電磁環(huán)境和電磁波傳播模型

1、電磁環(huán)境和電磁波傳播模型1.什么是電磁環(huán)境？電磁環(huán)境是在特定區(qū)域內(nèi)各種電子設(shè)備在該區(qū)域產(chǎn)生的電磁波信息的總和?？臻g電磁環(huán)境研究的主要內(nèi)容是空間電磁輻射強(qiáng)度。2.研究電磁環(huán)境對(duì)移動(dòng)通信的意義？ 在已知地形、地物、頻率和收發(fā)天線的高度等數(shù)據(jù)的條件下，可利用這些模型估算基站服務(wù)區(qū)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布。 在已知地形和地物的條件下，可以利用這些模型對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)。 在對(duì)已部署的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以利用這些模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量經(jīng)行評(píng)估，并對(duì)調(diào)整天線高度，天線傾斜角度和頻率配置等參數(shù)所帶來(lái)的影響做出預(yù)測(cè)，從而為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供指導(dǎo)性意見。 無(wú)線傳播環(huán)境決定了電波傳播的損耗，然而由于電波傳播環(huán)境極為復(fù)雜，所以在研

2、究建立電磁傳播預(yù)測(cè)模型時(shí)，人們常常根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析歸納出基于不同環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行校正，以使其更加接近實(shí)際，更準(zhǔn)確。無(wú)線信道環(huán)境電波傳播面臨的是隨時(shí)變化、復(fù)雜的無(wú)線信道環(huán)境。首先傳播環(huán)境十分復(fù)雜，傳播機(jī)理多種多樣，幾乎包括了電波傳播的所有過程，如直射，繞射，反射，散射和透射等。其次，由于移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)性，傳播參數(shù)隨時(shí)變化，引起接受場(chǎng)強(qiáng)，時(shí)延等參數(shù)的快速波動(dòng)。移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線傳播主要是利用了電磁波的直達(dá)波和反射波。在設(shè)計(jì)移動(dòng)通信系統(tǒng)或?qū)σ苿?dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋進(jìn)行分析時(shí)，研究電磁波的傳播是非常重要的，這主要有以下兩個(gè)原因：p第一，用于計(jì)算不同覆蓋小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度。在大多數(shù)情況下，每個(gè)覆

3、蓋區(qū)域包括直達(dá)波和反射波。p第二，用于計(jì)算相同和相鄰信道之間的干擾。移動(dòng)通信系統(tǒng)由于采用頻率復(fù)用技術(shù)，同頻和領(lǐng)頻干擾是必須解決的問題。 電波傳播的基本特性移動(dòng)通信信道衰落的表現(xiàn)無(wú)線電波傳播方式衰落原因復(fù)雜的無(wú)線復(fù)雜的無(wú)線電波傳播環(huán)境電波傳播環(huán)境傳播損耗和傳播損耗和彌散彌散陰影衰落陰影衰落多徑衰落多徑衰落多普勒頻移多普勒頻移基站天線、移基站天線、移動(dòng)用戶天線和動(dòng)用戶天線和兩付天線之間兩付天線之間的傳播路徑的傳播路徑直射、反射、直射、反射、繞射和散射繞射和散射以及它們的合成以及它們的合成移動(dòng)信道移動(dòng)信道基本特性基本特性衰落特性衰落特性3.電磁波傳播公式3.電磁波傳播公式4.電磁波的傳播機(jī)制電磁波最

4、基本的五種傳播機(jī)制為直射，反射，繞射，散射和透射。電波的傳播機(jī)制基本電波基本電波的傳播機(jī)制的傳播機(jī)制反射阻擋體比傳輸波阻擋體比傳輸波長(zhǎng)長(zhǎng) 大的多的物體大的多的物體產(chǎn)生多徑衰落的產(chǎn)生多徑衰落的主主 要因素要因素繞射散射阻擋體為尖利邊阻擋體為尖利邊緣緣產(chǎn)生于粗糙表面、產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其它不規(guī)小物體或其它不規(guī)則物體則物體4.1直射 電磁波可以認(rèn)為是自由空間內(nèi)的傳播，即在均勻的、所有方向都可認(rèn)為是無(wú)限大的理想電介質(zhì)內(nèi)的傳播。對(duì)于自由空間內(nèi)的傳播，在從源出發(fā)的任一給定方向上，超過某一由源尺寸和波長(zhǎng)決定的距離后，電磁波的每一矢量的大小均與離開源的距離成反比。 直射波又稱為空間波，是由發(fā)射點(diǎn)從空間直

