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1、电波的传播特性本讲稿第一页，共六十四页2第2章 电波的传播特性l内容电波传播中的衰落OM模型概念及场强衰耗中值的预测任意地形、地物衰耗场强中值和信号中值的预测电波传播电路的计算、覆盖设计本讲稿第二页，共六十四页3第2章 电波的传播特性l重点OM模型及任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测系统均衡l难点电波传播衰耗特性的统计数字特征量任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测l目的和要求了解衰落对信号传输的影响理解表征电波传播衰耗特性的统计数字特征量掌握自由空间传输衰耗、OM模型及电波传播衰耗中值的计算方法本讲稿第三页，共六十四页42.1 无线电波l l2.1.1 无线电波的概念无线电波的概
2、念无线电波是一种能量的传输形式l电场和磁场在空间交替变换，向前行进l传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向本讲稿第四页，共六十四页5l无线电波的传播速度传播速度和传播媒质有关 l真空中的传播速度等于光速(3108ms)l空气中的传播速度略小于光速 通常认为它等于光速 无线电波的波长、频率和传播速度的关系：/为速度(m/s)；为频率(Hz)；为波长(m)l不同介质中传播速度不同、波长不同 本讲稿第五页，共六十四页6l无线电波的极化概念：无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化 电波的极化方向：无线电波的电场方向极化波必须用对应的极化特性的天线接收否则在
3、接收过程中会产生极化损失极化的类型l线极化水平极化、垂直极化+45倾斜极化、-45倾斜极化l椭圆极化l圆极化本讲稿第六页，共六十四页7本讲稿第七页，共六十四页8双极化天线l两个天线为一个整体，有两个独立的波，这两个波的极化方向相互垂直 l类型V/H（垂直/水平）极化倾斜（+45/-45）极化本讲稿第八页，共六十四页92.1.2 电波的传播方式l电波的传播方式在分析电波传播特性时总是以自由空间的传播环境为参考进行自由空间l一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间l当电磁波在自由空间中传播时直线传播，不发生反射、折射、散射和吸收现象l只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗实际传播环境中电波的传播方式l
4、直射、反射、绕射、散射本讲稿第九页，共六十四页10l超短波传播特性无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同 主要传播特性l视距传播l多径传播l绕射能力弱l电波传播中的三种损耗路径传播损耗 慢衰落损耗 快衰落损耗本讲稿第十页，共六十四页11室内环境的传播l电波在建筑物内传播的类型由室外向建筑物内的穿透传播电波只在建筑物内传播l室内无线环境特点覆盖范围小传播距离短传播时延要小的多室内环境中用户多处于静止和慢速移动状态，可忽略多普勒频移室内环境变化更复杂，电波传播受建筑类型、室内布局、建筑材料影响较大即使在同一个建筑物内的不同位置，其传播环境也不尽相同，甚至差别很大 本讲稿第十一页，共六十四页122
5、.2 电波传播中的衰落l电波传播的衰落特性l场强估算模型本讲稿第十二页，共六十四页132.2.1 电波传播的衰落特性l衰落的概念由于实际传播环境中复杂的地形地物对传播信号的阻挡，及反射、绕射和散射引起的无线信号的多径传播都会对电磁波的传播产生影响，导致接收信号的随机变化l衰落的类型阴影衰落（阴影效应、气象条件变化）场强中值的缓慢变化（慢衰落）多径衰落（多径效应）瞬时值有快速、大幅度的变化（快衰落）本讲稿第十三页，共六十四页14表征衰落的统计数字特征l场强中值E0概念：场强值超过设定场强值的概率为50%时，该设定值为场强中值若场强中值等于接收机最低门限值，则可通信率为50%。（只有50%的时间可
