移动通信的电波传播

由x/x1=-25/12.91=-1.94，查图表得到绕射损耗约22dB; 为求解阻挡体顶部所在的菲涅尔区，我们需要计算n满足关系 2Δ = n Δ=nλ/2，得到： λ = 2 × 0.625 / 0.333 = 3.75 因此阻挡体完全阻挡了前三个菲涅尔区。
2006-3-7 第三章 电波特性 20
⎛ 4π ⋅ 1000d km ⎞ ⎛ 4πd ⎞ ⎟ L fs = 20 log10 ⎜ ⎟ = 20 log10 ⎜ ⎟ ⎜ λ f 299 . 8 / ⎝ ⎠ MHz ⎠ ⎝ = 32.45dB + 20 lg(d km f MHz )
d为距离（km),f为工作频率（MHz）
2006-3-7 第三章 电波特性 10
2006-3-7 第三章 电波特性 4
对传波模型的研究，传统上集中与给定范围内平均接收场强的预 测，和特定位置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计 无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机与接收机之 间长距离（几百米或几千米）上的场强变化，所以被称为大尺度 传播模型。另一方面，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，称为小尺度衰减模型。 当移动台在极小范围内移动时，可能引起瞬时接收强度的快速波 动，即小尺度衰减。其原因是接收信号为不同方向信号的合成。 由于相位变化的随机性，其合成信号变化范围很大。在小尺度衰 减中，当接收机移动距离与波长相当时，其接收场强可以发生3 或4个数量级（30dB或40dB）的变化。当移动台远离发射机时， 当地平均接收场强逐渐减弱，该平均接收场强由大尺度传播模型 预测。典型地，当地平均接收场强由从5λ到40λ范围内信号测量 值计算得到，对于频段从1GHz到2GHz的蜂窝系统和PCS，相 应的测量在1米到10米范围内。
ELos和地面反射成份Eg的合成结果。
2006-3-7 第三章 电波特性 23
T
ELOS Ei ht
2006-3-7
ETOT =ELoS+Eg
R
Er=Eg hr
θi
d
θo
如果E0为距发射机d0处电场（V/m），则对于d>d0， 自由空间传播的电场为： E0 d 0 ⎛ ⎛ d ⎞⎞ E (d , t ) = cos ⎜ ωc ⎜ t − ⎟ ⎟ , d > d 0 d c ⎠⎠ ⎝ ⎝
2006-3-7 第三章 电波特性 13
x:菲涅尔余隙，负余隙
2006-3-7
第三章 电波特性
14
x：菲涅尔余隙，正余隙
2006-3-7
第三章 电波特性
15
第一菲涅尔半径
x1 =
2006-3-7
λd1d2
d1 + d2
第三章 电波特性 16
假设x<<d1、d2，并且x>>λ，则直射和绕射路径之差，称 为附加路径长度。
菲涅尔区。
解：已知： λ=1/3m，d1=1000m，d2=1000m
（a）x=-25m
x 2 d1 + d 2 252 1000 + 1000 直射与绕射路径差 Δ = 2 d d = 2 1000 × 1000 = 0.625m 1 2
第一菲涅尔半径
x1 =
λ d1 d 2
d1 + d 2
=
1/ 3 × 1000 × 1000 = 12.91m 1000 + 1000
Δ=
(
d12 + x 2 − d 1 +
) (
2 + x2 − d 2 d2
)
x:菲涅尔余隙，负余隙
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ x2 x2 = d1 ⎜ 1 + 2 − 1 ⎟ + d 2 ⎜ 1 + 2 − 1 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ d1 d2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 1 x2 1 x 2 x 2 d1 + d 2 ≈ d1 ⋅ + d2 ⋅ = 2 2 2 d1 2 d2 2 d1 d 2
2006-3-7
第三章 电波特性
7
一般来说，为解决移动通信系统设计 问题，必须搞清楚三个问题
无线电信号在移动信道中可能发生的变
化以及发生这些变化的原因 对于特定的无线传输技术，这些变化对 传输质量和系统性能有什么影响 有哪些方法或技术可供用来克服这些不 利影响
2006-3-7
第三章 电波特性
2
频段划分
波段 极长波（EFL，极低频） 特长波（SLF，特低频） 超长波（ULF，超低频） 甚长波（VLF，甚低频） 长波（LF，低频） 中波（MF，中频） 短波（HF，高频） 超短波（VHF，甚高频） 分米波（UHF，超高频） 微波 厘米波（SHF，特高频） 毫米波（EHF，极高频） 亚毫米波（超极高频）
菲涅尔区表示从发射机到接收机 次级波路径长度比总的视距路径 长度大nλ/2的连续区域。第n个 菲涅尔区同心的半径为：
⎧ ⎪x = x n ⎪ d1 d 2 ⎪ λ / 2 λ Δ = n ⇒ x = n ⎨ n d1 + d 2 ⎪ 2 d + d2 ⎪Δ = x 1 2 d1 d 2 ⎪ ⎩
17
2006-3-7
3
第三章 电波特性
