無(wú)線電波傳播基礎(chǔ)理論

無(wú)線電波傳播基礎(chǔ)理論第1頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本課程為無(wú)線電波傳播基礎(chǔ)理論，內(nèi)容安排如下：1.1研究電波傳播特性的必要性1.2頻段劃分1.3dB概念的介紹1.4電波傳播方式1.5快衰落與慢衰落1.6傳播損耗1.7900/1800頻段傳播特性比較1.8傳播模型1.9色散和多普勒效應(yīng)

無(wú)線電波傳播基礎(chǔ)理論第2頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.1研究電波傳播特性的必要性無(wú)線電波傳播特性的研究和了解是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)的基礎(chǔ),從頻段的確定、頻率分配、無(wú)線電波的覆蓋范圍、計(jì)算通信概率及系統(tǒng)間的電磁干擾，直到最終確定無(wú)線設(shè)備的參數(shù)，都必須依靠對(duì)電波傳播特性的研究、了解和據(jù)此進(jìn)行的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。無(wú)線電波傳播與工作頻率有關(guān)，如450MHz、900MHz和1800MHz的電波傳播特性差別很大；無(wú)線電波傳播特性與各區(qū)域的電波傳播環(huán)境有關(guān)，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：

自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）

人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性

該地區(qū)的植被特征

天氣狀況

自然和人為的電磁噪聲狀況另外，無(wú)線電波傳播還受到移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)因素的影響。靜止的移動(dòng)臺(tái)與高速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)的傳播特性也大不相同。電波傳播具有可逆性，即電波從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)所經(jīng)歷的損耗和衰減同電波從B點(diǎn)傳播到A點(diǎn)所經(jīng)歷的是一樣的。第3頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2頻段劃分通常無(wú)線電波所指的是從極低頻10KHz到極超高頻的頂點(diǎn)300GHz（GigaHertz）。通常劃分成八個(gè)區(qū)域，參看下表：第4頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2頻段劃分移動(dòng)通信中頻段的劃分為：由上表可以看出移動(dòng)通信頻段位于UHF頻段范圍內(nèi)，是以空間波的方式進(jìn)行傳輸?shù)摹５?頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3dB概念的介紹第6頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3dB概念的介紹第7頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4電波傳播方式第8頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4電波傳播方式第9頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5快衰落與慢衰落快衰落：大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象，其合成波的幅度和相位隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的起伏變化，這就是所謂的快衰落或多徑衰落，也稱為瑞利衰落。其電場(chǎng)強(qiáng)度概率函數(shù)是服從瑞利分布的?？朔焖ヂ涞姆椒ㄖ饕懈鞣N形式的分集方式：時(shí)間、頻率、空間、極化第10頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5快衰落與慢衰落慢衰落：移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)除瞬時(shí)出現(xiàn)快速瑞利衰落外，其場(chǎng)強(qiáng)中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢的變化，這就是所謂的慢衰落或陰影衰落，其接收電場(chǎng)強(qiáng)度概率函數(shù)是服從高斯分布的。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹(shù)林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影?？朔ヂ涞闹饕椒ㄊ羌哟蟀l(fā)射功率，提高接受靈敏度，宏觀分集等。第11頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5快衰落與慢衰落總的來(lái)說(shuō)，在蜂窩環(huán)境中有兩種影響：第一種是多徑，從建筑物表面或其他物體反射、散射而產(chǎn)生的短期衰落；第二種是直接可見(jiàn)路徑產(chǎn)生的主要信號(hào)強(qiáng)度的緩慢變化，即長(zhǎng)期場(chǎng)強(qiáng)變化。也就是說(shuō)，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號(hào)幅度滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。第12頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.6傳播損耗在研究傳播時(shí)，特定接收機(jī)功率接收的信號(hào)電平是一個(gè)主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號(hào)減小，這種信號(hào)減小稱為傳播損耗。自由空間的傳播損耗可以由下式表示：其中f為頻率(MHz)，d為距離(km)。上式與距離d成反比，當(dāng)距離增加一倍時(shí)，自由空間的路徑損耗增加6dB。同時(shí)，減小波長(zhǎng)提高頻率也會(huì)使路徑損耗增大。當(dāng)已知頻率f還可以簡(jiǎn)化上式：式中γ＝2。γ稱為路徑損耗傾斜因子。在實(shí)際蜂窩環(huán)境中，隨著環(huán)境的不同γ的取值范圍在2～6之間變化。第13頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.6傳播損耗第14頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.6傳播損耗不同環(huán)境下γ因子的取值范圍：第15頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.6傳播損耗第16頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.7900/1800頻段傳播特性比較

總體而言GSM1800MHz頻段的覆蓋比GSM900M頻段要差一些：

Okumura–Hata公式中GSM1800M頻段的路徑損耗比GSM900M頻段大9.79dB功率預(yù)算中GSM1800M頻段MS發(fā)射功率比GSM900M頻段小3dB(各自分別為30dBm和33dBm）

50m長(zhǎng)7/8”電纜損耗差值為0.97dBGSM1800與GSM900相比較，所有以上各項(xiàng)給出了13.77dB差值但實(shí)際的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量和1800M頻段的模型校正發(fā)現(xiàn)平均差值并沒(méi)有這么大通常Okumura–Hata模型1800M頻段的修正因子比900M頻段小3～6dB。這說(shuō)明平均損耗差值在8～10dB之間，且依賴于具體電波傳播環(huán)境和基站天線高度第17頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.7900/1800頻段傳播特性比較以下測(cè)試是在市區(qū)環(huán)境中同一站址，分別在1800MHz和900MHz頻段的下行鏈路中進(jìn)行的，平均差值=9.5dB,變化范圍為=-6～22dB(損耗包括了ERP和電纜損耗的不同)

