電波的傳播特性

電波的傳播特性第一頁，共六十四頁，2022年，8月28日2第2章電波的傳播特性內(nèi)容電波傳播中的衰落OM模型概念及場強衰耗中值的預(yù)測任意地形、地物衰耗場強中值和信號中值的預(yù)測電波傳播電路的計算、覆蓋設(shè)計第二頁，共六十四頁，2022年，8月28日3第2章電波的傳播特性重點OM模型及任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預(yù)測系統(tǒng)均衡難點電波傳播衰耗特性的統(tǒng)計數(shù)字特征量任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預(yù)測目的和要求了解衰落對信號傳輸?shù)挠绊懤斫獗碚麟姴▊鞑ニズ奶匦缘慕y(tǒng)計數(shù)字特征量掌握自由空間傳輸衰耗、OM模型及電波傳播衰耗中值的計算方法第三頁，共六十四頁，2022年，8月28日42.1無線電波2.1.1無線電波的概念無線電波是一種能量的傳輸形式電場和磁場在空間交替變換，向前行進傳播過程中，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第四頁，共六十四頁，2022年，8月28日5無線電波的傳播速度傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)

真空中的傳播速度等于光速(Ｃ＝3×108m／s)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(guān)系：λ＝Ｖ/ｆＶ為速度(m/s)；ｆ為頻率(Hz)；λ為波長(m)不同介質(zhì)中傳播速度不同、波長不同第五頁，共六十四頁，2022年，8月28日6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(yīng)的極化特性的天線接收

否則在接收過程中會產(chǎn)生極化損失極化的類型線極化水平極化、垂直極化+45°傾斜極化、-45°傾斜極化橢圓極化圓極化第六頁，共六十四頁，2022年，8月28日7第七頁，共六十四頁，2022年，8月28日8雙極化天線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

類型V/H（垂直/水平）極化傾斜（+45°/-45°）極化第八頁，共六十四頁，2022年，8月28日92.1.2電波的傳播方式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一種理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)空間當(dāng)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直射、反射、繞射、散射第九頁，共六十四頁，2022年，8月28日10超短波傳播特性無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同

主要傳播特性視距傳播多徑傳播繞射能力弱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第十頁，共六十四頁，2022年，8月28日11室內(nèi)環(huán)境的傳播電波在建筑物內(nèi)傳播的類型由室外向建筑物內(nèi)的穿透傳播電波只在建筑物內(nèi)傳播室內(nèi)無線環(huán)境特點覆蓋范圍小傳播距離短傳播時延要小的多室內(nèi)環(huán)境中用戶多處于靜止和慢速移動狀態(tài)，可忽略多普勒頻移室內(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，甚至差別很大第十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日122.2電波傳播中的衰落電波傳播的衰落特性場強估算模型第十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日132.2.1電波傳播的衰落特性衰落的概念由于實際傳播環(huán)境中復(fù)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(chǎn)生影響，導(dǎo)致接收信號的隨機變化衰落的類型陰影衰落（陰影效應(yīng)、氣象條件變化）

場強中值的緩慢變化（慢衰落）多徑衰落（多徑效應(yīng)）

瞬時值有快速、大幅度的變化（快衰落）第十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日14表征衰落的統(tǒng)計數(shù)字特征場強中值E0概念：場強值超過設(shè)定場強值的概率為50%時，該設(shè)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%。（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)/T×100%

當(dāng)p(t)=50%時，

E0為場強中值第十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日15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衰落深度=20Lg（Ei/Eo)若為電平值，則衰落深度=Ei-Eo第十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日16衰落速率N衡量場強變化的快慢，即頻繁程度單位時間內(nèi)場強包絡(luò)與給定電平值ER相交次數(shù)的一半衰落率與工作頻率、移動臺行進速度和方向等因素有關(guān)平均衰落率：其中v（km/h）、f（MHz）系統(tǒng)設(shè)計時，音頻通帶或信令數(shù)據(jù)通帶的低端應(yīng)高于衰落率第十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日17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)氖苡绊懗潭然蛐帕钫`碼的長度第十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日182.2.2場強估算模型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(guān)預(yù)測時在自由空間基礎(chǔ)上考慮具體環(huán)境影響OM模型Egli模型BM模型Cost231模型第十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日19以日本東京城市場強中值實測結(jié)果得到的經(jīng)驗曲線構(gòu)成的模型。模型：城市視為準平滑地形，給出經(jīng)驗曲線其他地形地物情況則給出修正值適用范圍：頻率：100MHz～1500MHzBTS天線高度：30m～200mMS天線高度：1m～10m傳播距離：1km～20km1.OM模型(Okumura-M.Hata奧村哈達)第十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日20美國陸上移動通信、VHF、UHF信號預(yù)測方法，對丘陵地形預(yù)測較準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適用范圍：頻率：25MHz～470MHz傳播距離：60km以內(nèi)2.Egli模型第二十頁，共六十四頁，2022年，8月28日21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。適用范圍：頻率：30MHz～3000MHz傳播距離：1～幾百公里3.BM（Bullingron）第二十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日22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)境應(yīng)用分兩種情況：高基站天線----非視距NLOS低基站天線----視距LOS4.cost231模型第二十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日232.3電波傳播特性預(yù)測OM模型任意地形地物信號中值的預(yù)測場強中值變動分布及預(yù)測覆蓋設(shè)計第二十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日242.3.1OM模型模型：城市視為準平滑地形，給出經(jīng)驗曲線其他地形地物情況則給出修正值OM模型可在適用范圍內(nèi)作電波傳播預(yù)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第二十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日251.地形、地物的分類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)則地形丘陵地形孤立山岳傾斜地形水陸混合地形第二十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日26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開闊地：無較大樹木、建筑物等障礙物

