007-無(wú)線電波傳播基礎(chǔ)理論ppt課件

1、華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線電波傳播還受到移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)因素的影響。靜

2、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。波段號(hào)數(shù)符號(hào)(中譯名)頻率范圍頻率范(下限除外包括上限)相當(dāng)米制劃分4VLF(甚低頻)3至30kHz萬(wàn)米波5LF(低頻)30到300kHz千米波6MF(中頻)300至3 000kHz百米波7HF(高頻)3至30MHz十米波8VHF(甚高頻)30至300MHz米波9UHF(超高頻)300至3 000MHz分米波(十分之一米波)10SHF(特高頻)3至30GHz厘米波(百分之一米波)11EHF(極高頻)30至300GHz毫米波(千分之一米波)通常無(wú)線

3、電波所指的是從極低頻10KHz到極超高頻的頂點(diǎn)300GHzGiga Hertz）。通常劃分成八個(gè)區(qū)域，參看下表：移動(dòng)通信中頻段的劃分為：技術(shù)CDMA標(biāo)準(zhǔn)GSM900波段1800波段890-915MHz(MS)1710-1755MHz(MS)935-960MHz(BS)1805-1850MHz(BS)擴(kuò)展GSM波段885-915MHz(MS)930-960MHz(BS)頻率范圍GSM 825-835MHz (MS) 870-880MHz (BS)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?Calculations in dB (deci-Bel)logarith

4、mic, relative scaleAlways with respect to a referencedBW :dB above W attdBm :dB above mW attdBi :dB above isotropicdBd :dB above dipoledB V/m:dB above V/mrule-of-thumb: +3 dB = factor 2 +7 dB = factor 5 +10 dB = factor 10-30 dBm = 1 W-20 dBm = 10 W-10 dBm = 100 W-7 dBm = 200 W-3 dBm = 500 W 0 dBm =

5、1 mW+3 dBm = 2 mW+7 dBm = 5 mW+10 dBm = 10 mW+13 dBm = 20 mW+20 dBm = 100mW+30 dBm = 1 W+40 dBm = 10W+50 dBm = 100WPowerVoltages Conversion factor E(dBV/m) = P(dBm) + 106,4 + antenna factorantenna factor = 20 log(f MHz) -29,8 - ant_gain + cable_lossantenna factor for 900 MHz : 29 dB1800 MHz : 35 dBd

6、BPPPlinP dB1010010log.()dBEEElinE dB2010020log.() Free- space propagati onSi gnal strength decreasesexponenti al l y wi th di stancespecul ar refl ecti ondi ffuse refl ecti on Refl ecti onSpecul ar Refl ecti onam pl i tude: A - *A ( - pol ari sati on: m ateri al dependant phase shi ftDi ffuse Refl e

7、cti on.am pl i tude: A - *A ( random phasepol ari sati on : randomD Absor pt i onheavy ampl i t udeat t enuat i on mat er i aldependant phase shi f t sdepol ar i sat i on Di f f r act i onwedge- modelkni f e edgemul t i pl e kni f e edgesAA - 5.30 dB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

8、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?？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(shù)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?？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?？偟膩?lái)說(shuō)，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(jiàn)路徑產(chǎn)生的主要信號(hào)強(qiáng)度的緩慢

9、變化，即長(zhǎng)期場(chǎng)強(qiáng)變化。也就是說(shuō)，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。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：)log(20)log(204 .32kmMHzpdfL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：)log(100kmpdLL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2

10、6之間變化。 Power densi t y by t her ecei vi ng end: Ef f ect i ve ant ennaar ea: Recei ved power Mobi l e envi r onment s:)5.5 ,2(withdCGGPPrssrReffGA42Pr = S AeffSP Gdss42PPG Gdrssr42PsAsGsPrArGrd24不同環(huán)境下因子的取值范圍：環(huán)境路徑損耗傾斜因子自由空間2市區(qū)蜂窩環(huán)境2.73.5市區(qū)陰影蜂窩環(huán)境35室內(nèi)視距1.61.8室內(nèi)非視距4625 dB/dec30 dB/dec20 dB/dec40 .50 dB/d

11、ecpath loss 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(méi)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(shuō)明平均損耗差值在810

12、dB之間，且依賴于具體電波傳播環(huán)境和基站天線高度 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020406080100120-15-13-11-9-7-5-3-1135791113151719212325# samples-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10010203040506070809

13、01000.50.91.31.72.12.52.93.33.74.14.54.95.35.76.16.56.97.37.78.1Cell Range / kmCoverage Threshold dBm / Location probablity %Coverage threshold GSM1800Coverage threshold GSM900Location probablity GSM1800Location probablity GSM900 路徑損耗用路徑損耗用5dB糾正糾正 BS天線高度天線高度 30m MS天線高度天線高度 1.5m 標(biāo)準(zhǔn)方差標(biāo)準(zhǔn)方差 8 dB 路徑損耗斜率路

14、徑損耗斜率 3.38 GSM1800 MS靈敏度靈敏度, 功率功率 -100 dBm , 30 dBm GSM900 MS靈敏度靈敏度, 功功率率 -102 dBm, 33 dBm平均差值平均差值 = 8.77dB 由于由于1800M頻段的覆蓋比頻段的覆蓋比900M頻段要差頻段要差810dB，因此，可以通，因此，可以通過(guò)共站址的方法實(shí)現(xiàn)有效的室外覆蓋。過(guò)共站址的方法實(shí)現(xiàn)有效的室外覆蓋。 同時(shí)也要求同時(shí)也要求GSM900實(shí)現(xiàn)良好的室內(nèi)覆蓋實(shí)現(xiàn)良好的室內(nèi)覆蓋50556065707580859095100-70-74-78-82-86-90-94-98-102-106-110Coverage Thr

15、eshold dBmLocation Probablity %Location probablity GSM1800Location probablity GSM900 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(lái)完成。通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用傳播模型就能夠很好的解決這一問(wèn)題。通過(guò)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(jiàn)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(lái)做場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的幾種模型。 Hata-O

16、kumura模型mOkummurahbbpAdhhfLlog)log55. 69 .44(log82.13log26.2655.69Lp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mmOkummurahA移動(dòng)臺(tái)高度修正，在中等城市取)8 . 0log56. 1 ()7 . 0log1 . 1 (fhfm在大城市取值97. 4)75.11(log(2 . 32mh Walfisch-Ikegami模型(WIM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(kāi)發(fā)的。它應(yīng)用于建筑物高

17、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，那么： Lb=42.6+26(d)+20(f) 若視距不存在，那么： 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 PR

18、X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(xiě)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。 時(shí)間色散主要指由于無(wú)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(lái)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