第7章電波的傳播特性

1、1第7章 電波的傳播特性2l內容電波傳播中的衰落OM模型概念及場強衰耗中值的預測任意地形、地物衰耗場強中值和信號中值的預測電波傳播電路的計算、覆蓋設計3l重點OM模型及任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預測l難點任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預測l目的和要求了解衰落對信號傳輸?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電場和磁場在空間交替變換，向前行進l傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時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有關 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 通常認為它等于光速 無線電波的波長、頻率和傳播速度的關系： /為速度(m/s)；為頻率(Hz)；為波長(m)l不同介質中傳播速度不同、波長不同 7l無線電波的極化概念：無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化 電波的極化方向：無線電波的電場方向極化波必須用對應的極化特性的天線接收否則在接收過程中會產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兩個天線為一個整體，有兩個獨立的波，這兩個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總是以自由空間的傳播環(huán)境為參考進行自由空間l一種理想的、均勻的、各向同性的介質空間l當電磁波在自由空間中傳播時直線傳播，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散而引起的傳播損耗實際傳播環(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不同，傳播特點也不完全相同 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電波在建筑物內傳播的類型室內無線環(huán)境特點l覆蓋范圍小l傳播距離短l傳播時延要小的多l(xiāng)室內環(huán)境中用戶多處于靜止和慢速移動狀態(tài)，可忽略多普勒

4、頻移l室內環(huán)境變化更復雜，電波傳播受建筑類型、室內布局、建筑材料影響較大即使在同一個建筑物內的不同位置，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場強估算模型14l1.衰落的概念由于實際傳播環(huán)境中復雜的地形地物對傳播信號的阻擋，及反射、繞射和散射引起的無線信號的多徑傳播都會對電磁波的傳播產生影響，導致接收信號的隨機變化衰落的類型l陰影衰落（陰影效應、氣象條件變化）場強中值的緩慢變化（慢衰落）l多徑衰落（多徑效應）瞬時值有快速、大幅度的變化（快衰落）15l場強中值E0概念：場強值超過設定場強值的概率為50%時，該設定值為場強中值若場強中值等于接收機最低門限值，則可通信率為50

5、%。 （只有50%的時間可正常通信）場強中值不能反映衰落的嚴重程度例：統(tǒng)計時間為T，超過E0的時間為t1、t2、t3則：超過E0的概率為 p(t)=( t1+t2 + t3)/T100% 當p(t)=50%時， E0為場強中值16l衰落深度：衡量衰落的嚴重程度接收電平與場強中值電平之差表示l以場強中值電平為參考，表明信號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衡量場強變化的快慢，即頻繁程度單位時間內場強包絡與給定電平值ER相交次數(shù)的一半衰落率與工作頻率、移動臺行進速度和方向等因素有關平均衰落率： 其中v（km/h）、f（M

6、Hz）l系統(tǒng)設計時，音頻通帶或信令數(shù)據(jù)通帶的低端應高于衰落率18l衰落持續(xù)時間場強低于某一給定電平值的持續(xù)時間表示信息傳輸?shù)氖苡绊懗潭?或信令誤碼的長度19l電波傳播受地形地物的影響 即電波傳播特性與實際空間環(huán)境相關l預測時在自由空間基礎上考慮具體環(huán)境影響OM模型Egli模型BM模型Cost231模型20l以日本東京城市場強中值實測結果得到的經驗曲線構成的模型。l模型：城市視為準平滑地形，給出經驗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美國陸上移動通信、VHF、UH

7、F信號預測方法，對丘陵地形預測較準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，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、物信號中值的預測l場強中值變動分布及預測l覆蓋設計25l模型：城市視為準平滑地形，給出經驗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作電波傳播預測 地形、地物的分類準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電波傳播的影響26l地形的分類準平滑地形：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：從基站天線架設點起315km距離內的平均地面海拔高度lhta：基站天線架設的海拔高度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)傳播衰耗中值的預算l郊區(qū)、開闊地傳播衰耗中值的預算l預算中的注意點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：球面波的擴散損耗l自由空間傳播損耗Lbs僅與d、f有關31l基本衰耗中值Am(f,d)l基站天線有效高度增益因子Hb(hb,d)

