbs=32.45+20lgd（km）+20lgf（MHz）   dB，其中,d为距离（km）,f为工作频率（MHz）。

2.视距传播的极限距离

视线所能到达的最远距离称为视线距离d0。

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m），理论上可得视距传播的极限距离为：

当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，等效为地球半径R=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离：

3.绕射损耗

绕射：

当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。

由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。

绕射损耗：

各种障碍物对电波传输所引起的损耗。

菲涅尔余隙：

设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图2-1所示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙。

障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如下图所示。

其中x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径）。

式中，各变量单位m

结论：

当横坐标x/x1>0.5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6dB；当x<0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。

4.反射波

∙电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，就会发生反射现象。

∙图2-2给出了从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。

反射波与直射波的行距差为：

∙两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差为：

5.散射

∙散射：

当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。

∙散射波产生于粗糙表面，小物体或其他不规则物体。

在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会引发散射。

第2节电波传播的路径损耗

2.2.1概述

信道对移动信号的影响：

∙自由空间衰落

∙阴影衰落

∙多径衰落

室外：

∙Longley-Rice模型：

用于f为40MHz到100GHz之间，不同种类的地形中点对点的通信系统。

能做到点到点方式的预测和区域预测。

∙Durkin模型：

建立访问服务区的地形数据库，可看成是二维阵列，然后计算沿径向的路径损耗，最后仿真的接收机位置可被重复地移动到服务区不同的位置来推导出信号场强轮廓。

∙Okumura模型：

应用最广泛。

∙Hata模型：

根据Okumura曲线图所作的经验公式，频率范围从150MHz到1500MHz。

以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。

Walfish和Bertoni模型

∙宽带PCS微蜂窝模型

室内（室内信道分为视距和阻挡两种）

∙分隔损耗（同楼层）模型

∙楼层间分隔损耗模型

∙对数距离路径损耗模型

∙Ericsson多重断点模型

∙衰减因子模型

奥村（Okumura）模型

OM模型（Okumura模型）：

由奥村等人，在日本东京，使用不同的频率，不同的天线高度，选择不同的距离进行一系列测试，最后绘成经验曲线构成的模型。

思路：

将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中值。

对于郊区，开阔区的场强中值，则以城市场强中值为基础进行修正。

对于“不规划地形”也给出了相应的修正因子。

由于这种模型给出的修正因子较多，可以在掌握详细地形，地物的情况下，得到更加准确的预测结果。

OM模型适用的范围：

频率150MHZ－1500MHZ（可扩展到3000MHz），基地站天线高度为30－200米，移动台天线高度为1－10米，传播距离为1－20千米的场强预测。

缺点：

对城区和郊区的快速变化反应较慢，和实际情况偏差约10－14dB。

⒈准平滑城市传播衰耗中值

在城市街道地区，电波传播衰耗取决于传播距离d、工作频率f、基地站天线有效高度hb、移动台天线高度hm以及街道的走向和宽度等。

准平滑地形，市区的传播衰耗中值又称其为基本衰耗中值（或基准衰耗中值）。

OM模型中，给出了准平滑地形，市区传播衰耗中值的预测曲线族，如图2-3所示。

图中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）

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LM。

若基地站天线有效高度不是200m，可利用图2-4查出修正因子Hb（hb,d），对基本衰耗中值加以修正，称为基站天线高度的增加因子。

若移动台天线高度不等于3m时，可利用图2-5查出修正因子Hm（hm,f），对基本衰耗中值进行修正，称为移动台天线高度的增益因子。

总结：

准平滑大城市的中值传输损耗LT=Lbs+Am（f,d）-Hb（hb）-Hm（hm）

其中：

Am（f,d）—在大城市市区，hb=200m，hm=3m时，相对于Lbs的中值传输损耗；

Hb（h,d）—基站天线高度的增益因子；

Hm（h,f）—移动台天线高度的增益因子。

例：

计算准平滑地形，城市地区的路径衰耗中值。

（1）若hb=200m,hm=3m,d=10km,f=900MHz；

（2）若hb=50m,hm=2m，其他条件不变，求损耗中值;