无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接 收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭受各种 复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等。无线信道不像有线信道 那样固定并可预见，而是具有极度的随机性，特别难以分析。甚 至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。无线信道的建 模历来是移动无线系统设计中的难点， 这一问题的解决一般利 用统计方法，并且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行。 电磁波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归结为反射、绕 是和散射。大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之 间无直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗。此外， 由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作 用引起多径损耗。同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加 而引起电磁波强度的衰减。
2006-3-7
频率范围 3～30Hz 30～300Hz 300～3000Hz 3～30kHz 30～300kHz 300～3000kHz 3～30MHz 30～300MHz 300～3000MHz 3～30GHz 30～300GHz 300～3000GHz
波长范围 105～104km 104～103km 103～102km 102～10km 10～1km 103～102m 102～10m 10～1m 102～10cm 10～1cm 10～1mm 1～0.1mm
2006-3-7 第三章 电波特性 1
设计蜂窝系统时研究传播的原因
对于计算覆盖不同小区的场强提供必要
的工具。蜂窝系统的无线传播是属于视 距传播范畴的多径传播，在多数情况下 覆盖区域从几百米到几十千米，视距传 播可以在这种情况下应用。 可计算邻信道和同信道干扰。
2006-3-7
第三章 电波特性
12
)
第三章 电波特性
3.1.3 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，并采 用工程估计的方法。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， 将这种损耗称为绕射损耗。 绕射使得无线电信号绕地球曲线表明传播，能够传播到阻挡物后 面。尽管接收机移动到阻挡物的阴影区时，接收场强衰减非常迅 速，但绕射场依然存在并常常具有足够的强度。 绕射现象可由Huygen（惠更斯）原理解释，它说明波前上的所有 点可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向 上新的波前。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕 射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。
2006-3-7 第三章 电波特性 5
典型的城市移动环境中的慢速和 快速衰落
2006-3-7
第三章 电波特性
6
信道研究的三种方法
对移动信道进行研究的三种基本方法： 1. 理论分析，用电磁场理论和统计理论分析电波传 播特性，并给出各种数学模型。 2. 现场电波传播实测，即在不同的传播环境中，做 电波传播实测试验。 3. 移动信道的计算模拟，是近年来随着计算机技术 发展而出现的研究方法。
（b）x=0m 由x/x1=0，查图表得到绕射损耗6dB； 直射与绕射路径差Δ＝0，得到：n=0; 因此阻挡体顶部位于第一菲涅尔区的中间。 （c）x=25m 由x/x1=25/12.91=1.94，查图表得到绕射损耗约1dB; 由于绝对高度与（a）相同，附加路径长度Δ和n也相同。注 意尽管阻挡体阻挡了前三个菲涅尔区，但由于阻挡体低于视 距高度，绕射损耗可忽略不计。
第三章 电波特性
通过每一个圆的射线附加路径长度为nλ/2，其中n为 整数。同心圆的半径依赖与阻挡物的位置。如果阻挡 物在发射机和接收机中间，菲涅尔区有最大的半径， 当阻挡物向发射机或接收机移动时，菲涅尔区半径减 少。这说明遮掩效应不仅对频率敏感，而且对阻挡物 的位置敏感。 在移动通信系统中，对次级波的阻挡产生了绕射损耗， 即仅有一部分能量绕过阻挡体，一些菲涅尔区发出的 次级波被阻挡，根据阻挡体的几何特征，接收能量为 菲阻挡菲涅尔区所贡献能量的矢量和。 一般来说，当阻挡体不阻挡第一菲涅尔区，则损耗最 小，绕射影响可以忽略不计。事实上，根据经验用于 视距微波链路设计只要55%的第一菲涅尔区保持无阻 挡，其它菲涅尔区的情况基本不影响绕射损耗。
8
3.1 VHF、UHF频段的电波传播特性
陆地移动通信的频段为VHF和UHF，即150MHz、 450MHz、900MHz、1800MHz，传播方式主要有：直射 波、反射波、散射波等传播方式。
2006-3-7
第三章 电波特性
9
3.1.1 直射波
在自由空间中，电波沿直线传播而不被吸收，也不发 生发射、折射和散射等现象而直接到达接收点的传播 方式。直射波传播损耗公式：