第7章電波的傳播特性

1、1 第7章 電波的傳播特性 2 l內(nèi)容 電波傳播中的衰落 OM模型概念及場(chǎng)強(qiáng)衰耗中值的預(yù)測(cè) 任意地形、地物衰耗場(chǎng)強(qiáng)中值和信號(hào)中值的 預(yù)測(cè) 電波傳播電路的計(jì)算、覆蓋設(shè)計(jì) 3 l重點(diǎn) OM模型及任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中 值的預(yù)測(cè) l難點(diǎn) 任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預(yù)測(cè) l目的和要求 了解衰落對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?掌握自由空間傳輸衰耗、OM模型及電波傳播衰耗 中值的計(jì)算方法 4 l無線電波的概念 l電波的傳播方式 5 l無線電波的概念 無線電波是一種能量的傳輸形式 l電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間交替變換，向前行進(jìn) l傳播過程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間是相互垂直的， 同時(shí)這兩者又都垂直于傳播方向 6

2、l無線電波的傳播速度 傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān) l真空中的傳播速度等于光速(3108ms ) l空氣中的傳播速度略小于光速 通常認(rèn)為它等于光速 無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系： / 為速度(m/s)；為頻率(Hz)；為波長(m) l不同介質(zhì)中傳播速度不同、波長不同 7 l無線電波的極化 概念：無線電波在空間傳播時(shí)，其電場(chǎng)方向是按一 定的規(guī)律而變化 電波的極化方向：無線電波的電場(chǎng)方向 極化波必須用對(duì)應(yīng)的極化特性的天線接收 否則在接收過程中會(huì)產(chǎn)生極化損失 極化的類型 l線極化 水平極化、垂直極化 +45傾斜極化、- 45傾斜極化 l橢圓極化 l圓極化 8 9 雙極化天線 l兩個(gè)天線為一個(gè)整體，

3、有兩個(gè)獨(dú)立的波，這兩個(gè) 波的極化方向相互垂直 l類型 V/H（垂直/水平）極化 傾斜（+45/-45 ）極化 10 l電波的傳播方式 在分析電波傳播特性時(shí)總是以自由空間的傳播環(huán)境 為參考進(jìn)行 自由空間 l一種理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)空間 l當(dāng)電磁波在自由空間中傳播時(shí)直線傳播，不發(fā)生反射、折 射、散射和吸收現(xiàn)象 l只存在電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗 實(shí)際傳播環(huán)境中電波的傳播方式 l直射、反射、繞射、散射 11 l微波傳播特性 無線電波的波長不同，傳播特點(diǎn)也不完全相同 主要傳播特性 l視距傳播 l多徑傳播 l繞射能力弱 l電波傳播中的三種損耗 路徑傳播損耗 慢衰落損耗 快衰落損耗 12 l

4、電波在建筑物內(nèi)傳播的類型 室內(nèi)無線環(huán)境特點(diǎn) l覆蓋范圍小 l傳播距離短 l傳播時(shí)延要小的多 l室內(nèi)環(huán)境中用戶多處于靜止和慢速移動(dòng)狀態(tài)，可忽 略多普勒頻移 l室內(nèi)環(huán)境變化更復(fù)雜，電波傳播受建筑類型、室內(nèi) 布局、建筑材料影響較大 即使在同一個(gè)建筑物內(nèi)的不同位置，其傳播環(huán)境也 不盡相同，甚至差別很大 13 l電波傳播的衰落特性 l場(chǎng)強(qiáng)估算模型 14 l1.衰落的概念 由于實(shí)際傳播環(huán)境中復(fù)雜的地形地物對(duì)傳播 信號(hào)的阻擋，及反射、繞射和散射引起的無 線信號(hào)的多徑傳播都會(huì)對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生 影響，導(dǎo)致接收信號(hào)的隨機(jī)變化 衰落的類型 l陰影衰落（陰影效應(yīng)、氣象條件變化） 場(chǎng)強(qiáng)中值的緩慢變化（慢衰落） l多徑

