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第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院第3章 移动通信的电波传播 3.1 VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 3.2 电波传播特性的估算电波传播特性的估算第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.1 VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和UHF,即150 MHz、450 MHz、900 MHz、1800 MHz。移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波和地表面波等传播方JP2式。由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限，因此在分析移动通信信道时，主要考虑直射波和反射波的影响。图3-1表示出了典型的移动信道电波传播路径。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院图图3-1 典型的移动信道电波传播路径典型的移动信道电波传播路径 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.1.1 直射波直射波 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3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.1.2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离 图3-2 视距传播的极限距离 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 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的极限距离d0为 由此可见,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,可得修正后的视距传播的极限距离d0为(3-2)(3-3)第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.1.3绕射损耗绕射损耗在移动通信中，通信的地形环境十分复杂，很难对各种地形引起的电波损耗做出准确的定量计算，只能作出一些定性分析，采用工程估算的方法。在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。设障碍物与发射点、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至直线AB之间的垂直距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院图3-3 菲涅尔余隙（a）负余隙;（b）正余隙 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 根据菲涅尔绕射理论，可得到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。图中,横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有 由图3-4可见，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。当x=0时，AB直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6 dB；当x0,Kac0。从图3-16中还可看出，随着传播距离的增加，这种街道走向的影响将变得越来越小。例如，在距基站5km处，纵向街道走向的接收场强中值比横向街道高出12 dB，而在50 km处则仅高出6.5 dB。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院图图3-16 市区街道走向修正值市区街道走向修正值 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院(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（3-27）第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院表表3-1 建筑物的穿透衰耗建筑物的穿透衰耗(地面层地面层)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3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院图3-17 信号衰耗与楼层高度 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院(3)植被衰耗Lz 图3-18 森林地带的附加衰耗 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 (4)隧道中的传播衰减Lsd。移动通信的空间电波传播在遇到隧道等地理障碍时，将受到严重衰落而不能通信。例如，对于地铁，地下铁矿、煤矿井下无线调度系统，以及乘坐汽车、火车在穿越山洞隧道时使用移动电话等情况，均需解决隧道或地下通道的电波传播问题。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会有较大的衰耗。在图3-19中，曲线A是160MHz时隧道内两半波偶极子天线之间的电波传播衰耗。由图3-19可知，在隧道内，中等功率通信设备间的通信距离在通常情况下为200m左右，在理想条件下不超过300m。当通信系统中的一方天线在隧道外时，由于地形、地物的阻挡，通信距离还要大大缩短。电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关，频率越高，衰耗越小。这是由于隧道对较高频率电磁波形成了有效的波导，因而使传播得到改善。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲度越大，衰耗越严重。例如，450MHz的电波，在直隧道内衰耗为6dB，一个直角转弯后，衰耗为58dB，所以转弯后通信距离将大大缩短。隧道中的实际路径衰耗中值为(3-29)式中：Lb为实际路径衰耗中值；L0为传播路径上的衰耗中值；Lsd为隧道中的传播衰耗。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院图 3-19 电波在隧道中的传播衰耗 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院解决电波在隧道中的传播问题，通常可采用两种措施：一是在较高频段（数百兆赫），使用强方向性天线，把电磁波集中射入隧道内，但传播距离也不能很长，且会受到车体的影响（特别是地铁列车驶入隧道后，占用了隧道内绝大部分空间）；二是在隧道中，纵向沿隧道壁敷设导波线(通常为泄漏电缆)，使电磁波沿着导波线在隧道中传播，从而减小传播衰耗。在导波线附近的移动台天线可以通过与导波线开放式泄漏场发生耦合，实现与基站的通信。在图3-19中，曲线B为200导波线的衰耗曲线。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.2.3 Okumura-Hata方法方法 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：(3-30)(3-31)(3-32)第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院式中：d为收发天线之间的距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz；hb为基站天线的有效高度，单位为m；（hm）为移动台天线高度校正因子，hm为移动台天线高度，单位为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 MHzf1920MHz，可扩展到3000MHz,20 mhb1000m，1mhm10m，1 kmd 100 km，准平坦地形。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.2.4 COST 231 Hata 模型模型随着城市发展人口的聚焦而出现密集城区,为了提高话务量,通过小区分裂使得基站之间的距离缩到了几百米,这就造成了模型预测的困难,而在基站密集地区仍采用 Okumura-Hata模型会出现预测值比实际测量值明显偏高的问题。