無線電波傳播

無線電波傳播第一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三主要內(nèi)容電波傳播概述大尺度路徑損耗小尺度路徑損耗對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型鏈路預(yù)算2第二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三第一部分電波傳播概述第三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三移動(dòng)通信系統(tǒng)中，影響傳播的三種最基本的機(jī)制：反射：當(dāng)電磁波遇到比其波長(zhǎng)大得多得物體時(shí)發(fā)生反射，發(fā)射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面。繞射：當(dāng)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射。散射：當(dāng)波穿行的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常巨大時(shí)，發(fā)生散射。散射產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體。概述4第四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三繞射使得無線電信號(hào)能夠傳播到阻擋物后面，繞射損耗可用費(fèi)涅爾區(qū)解釋。費(fèi)涅爾區(qū)表示從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)次級(jí)波路徑長(zhǎng)度比總的視距長(zhǎng)度大nλ/2的連續(xù)區(qū)域。費(fèi)涅爾區(qū)的半徑為：5第五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三6第六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三由于不同物體間的反射、繞射和散射，產(chǎn)生了：大尺度路徑損耗——冪定律小尺度路徑損耗——瑞利分布對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落——正態(tài)分布7第七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三8第八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三第二部分大尺度路徑損耗第九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三大尺度路徑損耗發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間長(zhǎng)距離（幾百米或幾千米）上的場(chǎng)強(qiáng)變化傳播模型經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停焊鶕?jù)大量的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后導(dǎo)出的公式，如HATA模型、COST231模型；確定性模型：對(duì)具體的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境直接應(yīng)用電磁理論計(jì)算的方法，如自由空間模型；半確定性模型：基于確定性方法用于一般的市區(qū)或室內(nèi)環(huán)境中導(dǎo)出的等式，如WIM模型。10第十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三自由空間傳播模型預(yù)測(cè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間完全無阻擋的視距路徑時(shí)的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)適用范圍：衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距無線鏈路自由空間路徑損耗為：11第十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三HATA模型適用范圍：適用于宏小區(qū)，但不適用于微小區(qū)和微微小區(qū)。頻率f：100～1500MHz距離d：1～20km基站天線高度hb：30～200m移動(dòng)臺(tái)天線高度hm：1～10m12第十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三路徑損耗公式：市區(qū)：L(dB)=69.55+26.16logf-13.82log(hb)+[44.9-6.55log(hb)]log(d)-a(hm)中小城市：a(hm)=(1.1logf-0.7)hm-(1.56logf-0.8)

大城市：a(hm)=3.2(log11.75hm)2-4.97

13第十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三郊區(qū)：L(dB)=L(市區(qū))-2[log(f/28)]2-5.4

鄉(xiāng)村（準(zhǔn)開放）：L(dB)=L(市區(qū))-[log(f/28)]2-2.39(logf)2+9.17logf-23.17

鄉(xiāng)村（開放）：L(dB)=L(市區(qū))－4.78(logf)2+18.33logf-40.9414第十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三頻率基站高度移動(dòng)臺(tái)高度900MHz50