5、線傳播到接收點(diǎn)的無(wú)線電波。直射波傳播距離一般限于視距范圍。在傳播過程中，它的強(qiáng)度衰減較慢，超短波和微波通信就是利用直射波傳播的。4.1直射4.2反射 當(dāng)電磁波遇到比其波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)，或者在不同介質(zhì)交界處時(shí)，發(fā)生反射。在理想介質(zhì)表面上發(fā)生反射是沒有能量損失的。但是實(shí)際中都是非理想介質(zhì)表面，故存在一定的能量損失。 發(fā)生反射時(shí)，入射射線、反射射線以及反射點(diǎn)都在同一個(gè)平面內(nèi)，入射射線與反射射線的夾角等于反射射線與反射點(diǎn)法線的夾角，這就是電磁波的反射定理。反射定理的基本原理圖4.2反射4.3繞射 繞射是指電磁波傳播路徑上，當(dāng)尺寸相當(dāng)大的障礙物產(chǎn)生遮擋時(shí)，在障礙物背后的陰影區(qū)中產(chǎn)生電磁波。當(dāng)入射射線遇

6、到散射體邊界面的邊緣、拐角、尖頂和凸曲面時(shí),會(huì)產(chǎn)生一新的繞射射線。在邊緣繞射情況下,邊緣繞射射線與邊緣的夾角等于入射射線與邊緣的夾角。一條入射射線會(huì)激起無(wú)窮多條繞射射線,它們都位于一個(gè)以繞射點(diǎn)為頂點(diǎn)的圓錐面上。圓錐軸就是繞射點(diǎn)所在邊緣的切線,圓錐的半頂角等于入射射線與邊緣切線的夾角。4.3繞射一致性繞射理論基本原理圖4.4散射 當(dāng)電磁波入射到宏觀物體或微觀電子上時(shí)，引起物體上的誘導(dǎo)電荷和電流，或改變電子運(yùn)動(dòng)，從而向各個(gè)方向輻射電磁波，這個(gè)過程叫做電磁波的散射。散射傳播是由天線輻射出去的電磁波投射到低空大氣層或電離層中不均勻介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生散射，其中一部分到達(dá)接收點(diǎn)。散射傳播距離遠(yuǎn)，但是效率低，不易操

7、作，使用并不廣泛。散 射散射散射無(wú)線電波遇到粗糙表面無(wú)線電波遇到粗糙表面時(shí)，反射能量散布于所時(shí)，反射能量散布于所有方向有方向表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8 sincih表面光滑度的判定表面光滑度的判定表面平整度的參數(shù)高度平面上最大的突起高度 h2sinexp8hisroughsh 4.5透射電磁波的透射也稱為電磁波的折射，其原理與反射一樣都是發(fā)生在兩種介質(zhì)的交界處，只是反射的電磁波返回原介質(zhì)中，而透射的電磁波則進(jìn)入到另一種介質(zhì)中。由于電磁波在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，故在兩種介質(zhì)的交界處傳播方向發(fā)生改變，射線經(jīng)過兩次透射后穿過墻體。4.5 透射透射定理基本原理圖5.室外傳播模型 在移動(dòng)通信

