1、第3章 移動通信的電波傳播 第3章 移動通信的電波傳播 3.1 VHF、 UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性 3.2 電波傳播特性的估算（工程計算）電波傳播特性的估算（工程計算） 第3章 移動通信的電波傳播 3.1 VHF、UHF頻段的電波傳播特性頻段的電波傳播特性 圖圖3-1 典型的移動信道電波傳播路徑典型的移動信道電波傳播路徑 hRd1hTdd2d直射波傳播距離d1地面反射波傳播距離d2散射波傳播距離第3章 移動通信的電波傳播 3.1.1 直射波直射波 在自由空間中, 電波沿直線傳播而不被吸收, 也不發生反射、 折射和散射等現象而直接到達接收點的傳播方式稱為直射波傳播。直射波傳播損

2、耗可看成自由空間的電波傳播損耗Lbs, Lbs的表示式為 )(lg20lg2045.32dBfdLbs式中, d為距離(km), f為工作頻率(MHz)。 第3章 移動通信的電波傳播 3.1.2 視距傳播的極限距離視距傳播的極限距離 圖3-2 視距傳播的極限距離 ACd1d2BohThRR第3章 移動通信的電波傳播 已知地球半徑為R=6370 km, 設發射天線和接收天線高度分別為hT和hR(單位為m), 理論上可得視距傳播的極限距離d0為 )()()(57. 30kmmhmhdTR 由此可見, 視距決定于收、發天線的高度。天線架設越高, 視線距離越遠。 實際上，當考慮了空氣的不均勻性對電波傳

3、播軌跡的影響后, 在標準大氣折射情況下，等效地球半徑R=8500 km, 可得修正后的視距傳播的極限距離d0為 )()()(12. 40kmmhmhdTR第3章 移動通信的電波傳播 3.1.3 繞射損耗繞射損耗 圖3-3 菲涅爾余隙（a） 負余隙; （b）正余隙 hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RR hRTThTd1Pxd2第3章 移動通信的電波傳播 根據菲涅爾繞射理論，可得到障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關系如圖3-4 所示。圖中, 橫坐標為x/x1，x1稱菲涅爾半徑（第一菲涅爾半徑），且有 21211ddddx 由圖3-4可見，當橫坐標x/x10.5時，則障礙物對直射波的傳

4、播基本上沒有影響。當x=0時，TR直射線從障礙物頂點擦過時，繞射損耗約為6 dB；當x0時，TR直射線低于障礙物頂點，損耗急劇增加。 第3章 移動通信的電波傳播 圖3-4 繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關系 26242016128402繞射損耗 / dB2.5 21012x / x1第3章 移動通信的電波傳播 例例1：在一條無線傳播路徑中，若：在一條無線傳播路徑中，若菲涅爾余隙為菲涅爾余隙為 x 82m，d15km， d2 10km，工作頻率為，工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。試求出電波傳播損耗。 第3章 移動通信的電波傳播 解：先求出自由空間傳播的損耗為：解：先求出自由空間傳播的損耗

5、為：Lfs 32.44 + 20lgd + 20lgf = 32.44 + 20lg(5+10) +20lg150 = 99.5dB再求出第一菲涅爾區半徑再求出第一菲涅爾區半徑81.7m 21211ddddx第3章 移動通信的電波傳播 根據根據x/x1 = -1查表得附加損耗為查表得附加損耗為16.5dB因此電波傳播的損耗因此電波傳播的損耗 L Lfs 16.5 = 116.0dB 第3章 移動通信的電波傳播 3.1.4 反射波反射波 圖3-5 反射波和直射波 d1d2hRacbhT第3章 移動通信的電波傳播 反射波與直射波的行距差為 dhhcbadRT2 由于直射波和反射波的起始相位是一致的

