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1、移动通信技术移动通信技术第2章 电波传播、天线、天线、抗衰落技术2023/4/101第第2章章电波传播、电波传播、天线、天线、抗衰落技术抗衰落技术2.1电波传播电波传播2.22.2天线工作原理及优化天线工作原理及优化天线工作原理及优化天线工作原理及优化3.3抗衰落技术抗衰落技术2023/4/1022.1.1VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性2.1.2阴阴影影效效应应2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性2.1.4多径衰落的时域特征和频域特征多径衰落的时域特征和频域特征2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测预测2.1电波
2、传播电波传播2023/4/1032.1.1VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 当前陆地移动通信主要使用的频段为当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和和UHF，即，即150MHz，450MHz、900MHz和和1800MHz、2.4GHz。移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等传播方式，由于地表面波的传播损耗地表面波等传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限。随着频率的增高而增大，传播距离有限。图3-1 典型的移动信道电波传播路径2023/4/104自由空间传播损耗自由空间传播损耗 可定义为可定义
3、为式中，式中，d是距离的千米数，是距离的千米数，f是频率的兆赫数。是频率的兆赫数。由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率减）只与工作频率f和传播距离和传播距离d有关，当有关，当f或或d增增大一倍时，大一倍时，将分别增加将分别增加6dB。2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 2023/4/1062视距传播的极限距离视距传播的极限距离由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。视线所能到达的最远距离称为视线距离视线所能到达的最远距离称为视线距离（见图（见图3-2）。）。图
4、3-2 视距传播的极限距离2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 2023/4/107已知地球半径为已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收，设发射天线和接收天线高度分别为天线高度分别为hT和和hR（单位为（单位为m），理论上可），理论上可得视距传播的极限距离得视距传播的极限距离d0为为由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。架设越高，视线距离越远。实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球迹的影响后，在标准大气
5、折射情况下，等效地球半径半径R=8500km，可得修正后的视距传播的极限，可得修正后的视距传播的极限距离距离d0为为2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 2023/4/108图3-3 菲涅尔余隙 （a）中所示的x被定义为负值 （b）中所示的x被定义为正值 2.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性 2023/4/1010根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图3-4所示。横坐所示。横坐标为标为x/，称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且
6、有且有2.1.1VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 2023/4/10114反射波反射波 电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。面时，会发生反射现象。图图3-5所示为从发射天线到接收天线的电波由反射所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。波和直射波组成的情况。反射波与直射波的行距差为反射波与直射波的行距差为式中式中d=d1+d22.1.1VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 2023/4/1013由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因
7、此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差 0为为再加上地面反射时大都要发生一次反相，实际的再加上地面反射时大都要发生一次反相，实际的两路电波相位差两路电波相位差 为为2.1.1VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 2023/4/1015在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。播机制为反射、绕射和散射。当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。当接收机和发射机
8、之间的无线路径被尖利的边缘当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布阻挡时发生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。于空间，甚至于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。挡体也产生波的弯曲。在高频波段，绕射和反射一样，依赖于物体的形在高频波段，绕射和反射一样，依赖于物体的形状以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。状以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。2.1.1VHF、UHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 2023/4/10162.1.2阴阴影