準開闊地郊區(qū)：障礙物不稠密市區(qū)：障礙物稠密▲只能考慮一種地物形態(tài)，而地形可根據(jù)實際情況組合第二十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日27天線有效高度基站天線有效高度hb=hta-hgahga：從基站天線架設(shè)點起3～15km距離內(nèi)的平均地面海拔高度hta：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第二十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日281.準平滑地形上的電波傳播自由空間的傳播損耗市區(qū)傳播衰耗中值的預(yù)算郊區(qū)、開闊地傳播衰耗中值的預(yù)算預(yù)算中的注意點第二十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日29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：球面波的擴散損耗自由空間傳播損耗（1）自由空間的傳播損耗Lbs僅與d、f有關(guān)第二十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日30基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)基站天線有效高度增益因子Hb(hb,d)移動臺天線有效高度增益因子Hm(hm,f)準平滑市區(qū)傳播衰耗中值L市區(qū)（2）市區(qū)傳播衰耗中值的預(yù)算第三十頁，共六十四頁，2022年，8月28日31基本衰耗中值

Am(f,d)hb=200m

hm=3m參數(shù)：f、d第三十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日32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)第三十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日33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(dāng)hm>5m時，還與

環(huán)境有關(guān)

（拐點）第三十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日34自由空間傳播衰耗

Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz)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)第三十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日35（2）郊區(qū)、開闊地傳播衰耗中值的預(yù)算郊區(qū)修正因子

Kmr的預(yù)測參數(shù)：f，d第三十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日36開闊地修正因子QO

準開闊地修正因子Qr參數(shù)：f第三十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日372.不規(guī)則地形修正因子丘陵地修正因子孤立山岳的修正因子斜坡地形的修正因子水陸混合地形修正因子第三十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日38（1）丘陵地修正因子丘陵地：連綿、起伏高度有限第三十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日39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)在丘陵地預(yù)測時，須同時使用Kh和Khf第三十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日40(2)孤立山岳的修正因子孤立山岳：

山岳近似刃形，單獨

(背面考慮繞射衰耗)孤立山岳的

修正因子Kjs基準：山岳高度H=200m參數(shù)：山岳到發(fā)射點距離d1到接收點距離d2當(dāng)H≠200m時，

修正因子為第四十頁，共六十四頁，2022年，8月28日41(3)斜坡地形的修正因子斜坡地形：

5~10km內(nèi)地形傾斜正斜坡：

電波傳播方向上

地形逐漸增高，

傾角為+θm(mrad)

負斜坡：

地形逐漸降低，

傾角為-θm斜坡地形的修正因子Ksp參數(shù)傾角θm收發(fā)天線間距d第四十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日42水陸混合地形：

區(qū)域中既有水面，

又有陸地水陸混合地形

修正因子Ks(>0)水域信號比陸地強參數(shù)水面位置位于

BTS側(cè)/MS側(cè)水面距離與全距離比例全距離d(4)水陸混合地形修正因子第四十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日434.其他因素對電波傳播的影響街道走向修正因子建筑物穿透損耗植被衰耗隧道中的傳播▲沒有特別說明，可不考慮第四十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日44縱向：電波傳播方向與