6、，因此兩路信號到達接收天線的時間差換算成相位差0為 dTt220 再加上地面反射時大都要發生一次反相， 實際的兩路電波相位差為 d20第3章 移動通信的電波傳播 3.2 電波傳播特性的估算（工程計算）電波傳播特性的估算（工程計算） 3.2.1 Egli John J.場強計算公式場強計算公式 在實際中，由于移動通信的移動臺在不停地運動。計算繞射損耗中的x、x1的數值處于變化中，因而使用公式計算不平坦地區場強時遇到較大的麻煩。 Egli John J.提出一種經驗模型，并根據此模型提出經驗修正公式，認為不平坦地區的場強等于平面大地反射公式算出的場強加上一個修正值，其修正值為 f40lg20式中,

7、 f為工作頻率，以MHz為單位。 第3章 移動通信的電波傳播 如果hT、hR采用米(m)表示，d用公里(km)表示，f用MHz表示， 則不平坦地區的傳播衰耗LA為 )(lg40)(lg20)(lg20)(lg2088)(kmdmhmhMHzfdBLRTA第3章 移動通信的電波傳播 3.2.2 奧村奧村(Okumura)模型模型 OM模型適用的范圍：頻率為1501500 MHz，基地站天線高度為30200 m，移動臺天線高度為110 m，傳播距離為120 km。 第3章 移動通信的電波傳播 1. 市區傳播衰耗中值市區傳播衰耗中值 (3-18) 圖3-6表明了基本衰耗中值Am(f, d)與工作頻率

8、、通信距離的關系。 可以看出隨著工作頻率的升高或通信距離的增大，傳播衰耗都會增加。圖中，縱坐標以分貝計量，這是在基地站天線有效高度hb=200 m，移動臺天線高度hm=3 m，以自由空間傳播衰耗為基準(0 dB)， 求得的衰耗中值的修正值Am(f, d)。 換言之， 由曲線上查得的基本衰耗中值Am(f, d)加上自由空間的傳播衰耗Lbs才是實際路徑衰耗LT， 即 ),(dfALLmbsT第3章 移動通信的電波傳播 圖圖3-6 大城市準平滑地形基本衰耗中值大城市準平滑地形基本衰耗中值Am(f, d) 1009080706050403020105321d / km30002000100070050

9、0300200100101235102030302040504060708090100506070d / km市區hb200 mhm3 m基本衰耗中值Am(f , d) / dB頻率 / MHz第3章 移動通信的電波傳播 例例3-1 當d=10 km, hb=200 m, hm=3 m, f=900 MHz時，由式（-）可求得自由空間的傳播衰耗中值Lbs為 dBfdLbs5 .111900lg2010lg2045.32lg20lg2045.32查圖3-6可求得Am(f, d)，即 dBAdfAmm30)10,900(),( 利用式(3-18)就可以計算出城市街道地區準平滑地形的傳播衰耗中值為

10、dBdfALLmbsT5 .141305 .111),(第3章 移動通信的電波傳播 圖3-7 基地站天線高度增益因子Hb(hb,d) 市區hb200 m基地站天線高度增益因子Hb(hb , d) / dB304020105311008070506020305070100200300500 700 1000基地站天線有效高度hb / m2010虛線實線0102030d / km70100604020110d / km第3章 移動通信的電波傳播 圖3-8 移動臺天線高度增益因子Hm(hm, f) 2000100070040020010010020040010001075321505101520市區

11、 :hm3 m移動天線高度增益因子Hm(hm , f) / dB移動天線高度hm / m大城市內中小城市內400 MHz以上200 MHz以下f / MHz第3章 移動通信的電波傳播 在考慮基站天線高度因子與移動臺天線高度因子的情況下，式（3-18）所示市區準平滑地形的路徑傳播衰耗中值應為 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT 例例3-2 在前面計算城市地區準平滑地形的路徑衰耗中值的例子中，當hb=200 m, hm=3 m, d=10 km, f=900 MHz時，計算得LT=141.5 dB。;若將基地站天線高度改為hb=50 m, 移動臺天線高度改為hm=2 m, 利