9、影效效应应 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。磁场的阴影。移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落。称为阴影衰落。移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，存在移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，存在阴影区（盲区）。因此盲区定义是某些特定区域阴影区（盲区）。因此盲区定义是某些特定区域中，电波被吸收或被反射而使移动台
10、接收不到信中，电波被吸收或被反射而使移动台接收不到信息。它要求在网络规划、设置基站时必须予以充息。它要求在网络规划、设置基站时必须予以充分的考虑。分的考虑。2023/4/10182.1.2阴阴影影效效应应 信号衰落信号衰落n 衰落：移动通信接收点所接收到的信号场强衰落：移动通信接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化的是随机起伏变化的n对于这种随机量的研究通常是采用统计分析对于这种随机量的研究通常是采用统计分析法。典型信号衰落特性，如图法。典型信号衰落特性，如图3.6所示。所示。图3.6典型信号衰落特性 2023/4/1019n图中，虚线表示的是信号局部中值，其含义是在局图中，虚线表示的是信号局
11、部中值，其含义是在局部时间中，信号电平大小或小于它的时间各为部时间中，信号电平大小或小于它的时间各为50%。由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变化造成了信号衰落。化造成了信号衰落。n移动台接收的信号场强值（移动台接收的信号场强值（dB）是时间）是时间t的函数。的函数。具有具有50%概率的场强值称为场强中值。若场强中值等概率的场强值称为场强中值。若场强中值等于接收机的最低门限值，则通信的可通率为于接收机的最低门限值，则通信的可通率为50%。因。因此，
12、为了保证正常的通信，必须使实际的场强中值远此，为了保证正常的通信，必须使实际的场强中值远大于接收机的门限值。大于接收机的门限值。2.1.2阴阴影影效效应应 2023/4/1020障碍物遮挡直射波引起接收信号中值的变化，障碍物遮挡直射波引起接收信号中值的变化，表表现为现为慢衰落。慢衰落。由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。BSMS障碍物障碍物2.1.2 阴 影 效 应 2023/4/1021慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围
13、地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等，而与频率无关度等，而与频率无关。慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化幅慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化幅度取决于信号频率与障碍物状况度取决于信号频率与障碍物状况。频率较高的信频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能力。力。慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电慢衰落的特
14、性是与环境特征密切相关的，可用电场实测的方法找出其统计规律。场实测的方法找出其统计规律。2.1.2阴阴影影效效应应 2023/4/10222.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 1概述概述2多普勒频移多普勒频移3多径接收信号的统计特性多径接收信号的统计特性4衰落信号的特征量衰落信号的特征量2023/4/10241概述概述A移动信道的时变特性移动信道的时变特性移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。如果用信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。如果用公式表示，按接收信号功率可表示为公式表示，按接收信号功率
15、可表示为式中，式中，|表示移动台与基站的距离。上式是信道表示移动台与基站的距离。上式是信道对传输信号作用的一般表示式，这些作用有三类。对传输信号作用的一般表示式，这些作用有三类。2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 2023/4/1025自由空间传播损耗与弥散，用自由空间传播损耗与弥散，用|n表示，其中表示，其中n一般为一般为34。阴影衰落，用阴影衰落，用S()表示。这是由于传播环境中的表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的慢衰落。起的慢衰落。多径衰落，用多径衰落，用R()表示。这是由于移动传播环境表
16、示。这是由于移动传播环境的多径传播而引起的快衰落。多径衰落是移动信的多径传播而引起的快衰落。多径衰落是移动信道特性中最具有特色的部分。道特性中最具有特色的部分。2.1.3 移动信道的多径传播特性 2023/4/1026图3-7 陆地移动传播特性 2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 2023/4/1028B移动环境的多径传播移动环境的多径传播 陆地移动信道的主要特征是多径传播。陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射，如图的地形，会引起电波的反射，如图3-8所示。所示
17、。这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为落是由于多径现象