6、正常通信）场强中值不能反映衰落的严重程度例：统计时间为T，超过E0的时间为t1、t2、t3则：超过E0的概率为 p(t)=(t1+t2+t3)/T100%当p(t)=50%时，E0为场强中值本讲稿第十四页，共六十四页15l衰落深度：衡量衰落的严重程度接收电平与场强中值电平之差表示l以场强中值电平为参考，表明信号起伏偏离其中值电平的程度l衰落深度=20Lg（Ei/Eo)l若为电平值，则衰落深度=Ei-Eo本讲稿第十五页，共六十四页16l衰落速率N衡量场强变化的快慢，即频繁程度单位时间内场强包络与给定电平值ER相交次数的一半衰落率与工作频率、移动台行进速度和方向等因素有关平均衰落率：其中v（km/
7、h）、f（MHz）l系统设计时，音频通带或信令数据通带的低端应高于衰落率本讲稿第十六页，共六十四页17l衰落持续时间场强低于某一给定电平值的持续时间表示信息传输的受影响程度 或信令误码的长度本讲稿第十七页，共六十四页182.2.2 场强估算模型l电波传播受地形地物的影响 即电波传播特性与实际空间环境相关l预测时在自由空间基础上考虑具体环境影响OM模型Egli模型BM模型Cost231模型本讲稿第十八页，共六十四页19l以日本东京城市场强中值实测结果得到的经验曲线构成的模型。l模型：城市视为准平滑地形，给出经验曲线其他地形地物情况则给出修正值l适用范围：频率：100MHz1500MHzBTS天线
8、高度：30 m 200mMS天线高度：1 m10m传播距离：1km 20km1.OM模型(Okumura-M.Hata奥村哈达)本讲稿第十九页，共六十四页20l美国陆上移动通信、VHF、UHF信号预测方法，对丘陵地形预测较准l在传播地形起伏高度为20m的基本条件下，基本传播衰减公式：L(dB)=177+20lgd+20lgf-20lghThR 单位：d(英里)；f(MHz)；hT、hR(英尺)其他地形给出修正因子l适用范围：频率：25MHz 470MHz传播距离：60km 以内2.Egli模型本讲稿第二十页，共六十四页21l理论模型以自由空间、平面大地和球面地形传播理论为基础，以诺模图形式给出
9、。l适用范围：频率：30MHz 3000MHz传播距离：1 几百公里3.BM（Bullingron）本讲稿第二十一页，共六十四页22l欧洲建议广泛用于建筑物高度近似一致的城区和郊区环境l应用分两种情况：高基站天线-非视距NLOS低基站天线-视距LOS4.cost231模型本讲稿第二十二页，共六十四页232.3 电波传播特性预测lOM模型l任意地形地物信号中值的预测l场强中值变动分布及预测l覆盖设计本讲稿第二十三页，共六十四页242.3.1 OM模型l模型：城市视为准平滑地形，给出经验曲线其他地形地物情况则给出修正值lOM模型可在适用范围内作电波传播预测 地形、地物的分类准平滑地形上的电波传播特
10、性不规则地形修正因子其他因素对电波传播的影响本讲稿第二十四页，共六十四页251.地形、地物的分类l地形的分类准平滑地形：地形剖面图上，表面起伏高度在20m以下，且起伏缓慢不规则地形l丘陵地形l孤立山岳l倾斜地形l水陆混合地形本讲稿第二十五页，共六十四页26l地物的分类根据障碍物的密集程度和屏蔽程度分类地物的类型l开阔地：无较大树木、建筑物等障碍物准开阔地l郊区：障碍物不稠密l市区：障碍物稠密只能考虑一种地物形态，而地形可根据实际情况组合本讲稿第二十六页，共六十四页27l天线有效高度基站天线有效高度hb=hta-hgalhga：从基站天线架设点起315km距离内的平均地面海拔高度lhta：基站天
11、线架设的海拔高度MS天线有效高度hm：地面以上有效高度以后所有天线高度均指天线有效高度本讲稿第二十七页，共六十四页281.准平滑地形上的电波传播l自由空间的传播损耗l市区传播衰耗中值的预算l郊区、开阔地传播衰耗中值的预算l预算中的注意点本讲稿第二十八页，共六十四页29l自由空间：理想的空间（真空）电波沿直线传播，不被吸收，不会被反射、折射、绕射和散射，电磁波的能量没有损失自由空间传播损耗的含义：损耗来自于球面波发散传播中，天线未接收到的能量 即：球面波的扩散损耗l自由空间传播损耗（1）自由空间的传播损耗Lbs仅与d、f有关本讲稿第二十九页，共六十四页30l基本衰耗中值Am(f,d)l基站天线有
