無線傳播特性

無線傳播特性第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六目錄一、無線傳播基本原理二、無線傳播的特點(diǎn)三、無線傳播模型四、模型校正第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六無線電波波段劃分不同的頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)振子電波傳輸方向磁場(chǎng)磁場(chǎng)電磁波的產(chǎn)生根據(jù)Maxwell方程組：空間某處只要有變化的磁場(chǎng)就能激發(fā)出渦旋電場(chǎng)，而變化的電場(chǎng)又能激發(fā)渦旋磁場(chǎng)。交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相激發(fā)就形成了連續(xù)不斷的電磁振蕩即電磁波。電磁波的速度只隨介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)而變化，電微波在真空中傳播的速度，等于光在真空中傳播的速度。光和電磁波在本質(zhì)上是相同的，光是一定波長(zhǎng)的電磁波。第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六電磁波的傳播池塘中的波紋：能量從源點(diǎn)向四周傳播，并逐漸減弱電磁波的傳播與此類似，不同之處（當(dāng)輻射源是各向同性的理想點(diǎn)源時(shí)）：在三維空間以球面波的形式傳播傳播介質(zhì)不同，空氣、障礙物、反射物第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六無線傳播的理論基礎(chǔ)在自由空間中，由點(diǎn)源發(fā)射的正弦波向各個(gè)方向輻射球面波，此時(shí)該點(diǎn)源稱為各向同性輻射源假設(shè)點(diǎn)源發(fā)射功率為Prad(W)，在距離d(m)處的單位面積功率（即Poynting矢量）為：對(duì)于實(shí)際天線，若輻射功率為Pt(W)，天線增益為Gt(dBi)

，則Poynting矢量為：第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六無線傳播的理論基礎(chǔ)若接收天線有效接收面積為Ae(m2)，增益為Gr(dBi)

，則兩者關(guān)系：因此在距離d處接收到的功率為：無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是傳播損耗，自由空間傳播損耗為：其它傳播模型都是以自由空間傳播模型為理論基礎(chǔ)發(fā)展起來的第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六目錄一、無線傳播基本原理二、無線傳播的特點(diǎn)三、無線傳播模型四、模型校正第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六①建筑物反射波②繞射波③直射波④地面反射波無線傳播的特點(diǎn)陸地移動(dòng)通信的電波傳播機(jī)制實(shí)際環(huán)境的無線傳播LOS和NLOS第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六無線信道特征d(m)Pr(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落無線信道隨用戶的位置和時(shí)間而變化多徑散射、陰影遮擋使得接收功率發(fā)生劇烈變化慢衰落衰減：Pr正比于1/dn陰影：障礙物遮擋快衰落多徑效應(yīng)在很小的距離間隔和時(shí)間間隔上，信號(hào)強(qiáng)度快速變化產(chǎn)生Doppler頻移產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六分集技術(shù)抗快衰落措施－分集技術(shù)－顯分集空間分集極化分集頻率分集：GSM--跳頻，WCDMA--擴(kuò)頻技術(shù)其它：方向性分集、場(chǎng)分集、發(fā)射分集－隱分集隱分集即是利用信號(hào)處理技術(shù)將分集作用隱含在被傳輸信號(hào)之中，如RAKE接收技術(shù)、信道交織、糾錯(cuò)編碼等可看作時(shí)間分集第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六時(shí)延擴(kuò)展多徑傳播：不同路徑的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同當(dāng)多徑信號(hào)不能被接收機(jī)區(qū)分時(shí)就產(chǎn)生同信道干擾（CCI），對(duì)于WCDMA系統(tǒng)，多徑時(shí)延必須大于一個(gè)碼片周期(0.26μs)才能被識(shí)別典型值(μs):Open<0.2,Suburban=0.5,Urban=3解決均衡、RAKE技術(shù)第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六Doppler頻移Doppler效應(yīng)的例子：火車經(jīng)過你的身邊移動(dòng)通信中的Doppler頻移V：移動(dòng)臺(tái)速度：信號(hào)到達(dá)角度第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六TRTR繞射損耗穿透損耗地物損耗損耗第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六特點(diǎn)電磁波在繞射點(diǎn)四處擴(kuò)散繞射波覆蓋除障礙物外的所有方向擴(kuò)散損耗最為嚴(yán)重計(jì)算公式復(fù)雜，隨不同繞射常數(shù)變化繞射損耗第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六XdBmWdBm穿透損耗=X-W=BdB電磁波穿透墻體的反射和折射

室內(nèi)信號(hào)取決于建筑物的穿透損耗室內(nèi)窗口處與室內(nèi)中部信號(hào)差別較大建筑物材質(zhì)對(duì)穿透損耗影響較大電磁波的入射角對(duì)穿透損耗影響較大穿透損耗第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