m1.5m15第十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三COST231模型適用范圍：HATA模型的擴(kuò)展，適用于宏小區(qū)，但不適用于微小區(qū)和微微小區(qū)。頻率f：1500～2000MHz距離d：1～20km基站天線高度hb：30～200m移動(dòng)臺(tái)天線高度hm：1～10m16第十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三路徑損耗公式：L(dB)=46.3+33.9logf-13.82log(hb)+[44.9-6.55log(hb)]logd-a(hm)+Cma(hm)與HATA模型相同Cm=0dB中等城市和郊區(qū)Cm=3dB大城市中心17第十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三COST231-Walfish-Ikegami模型適用范圍：適用于宏小區(qū)和微小區(qū)，但不適用于微微小區(qū)。頻率f：800～2000MHz距離d：0.02～5km基站天線高度hb：4～50m移動(dòng)臺(tái)天線高度hm：1～3m18第十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三路徑損耗公式：視距路徑：L(dB)=Lfs+10.19+6logd其中，Lfs=自由空間損耗=32.45+20logd+20logf非視距路徑：L(dB)=Lfs+Lrts+LmdsLrts=從屋頂?shù)浇置娴难苌浜蜕⑸鋼p耗Lmds=多遮蔽物衍射損耗19第十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三第三部分小尺度路徑損耗第二十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三小尺度路徑損耗無線信號(hào)在經(jīng)過短距離（幾個(gè)波長(zhǎng)）或短時(shí)間（秒級(jí)）的傳播后其幅度快速衰落。這種衰落是由于同一傳輸信號(hào)沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)相互干涉引起的。多徑衰落通常是圍繞由大尺度路徑損耗模型和陰影衰落所確定的平均電平而隨機(jī)起伏，其統(tǒng)計(jì)分布服從瑞利分布。21第二十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三小尺度衰落的影響：多徑傳播時(shí)延擴(kuò)展多普勒頻移頻率選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般采用分集技術(shù)對(duì)付多徑衰落，對(duì)接收到的幾路信號(hào)進(jìn)行合并或選擇其中最好的一個(gè)信號(hào)。22第二十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三相關(guān)概念（1）多普勒頻移fd：移動(dòng)臺(tái)或周圍物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的路徑差造成接收信號(hào)相位的變化引起多普勒頻移。多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)方向、與電波入射方向之間的夾角有關(guān)。多普勒擴(kuò)展Bd：多普勒功率譜不為0的頻率范圍。其值等于最大多普勒頻移fm。23第二十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三相關(guān)概念（2）相干時(shí)間Tc：多普勒擴(kuò)展在時(shí)域的表示，信道特性沒有顯著變化的持續(xù)時(shí)間。比特持續(xù)時(shí)間小于信號(hào)相干時(shí)間Tc時(shí)，信道衰減和相移對(duì)于至少一個(gè)比特持續(xù)時(shí)間內(nèi)基本上固定不變，此時(shí)，信道呈現(xiàn)慢衰落性。否則，信道呈現(xiàn)快衰落性，引起信號(hào)失真。因此，必須保證數(shù)據(jù)速率大于信道的頻率衰落速率1/Tc。24第二十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三速度(km/h)80120160200250300350多普勒擴(kuò)展(Hz)67100133167208250292相干時(shí)間(μs)634542303172253820301692145025第二十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三26第二十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三27第二十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三相關(guān)概念（3）時(shí)延擴(kuò)展：經(jīng)不同路徑達(dá)到接收機(jī)的時(shí)間不同引起時(shí)延擴(kuò)展。時(shí)延擴(kuò)展一般用均方根時(shí)延擴(kuò)展τrms表示。相干帶寬Bc：兩個(gè)接收信號(hào)的幅度、相位具有高度相關(guān)性的頻率范圍。信號(hào)帶寬超過相干帶寬時(shí)，信道呈現(xiàn)平坦衰落性；否則，信道呈現(xiàn)頻率選擇性衰落，引起碼間干擾。因此，必須保證數(shù)據(jù)速率小于信道的時(shí)延衰落速率Bc。28第二十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三相關(guān)概念（4）電平通過率NR：信號(hào)包絡(luò)沿正向通過某一規(guī)定電平的速率。平均衰落持續(xù)時(shí)間：接收信號(hào)低于某一特定電平的持續(xù)時(shí)間。29第二十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三電平通過率30第三十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三平均衰落持續(xù)時(shí)間31第三十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三分集技術(shù)分為兩類：微分集：只利用接收機(jī)進(jìn)行分集，接收同一發(fā)射點(diǎn)發(fā)射的不相關(guān)或微相關(guān)的同一信息信號(hào)，各接收分支接收到的信號(hào)被同時(shí)衰落的概率很小。用來對(duì)付多徑效應(yīng)。宏分集：允許一個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)接收幾個(gè)基站來的信號(hào)或發(fā)給幾個(gè)基站信號(hào)。用來對(duì)付陰影衰落。分集技術(shù)（1）32第三十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三在實(shí)際的移動(dòng)通信中，存在三種選擇性衰落，它們的形成都是由多徑傳播引起的：由于快速移動(dòng)用戶附近物體的反射，在頻域上產(chǎn)生多普勒擴(kuò)散，引起時(shí)間選擇性衰落；由遠(yuǎn)處山丘與高大建筑物反射，使信號(hào)在時(shí)域和空間角度上產(chǎn)生擴(kuò)散，引起頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落；由基站附近建筑物和其他物體的反射，影響達(dá)到天線的信號(hào)入射角分布，引起空間選擇性衰落。分集技術(shù)（2）33第三十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三一般在基站上使用微分集技術(shù)時(shí)間分集：在不同時(shí)刻發(fā)射相同的信息，時(shí)刻間隔大于或等于相干時(shí)間，不同時(shí)間的衰落是不相關(guān)的。如交織與糾錯(cuò)編碼。頻率分集：由多個(gè)載頻發(fā)射同一信號(hào)，載頻間隔大于或等于相干帶寬，不同頻率的衰落是不相關(guān)的。由于頻率資源有限，一般不采用。如調(diào)頻?？臻g分集：使用相隔0.5λ~0.8λ的兩個(gè)接收天線，接收到的信號(hào)可認(rèn)為是不相關(guān)的。極化分集：使用正交極化的接收天線，可以合并在一個(gè)天線單元內(nèi)。分集技術(shù)（3）34第三十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三第四部分陰影衰落第三十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三陰影衰落基站發(fā)射的信號(hào)遇到地形地物等陰影的影響，接收信號(hào)服從均值為0的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。計(jì)算一個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)的陰影衰落時(shí)，通常會(huì)用到小區(qū)邊緣通信概率或區(qū)內(nèi)通信概率。小區(qū)邊緣通信概率：小區(qū)邊緣接收電平高于某一特定值γ的概率；區(qū)內(nèi)通信概率：小區(qū)內(nèi)接收電平高于某一特定值γ的概率。36第三十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三小區(qū)邊緣通信概率區(qū)內(nèi)通信概率37第三十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三小區(qū)邊緣通信概率與區(qū)內(nèi)通信概率的關(guān)系38第三十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三衰落儲(chǔ)備的計(jì)算39第三十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三移動(dòng)類型功率等級(jí)通信地點(diǎn)高度覆蓋等級(jí)最小電平分類車上手持臺(tái)2w車箱內(nèi)1.5m85%－98dBm1沿線手持臺(tái)2w全線1.5m90%－98dBm2無線列調(diào)機(jī)車臺(tái)8w全線4.5m95%－95dBm3列控機(jī)車臺(tái)8w全線4.5m98%－92dBm440第四十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三MS1MS2MS3MS4未考慮陰影衰落的接收功率-97-97-99-99區(qū)內(nèi)通信概率85％90％95％98％邊緣通信概率63.5％73.5％85％93.5％最小電平-98-98-95-92考慮陰影衰落的接收功率-95-93-87-81陰影衰落儲(chǔ)備241218當(dāng)σ=7，n=3.5時(shí)41第四十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三42第四十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三第五部分鏈路預(yù)算第四十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三對(duì)于陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)，傳播路徑損耗和陰影衰落將影響系統(tǒng)的覆蓋范圍，而多徑衰落將影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間增益和損耗一般用鏈路預(yù)算來表示。44第四十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三參數(shù)頻率基站高度移動(dòng)臺(tái)高度環(huán)境900MHz40m1.5m城市RXTX2W移動(dòng)臺(tái)天線增益0dBi饋線及接頭損耗0dB輸出功率33

