第2章 移动通信的电波传播胡玉佩1目标要求l 基本要求 掌握移动通信系统的传播特性； 掌握陆地移动通信的场强计算。2主要内容 2.1 引言 2.2 移动通信电波传播特性 2.3 陆地信道的场强计算 小结 思考题、习题3一、 为什么要研究移动通信的电波传播特性？本章的内容为无线网络规划和优化打下理论基础2.1 引言1、移动通信电波传播环境复杂。2、移动通信电波传播特性直接关系小区规划、天线高度的确定、通信设备的选择，以及调制技术、跳频 技术、均衡技术、分集技术、差错编码技术等技术 措施的选择。4二、研究移动信道的基本方法1、理论分析；2、现场电波传播实测；3、移动信道的计算机模拟。2.1 引言5三、无线电波的传播方式l视距传播（直射波）l反射：当电磁波遇到比其波长大得多得物体时发 生反射，发射发生于地球表面、建筑物和墙壁表 面l绕射：当接收机与发射机之间的无线路径被尖利 的边缘阻挡时发生绕射l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。散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则 物体。2.1 引言6绕射绕射基站天线基站天线移动台天线移动台天线绕射波绕射波山峰山峰反射、散射反射、散射反射波反射波 直射波直射波地面散射波地面散射波基站天线基站天线移动台天线移动台天线2.1 引言7四、 影响传播环境的主要因素：1自然地形；2人工建筑；3植被特征；4天气状况；5自然的和人为的电磁噪声状况。2.1 引言8主要内容 2.1 引言 2.2 移动通信电波传播特性 2.3 陆地信道的场强计算 小结 思考题、习题9目前移动通信一般使用的是UHF频段2.2 移动通信电波传播特性10一、陆地移动通信的信号衰落1、 大尺度衰落：反映出传播在宏观大范围（数十米至数百米量级）的空间距离上的接收信号功率平均值的变化趋势； 2、 阴影效应：反映了在中等范围内（数十波长量级）的接收信号功率平均值起伏变化的趋势，会引起大尺度衰落；3、 小尺度衰落：反映微观小范围（数十波长以下量级）接收信号功率平均值的起伏变化趋势。2.2 移动通信电波传播特性112.2 移动通信电波传播特性12二、大尺度衰落1、 自由空间传播损耗 2、 发射、绕射和散射3、 阴影效应：又称为正态衰落注：传播损耗指发送功率与接收功率的比值，通常用分贝表示。2.2 移动通信电波传播特性13llocation 1，自由空间传播损耗； llocation 2，自由空间传播损耗和反射（陆地）； llocation 3，自由空间传播损耗和绕射（树）；llocation 4，自由空间传播损耗、绕射和阴影效应（山）；llocation 5，自由空间传播损耗、绕射和阴影效应（多座山 ）。2.2 移动通信电波传播特性14三、自由空间传播损耗电波在自由空间中沿直线传播，不发生反射、绕射、散射和被吸收等情况下的损耗。Lbs (dB)= 32.45 + 20 log ( f / 1MHz)+20 log (d / 1km) f：信号频率，以MHz为单位；d：通信距离，以km为单位。2.2 移动通信电波传播特性电磁空间的传输损耗是指球面波在传播过程 中，随着传播距离增大，电磁能量在扩散过 程中引起的球面波扩散损耗。152.2 移动通信电波传播特性1234567890距离/km功 率 /dB波长为1米162.2 移动通信电波传播特性四、阴影效应由于传播环境中的地形起伏，建筑物或其他障碍物对电波的遮蔽而引起的传播损耗。172.2 移动通信电波传播特性1234567890距离 /100m波长为1米 功 率 /dB18五、小尺度衰落1、多径效应2、移动台移动速度3、周围物体移动速度4、信号带宽2.2 移动通信电波传播特性192.2 移动通信电波传播特性1234567890距离/m波长为1米功 率 /dB202.2 移动通信电波传播特性六、多径效应1、 定义：在实际无线电波传播信道中(包括所有波段)，有许多时延不同的传输路径，从不同路径来的信号在接收端合成，使接收信号的幅度急剧变化，从而形成衰落。212.2 移动通信电波传播特性六、多径效应2、 时延扩展：从时域角度看，各个路径的长度不同，因而信号到达时间就不相同。若从基站发射一个脉冲信号，则接收信号中不但包括该脉冲，而且还包括它的各个延迟信号。这种由于多径效应引起的时域中接收信号脉冲的宽度扩展的现象，称为时延扩展(time delay spread) 。222.2 移动通信电波传播特性最大时延扩展多径传播23市区的传播时延 要比郊区长2.2 移动通信电波传播特性242.2 移动通信电波传播特性六、多径效应3、 相干带宽：相干带宽(coherence bandwidth)是从频域方面描述时延扩展的，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，频率分量的衰落具有一致性。4、 时延扩展和相干带宽的关系：信道的相干带宽与该信道的时延扩展成倒数关系。时延扩展和相干带宽描述了信道的时间色散特性。252.2 移动通信电波传播特性六、多径效应5、频率选择性衰落：从频域看，如果相干带宽小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值可以增强，而另外一些频率成分信号的幅值会被削弱。6、平坦衰落：从频域看，如果相干带宽远大于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生平坦衰落（非频率选择性衰落），即频率成分信号的幅值变化是一致的。