無線電波傳播基礎(chǔ)理論

無線電波傳播基礎(chǔ)理論第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月本課程為無線電波傳播基礎(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)

無線電波傳播基礎(chǔ)理論第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1研究電波傳播特性的必要性無線電波傳播特性的研究和了解是移動通信網(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，直到最終確定無線設(shè)備的參數(shù)，都必須依靠對電波傳播特性的研究、了解和據(jù)此進(jìn)行的場強(qiáng)預(yù)測。無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，無線電波傳播還受到移動臺運(yùn)動因素的影響。靜止的移動臺與高速運(yùn)動的移動臺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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2頻段劃分通常無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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2頻段劃分移動通信中頻段的劃分為：由上表可以看出移動通信頻段位于UHF頻段范圍內(nèi)，是以空間波的方式進(jìn)行傳輸?shù)?。?頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3dB概念的介紹第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3dB概念的介紹第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4電波傳播方式第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4電波傳播方式第9頁，課件共26頁，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臺的運(yùn)動產(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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5快衰落與慢衰落慢衰落：移動臺接收的信號除瞬時(shí)出現(xiàn)快速瑞利衰落外，其場強(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、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會產(chǎn)生電磁場的陰影?？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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5快衰落與慢衰落總的來說，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；第二種是直接可見路徑產(chǎn)生的主要信號強(qiáng)度的緩慢變化，即長期場強(qiáng)變化。也就是說，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號幅度滿足對數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。第12頁，課件共26頁，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，傳播信號減小，這種信號減小稱為傳播損耗。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)，減小波長提高頻率也會使路徑損耗增大。當(dāng)已知頻率f還可以簡化上式：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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6傳播損耗第14頁，課件共26頁，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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6傳播損耗第16頁，課件共26頁，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)際的場強(qiáng)測量和1800M頻段的模型校正發(fā)現(xiàn)平均差值并沒有這么大通常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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.7900/1800頻段傳播特性比較以下測試是在市區(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，但對部分建筑物可能是負(fù)的第18頁，課件共26頁，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，課件共26頁，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，課件共26頁，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，對通信質(zhì)量要求的提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、覆蓋預(yù)測已不可能靠手工運(yùn)算來完成。通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用傳播模型就能夠很好的解決這一問題。通過模型進(jìn)行預(yù)測能夠得到誤差在10dB以內(nèi)的路徑損耗的本地均值·

移動通信中用到的傳播模型有很多,常見的有：

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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。下面將介紹幾種國內(nèi)用來做場強(qiáng)預(yù)測的幾種模型。第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.8傳播模型●Hata-Okumura模型Lp－從基站到移動臺的路徑損耗(dB)f－載波頻率(MHz)hb－基站天線高度d－基站到移動臺之間的距離(m)hm－移動臺天線高度(1～10m)，一般取1.5m，單位為m－移動臺高度修正，在中等城市取在大城市取值第22頁，課件共26頁，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)測建筑物對傳輸損耗中值的影響而開發(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，課件共26頁，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為移動臺天線有效高度增益修正因子;d為基站到移動臺之間的距離（m）;Heff為基站天線有效高度（m）;Kclutter為移動臺地貌衰減系數(shù)（dB）;Hmeff為移動臺天線有效高度;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，課件共26頁，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線信道的非線性造成的信號波形失真，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)重將會影響信號的譯碼。因此在GSM中利用訓(xùn)練序列來訓(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亩鄰叫盘柤右院喜?，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)之間的相對運(yùn)動引起的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會引起接收信號頻率的變化，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