8、系統(tǒng)的室外環(huán)境，電磁波通常在非規(guī)則、非單一的環(huán)境中傳播。在估計(jì)信道損耗時(shí)，需要考慮傳播路徑上的地形地貌，也要考慮到建筑物、樹木、電線桿等障礙物。實(shí)驗(yàn)表明，隨著距離的增大，接受信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，然而衰減的速率是不同的。視距時(shí)傳播衰減速率最小，其次是開闊地和郊區(qū)，城區(qū)的衰減速率最大。所以在不同的環(huán)境中應(yīng)選擇不同的傳輸模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。5.室外傳播模型 在室外的傳播環(huán)境中,按照覆蓋區(qū)域的不同,室外傳播模型可以分為宏蜂窩模型和微蜂窩模型。 在宏蜂窩場(chǎng)景中,基站發(fā)射功率可達(dá)到幾十瓦特,蜂窩覆蓋半徑為幾公里至幾十公里。 相比于宏蜂窩場(chǎng)景,微蜂窩覆蓋范圍小一些,一般為200米至1000米,基站高度一般為3m

9、至10m,發(fā)射功率一般為10mw至IW,所預(yù)測(cè)的區(qū)域一般為市區(qū)街道等人口密集區(qū)域。 最常用的室外傳播環(huán)境模型包括Okumura模型、Hata模型、車載傳播模型、雙折線模型、Lee模型、Mallllattan傳播模型、Berg模型、Xia.H模型等。室外傳播模型室外傳播模型Hata模型 CCIR模型LEE模型COST 231 Walfisch-Ikegami 模型 Okumura-Hata 模型模型COST 231 Hata模型模型常用的常用的幾種室?guī)追N室外電波外電波傳播損傳播損耗預(yù)測(cè)耗預(yù)測(cè)模型模型5.1Okumura模型 okumura模型是okumura等人根據(jù)在日本大量測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出的以曲

10、線表示的傳播模型。該模型是預(yù)測(cè)城區(qū)信號(hào)時(shí)使用最廣泛的模型。它以準(zhǔn)平坦地形大城市市區(qū)的中值場(chǎng)強(qiáng)或路徑損耗為參考，對(duì)其他傳播環(huán)境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進(jìn)行修正。 Okumura等人的模型基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)源于在各種不規(guī)則地形和環(huán)境分布下進(jìn)行的詳細(xì)的傳播測(cè)試。這些結(jié)果以統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析并合成為圖表。在城區(qū)準(zhǔn)光滑地形下可以得到中值場(chǎng)強(qiáng)的基本預(yù)測(cè)結(jié)果。在開闊地帶或郊區(qū)都有可供使用的修正因子。其他的一些修正因子包括起伏的丘陵地貌，孤立的山峰，混合的陸地海面路徑，街道走向，一般的斜坡地貌等等，這使得最終的預(yù)測(cè)結(jié)果接近于實(shí)際環(huán)境中的場(chǎng)強(qiáng)值。5.1Okumura模型Okumura開發(fā)了一套在準(zhǔn)

11、平滑城區(qū)、基站天線高度為200米、移動(dòng)臺(tái)高度為3米的自由空間中值損耗曲線，其中移動(dòng)臺(tái)和基站的天線均為垂直全方向天線，如圖所示，該模型給出的是統(tǒng)計(jì)結(jié)果,在運(yùn)用時(shí)必須考慮地形因子，它給出的測(cè)試結(jié)果顯示郊區(qū)的損耗變化率較大，當(dāng)接收天線較低時(shí)較為明顯。5.1Okumura模型相對(duì)于自由空間的傳輸損耗與頻率和距離之間的關(guān)系5.1Okumura模型 奧村模型（Okumura）是最常用的傳播模型，比較簡(jiǎn)單，分析起來(lái)比較方便，常用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中。 奧村模型得名于奧村，奧村在20世紀(jì)60年代測(cè)量了日本東京等地?zé)o線信號(hào)的傳播特性，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得到了一些統(tǒng)計(jì)圖表，用于對(duì)信號(hào)衰耗的估計(jì)。 奧村模型有一定的適用范圍