5、衰落（多徑效應(yīng)） 瞬時(shí)值有快速、大幅度的變化（快衰落） 15 l場(chǎng)強(qiáng)中值E0 概念：場(chǎng)強(qiáng)值超過設(shè)定場(chǎng)強(qiáng)值的概率為50%時(shí)，該 設(shè)定值為場(chǎng)強(qiáng)中值 若場(chǎng)強(qiáng)中值等于接收機(jī)最低門限值，則可通信率為 50%。 （只有50%的時(shí)間可正常通信） 場(chǎng)強(qiáng)中值不能反映衰落的嚴(yán)重程度 例：統(tǒng)計(jì)時(shí)間為T，超過E0的時(shí)間為t1、t2、t3 則：超過E0的概率為 p(t)=( t1+t2 + t3)/T100% 當(dāng)p(t)=50%時(shí)， E0為場(chǎng)強(qiáng)中值 16 l衰落深度： 衡量衰落的嚴(yán)重程度 接收電平與場(chǎng)強(qiáng)中值電平之差表示 l以場(chǎng)強(qiáng)中值電平為參考，表明信號(hào)起伏偏離其中 值電平的程度 l衰落深度=20Lg（Ei/Eo) l若

6、為電平值，則衰落深度= Ei-Eo 17 l衰落速率N 衡量場(chǎng)強(qiáng)變化的快慢，即頻繁程度 單位時(shí)間內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)包絡(luò)與給定電平值ER相交次數(shù)的一 半 衰落率與工作頻率、移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)速度和方向等因素 有關(guān) 平均衰落率： 其中v（km/h）、f（MHz） l系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，音頻通帶或信令數(shù)據(jù)通帶的低端 應(yīng)高于衰落率 18 l衰落持續(xù)時(shí)間 場(chǎng)強(qiáng)低于某一給定電平值的持續(xù)時(shí)間 表示信息傳輸?shù)氖苡绊懗潭?或信令誤碼的長度 19 l電波傳播受地形地物的影響 即電波傳播特性與實(shí)際空間環(huán)境相關(guān) l預(yù)測(cè)時(shí)在自由空間基礎(chǔ)上考慮具體環(huán)境影響 OM模型 Egli模型 BM模型 Cost231模型 20 l以日本東京城市場(chǎng)強(qiáng)中值實(shí)測(cè)結(jié)果

7、得到的經(jīng)驗(yàn)曲 線構(gòu)成的模型。 l模型：城市視為準(zhǔn)平滑地形，給出經(jīng)驗(yàn)曲線 其他地形地物情況則給出修正值 l適用范圍： 頻率：100MHz1500MHz BTS天線高度：30 m 200m MS天線高度：1 m10m 傳播距離： 1km 20km 21 l美國陸上移動(dòng)通信、VHF、UHF信號(hào)預(yù)測(cè)方法， 對(duì)丘陵地形預(yù)測(cè)較準(zhǔn) l在傳播地形起伏高度為20m的基本條件下，基本 傳播衰減公式： L(dB)=177+20lgd+20lgf-20lghThR 單位：d (英里) ；f(MHz) ； hT 、 hR(英尺) 其他地形給出修正因子 l適用范圍： 頻率：25MHz 470MHz 傳播距離： 60km

8、以內(nèi) 22 l理論模型 以自由空間、平面大地和球面地形傳播理論為基礎(chǔ)， 以諾模圖形式給出。 l適用范圍： 頻率：30MHz 3000MHz 傳播距離：1 幾百公里 23 l歐洲建議 廣泛用于建筑物高度近似一致的城區(qū)和郊區(qū) 環(huán)境 l應(yīng)用分兩種情況： 高基站天線-非視距NLOS 低基站天線-視距LOS 24 lOM模型 l任意地形地物信號(hào)中值的預(yù)測(cè) l場(chǎng)強(qiáng)中值變動(dòng)分布及預(yù)測(cè) l覆蓋設(shè)計(jì) 25 l模型：城市視為準(zhǔn)平滑地形，給出經(jīng)驗(yàn)曲線 其他地形地物情況則給出修正值 lOM模型可在適用范圍內(nèi)作電波傳播預(yù)測(cè) 地形、地物的分類 準(zhǔn)平滑地形上的電波傳播特性 不規(guī)則地形修正因子 其他因素對(duì)電波傳播的影響 26

9、 l地形的分類 準(zhǔn)平滑地形：地形剖面圖上，表面起伏高度 在20m以下，且起伏緩慢 不規(guī)則地形 l丘陵地形 l孤立山岳 l傾斜地形 l水陸混合地形 27 l地物的分類 根據(jù)障礙物的密集程度和屏蔽程度分類 地物的類型 l開闊地：無較大樹木、建筑物等障礙物 準(zhǔn)開闊地 l郊區(qū)：障礙物不稠密 l市區(qū)：障礙物稠密 只能考慮一種地物形態(tài)，而地形可根據(jù) 實(shí)際情況組合 28 l天線有效高度 基站天線有效高度hb = hta -hga lhga：從基站天線架設(shè)點(diǎn)起315km距離內(nèi)的平均 地面海拔高度 lhta：基站天線架設(shè)的海拔高度 MS天線有效高度hm：地面以上有效高度 以后所有天線高度均指天線有效高度 29