dBm天線增益電纜及接頭損耗

接收靈敏度-104

dBm12

dBi選擇項(xiàng)接收分集增益5dB路徑損耗人體損耗3dB區(qū)內(nèi)通信概率90%:-98

dBm陰影衰落儲(chǔ)備4dB基站RXmRXd

耦合系統(tǒng)快衰落保護(hù)儲(chǔ)備3dB環(huán)境噪聲保護(hù)2dB4dB絕緣子和耦合損耗0dB上行鏈路預(yù)算45第四十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三參數(shù)頻率基站高度移動(dòng)臺(tái)高度環(huán)境900MHz40m1.5m城市RXTX移動(dòng)臺(tái)天線增益0dBi電纜及接頭損耗0dB靈敏度-102

dBm天線增益電纜及接頭損耗耦合和絕緣子損耗

12

dBi3dB選擇項(xiàng)接收分集增益0dB路徑損耗人體損耗3dB區(qū)內(nèi)通信概率90%:-98dBm陰影衰落儲(chǔ)備4dB20W基站最大發(fā)射輸出功率RXmRXd

43

dBm耦合系統(tǒng)快衰落保護(hù)儲(chǔ)備3dB環(huán)境噪聲保護(hù)2dB4dB下行鏈路預(yù)算46第四十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三額定功率2w移動(dòng)臺(tái)的鏈路預(yù)算表鏈路參數(shù)上行下行接收部分BTSMS接收靈敏度-104-104快衰落保護(hù)儲(chǔ)備33耦合和電纜