12、用圖3-7、圖3-8 可以對路徑傳播衰耗中值重新進行修正。 第3章 移動通信的電波傳播 查圖3-7得 dBHdhHbbb12)10,50(),(查圖3-8得 dBHfhHmmm2)900, 2(),(修正后的路徑衰耗中值LT為 dBHHfhHdhHdfALLmbmmbbmbsT5 .155)2()12(5 .141)900, 2()10,50(5 .141),(),(),(第3章 移動通信的電波傳播 2. 郊區和開闊區的傳播衰耗中值郊區和開闊區的傳播衰耗中值 圖3-9 郊區修正因子Kmr 200010007005003002001000510152025郊區修正因子Kmr / dB頻率 / M

13、Hzd 1 kmd 5 kmd 10 kmd 20 km第3章 移動通信的電波傳播 圖圖3-10 開闊區、準開闊區修正因子（開闊區、準開闊區修正因子（Qo，Qr）Qo : 開闊區Qr : 準開闊區353025201510020030050070010002000頻率 f / MHz開闊區修正因子Qo / dB準開闊區修正因子Qr / dBQrQo第3章 移動通信的電波傳播 3. 不規則地形上的傳播衰耗中值不規則地形上的傳播衰耗中值 (1) 丘陵地的修正因子。 丘陵地的地形參數可用“地形起伏”高度h表示。其定義是： 自接收點向發射點延伸10 km范圍內，地形起伏的90%與10%處的高度差， 如圖

14、3-11所示。 第3章 移動通信的電波傳播 圖3-11 丘陵地形的修正因子Kh 10010203010203050 70 100200 300500h / m丘陵地修正因子Kh / dB基地站發射d10 km時dm510 kmdm10 kmhh的定義10%90%第3章 移動通信的電波傳播 圖3-12 丘陵地形微小修正值Khf 1020305070 10020030050001020h / m微小修正值Khf / (dB)h地形起伏與電場變化的對應關系電場變化按 Kh修正后的中值地形起伏 Khf Khf第3章 移動通信的電波傳播 (2) 孤立山岳地形的修正因子。 當電波傳播路徑上有近似刃形的單獨

15、山岳時，若求山背后的場強時， 則應考慮繞射衰耗、陰影效應、屏蔽吸收等附加衰耗。 這時可用孤立山岳修正因子Kjs加以修正，其曲線如圖3-13所示。 它表示在使用450 MHz，900 MHz頻段，山岳高度H=110350 m時，基本衰耗中值與實測的衰耗中值的差值，并歸一化為H=200 m 時的值，即孤立山岳修正因子Kjs。顯然，Kjs亦為增益因子。當山岳高度不等于200 m 時，查得的Kjs值還需乘以一個系數 07. 0H第3章 移動通信的電波傳播 圖3-13 孤立山岳地形的修正因子Kjs 2010010200246810孤立山岳至移動臺的距離d2 / km孤立山岳修正因子Kjs / dBA曲線

16、 : d160 kmB曲線 : d130 kmC曲線 : d115 kmABC孤立山岳典型地形T(基地站)T(基地站)31 013kmd1d2HR(移動臺)H200 m第3章 移動通信的電波傳播 (3) 斜坡地形的修正因子。斜坡地形的修正因子。 圖圖3-14 斜坡地形修正因子斜坡地形修正因子Ksp 201001020201001020斜坡地形修正因子Ksp / dB平均傾角m / mradd60 kmd30 kmd10 kmd30 km(基地站) 發射mm第3章 移動通信的電波傳播 (4) 水陸混合地形的修正因子。 圖圖3-15 水陸混合地形的修正因子水陸混合地形的修正因子Ks 1008060

17、402005101520水面距離與全距離的比率(dSR / d ) / %水陸混合路徑修正因子Ks / dBd30 kmd60 kmAABB水面水面T(基地站)(移動臺)R(移動臺)RT(基地站)dSRddSRd(A)(B)第3章 移動通信的電波傳播 4. 任意地形的信號中值預測任意地形的信號中值預測 (1) 計算自由空間的傳播衰耗。 根據式（3-1），自由空間的傳播衰耗Lbs為 )()(lg20)(lg2045.32dBMHzfkmdLbs(2) 市區準平滑地形的信號中值。 ),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT第3章 移動通信的電波傳播 (3) 任意地形地物情況下的信號中