18、所引起的，称为多径衰落多径衰落。2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 2023/4/1029多径传输演示2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 2023/4/1031通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。例如，基站天线通移动台用接近地面的低天线。例如，基站天线通常高常高30m，最高可达，最高可达90m；移动台天线通常高；移动台天线通常高2m3m。移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物体造成的反射是造成多径效应的主要原因。体造成的反射是造成多径效
19、应的主要原因。离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域，离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域，只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移动台构成多径，而且这些路径要比近端区域中建动台构成多径，而且这些路径要比近端区域中建筑物所引起的多径的长度要长。筑物所引起的多径的长度要长。2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 2023/4/10322多普勒频移多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多
20、普勒频移（为多普勒频移（DopplerShift），可用下式表示），可用下式表示式中，式中，是入射电波与移动台运动方向的夹（见图是入射电波与移动台运动方向的夹（见图3-9），），v是运动速度，是运动速度，是波长。是波长。式（式（3-8）中与入射角度无关，是）中与入射角度无关，是fD的最大值，称为的最大值，称为最大多普勒频移。最大多普勒频移。2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 2023/4/10332.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 图3-9 入射角2023/4/10343衰落信号的特征量衰落信号的特征量工程实际中，常常用一些特征量工程实际中，常常用一些特
21、征量来表示衰落信号的来表示衰落信号的幅度特性。幅度特性。A衰落率衰落率衰落率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过中衰落率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。平均衰落率可用下式表示：值电平的次数。平均衰落率可用下式表示：式中，速度式中，速度v的单位为的单位为km/h，频率，频率f的单位为的单位为MHz，平均衰落率平均衰落率A的单位为的单位为Hz。（3-9）2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 2023/4/1035B电平通过率电平通过率观察实测的衰落信号可以发现，衰落速率与衰落观察实测的衰落信号可以发现，衰落速率与衰落深度有关。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落
22、深度有关。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁。定量地描述这一特征的参量就是发生得相当频繁。定量地描述这一特征的参量就是电平通过率（电平通过率（LevelCrossRate，LCR）。电平通）。电平通过率过率NR定义为信号包络在单位时间内以正斜率通过定义为信号包络在单位时间内以正斜率通过某一规定电平某一规定电平R的平均次数。的平均次数。式中，式中，是最大多普勒频移是最大多普勒频移,2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 为为信号包信号包络络的均方根的均方根电电平平.2023/4/1036图3-10 电平通过率和平均电平持续时间2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道
23、的多径传播特性 2023/4/1037C衰落持续时间衰落持续时间平均衰落持续时间定义为信号包络低于某个给定电平平均衰落持续时间定义为信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比，可用下值的概率与该电平所对应的电平通过率之比，可用下式表示：式表示：式中式中是最大多普勒频移，是最大多普勒频移，为信号包络的均方根电平。为信号包络的均方根电平。设：设：得归一化得归一化（3-11）2.1.3移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 2023/4/10382.1.4多径衰落的时域特征和频域特征多径衰落的时域特征和频域特征 1 1 时延扩展时延扩展 图3-11 时延扩展示意图2023/
24、4/1039 2相关带宽相关带宽根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落与非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰选择性衰落与非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰落。频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与落。频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。的随机响应。非频率选择性衰落是指信号中各分量的非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一
25、致性，即相关性，因而衰落信量所遭受的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。号的波形不失真。2.1.4多径衰落的时域特征和频域特征多径衰落的时域特征和频域特征 2023/4/1040对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频选择性衰落；当信带宽小于相关带宽时，发生非频选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。为号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。为了解释这个问题，这里考虑频率分别为和两个信号了解释这个问题，这里考虑频率分别为和两个信号的包络相关性。这种相关性可由两信号的相关系的包络相关性