10、l移動臺天線有效高度增益因子Hm(hm,f)l準平滑市區(qū)傳播衰耗中值L市區(qū)32l基本衰耗中值Am(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時的值為基準(0dB)34l移動臺天線有效高度增益因子Hm(hm,f)以hm=3m時的值為基準(0dB)當hm5m時，還與環(huán)境有關（拐點）35l自由空間傳播衰耗 Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz)l準平滑市區(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的預測參數(shù)：f，d37l開闊地修正因子QO準

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，地形起伏的90%與10%處的高度差。預測點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)水域信號比陸地強參數(shù)l水面位置位于BTS側/MS側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，表示場強中值 高于基準場強中值橫向：電波傳播方向與街道垂直 Kac區(qū)間內場強累積分

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場強中值變動規(guī)律(隨位置)l12km樣本區(qū)間，每20m左右一個場強中值各小區(qū)間中值累積分布的50%值和變動幅度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實際應用中， 不同時，常用隨通信概率變化的歸一化曲線計算x為相對于中值的變動幅度49l接收信號中值隨時間變化服從正態(tài)分布l分布隨時間、位置變化的標準偏差D為收發(fā)天線間距，h為地形波動高度頻率MHzLt準平滑地形不規(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場強變動分布為中值分布和瞬時值分布的合成市區(qū)：正態(tài)分布和瑞利分布的合成郊區(qū)、丘陵地：標準偏差為 L和t的兩個正態(tài)分布的合成合成瞬時值變動幅度曲線不同的頻率時，表示相對于中值的變動51l2.通信概率MS在無線覆蓋區(qū)邊緣進行滿意通話的成功概率包括：位置概率和時間概率信號中值隨位置變化遠大于隨時間的變化，因此，時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、的時間里達到規(guī)定的話音質量，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用環(huán)境l模型的適用范圍l當?shù)氐膫鞑l件l常用模型的比較各種模型在預測時都會存在誤差，這是由于各地的傳播環(huán)境不同而造成。因此應用時，除選擇適合本地環(huán)境的模型外還必須對其加以修正，通過對模型的修正，來提高預測的精度。修正需進行實地測試，通過測試獲得進行模型校正的數(shù)據(jù)，然后用測試結果修正模型中相關的參數(shù)，以使預測結果更接收近于

15、當?shù)氐膶嶋H情況55l基站覆蓋預測規(guī)劃預測：檢驗覆蓋范圍和區(qū)內質量基站覆蓋的主要影響因素覆蓋預測方法網路建成后，通過路測對規(guī)劃進行檢驗，及時調整該地區(qū)基站數(shù)、站址等進行網路調整和優(yōu)化56l系統(tǒng)均衡基站覆蓋區(qū)lMS接收信號強度高于設計值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，必須進行系統(tǒng)均衡 若上行覆蓋大于下行：小區(qū)邊緣下行信號較弱，易被其它小區(qū)的信號“淹沒”； 若下行覆蓋大于上行：移動臺被迫守候在強信號下，但上行信號太弱，話音質量不好57設：基站發(fā)射機天線前端功率為Poutb，移動臺發(fā)射機天線前端功率為Poutm，基站天線增益Gab，空間損耗Lp，移

16、動臺天線增益Gam，移動臺接收電平為Pinm，衰落余量Mf，基站發(fā)射機天線共用器損耗Lcb，基站接收機分集增益Gdb，基站發(fā)射機端口功率Pbt，基站接收機端口功率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引起的快衰落，由氣象條件、陰影效應引起的慢衰落兩種?？焖ヂ渲饕绊懶盘柕乃矔r值，而慢衰落影響的主要是信號中值 l表征信號和衰落的統(tǒng)計數(shù)字特征量主要有場強中值、衰落深度、衰落率和衰落持續(xù)時間 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測數(shù)據(jù)為依據(jù)，給出參考模型，再根據(jù)實際地形地物狀況及應用條件進行修正59lOM模型是常用的電波傳播預測