街道平行

Kaf>0，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<0，表示場強中值

低于基準場強中值(1)街道走向/修正因子Kaf/Kac第四十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日45穿透能力與波長，建筑物材料、結(jié)構(gòu)、樓層相關(guān)建筑物地面層的穿透損耗信號衰耗與樓層高度的關(guān)系頻率（MHz）150250450800平均穿透損耗(dB)2219.71817(2)建筑物穿透損耗LP第四十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日46樹木、植被對電波有吸收作用由樹木、植被引起的附加衰耗取決于樹木的高度、種類、形狀、分布密度、空氣濕度及季節(jié)變化，還取決于工作頻率、天線極化、通過樹林的路徑長度等大片森林對電波傳播

產(chǎn)生的附加衰耗

城市中樹林、綠地

與建筑物是交替存

在的，引起的衰耗

與大片森林的影響

不同

(3)植被衰耗第四十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日47(4)電波在隧道中的傳播衰耗衰耗原因：隧道壁的吸收及電波的干涉作用衰耗與工作頻率、天線位置、隧道長度、形狀等有關(guān)頻率越高，衰耗越小

隧道會對較高頻率電波形成有效的波導(dǎo)

出現(xiàn)分支或轉(zhuǎn)彎時，衰耗急劇增加

彎曲度越大，衰耗越嚴重

第四十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日48電波在隧道中的傳播衰耗曲線A是160MHz時，

隧道內(nèi)兩半波偶極子

天線間的傳輸衰耗；曲線B為200Ω平衡波

導(dǎo)線的衰耗。由圖可知，在隧道中，

中等功率通信設(shè)備間

的通信距離，

通常為200m左右，

理想條件不超過300m。

第四十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日492.3.2任意地形地物信號中值預(yù)測任意地形地物衰耗中值LA的預(yù)測LA=LT-KTLT=Lbs+Am-Hb-HmKT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+αKjs+Ksp+Ks+Kaf/Kac信號中值Ppe的預(yù)測任意地形地物接收功率Ppe=PP+KT準平滑市區(qū)接收功率PP=Po-Am+Hb+Hm自由空間下接收功率Po第四十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日502.3.3場強中值變動分布及預(yù)測影響通信可靠性的重要因素是場強的變化特性場強中值變動分布場強瞬時值變動規(guī)律(隨位置)50m樣本區(qū)間——>區(qū)間內(nèi)場強累積分布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

σ=6~7dB場強中值變動規(guī)律(隨位置)1~2km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%值和變動幅度市區(qū)：近似正態(tài)分布

郊區(qū)、丘陵地：近似正態(tài)分布第五十頁，共六十四頁，2022年，8月28日51場強中值變動規(guī)律σ取決于地形、地物、

工作頻率等因素。半徑為2km的區(qū)域，

σ分布如圖。隨頻率升高而增加，與BTS天線高度，

通信距離關(guān)系不大第五十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日52實際應(yīng)用中，σ不同時，常用σ隨通信概率變化的歸一化曲線計算

xσ為相對于中值的變動幅度第五十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日53接收信號中值隨時間變化服從正態(tài)分布分布隨時間、位置變化的標(biāo)準偏差

D為收發(fā)天線間距，Δh為地形波動高度頻率MHzσLσt準平滑地形不規(guī)則地形Δh(m)D(km)50100150175市區(qū)郊區(qū)50150300508910陸地2571503.5~5.54~791113水陸混合3791145067.5111518水面914209006.58141821第五十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日54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(biāo)準偏差為σL和σt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

相對于中值的變動第五十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日55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)分布第五十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日56通信概率與系統(tǒng)余量的關(guān)系可根據(jù)p(x)和σ確定SM

也可根據(jù)SM和σ確定p(x)第五十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日57若要求在無線區(qū)覆蓋邊緣90%的位置上和90%的時間里達到規(guī)定的話音質(zhì)量，則σL用σ代替，，式中σL與σt可查表得到。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第五十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日582.3.4覆蓋設(shè)計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)境模型的適用范圍當(dāng)?shù)氐膫鞑l件常用模型的比較各種模型在預(yù)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(yīng)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(yù)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(jié)果修正模型中相關(guān)的參數(shù)，以使預(yù)測結(jié)果更接收近于當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況第五十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日59基站覆蓋預(yù)測規(guī)劃→預(yù)測：檢驗覆蓋范圍和區(qū)內(nèi)質(zhì)量基站覆蓋的主要影響因素覆蓋預(yù)測方法網(wǎng)路建成后，通過路測對規(guī)劃進行檢驗，及時調(diào)整該地區(qū)基站數(shù)、站址等進行網(wǎng)路調(diào)整和優(yōu)化第五十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日60系統(tǒng)均衡基站覆蓋區(qū)MS接收信號強度高于設(shè)計值90%以上的區(qū)域保證通信，滿足雙向靈敏度要求BS、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(zhì)量不好第六十頁，共六十四頁，2022年，8月28日61設(shè)：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：Pi