26、。这种相关性可由两信号的相关系数，即归一化的相关函数得出。数，即归一化的相关函数得出。设这两个信号的包设这两个信号的包络为和，频率差为络为和，频率差为 f f，则其包络相关系数为：，则其包络相关系数为：2.1.4多径衰落的时域特征和频域特征多径衰落的时域特征和频域特征 2023/4/1041式中，式中，为相关函数：为相关函数：如果信号衰落服从瑞利分布，则可得出如果信号衰落服从瑞利分布，则可得出 r(r(f f,)的的近似表达式为：近似表达式为：式中，式中，为特殊函数，为最大多普勒频移，为特殊函数，为最大多普勒频移，为移为移动动信道的时延扩展。信道的时延扩展。2.1.4多径衰落的时域特征和频域特
27、征多径衰落的时域特征和频域特征 2023/4/1042将将设为参变量，可得到不同设为参变量，可得到不同值时的曲线，如值时的曲线，如图图3-13所示。图中还给出若干实测数据，实测是所示。图中还给出若干实测数据，实测是在郊区进行，工作频率为在郊区进行，工作频率为836MHz。可以看出，实。可以看出，实测数据接近于测数据接近于=1/4 s的理论曲线。的理论曲线。由于这里讨论的是两信号在频域的相关性，可设由于这里讨论的是两信号在频域的相关性，可设t=0。在这种情况下，式变成：。在这种情况下，式变成：2.1.4多径衰落的时域特征和频域特征多径衰落的时域特征和频域特征 2023/4/1043图3-12相关
28、系数曲线2.1.4多径衰落的时域特征和频域特征多径衰落的时域特征和频域特征 2023/4/10442.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为
29、信号中值预测。这里的信号中值是长区间中值。号中值预测。这里的信号中值是长区间中值。损耗预测模型损耗预测模型场强估算模型；场强估算模型；Okumura模式（模式（OM模型）；模型）；Egli模型模型；Bullingron（BM）模型。）模型。2023/4/10451 1 地形环境分类地形环境分类 A地形特征定义地形特征定义（1）地形波动高度）地形波动高度h地形波动高度地形波动高度h在平均意义上描述了电波传播路在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度。径中地形变化的程度。（2）天线有效高度）天线有效高度移动台天线有效高度定义为移动台天线距地面的实移动台天线有效高度定义为移动台天线距地面的实际
30、高度。际高度。2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1046图3-15基站天线有效高度 图图3-14 地形波动高度地形波动高度2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1047B地形分类地形分类实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。C传播环境分类传播环境分类开阔地区开阔地区郊区郊区中小城市地区中小城市地区大城市地区大城市地区2.1.5电波传
31、播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/10482Okumura模型模型 Okumura模型提供的数据较齐全，应用较广泛，模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于适用于VHF和和UHF频段。频段。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。和地形条件等因素用校正因子加以修正。A准平坦地形大城市地区的中值路径损耗准平坦地形大城市地区的中值路径损耗Okumura模型中准平坦地形大城市地区的中模型
32、中准平坦地形大城市地区的中值路径损耗（值路径损耗（dB）由下式给出）由下式给出LT=Lbs+Am(f,d)Hb(hb,d)Hm(hm,f)(3-16)2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1049式中，式中，Lbs为自由空间路径损耗，由式（为自由空间路径损耗，由式（3-0）给出；给出；Am(f，d)为在大城市地区当基站天线高度为在大城市地区当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度、移动台天线高度hm=3m时相对于自由空时相对于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗；间的中值损耗，又称基本中值损耗；Hb(hb，d)为基为基站天线高
33、度增益因子（站天线高度增益因子（dB）,即实际基站天线高度相即实际基站天线高度相对于以标准天线高度对于以标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函的增益，为距离的函数；数；Hm(hm,f)为移动台天线高度增益因子（为移动台天线高度增益因子（dB），），即实际移动台天线高度相对于以标准天线高度即实际移动台天线高度相对于以标准天线高度hm=3m的增益为频率的函数。的增益为频率的函数。2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1050 图3-16 准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗 2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测
34、 2023/4/1051图3-17 基站天线高度增益因子 2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1052图3-18 移动台天线高度增益因子 2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1053B不规则地形及不同环境中的中值路径损耗不规则地形及不同环境中的中值路径损耗 以准平坦地形中的中值路径损耗作为基础，针对不以准平坦地形中的中值路径损耗作为基础，针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素，用修正因同传播环境和不规则地形中的各种因素，用修正因子加以修正，就可得到不规则地形及不