10、l自由空間的傳播損耗 l市區(qū)傳播衰耗中值的預(yù)算 l郊區(qū)、開闊地傳播衰耗中值的預(yù)算 l預(yù)算中的注意點(diǎn) 30 l自由空間：理想的空間（真空） 電波沿直線傳播，不被吸收，不會(huì)被反射、折射、繞 射和散射，電磁波的能量沒有損失 自由空間傳播損耗的含義：損耗 來自于球面波發(fā)散傳播中，天線 未接收到的能量 即：球面波的擴(kuò)散損耗 l自由空間傳播損耗 Lbs僅與d、f有關(guān) 31 l基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d) l基站天線有效高度增益因子Hb(hb,d) l移動(dòng)臺(tái)天線有效高度增益因子Hm(hm,f) l準(zhǔn)平滑市區(qū)傳播衰耗中值L市區(qū) 32 l基本衰耗中值 Am(f,d) hb=200m hm=3m 參數(shù)：f、d 33

11、 l基站天線有效 高度增益因子 Hb(hb,d) 以hb=200m時(shí) 的值為基準(zhǔn) (0dB) 34 l移動(dòng)臺(tái)天線有效 高度增益因子 Hm(hm,f) 以hm=3m時(shí)的值為 基準(zhǔn)(0dB) 當(dāng)hm5m時(shí)，還與 環(huán)境有關(guān) （拐點(diǎn)） 35 l自由空間傳播衰耗 Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz) l準(zhǔn)平滑市區(qū)傳播衰耗中值 L市區(qū)=Lbs+ Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) 36 l郊區(qū)修正因子 Kmr的預(yù)測(cè) 參數(shù)：f，d 37 l開闊地修正因子QO 準(zhǔn)開闊地修正因子Qr 參數(shù)：f 38 l丘陵地修正因子 l孤立山岳的修正因子 l斜坡地形的修正因子 l

12、水陸混合地形修正因子 39 l丘陵地：連綿、起伏高度有限 40 l丘陵地修正因子Kh 、微小修正因子Khf 參數(shù)：h：自MS向發(fā)射BTS方向延伸10km范 圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%處的高度差。 預(yù)測(cè)點(diǎn)靠近山峰處與山谷處衰耗不同，考慮微 小修正因子Khf (近山峰處0；近山谷處0) 水域信號(hào)比陸地強(qiáng) 參數(shù) l水面位置位于 BTS側(cè)/MS側(cè) l水面距離與全距離比例 l全距離d 44 l街道走向/修正因子Kaf /Kac 縱向：電波傳播方向與 街道平行 Kaf0，表示場(chǎng)強(qiáng)中值 高于基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值 橫向：電波傳播方向與 街道垂直 Kac區(qū)間內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)累積分布 l障礙物均勻的城市街道地區(qū)、森林：近似瑞利

13、分布 郊區(qū)不規(guī)則地形，障礙物有空隙：近似正態(tài)分布 =67dB 場(chǎng)強(qiáng)中值變動(dòng)規(guī)律(隨位置) l12km樣本區(qū)間，每20m左右一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)中值 各小區(qū)間中值累積分布的50%值和變動(dòng)幅度 l市區(qū)：近似正態(tài)分布 郊區(qū)、丘陵地：近似正態(tài)分布 48 l實(shí)際應(yīng)用中， 不同時(shí)，常用隨通信概率變化的歸一化 曲線計(jì)算 x為相對(duì)于中值的變動(dòng)幅度 49 l接收信號(hào)中值隨時(shí)間變化服從正態(tài)分布 l分布隨時(shí)間、位置變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差 D為收發(fā)天線間距，h為地形波動(dòng)高度 頻率 MHz Lt 準(zhǔn)平滑地形不規(guī)則地形h(m) D(km)50100150175 市區(qū)郊區(qū)50150300 508910陸地257 1503.55.5479111

14、3水陸混合37911 45067.5111518水面91420 9006.58141821 50 l場(chǎng)強(qiáng)變動(dòng)分布為中值分布 和瞬時(shí)值分布的合成 市區(qū)：正態(tài)分布和 瑞利分布的合成 郊區(qū)、丘陵地： 標(biāo)準(zhǔn)偏差為 L和t的 兩個(gè)正態(tài)分布的合成 合成瞬時(shí)值變動(dòng)幅度曲線 不同的頻率時(shí)，表示 相對(duì)于中值的變動(dòng) 51 l2.通信概率 MS在無線覆蓋區(qū)邊緣進(jìn)行滿意通話的成功概率 包括：位置概率和時(shí)間概率 信號(hào)中值隨位置變化遠(yuǎn)大于隨時(shí)間的變化，因此，時(shí) 間概率可忽略 中值隨位置呈正態(tài)分布 min )()( min P dxxpPxP 52 l通信概率與系統(tǒng)余量的關(guān)系 可根據(jù)p(x)和確定SM 也可根據(jù)SM和確定p