12、效高度增益因子Hb(hb,d)l移动台天线有效高度增益因子Hm(hm,f)l准平滑市区传播衰耗中值L市区（2）市区传播衰耗中值的预算本讲稿第三十页，共六十四页31l基本衰耗中值Am(f,d)hb=200m hm=3m参数：f、d本讲稿第三十一页，共六十四页32l基站天线有效高度增益因子Hb(hb,d)以hb=200m时的值为基准(0dB)本讲稿第三十二页，共六十四页33l移动台天线有效高度增益因子Hm(hm,f)以hm=3m时的值为基准(0dB)当hm5m时，还与环境有关（拐点）本讲稿第三十三页，共六十四页34l自由空间传播衰耗 Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MH
13、z)l准平滑市区传播衰耗中值 L市区=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)本讲稿第三十四页，共六十四页35（2）郊区、开阔地传播衰耗中值的预算l郊区修正因子Kmr的预测参数：f，d本讲稿第三十五页，共六十四页36l开阔地修正因子QO准开阔地修正因子Qr参数：f本讲稿第三十六页，共六十四页372.不规则地形修正因子l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水陆混合地形修正因子本讲稿第三十七页，共六十四页38（1）丘陵地修正因子l丘陵地：连绵、起伏高度有限本讲稿第三十八页，共六十四页39l丘陵地修正因子Kh、微小修正因子Khf参数：h：自MS向发射BTS方向延
14、伸10km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差。预测点靠近山峰处与山谷处衰耗不同，考虑微小修正因子Khf(近山峰处0；近山谷处0)水域信号比陆地强参数l水面位置位于BTS侧/MS侧l水面距离与全距离比例l全距离d(4)水陆混合地形修正因子本讲稿第四十二页，共六十四页434.其他因素对电波传播的影响l街道走向修正因子l建筑物穿透损耗l植被衰耗l隧道中的传播没有特别说明，可不考虑本讲稿第四十三页，共六十四页44l纵向：电波传播方向与街道平行Kaf0，表示场强中值 高于基准场强中值l横向：电波传播方向与街道垂直 Kac区间内场强累积分布l障碍物均匀的城市街道地区、森林：近似瑞利分布郊区不规则地
15、形，障碍物有空隙：近似正态分布 =67dB场强中值变动规律(随位置)l12km样本区间，每20m左右一个场强中值各小区间中值累积分布的50%值和变动幅度l市区：近似正态分布 郊区、丘陵地：近似正态分布本讲稿第五十页，共六十四页51l场强中值变动规律取决于地形、地物、工作频率等因素。半径为2km的区域，分布如图。随频率升高而增加，与BTS天线高度，通信距离关系不大本讲稿第五十一页，共六十四页52l实际应用中，不同时，常用随通信概率变化的归一化曲线计算x为相对于中值的变动幅度本讲稿第五十二页，共六十四页53l接收信号中值随时间变化服从正态分布l分布随时间、位置变化的标准偏差D为收发天线间距，h为地
16、形波动高度频率MHzLt准平滑地形不规则地形h(m)D(km)50100150175市区郊区50150300508910陆地2571503.55.54791113水陆混合3791145067.5111518水面914209006.58141821本讲稿第五十三页，共六十四页54l场强变动分布为中值分布和瞬时值分布的合成市区：正态分布和瑞利分布的合成郊区、丘陵地：标准偏差为 L和t的两个正态分布的合成合成瞬时值变动幅度曲线不同的频率时，表示相对于中值的变动本讲稿第五十四页，共六十四页55l通信概率MS在无线覆盖区边缘进行满意通话的成功概率包括：位置概率和时间概率信号中值随位置变化远大于随时间的变