35、同环境中的子加以修正，就可得到不规则地形及不同环境中的中值路径损耗，可用下式表示为中值路径损耗，可用下式表示为(3-20)根据已得出的中值路径损耗，可求出移动台接收到根据已得出的中值路径损耗，可求出移动台接收到的信号功率为的信号功率为(3-21)2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1054CHata模型与传播损耗的经验公式模型与传播损耗的经验公式 Hata根据根据Okumura模型中的各种图表曲线归纳出一个模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式，称为经验公式，称为Hata模型。模型。(3-22)这种模型仍然保留了这种模型仍然保留
36、了Okumura模型的风格，以市区模型的风格，以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。中小城市修正因子中小城市修正因子(3-23)大城市修正因子（建筑物平均高度大城市修正因子（建筑物平均高度15m)当当f400MhzDHata模型扩展模型扩展欧洲科学与技术研究协会（欧洲科学与技术研究协会（EURO-COST）的的COST-231工作委员会对工作委员会对Hata模型进行了扩展，模型进行了扩展，使它适用于使它适用于PCS系统，适用频率达到系统，适用频率达到2GHz。ECOST-231模型模型COST-231工作委员会在工作委员会在Walfish
37、i模型和模型和Ikegami模模型的基础上，根据实测数据加以完善而提出型的基础上，根据实测数据加以完善而提出COST-231模型。模型。这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗和移动台周围建筑屋顶之间的损耗。绕射损耗和移动台周围建筑屋顶之间的损耗。2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1056F微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式 在大蜂窝和小蜂窝中，基站天线都安装在高于屋在大蜂窝和小蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，这时传播路径损耗主要由移动台附近顶的位置
38、，这时传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射波决定，即主要射线是在屋顶的屋顶绕射和散射波决定，即主要射线是在屋顶之上传播。之上传播。Okumura-Hata模型适用于基站天线高度高于其周模型适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，而不适用于基站天线高度围屋顶的宏蜂窝系统，而不适用于基站天线高度低于屋顶的微蜂窝系统作传播预测。低于屋顶的微蜂窝系统作传播预测。2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1057在微蜂窝系统中，基站天线高度通常低于屋顶，在微蜂窝系统中，基站天线高度通常低于屋顶，电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决
39、定，即电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定，即主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中进行。进行。COST-231-Walfish-Ikegami模型可用于宏蜂窝及模型可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播损耗预测。微蜂窝作传播损耗预测。但是，在基站天线高度大致与其附近的屋顶高度但是，在基站天线高度大致与其附近的屋顶高度同一水平时，屋顶高度的微小变化将引起路径损同一水平时，屋顶高度的微小变化将引起路径损耗的急剧变化，这时容易造成预测误差。耗的急剧变化，这时容易造成预测误差。所以，在这种情况下使用所以，在这种情况下使用COST-231-Walfish-Ikega
40、mi模型要特别小心。模型要特别小心。2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1058在做微蜂窝覆盖区预测时，必须有详细的街道及在做微蜂窝覆盖区预测时，必须有详细的街道及建筑物的数据，不能采用统计近似值。建筑物的数据，不能采用统计近似值。市区环境的特性用下列参数表示，这些参数的定市区环境的特性用下列参数表示，这些参数的定义见图义见图3-19（a）和（）和（b）。）。图图3-19 环境参数的定义环境参数的定义2.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2023/4/1059602.2.1天线的
41、定义天线的定义天线是用来完成辐射和接收无线电波的装置天线是用来完成辐射和接收无线电波的装置。2.2.2天线的分类天线的分类天线根据作用可分为：天线根据作用可分为：发射天线是无线电波的辐射器，它将天线电发射天线是无线电波的辐射器，它将天线电波有效地辐射到天空中；波有效地辐射到天空中；接收天线是辐射场的接收器，它接收来自空接收天线是辐射场的接收器，它接收来自空间的相应频率的无线电波，并将其变成高频间的相应频率的无线电波，并将其变成高频电流或导引波由馈线传输给接收机。电流或导引波由馈线传输给接收机。2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/1060如果按照天线的结构形式，天线可以分为
42、：如果按照天线的结构形式，天线可以分为：线状天线；线状天线；面状天线。面状天线。按照工程对象可分为：按照工程对象可分为：通信天线；通信天线；广播电视天线；广播电视天线；雷达天线等；雷达天线等；按照天线所使用的频率，可以分为：按照天线所使用的频率，可以分为：长波天线；长波天线；中波天线；中波天线；2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/106162短波天线；短波天线；超短波天线；超短波天线；微波天线；微波天线；激光天线。激光天线。在移动通信系统中，通常分为：在移动通信系统中，通常分为：基站天线；基站天线；移动台天线。移动台天线。2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化202