267、多径传播对接收信号的影响 时域衰落（fading） 符号间干扰（inter-symbol interference，ISI）典型瑞利衰落包络（900MHz，120km/h ）2.2 移动通信电波传播特性27相干带宽 Bc1/ 频域衰落的频率选择性（frequency selectivity） 频率选择（frequency selective） 非频率选择（non-frequency selective or flat）2.2 移动通信电波传播特性Bc282.2 移动通信电波传播特性七、相对移动多普勒频移：当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的信息频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移（Doppler Shift）。注：当周围物体的移动速度比移动台移动速度大很多时会产生小尺度衰落。反之，周围物体的移动可以忽略，而只考虑移动台本身的移动速度。29l当接收体与发射源相互靠近时，接收频率大于发射频率；l当接收体与发射源相互远离时，接收频率小于发射频率；l接收频率与发射频率的差与相对移动速度及入射角度有关。2.2 移动通信电波传播特性302.2 移动通信电波传播特性八、多径传播加相对移动1、多普勒扩展带宽：在频域上，由于多径传播且各个路径的信号产生不同的多普勒频移，接收天线处合成信号的效果就是接收信号的频谱展宽了。将最大多普勒频移，称为多普勒扩展带宽（Doppler Spread）。2、 相干时间：相干时间(coherence time)就是信道保持恒定的最大时间差范围，发射端的同一信号在相干时间之内到达接收端，信号的衰落特性完全相似，接收端认为是一个信号。 312.2 移动通信电波传播特性八、多径传播加相对移动3、 多普勒扩展和相干时间的关系：相干时间与多普勒扩展成倒数关系。时延扩展和相干带宽描述了信道的频率色散特性，即时变特性。322.2 移动通信电波传播特性八、多径传播加相对移动4、快衰落：从时域看，如果相干时间小于发送信号的码元周期，则该信道的特性会导致接收信号波形产生快衰落（时间选择性衰落），即接收信号的幅值随时间剧烈快速变化，一会儿增强，一会儿削弱。5、慢衰落：从时域看，如果相干时间远大于发送信号的码元周期，则信道衰减和相移特性至少在一个码元周期内基本上固定不变，此时，信道呈现慢衰落性（非时间选择性衰落）。33时变（time variation） 时间选择性 time selectivity移动台或信道中反射体和散射体移动2.2 移动通信电波传播特性342.2 移动通信电波传播特性352.2 移动通信电波传播特性平坦慢衰落频率选择性 慢衰落平坦快衰落频率选择性 快衰落TsTsTc362.2 移动通信电波传播特性BsBsBdBc372.2 移动通信电波传播特性注意：快衰落和慢衰落按照课件的定义，不要将其与大尺度衰落 和小尺度衰落的定义弄混淆 ！38主要内容 2.1 引言 2.2 移动通信电波传播特性 2.3 陆地信道的场强计算 小结 思考题、习题39w根据测试数据找出各种地形地区下的传播损耗（ 或接收信号场强）与距离、频率以及天线高度之 间的关系，建立基于不同环境的经验模型，在此 基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更 准确。w在移动通信领域，常用的几种室外电波传播损耗 预测模型有奥村（Okumura）模型、Hata模型、 COST-231 Hata模型和COST-231 Walfisch- Ikegami模型(WIM)等。2.3 陆地信道的场强计算40一、Okumura模型w适用于UHF和VHF频段、适用于宏小区，但不适用 于微小区和微微小区；w以准平滑地形大城市的场强中值或路径损耗作为 基准，对于不同的传播环境给出相应修正因子；w适用范围：w频率范围为：150MHz-1920MHzw距离为：1km100kmw基站天线高度：30m1000mw移动台天线高度：1m10m2.3 陆地信道的场强计算41二、地形地物分类地形的分类平滑地形或准平滑地形不规则地形丘陵地形孤立山岳倾斜地形水陆混合地形地物的分类开阔地郊区地市区2.3 陆地信道的场强计算42三、高度定义1、地形波动高度：沿通信方间距离接收点10km范围 内，分别去掉地面高度的10和90后余下的高 度。2.3 陆地信道的场强计算432、基地台天线有效高度：如图所示，若天线的有效高度为，地面的平均高度为h，海拔高度为，则为 。 2.3 陆地信道的场强计算443、移动台天线高度：在地面以上的高度，包括 车体高度，通常3m。2.3 陆地信道的场强计算45三、陆地信道的场强计算w准平滑地形市区传播损耗中值w任意地形地区的传播损耗中值2.3 陆地信道的场强计算46三、陆地信道的场强计算1、Lbs是什么？与什么参数有关？如何计算？计算时有哪些注意的地方？2.3 陆地信道的场强计算47例:发射机工作频率为450MHz，通信距离为10km，求自由空间传播损耗。105.4dB2.3 陆地信道的场强计算48三、陆地信道的场强计算2、Am(f, d)：为当基站天线高度200米、移动台 天线高度3米时，市区路径损耗相对于自由空间的路径损耗。注： f：信号频率，以MHz为单位； d：通信距离，以km为单位。2.3 陆地信道的场强计算492.3 陆地信道的场强计算50例:基地台有效天线高度为200m，发射机工作频率为450MHz，移动台天线高度3m，工作在准平坦地形的市区，通信距离为10km，求传播路径损耗预测值。132.9dB2.3 陆地信道的场强计算51例:基地台有效天线高度为200m，发射机工作频率为900MHz，移动台天线高度3m，工作在准平坦地形的市区，通信距离为5km，求传播路径损耗预测值。131.9dB2.3 陆地信道的场强计算52注：l当考虑市区道路方向和电波传播方向的关系时 ，要对基准中心值进行修正。l电波沿道路定向为纵向，其修正值为Kj ，电波横穿街道为横向，其修正值为Kc 。2.3 陆地信道的场强计算532.3 陆地信道的场强计算54例:基地台有效天线高度为200m，发射机工作频率为450MHz，移动台天线高度3m，工作在准平坦地形的市区，通信距离为10km，考虑市区道路方向和电波传播