無線電波傳播基礎(chǔ)理論.ppt

無線電波傳播基礎(chǔ)理論,浙江省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,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 1.3 dB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 1.7 900/1800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,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(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(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(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。,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（Giga Hertz）。通常劃分成八個(gè)區(qū)域，參看下表：,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?1.3 dB概念的介紹,1.3 dB概念的介紹,1.4 電波傳播方式,1.4 電波傳播方式,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。 克服快衰落的方法主要有各種形式的分集方式：時(shí)間、頻率、空間、極化,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。 克服慢衰落的主要方法是加大發(fā)射功率，提高接受靈敏度，宏觀分集等。,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(hào)強(qiáng)度的緩慢變化，即長(zhǎng)期場(chǎng)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(hào)幅度滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。,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2。稱為路徑損耗傾斜因子。在實(shí)際蜂窩環(huán)境中，隨著環(huán)境的不同的取值范圍在26之間變化。,1.6 傳播損耗,1.6 傳播損耗,不同環(huán)境下因子的取值范圍：,1.6 傳播損耗,1.7 900/1800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0.97dB GSM1800與GSM900相比較，所有以上各項(xiàng)給出了 13.77 dB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)平均差值并沒有這么大 通常 Okumura Hata模型1800M頻段的修正因子比900M頻段小36dB。這說明平均損耗差值在810dB之間，且依賴于具體電波傳播環(huán)境和基站天線高度,1.7 900/1800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 22 dB (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35dB，但對(duì)部分建筑物可能是負(fù)的,1.7 900/1800頻段傳播特性比較,路徑損耗用5dB糾正 BS天線高度 30m MS天線高度 1.5m 標(biāo)準(zhǔn)方差 8 dB 路徑損耗斜率 3.38 GSM1800 MS靈敏度, 功率 -100 dBm , 30 dBm GSM900 MS靈敏度, 功率 -102 dBm, 33 dBm,平均差值 = 8.77dB,由于1800M頻段的覆蓋比900M頻段要差810dB，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,1.7 900/1800頻段傳播特性比較,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(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,常見的有： Hata-Okumura模型 Walfisch-Ikegami模型 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)用來做場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的幾種模型。,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(110m)，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, 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0.025km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), 規(guī)劃軟件Planet中的通用傳播模型 PRX = PTX + K1 + K2 d + K3 (Heff) + K4 Diffraction+ 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) - K4 Diffraction- 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,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(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。 多普勒效應(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