圖中部分變化較大的值是由于天線波瓣圖的差異造成的室內(nèi)穿透損耗1800M比900M平均要大3～5dB，但對(duì)部分建筑物可能是負(fù)的第18頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.7900/1800頻段傳播特性比較路徑損耗用5dB糾正

BS天線高度30mMS天線高度1.5m

標(biāo)準(zhǔn)方差σ＝8dB

路徑損耗斜率3.38GSM1800MS靈敏度,功率-100dBm,30dBmGSM900MS靈敏度,功率-102dBm,33dBm平均差值=8.77dB第19頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

由于1800M頻段的覆蓋比900M頻段要差8～10dB，因此，可以通過(guò)共站址的方法實(shí)現(xiàn)有效的室外覆蓋。同時(shí)也要求GSM900實(shí)現(xiàn)良好的室內(nèi)覆蓋1.7900/1800頻段傳播特性比較第20頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.8傳播模型·隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)通信質(zhì)量要求的提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、覆蓋預(yù)測(cè)已不可能靠手工運(yùn)算來(lái)完成。通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用傳播模型就能夠很好的解決這一問(wèn)題。通過(guò)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)能夠得到誤差在10dB以內(nèi)的路徑損耗的本地均值·

移動(dòng)通信中用到的傳播模型有很多,常見(jiàn)的有：

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Hata-Okumura模型

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Walfisch-Ikegami模型

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Planet通用模型不同的模型有不同的特點(diǎn)，有各自的適用范圍。下面將介紹幾種國(guó)內(nèi)用來(lái)做場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的幾種模型。第21頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.8傳播模型●Hata-Okumura模型Lp－從基站到移動(dòng)臺(tái)的路徑損耗(dB)f－載波頻率(MHz)hb－基站天線高度d－基站到移動(dòng)臺(tái)之間的距離(m)hm－移動(dòng)臺(tái)天線高度(1～10m)，一般取1.5m，單位為m－移動(dòng)臺(tái)高度修正，在中等城市取在大城市取值第22頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月●

Walfisch-Ikegami模型(WIM型)1.8傳播模型該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菫榱祟A(yù)測(cè)建筑物對(duì)傳輸損耗中值的影響而開(kāi)發(fā)的。它應(yīng)用于建筑物高度相當(dāng)一致、排列成行且相鄰建筑物之間的間隔較窄的距離在0.02～5km的市區(qū)和郊區(qū)環(huán)境。若基站和手機(jī)天線之間存在視距傳播，則：

Lb=42.6+26㏒(d)+20㏒(f)

若視距不存在，則：

Lb=L0+Lrts+Lmsd這里L(fēng)0為自由空間路徑損耗，Lrts為屋頂?shù)浇值赖睦@射和散射損耗，Lmsd為多屏繞射損耗。自由空間路徑損耗由下式給出：

L0=32.4+20㏒(d)+20㏒(f)第23頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月●規(guī)劃軟件Planet中的通用傳播模型PRX=PTX+K1+K2㏒d+K3㏒(Heff)+K4Diffraction+K5㏒(Heff)㏒d+K6(Hmeff)+Kclutter

PRX接收為功率（dBm）;PTX為發(fā)射功率（dBm）;K1為偏置常量（dB）;K2為距離衰減常數(shù);K3為基站天線高度補(bǔ)償修正系數(shù);K4為多重繞射損耗修正系數(shù);K5為基站天線高度多重修正因子;K6為移動(dòng)臺(tái)天線有效高度增益修正因子;d為基站到移動(dòng)臺(tái)之間的距離（m）;Heff為基站天線有效高度（m）;Kclutter為移動(dòng)臺(tái)地貌衰減系數(shù)（dB）;Hmeff為移動(dòng)臺(tái)天線有效高度;路徑損耗可寫為PL(dB)=PTX-PRX=-K1-K2㏒d-K3㏒(Heff)-K4Diffraction-K5㏒(Heff)㏒d-K6(Hmeff)–Kclutter注：Planet中的通用模型與Okumura-Hata模型相比，只是引進(jìn)了繞射因子和地貌修正因子。1.8傳播模型第24頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.9時(shí)間色散和多普勒效應(yīng)●時(shí)間色散主要指由于無(wú)線信道的非線性造成的信號(hào)波形失真，多徑干擾就是一種典型的時(shí)間色散的原因，若時(shí)間色散嚴(yán)重將會(huì)影響信號(hào)的譯碼。因此在GSM中利用訓(xùn)練序列來(lái)訓(xùn)練均衡器，將色散的波形進(jìn)行校正，但是均衡器的作用范圍限定在16us以內(nèi)。但是在CDMA中由于使用了RAKE接收機(jī)，對(duì)于多徑干擾，不僅可以克服時(shí)間色散的影響，而且能夠?qū)⒁欢ǖ亩鄰叫盘?hào)加以合并，改善接收質(zhì)量?！穸嗥绽招?yīng)是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)引起接收信號(hào)頻率的變化，即多普勒頻移或多普勒擴(kuò)散。

GSM系統(tǒng)中的多普勒效應(yīng)可以用以下的關(guān)系式表示：(1)基站為頻率源f，基站接收到的頻率為fˊf′為

f′＝f(1±V/c)式中V