17、化，因此，时间概率可忽略中值随位置呈正态分布本讲稿第五十五页，共六十四页56l通信概率与系统余量的关系可根据p(x)和确定SM也可根据SM和确定p(x)本讲稿第五十六页，共六十四页57l若要求在无线区覆盖边缘90%的位置上和90%的时间里达到规定的话音质量，则L用代替，式中L与t可查表得到。l在系统其它参数不变的情况下，要提高系统的通信概率，只能缩短通信距离以减小路径衰耗中值，减小的衰耗中值即为系统余量。系统以减小传播距离为代价提高通信概率 本讲稿第五十七页，共六十四页582.3.4 覆盖设计l传播模型的选用及修正不同模型适用于不同的应用环境l模型的适用范围l当地的传播条件l常用模型的比较各种
18、模型在预测时都会存在误差，这是由于各地的传播环境不同而造成。因此应用时，除选择适合本地环境的模型外还必须对其加以修正，通过对模型的修正，来提高预测的精度。修正需进行实地测试，通过测试获得进行模型校正的数据，然后用测试结果修正模型中相关的参数，以使预测结果更接收近于当地的实际情况本讲稿第五十八页，共六十四页59l基站覆盖预测规划预测：检验覆盖范围和区内质量基站覆盖的主要影响因素覆盖预测方法网路建成后，通过路测对规划进行检验，及时调整该地区基站数、站址等进行网路调整和优化本讲稿第五十九页，共六十四页60l系统均衡基站覆盖区lMS接收信号强度高于设计值90%以上的区域l保证通信，满足双向灵敏度要求l
19、BS、MS收发功率、灵敏度要求均不同，必须进行系统均衡若上行覆盖大于下行：小区边缘下行信号较弱，易被其它小区的信号“淹没”；若下行覆盖大于上行：移动台被迫守候在强信号下，但上行信号太弱，话音质量不好本讲稿第六十页，共六十四页61设：基站发射机天线前端功率为Poutb，移动台发射机天线前端功率为Poutm，基站天线增益Gab，空间损耗Lp，移动台天线增益Gam，移动台接收电平为Pinm，衰落余量Mf，基站发射机天线共用器损耗Lcb，基站接收机分集增益Gdb，基站发射机端口功率Pbt，基站接收机端口功率Pbr下行链路：Pinm+Mf=Poutb-Lcb-Lfb+Gab-Lp+Gam上行链路：Pin
20、b+Mf=Poutm+Gam-Lp+Gab-Lfb+Gdb比较两式：Pinm-Pinb=Poutb-Poutm-Lcb-GdbLfbPbtPbr本讲稿第六十一页，共六十四页62例：MS接收机最小输入电平为-102dBm；基站接收机最小输入电平为-106dBm；基站天线共用器损耗Lcb=5dB；基站接收机分集接收增益Gdb=2dB；若MS发射功率Poutm=2W(33dBm)则上下行链路平衡时，基站输出功率为多少？解：Pinm-Pinb=Poutb-Poutm-Lcb-Gdb Poutb=Pinm-Pinb+Poutm+Lcb+Gdb =-102-(-106)+33+2+5 =44dBm（31W
21、）本讲稿第六十二页，共六十四页63本章小结l衰落主要有由于多径效应引起的快衰落，由气象条件、阴影效应引起的慢衰落两种。快衰落主要影响信号的瞬时值，而慢衰落影响的主要是信号中值 l表征信号和衰落的统计数字特征量主要有场强中值、衰落深度、衰落率和衰落持续时间 l常用的电波传播模型很多，基本方法都是以某一地形地物状况的实测数据为依据，给出参考模型，再根据实际地形地物状况及应用条件进行修正本讲稿第六十三页，共六十四页64lOM模型是常用的电波传播预测方法之一，给出准平滑市区的场强中值，其他地形、地物给出相应的修正因子，任意地形、地物的电波传播衰耗中值可表示为LA=LT-KT，而LT=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)KT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+kjs+Ksp+Ks其中，KT根据具体地形、地物确定。l在系统其它参数不变的情况下，要提高系统的通信概率，只能缩短通信距离，以减小路径衰耗中值，即系统以减小传播距离为代价提高通信概率 l为了保证通信质量，必需满足双向通信的移动台和基站最低接收灵敏度的要求，必须进行系统均衡 本讲稿第六十四页，共六十四页