12、，例如，載波頻率從1502 000 MHz；離基站不能太近，有效距離為1100 km；天線高度要在30 m以上。5.1Okumura模型 Hata在奧村模型上做了改進(jìn)，將統(tǒng)計(jì)圖表轉(zhuǎn)換為公式，這樣計(jì)算信號(hào)衰耗就不必查圖表，非常方便，而且還適合計(jì)算機(jī)處理。盡管如此，這些公式仍然統(tǒng)稱為奧村模型。 在城市，奧村模型描述為以下的Hata公式： Lp = 69.55 + 26.16 lg f - 13.82 lg hb - a(hm) +(44.9 - 6.55 lg hb) lg d 式中，Lp對(duì)應(yīng)路徑損耗；f 代表載波頻率；hb代表基站的等效高度；hm代表終端的等效高度；d代表基站與終端之間的距離；a

13、(hm) 是與終端有關(guān)的修正因子，當(dāng)終端的等效高度為1.5 m時(shí)a(hm) 被忽略。5.1Okumura模型 除了城市以外，奧村模型還分別針對(duì)郊區(qū)、農(nóng)村和開闊地定義了相應(yīng)的公式。 一般天線的高度為30 m，考慮到上行信號(hào)的頻率為1.9 GHz，可以簡(jiǎn)化Hata公式中上行信號(hào)損耗計(jì)算公式，為： Lp = A+35.2 lg d 其中，城市環(huán)境A為134.7，郊區(qū)環(huán)境A為127.5，農(nóng)村環(huán)境A為115.4。 同樣地，考慮到下行信號(hào)的頻率為2.1 GHz，可以簡(jiǎn)化Hata公式中下行信號(hào)損耗計(jì)算公式，為： Lp = A+35.2 lg d 其中，城市環(huán)境A為135.8，郊區(qū)環(huán)境A為128.6，農(nóng)村環(huán)境

14、A為116.5。 奧村模型是無(wú)線信號(hào)傳播模型的鼻祖，后來(lái)又產(chǎn)生了許多基于奧村模型的修正模型，如COST231 Hata模型、TCPU規(guī)劃工具采用的9999模型和Atoll規(guī)劃工具采用的SPM模型等。其中COST值得一提，這是European Co-Operation in the field of Scientific and Technical research的縮寫，是歐洲的一個(gè)科研項(xiàng)目組織。COST組織了不少科研項(xiàng)目，傳播模型包括前面提到的信道模型都是其中的研究成果，而231代表項(xiàng)目編號(hào)。5.2.不規(guī)則地形修正因子 丘陵地修正因子 孤立山岳的修正因子 斜坡地形的修正因子 水陸混合地形修正

15、因子32（1）丘陵地修正因子丘陵地：連綿、起伏高度有限33 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) 水面位置位于BTS側(cè)/MS側(cè) 水面距離與全距離比例 全距離d(4)水陸混合地形修正因子6.室內(nèi)傳播模型 6.1室內(nèi)無(wú)線環(huán)境特征 室內(nèi)無(wú)線環(huán)境的特點(diǎn)是傳輸功率較小，覆蓋距離更近，環(huán)境的變動(dòng)更大。對(duì)于不同的建筑物而言，室內(nèi)布置、材料結(jié)構(gòu)、建筑物尺度和應(yīng)用類型等因素的變化更大，這就使得傳播環(huán)境產(chǎn)生了很大的差異。 即使在同一個(gè)建筑物的不同位置，其傳播環(huán)境也不盡相同，甚至差別很大。例如，信號(hào)電平很大程度上依賴于建筑物內(nèi)的門是開還是關(guān)。不同材料制成的墻體和障礙物對(duì)信號(hào)有不同的阻隔，因此路徑損耗衰減指數(shù)變化也比較大，甚至建筑物窗口的數(shù)量也影響樓層間的損耗。墻壁和地板的穿入損耗，根據(jù)建筑材料的不同而變化，從輕質(zhì)編織物的3dB，到混凝土磚塊結(jié)構(gòu)的1320dB。 建筑物的內(nèi)在結(jié)構(gòu)會(huì)引起無(wú)線電波的反射、繞射、透射和散射，也就是引起發(fā)射信號(hào)通過不止一條途徑到達(dá)接收端