第7章電波的傳播特性

1、1第7章 電波的傳播特性2l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)3l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)挠绊懻莆兆杂煽臻g傳輸衰耗、OM模型及電波傳播衰耗中值的計(jì)算方法4l無線電波的概念l電波的傳播方式5l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6l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

2、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(zhǎng)、頻率和傳播速度的關(guān)系： /為速度(m/s)；為頻率(Hz)；為波長(zhǎng)(m)l不同介質(zhì)中傳播速度不同、波長(zhǎng)不同 7l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89雙極化天線l兩個(gè)天線為一個(gè)整體，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/

3、-45 ）極化10l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11l微波傳播特性無線電波的波長(zhǎng)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12l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(xiāng)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

4、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 13l電波傳播的衰落特性l場(chǎng)強(qiáng)估算模型14l1.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多徑衰落（多徑效應(yīng)）瞬時(shí)值有快速、大幅度的變化（快衰落）15l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

5、%。 （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16l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若為電平值，則衰落深度= Ei-Eo17l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（M

6、Hz）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18l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(zhǎng)度19l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20l以日本東京城市場(chǎng)強(qiáng)中值實(shí)測(cè)結(jié)果得到的經(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：100MHz1500MHzBTS天線高度：30 m 200mMS天線高度：1 m10m傳播距離： 1km 20km21l美國(guó)陸上移動(dòng)通信、VHF、UH

7、F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 以內(nèi)22l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23l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LOS24lOM模型l任意地形地

8、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)25l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26l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27l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28l天線有效高度基站天線有效高度

9、hb = hta -hgalhga：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29l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)30l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)31l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)

10、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)32l基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)hb=200m hm=3m參數(shù)：f、d33l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)34l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)）35l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) 36l郊區(qū)修正因子Kmr的預(yù)測(cè)參數(shù)：f，d37l開闊地修正因子QO準(zhǔn)

11、開闊地修正因子Qr參數(shù)：f38l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水陸混合地形修正因子39l丘陵地：連綿、起伏高度有限40l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d44l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

12、布l障礙物均勻的城市街道地區(qū)、森林：近似瑞利分布郊區(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48l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49l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MHzLt準(zhǔn)平滑地形不規(guī)則地形h(m)D(km)50100150175市區(qū)郊區(qū)50150300508910陸地2571503.55.547911

13、13水陸混合3791145067.5111518水面914209006.5814182150l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)51l2.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)()(minPdxxpPxP52l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(x)53l若要求在無線區(qū)覆蓋邊緣90%的位置上和90%

14、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 22tL54l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)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

15、當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況55l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56l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，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

16、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-Gdb58l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?？焖ヂ渲饕绊懶盘?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59lOM模型是常用的電波傳播預(yù)測(cè)