物體阻擋/穿透損耗為：

隔墻阻擋：5～20dB

樓層阻擋：＞20dB，

室內(nèi)損耗值是樓層高度的函數(shù)，-1.9dB/層

家具和其它障礙物的阻擋：2～15dB

厚玻璃：6～10dB

火車車廂的穿透損耗為：15～30dB

電梯的穿透損耗：30dB左右

茂密樹葉損耗：10dB

穿透損耗第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六地面性質(zhì)水面稻田田野城市、山地、森林等效地面反射系數(shù)0.9～10.6～0.80.3～0.50.1～0.2反射損耗（dB）0～12～46～1014～20反射損耗第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六無線傳播環(huán)境電波傳播受地形結(jié)構(gòu)和人為環(huán)境的影響，無線傳播環(huán)境直接決定傳播模型的選取。影響傳播環(huán)境的主要因素：

地貌：高山、丘陵、平原、水域、植被地物：建筑物、道路、橋梁噪聲：自然噪聲、人為噪聲氣候：雨、雪、冰（對(duì)UHF頻段影響微?。┑?9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六無線傳播環(huán)境傳播環(huán)境分類參照ITU-RP.1411-1，結(jié)合中國國情，分類如下傳播環(huán)境描述密集城區(qū)高樓林立，信號(hào)幾乎不可能從建筑物屋頂繞射傳播普通城區(qū)街道較寬，建筑物較低，信號(hào)可以從屋頂繞射郊區(qū)建筑物較低矮，且較稀疏鄉(xiāng)村建筑物低矮，稀疏，植被較多山區(qū)公路室內(nèi)第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六無線傳播環(huán)境傳播環(huán)境分類對(duì)應(yīng)的小區(qū)類型小區(qū)類型小區(qū)半徑典型天線安裝位置Macro-cell>500m天線安裝于室外，高于周圍屋頂平均高度Micro-cell100~500m天線安裝于室外，低于周圍屋頂平均高度Pico-cell<100m天線安裝于室內(nèi)或室外，低于周圍所有屋頂高度其它新的小區(qū)分類，如Mini-cell…第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六目錄一、無線傳播基本原理二、無線傳播的特點(diǎn)三、無線傳播模型四、模型校正第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六確定性模型自由空間模型雙線模型RayTracing傳播模型分類經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚈kumura-HataCOST231-HataCOST231Walfish-IkegamiKeenan-Motley半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算機(jī)輔助計(jì)算模型

第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六Okumura-HataCOST231-HataCOST231Walfish-Ikegami室內(nèi)傳播模型計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算模型常用傳播模型第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六自由空間傳播模型Lfs=91.48+20lgd, forf=900MHzLfs=97.98+20lgd, forf=1900MHzLfs=99+20lgd, forf=2100MHz自由空間傳播模型適用于具有各向同性傳播介質(zhì)（如真空）的無線環(huán)境，是理論模型。該環(huán)境在現(xiàn)實(shí)中并不存在，但空氣介質(zhì)近似于各向同性介質(zhì)。第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六Okumura-Hata模型市區(qū):Lu(dB)=69.55+26.16*log(f)?13.82*log(Hb)?a(Hm)+

[44.9?6.55*log(Hb)]*log(d)其中，a(Hm)為移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子。對(duì)于中等城市：a(Hm)=

[1.1*log(f)?0.7]*Hm?

[1.56*log(f)?0.8]對(duì)于大城市：a(Hm)=8.29*[log(1.54*Hm)]2?1.1 forf<=200MHz（不適合現(xiàn)有移動(dòng)通信體制）a(Hm)=3.2*[log(11.75*Hm)]2?4.97 forf>=400MHz第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六Okumura-Hata模型郊區(qū)：Lsu(dB)=Lu?2*[log(f/28)]2?5.4鄉(xiāng)村半開闊地：Lrqo(dB)=Lu?4.78*[log(f)]2+18.33*log(f)?35.94鄉(xiāng)村開闊地：Lro(dB)=Lu?4.78*[log(f)]2+18.33*log(f)?40.94第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六Okumura-Hata模型適用范圍： 頻率范圍f:

150~1500MHz 基站天線高度Hb:

30~200m 移動(dòng)臺(tái)高度Hm:

1~10m 距離d:

1~20km宏蜂窩模型基站天線高度高于周圍建筑物1km以內(nèi)預(yù)測(cè)不適用頻率超過1500MHz以上時(shí)不適用第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六COST231-Hata模型市區(qū)：Lu(dB)=46.3+33.9*log(f)?13.82*log(Hb)?a(Hm)+

[44.9?6.55*log(Hb)]*log(d)+Cm其中， a(Hm)=

[1.1*log(f)?0.7]*Hm?