因此,为了适应密集城区,由EURO-COST(科学和技术研究欧洲协会)组成的COST-231工作委员会,在 Okumura-Hata的基础上提出了其扩展模型,即 COST-231 Hata模型。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 COST 231 Hata 模型路径损耗计算公式为（3-34）式中,CM 为大城市中心校正因子。在中等城市和郊区,CM=0dB;在市中心,CM=3dB。其他参数同 Okumura Hata 模型,(hm)按式(3-33)计算。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 接收到的场强为（3-35）式中,Gt 为发射天线增益(dBm),Gr 为接收天线增益(dBm),Lb(d)就是式(3-34)中的Lb(d)。当取定Pt=10-6W,d=1km,f=1800MHz,hb=40m,hm=3m,不考虑收发天线增益时,可以得到表3-2。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 这套公式的适用范围为：1500MHzf2300MHz，收发短距离120km,基站天线高度30200m,移动台天线高度110m。COST 231 Hata模型同 Okumura-Hata模型的最大区别在于两者有不同的频率衰减系数。COST 231 Hata模型中的频率衰减系数为33.9,而 Okumura-Hata模型中的频率衰减系数为26.16。此外,COST 231 Hata模型还新增了一个大城市中心衰减因子CM,对于大城市中心地区而言路径损耗增加3d B。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.2.5 Walfisch Bertoni 模型模型 Walfisch Bertoni 模型是通过绕射来计算街道的平均信号场强的,其模型公式主要考虑三个部分:自由空间损耗、电波传播过程中的绕射损耗以及由建筑物高度造成的影响。S 表示路径损耗,其计算式为（3-36）式中:P0 代表全向天线自由空间的路径损耗;Q2 是基于建筑物的信号衰减;P1 是从建筑物屋顶到街道的基于绕射的信号衰减。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 路径衰减为（3-37）式中:L0 是自由空间损耗;Lrts是从建筑物屋顶到街道的绕射和散射损失;Lms是建筑物的多屏绕射损耗。Walfisch Bertoni 模型适用条件为：8002000MHz，收发端距离0.25km，基站高度450m，移动台高度13m。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.2.6 COST 231 W1 模型模型 COST 231 W1模型广泛用于建筑物高度 近 似 一 致 的 郊 区 和 城 区 环 境。它 是 基 于Walfisch Bertoni模型和Ikegami模型得到的。在使用高基站天线时,模型采用理论的Walfisch Bertoni模型计算多屏绕射损耗;在使用低基站天线时,采用测试数据。该模型也考虑了自由空间损耗、从建筑物屋顶到街道的损耗以及街道方向的影响。COST 231 W1模 型 适 用 的 范 围 为:800MHzf2000MHz,0.0 2kmd5km,4m hr5 0m。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 COST 231 W1模型分视距传播(LOS)和非视距传播(NLOS)两种情况计算路径损耗。对于视距传播(LOS)环境,其路径损耗为（3-38）式中:f 的单位为 MHz;d 的单位为 km。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.2.7 SPM模型模型 SPM 模型是在3G/4G 无线网络规划中应用比较广泛的一种标准宏蜂窝模型,属于经验模型的一种。该模型基于实际的数字地图信息,确定针对当地地物信息的地物损耗因子,从而更加准确地预测出规划网络在当地地物下的传播特性。SPM 模型传播损耗的具体公式如下:式中:clutter为地物衰耗因子,结合函数f(dutter)得到不同地物的损耗;hb 为发射天线的等效高度,单位为 m;hm 为移动台的等效天线高度,单位为 m。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 K1 表征传播损耗的平均值,在地理位置上的每条传输路径都会产生一个固定损耗,表征地物的平均损耗以及频率损耗。K2表征传播距离引起的损耗。K3是由于发射机高度导致传播路径提高而引起的传播损耗,通常会对近场有较明显的影响,如塔下黑现象。K4描述绕射损耗,当发射机与接收机之间存在刃形山脉时会引起该损耗,通常在丘陵地带需要考虑,一般平原地带不用考虑。K5是考虑传播距离与发射机高度所引起的增益,因为发射机位置越高,接收距离相对较远时,接收功率会有增益,因此通常K5=-6.65。K6是接收机高度带来的增益,终端高度只有1.6m左右,通常可以忽略不计。Kclutter表征各种地物类型的损耗。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院3.2.8 微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式 在大蜂窝和小蜂窝系统中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，这时传播路径衰耗主要由移动台附近的屋顶绕射波和散射波决定，即主要射线是在屋顶之上传播。OkumuraHata模式适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统进行传播衰耗预测，而不适用于基站天线高度低于其周围屋顶的微蜂窝系统。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院在微蜂窝系统中，基站天线高度通常低于其周围屋顶，电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定，即主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中进行的。COST-231-Walfish-Ikegami模式可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播衰耗预测。但是，在基站天线高度大致与其附近的屋顶高度同一水平时，屋顶高度的微小变化将引起路径衰耗的急剧变化，这时容易造成预测误差。所以，在这种情况下使用COST-231-Walfish-Ikegami模式要特别小心。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院在作微蜂窝覆盖区预测时，必须有详细的街道及建筑物的数据，不能采用统计近似值。市区环境的特性用下列参数表示（这些参数的定义见图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角。以上参数适用于市区地形为平滑地形。第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院图图3-20 环境参数的定义环境参数的定义(a)环境参数；环境参数；(b)街道方向街道方向 第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院微蜂窝覆盖区预测计算模式分为两部分：（1）视线传播。视线传播。基本传播损耗采用下式计算：式中，d为基站至移动台之间的距离，限于d20 m。(3-34)第3章 移动通信的电波传播 蔡彦物信学院 （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，Lbs自由空间传播损耗：Lrts屋顶至街道的绕射及散射损耗，即 hRoofhm LrtshRoof d0.5 km且hbhRoof d0.5km且 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(3-41)(3-42)(3-43)(3-44)hb=hbhRoof p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe学习总结结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
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