18、值。 任意地形地物情況下的傳播信號中值LA為 TTAKLL式中：LT為準平滑地形市區的傳播衰耗中值；KT為地形地物修正因子。 KT由如下項目構成： sspjshfhromrTKKKKKQQkK第3章 移動通信的電波傳播 式中：Kmr郊區修正因子，可由圖 3 - 9 求得；Qo、Qr開闊地或準開闊地修正因子，可由圖 3-10 求得；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由圖 3- 11及312求得；Kjs孤立山岳修正因子，可由圖 3 - 13 求得；Ksp斜坡地形修正因子，可由圖 3 - 14 求得；KS水陸混合路徑修正因子，可由圖 3 - 15 求得 第3章 移動通信的電波傳播 根據實際的

19、地形地物情況，KT因子可能只有其中的某幾項或為零。例如，傳播路徑是開闊區、斜坡地形，則 spoTKQK其余各項為零。其他情況可以類推。 任意地形地物情況下接收信號的功率中值PPC是以市區準平滑地形的接收功率中值PP為基礎，加上地形地物修正因子KT， 即 TPPCKPP第3章 移動通信的電波傳播 例例3-3 某一移動電話系統，工作頻率為450 MHz，基站天線高度為70 m，移動臺天線高度為1.5 m，在市區工作，傳播路徑為準平滑地形，通信距離為20 km，求傳播路徑的衰耗中值。 解解 (1) 自由空間的傳播衰耗Lbs。 dBMHzkmMHzfkmdLbs5 .111)(450lg20)(20l

20、g2045.32)(lg20)(lg2045.32第3章 移動通信的電波傳播 (2) 市區準平滑地形的衰耗中值。 由圖3-6查得 dBAdfAmm5 .30)20,450(),(由圖3-7查得 dBHdhHbbb10)20,70(),(由圖3-8查得 dBHfhHmmm3)450, 5 . 1 (),(第3章 移動通信的電波傳播 所以，準平滑地形市區衰耗中值為 dBfhHdhHdfALLmmbbmbsT155) 3()10(5 .305 .111),(),(),(3) 任意地形地物情況下的衰耗中值。根據已知條件可知： 因為 KT=0;所以 LA=LT-KT=LT=155 dB 第3章 移動通信

21、的電波傳播 例例3-4 若上題改為在郊區工作，傳播路徑是正斜坡，且m =15 mrad，其他條件不變，再求傳播路徑的衰耗中值。 解解 根據已知條件，由圖3-9查得 dBKmr5 . 8由圖3-14查得 dBKsp5 . 4所以地形地物修正因子KT為 dBKKKspmrT13因此傳播路徑衰耗中值LA為 dBKLLTTA14313155第3章 移動通信的電波傳播 5. 中等起伏地市區中接收信號的功率中值中等起伏地市區中接收信號的功率中值PP 中等起伏地市區接收信號的功率中值PP(不考慮街道走向)可由下式確定： ),(),(),(0fhHdhHdfAPPmmbbmP式中，P0為自由空間傳播條件下的接

22、收信號的功率，即 mbTGGdPP204第3章 移動通信的電波傳播 式中： PT發射機送至天線的發射功率； 工作波長； d收發天線間的距離； Gb基站天線增益； Gm移動臺天線增益。 Am(f, d)是中等起伏地市區的基本損耗中值，即假定自由空間損耗為0 dB，基站天線高度為200m, 移動臺天線高度為3 m的情況下得到的損耗中值，它可由圖 3-6求出。 第3章 移動通信的電波傳播 Hb(hb, d)是基站天線高度增益因子，它是以基站天線高度200m為基準得到的相對增益，其值可由圖3-7求出。 Hm(hm, f)是移動天線高度增益因子，它是以移動臺天線高度3m為基準得到的相對增益，可由圖38求