解：

首先求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为：

Lbs=32.45+20lgd+20lgf=32.45+20lg10+20lg900=111.5（dB）

查图2-3可求得Am（f,d），即Am（f,d）=Am（900,10）=30（dB）

利用式（2－1）就可以计算出准平滑地形，城市街道地区的传播衰耗中值：

LT=Lbs+Am（f,d）=111.5+30=1415（dB）

在上题结果的基础上，要再加入基站和移动台的高度增益因子

查图2-4得Hb（hd,d）=Hb（50,10）=-12dB

查图2-5得Hm（hm,f）=Hm（2,900）=-2dB

则修正后的路径衰耗中值为：

LT=Lbs+Am（f,d）-Hb（hd,d）-Hm（hm,f）=141.5-（-12）-（-2）=155.5（dB）

⒉郊区和开阔区的传播衰耗中值

市区衰耗中值与郊区衰耗中值之差称为郊区修正因子kmr，kmr为增益因子。

它随工作频率和传播距离的变化关系如图2-9所示。

开阔区，准开阔区（开阔区与郊区之间的过渡地区）的衰耗中值相对于市区衰耗中值的修正曲线，如图2-10所示。

Q0为开阔区修正因子；Qr为准开阔区修正因子。

在求郊区或开阔区，准开阔区的传播衰耗中值时，应在市区衰耗中值的基础上，减去由图2-9或2-10查得的修正因子

⒊不规则地形上的传播衰耗中值

⑴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10km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差。

基本衰耗中值与丘陵地衰耗中值之差。

常称为丘陵地形修正因子kh，kh为增益因子。

丘陵地上起伏的顶部和谷部的微小修正值khf是在kh的基础上，进一步修正的微小修正值。

⑵孤立山岳地形的修正因子

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，并归一化为H=200m时的值，即孤立山岳修正因子kjs。

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

d1:

发射台至山顶的水平距离；

d2：

山顶至移动台的水平距离；

⑶斜坡地形的修正因子

斜坡地形系指在5-10km内倾斜的地形。

若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角为+θm；反之为负斜坡，倾角为-θm。

斜坡地形修正因子ksp也是增益因子。

⑷水陆混合地形的修正因子

水陆混合地形修正因子ks也为增益因子。

图2.22用水面距离dm与全部距离d之比作为地形参数。

曲线A表示水面位于移动台一方时的修正值，曲线B表示水面位于基站一方时的修正值。

⑴计算自由空间的传播衰耗

⑵计算准平滑地形市区的信号中值

⑶计算任意地形地物情况下的信号中值

式中：

Kmr：

郊区修正因子；

Q0，Qr：

开阔区，准开阔区修正因子；

Kh，Khf：

丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值；

Kjs：

孤立山丘地形修正因子；

Ksp：

斜坡地形修正因子；

Ks：

水路混合地形修正因子

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：

某一移动电话系统，工作频率为450MHZ，基地站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的衰耗中值？

解：

⑴求自由空间的传播衰耗Lbs

⑵计算准平滑地形市区的衰耗中值

所以准平滑地形市区衰耗中值为：

⑶计算任意地形地物情况下的衰耗中值

例2：

若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且Qm=15mr，其它条件不变，再求传播路径的衰耗中值？

解：

根据已知条件，由图2－10查得：

郊区修正因子Kmr=8.5dB

由图2.21查得：

斜坡修正因子Ksp=4.5dB

所以地形地物修正因子KT为：

KT=Kmr+Ksp=13dB

因此传播路径衰耗中值LA为：

LA=LT-KT=155-13=142dB

⒌其它因素的影响

⑴街道走向的影响

电波传播的衰耗中值与街道的走向（相对于电波传播方向）有关。

在纵向街道上衰耗较小，横向街道上衰耗较大。

也就是说，在纵向街道上的场强中值高于基准场强中值，在横向街道上的场强中值低于基准场强中值。

纵向修正因子kai和横向修正因子kac如图2-16所示

⑵建筑物的穿透衰耗

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。

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。

Lb=Lo+Lp式中:

Lb为实际路径衰耗中值，L0在街心的衰耗中值，Lp为建筑物的穿透衰耗。

⑶植被衰耗

树木、植被对电波有吸收作用。

在传播路径上，由树木、植被引起的附加衰耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树木的路径长度等多方面因素。

一般来说，垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些。

⑷隧道中的传播衰耗

空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗。

电波在