15、(x) 53 l若要求在無線區(qū)覆蓋邊緣90%的位置上和90%的時(shí) 間里達(dá)到規(guī)定的話音質(zhì)量，則L用代 替， ，式中L與t可查表得到。 l在系統(tǒng)其它參數(shù)不變的情況下，要提高系統(tǒng)的通 信概率，只能縮短通信距離以減小路徑衰耗中值， 減小的衰耗中值即為系統(tǒng)余量。 系統(tǒng)以減小傳播距離為代價(jià)提高通信概率 22 tL 54 l傳播模型的選用及修正 不同模型適用于不同的應(yīng)用環(huán)境 l模型的適用范圍 l當(dāng)?shù)氐膫鞑l件 l常用模型的比較 各種模型在預(yù)測(cè)時(shí)都會(huì)存在誤差，這是由于各地的 傳播環(huán)境不同而造成。因此應(yīng)用時(shí)，除選擇適合本 地環(huán)境的模型外還必須對(duì)其加以修正，通過對(duì)模型 的修正，來提高預(yù)測(cè)的精度。 修正需進(jìn)行實(shí)地測(cè)

16、試，通過測(cè)試獲得進(jìn)行模型校正 的數(shù)據(jù)，然后用測(cè)試結(jié)果修正模型中相關(guān)的參數(shù)， 以使預(yù)測(cè)結(jié)果更接收近于當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況 55 l基站覆蓋預(yù)測(cè) 規(guī)劃預(yù)測(cè)：檢驗(yàn)覆蓋范圍和區(qū)內(nèi)質(zhì)量 基站覆蓋的主要影響因素 覆蓋預(yù)測(cè)方法 網(wǎng)路建成后，通過路測(cè)對(duì)規(guī)劃進(jìn)行檢驗(yàn)，及 時(shí)調(diào)整該地區(qū)基站數(shù)、站址等進(jìn)行網(wǎng)路調(diào)整 和優(yōu)化 56 l系統(tǒng)均衡 基站覆蓋區(qū) lMS接收信號(hào)強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)值90%以上的區(qū)域 l保證通信，滿足雙向靈敏度要求 lBS、MS收發(fā)功率、靈敏度要求均不同，必須進(jìn) 行系統(tǒng)均衡 若上行覆蓋大于下行：小區(qū)邊緣下行信號(hào)較弱，易被 其它小區(qū)的信號(hào)“淹沒”； 若下行覆蓋大于上行：移動(dòng)臺(tái)被迫守候在強(qiáng)信號(hào)下， 但上行信號(hào)太弱

17、，話音質(zhì)量不好 57 設(shè)：基站發(fā)射機(jī)天線前端功率為Poutb，移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)天線前 端功率為Poutm，基站天線增益Gab，空間損耗Lp，移動(dòng)臺(tái)天 線增益Gam，移動(dòng)臺(tái)接收電平為Pinm，衰落余量Mf，基站發(fā) 射機(jī)天線共用器損耗Lcb，基站接收機(jī)分集增益Gdb，基站 發(fā)射機(jī)端口功率Pbt，基站接收機(jī)端口功率Pbr 下行鏈路：Pinm+Mf=Poutb-Lcb-Lfb+Gab-Lp+Gam 上行鏈路：Pinb+Mf=Poutm+Gam-Lp+Gab-Lfb+Gdb 比較兩式：Pinm-Pinb=Poutb-Poutm-Lcb-Gdb 58 l衰落主要有由于多徑效應(yīng)引起的快衰落，由氣 象條件、陰影效應(yīng)引起的慢衰落兩種。快衰落 主要影響信號(hào)的瞬時(shí)值，而慢衰落影響的主要 是信號(hào)中值 l表征信號(hào)和衰落的統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征量主要有場(chǎng)強(qiáng) 中值、衰落深度、衰落率和衰落持續(xù)時(shí)間 l常用的電波傳播模型很多，基本方法都是以某 一地形地物狀況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，給出參考 模型，再根據(jù)實(shí)際地形地物狀況及應(yīng)用條件進(jìn) 行修正 59 lOM