23、得。 第3章 移動通信的電波傳播 例例 3-5 某一移動信道，工作頻段為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動臺天線高度為3m，天線增益為 0dB；在市區工作，傳播路徑為中等起伏地，通信距離為 10km。試求： (1) 傳播路徑損耗中值； (2) 若基站發射機送至天線的信號功率為 10W，求移動臺天線得到的信號功率中值。 第3章 移動通信的電波傳播 解解 (1) 根據已知條件，KT=0, LA=LT，式(3 - 68)可分別計算如下： 由式(3 - 13)可得自由空間傳播損耗 由圖 3 - 23 查得市區基本損耗中值 dBLgdfLfs5 .10510lg204502044

24、.32lg20lg2044.32dBdfAm27),(第3章 移動通信的電波傳播 dB.LLdB)f ,h(HdB)d ,h(HTAmmbb514412275105012(2) 中等起伏地市區中接收信號的功率中值dBmdBWLGGPfhHdhHdfAGGLPfhHdhHdfAGGdPPTmbTmmbbmmbfsTmmbbmmbTP5 .985 .1285 .1440610lg10),(),(),(),(),(),(42第3章 移動通信的電波傳播 6. 其他因素的影響其他因素的影響 (1) 街道走向的影響。 圖圖3-16 市區街道走向修正值市區街道走向修正值 100705030201075864

25、202468距離 d / km(a) 縱向線路修正值Kai /dB(b) 橫向線路修正值Kac / dB(b) Kac(a) Kai第3章 移動通信的電波傳播 (2) 建筑物的穿透衰耗Lp。 各個頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的。一般來說，波長越短，穿透能力越強。 同時，各個建筑物對電波的吸收也是不同的。不同的材料、結構和樓房層數，其吸收衰耗的數據都不一樣。例如，磚石的吸收較小，鋼筋混凝土的大些， 鋼結構的最大。一般介紹的經驗傳播模型都是以在街心或空闊地面為假設條件，故如果移動臺要在室內使用， 在計算傳播衰耗和場強時，需要把建筑物的穿透衰耗也計算進去，才能保持良好的可通率。即有 pbLLL0

26、第3章 移動通信的電波傳播 表表3-1 建筑物的穿透衰耗建筑物的穿透衰耗(地面層地面層) 頻率/MHz 150250450800平均穿透衰耗/dB 22221817 一般情況下，Lp不是一個固定的數值，而是一個030 dB的范圍， 需根據具體情況而定, 參見表3-1。此外，穿透衰耗還隨不同的樓層高度而變化，衰耗中值隨樓層的增高而近似線性下降，大致為-2 dB/層， 如圖3-17所示。 此外，在建筑物內從建筑物的入口沿著走廊向建筑物中央每進入1米，穿透衰耗將增加12 dB。 第3章 移動通信的電波傳播 圖3-17 信號衰耗與樓層高度 14樓層12108642001010203040衰耗 / dB

27、第3章 移動通信的電波傳播 (3) 植被衰耗Lz 圖3-18 森林地帶的附加衰耗 zbLLL00.40.30.20.100.40.30.20.1100005000305010020050010002000f / MHz附加損耗 / (dB / m)A : 垂直極化B : 水平極化第3章 移動通信的電波傳播 (4) 隧道中的傳播衰減Lsd。 sdbLLL0圖 3-19 電波在隧道中的傳播衰耗 104070100130160103050100300距離 / m衰耗 / dBAB第3章 移動通信的電波傳播 3.2.3 Okumura-Hata方法方法 為了在系統設計時, 使Okumura預測方法能采用計算機進行預測， Hata對Okumura提出的基本中值場強曲線進行了公式化處理， 所得基本傳輸損耗的計算公式如下： )(lg)lg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市區)(4 . 528lg2)()(2dBfLLbb市區郊區)(94.40lg33.18)(lg78. 4)()(2dBffLLbb市區開闊區第3章 移動通信的電波傳播 式中：d為收發天線之間的距離， km； hb為基站天線有效高度，m； （hm）為移動臺天線高度校正因子，hm為移動臺天線高度（m）。（hm）由下式計算： )400(97. 4)75.11(lg2