[1.56*log(f)?0.8] Cm=0dBformediumsizedcityandsuburbancentreswithmoderatetreedensity Cm=3dBformetropolitancentres郊區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的修正值與Okumura-Hata模型相同第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六COST231-Hata模型適用范圍： 頻率范圍f:

1500~2000MHz 基站天線高度Hb:

30~200m 移動(dòng)臺(tái)高度Hm:

1~10m 距離d:

1~20km宏蜂窩模型基站天線高度高于周圍建筑物1km以內(nèi)預(yù)測(cè)不適用頻率超過2000MHz或低于1500MHz時(shí)不適用第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型基站與移動(dòng)臺(tái)之間無可視路徑（Non-LOS）Lb=Lo forLrts+Lmsd<=0其中，Lo為自由空間傳播損耗第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型Lrts:屋頂?shù)浇值赖睦@射和散射損耗其中，第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型Lmsd:多重屏障損耗其中，第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型Lmsd:多重屏障損耗其中，對(duì)于樹木密度適中的中等城市：對(duì)于大城市：第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型Lb=42.6+26*log(d)+20*log(f) ford>=0.020kmOr:Lb=Lo ford<0.02km其中，Lo為自由空間傳播損耗基站與移動(dòng)臺(tái)之間有可視路徑（LOS）對(duì)于高樓林立的街道（StreetCanyon）傳播環(huán)境，基站天線通常低于周圍建筑物的屋頂高度。受傳播環(huán)境的影響，無線信號(hào)通常只能沿街道走向傳播。第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型適用范圍： 頻率范圍f:

800~2000MHz 基站天線高度Hbase:

4~50m 移動(dòng)臺(tái)高度Hmobile:

1~3m 距離d:

0.02~5km 建筑物高度Hroof(m)

路面寬度w(m)

建筑物間距b(m)

相對(duì)直射波方向的街道走向α()

市區(qū)環(huán)境，宏蜂窩或微蜂窩郊區(qū)環(huán)境或鄉(xiāng)村環(huán)境不適用第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六室內(nèi)傳播模型室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境差異巨大，室外模型不適用于室內(nèi)環(huán)境L=37+30Log10(R)+18.3n((n+2)/(n+1)-0.46)

f：頻率(MHz)R：天線到移動(dòng)臺(tái)距離(m)n：天線到移動(dòng)臺(tái)之間相隔的樓層數(shù)第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算模型為便于計(jì)算，各種規(guī)劃軟件均具有自身的傳播模型數(shù)學(xué)公式這些模型可以通過模型校正來調(diào)整參數(shù)使其更接近實(shí)際環(huán)境常用的有Planet，Asset，Atoll模型校正后的模型比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用范圍更廣必需準(zhǔn)確的、滿足精度要求的地理數(shù)據(jù)庫第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六WCDMA系統(tǒng)需要的傳播模型Where:R isthebasestation-mobilestationseparationinkilometres;f isthecarrierfrequencyof2000MHz;hb isthebasestationantennaheight,inmetres,measuredfromthe average rooftoplevel

3GPP推薦的傳播模型第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六現(xiàn)有模型的適用性郊區(qū)、鄉(xiāng)村：宏蜂窩模型適用，如COST231-HATA，視需要校正城區(qū)、密集城區(qū)：宏蜂窩模型、微蜂窩模型，適合于初始簡(jiǎn)單規(guī)劃用于詳細(xì)規(guī)劃時(shí)，經(jīng)典的宏蜂窩模型和微蜂窩模型存在缺陷：城市建筑物的影響考慮不完善密集城區(qū)街道的波導(dǎo)效應(yīng)沒有考慮模型校正工作量巨大華為在香港3G項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，采用RayTracing

模型第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六RayTracing模型經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鏞kumura-Hata、COST231-HATA、COST231WI等模型建立在實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，直觀可靠,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿匀皇钱?dāng)今進(jìn)行移動(dòng)通信場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的主要工具；但是用該方法所得出的電波傳播模型對(duì)環(huán)境的依賴性較大,對(duì)實(shí)測(cè)設(shè)備、數(shù)字地圖的要求也較高,使得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)用性存在一定問題。確定性模型，如RayTracing，應(yīng)用電磁波傳播理論來建立預(yù)測(cè)模型,基礎(chǔ)牢固,結(jié)果更具有普遍性,獲得人們愈來愈多的關(guān)注，并已經(jīng)形成商用軟件。RayTracing模型預(yù)測(cè)精度較高、模型校正工作量小或基本不需要校正但需要高精度數(shù)字地圖、高性能計(jì)算機(jī)第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六RayTracing模型香港島、九龍第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六RayTracing模型香港島局部第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六RayTracing模型COST231-Hata預(yù)測(cè)結(jié)果RayTacing預(yù)測(cè)結(jié)果預(yù)測(cè)結(jié)果差異第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六目錄一、無線傳播基本原理二、無線傳播的特點(diǎn)三、無線傳播模型四、模型校正第45頁，共51頁，2