43、3/4/1062632.2.3天线的理论基础天线的理论基础研究天线问题，实质上是研究天线产生的空研究天线问题，实质上是研究天线产生的空间电磁场的分布以及由空间电磁场分布所决间电磁场的分布以及由空间电磁场分布所决定的天线特征。定的天线特征。求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足其边界条件。所以天线问题实质上是电磁足其边界条件。所以天线问题实质上是电磁场问题。场问题。天线的理论基础是电磁场理论。天线的理论基础是电磁场理论。2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/10632.2.4 天线基本原理天线基本原理天线基本原理天线基本原理1 1天线的
44、辐射特性天线的辐射特性天线的辐射特性天线的辐射特性导线载有交变电流时，可形成电磁波辐射。辐导线载有交变电流时，可形成电磁波辐射。辐射的能力与导线的长短和形状有关，能产生显射的能力与导线的长短和形状有关，能产生显著辐射的直导线称为振子。著辐射的直导线称为振子。图图2.20导线形成电磁波辐射示意图导线形成电磁波辐射示意图2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/1064天线的功能是控制辐射能量的去向，一个天线的功能是控制辐射能量的去向，一个单一单一的对称振子的对称振子具有具有“面包圈面包圈”形的方向图。多个形的方向图。多个对称振子组阵对称振子组阵控制辐射能量构成控制辐射能量构成“扁
45、平的面包扁平的面包圈圈”，把信号集中到所需要的地方，把信号集中到所需要的地方。图图2.21 2.21 对称振子具有对称振子具有“面包圈面包圈”和和“扁平的面包圈扁平的面包圈”形的方向图形的方向图 2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/1065例如用例如用反射板反射板可把辐射能量控制聚焦到一个方可把辐射能量控制聚焦到一个方向，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线，向，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线，进一步提高了增益。例如扇形覆盖天线与单个进一步提高了增益。例如扇形覆盖天线与单个对称振子相比的增益为对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd图图2.22 2
46、.22 天线的扇形覆盖示意图天线的扇形覆盖示意图2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/10662 2基本电振子基本电振子基本电振子基本电振子指无限小的线电流元，即其长度指无限小的线电流元，即其长度L远小于波长远小于波长。基本电振子的辐射是有方向性的。基本电振子的辐射是有方向性的。3 3电对称振子电对称振子电对称振子电对称振子最简单的天线是对称振子。它是由两段同样粗细和最简单的天线是对称振子。它是由两段同样粗细和长度为长度为L的直导线构成，在天线中间的两个端点之的直导线构成，在天线中间的两个端点之间馈电。间馈电。半波对称振子：振子天线长度与波长的关系可表示为半波对称振子：振子
47、天线长度与波长的关系可表示为2L=/2；2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/1067全波对称振子：振子天线长度与波长的关系为全波对称振子：振子天线长度与波长的关系为2L=，即全长与波长相等的振子。，即全长与波长相等的振子。折合振子：将振子折合起来。折合振子：将振子折合起来。2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化天线类型天线类型增益增益(dBi)基本电振子基本电振子1.76半波振子半波振子2.14全波振子全波振子3.80表表2.1基本电振子、半波振子、全波振子天线的增益基本电振子、半波振子、全波振子天线的增益2023/4/10682.2.4天线的基本特性天线的基本特性
48、天线的基本特性天线的基本特性1 1方向方向方向方向(1)定义定义发射天线指天线向一定方向辐射电磁波的能力，发射天线指天线向一定方向辐射电磁波的能力，对接收天线表示天线对来自不同方向的电波的对接收天线表示天线对来自不同方向的电波的接收能力。天线方向的选择性常用方向图来表接收能力。天线方向的选择性常用方向图来表示。示。(2)辐射方向图辐射方向图以天线为球心的等半径球面上，相对以天线为球心的等半径球面上，相对场强场强随坐随坐标变量标变量和和变化的图形；工程设计中一般使用变化的图形；工程设计中一般使用二维方向图，可用极坐标来表示天线在垂直方二维方向图，可用极坐标来表示天线在垂直方向和水平方向的方向图。
49、也有三维图像。向和水平方向的方向图。也有三维图像。2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/1069图图2.23水平方向角水平方向角图图2.24垂直方向角垂直方向角2.2天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/1070图图2.25三维方向图三维方向图2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/10712 2波束宽度波束宽度波束宽度波束宽度方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣，波束宽度是的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣，波束宽度是主瓣两半功率点间的夹角，又称为半功率（角）主瓣两半功率点
50、间的夹角，又称为半功率（角）波束宽度、波束宽度、3dB波束宽度。主瓣波束宽度越窄，波束宽度。主瓣波束宽度越窄，方向性越好，抗干扰能力越强，经常考虑方向性越好，抗干扰能力越强，经常考虑3dB、10dB波束宽度。波束宽度。2.2 天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/1072图图2.26波束宽度示意图波束宽度示意图2.2天线工作原理及优化天线工作原理及优化2023/4/10733 3前后比前后比前后比前后比天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。前后比值越大，天线定向接收性能就越好，对来自振子前后前后比值越大，天线定向接收性能就越好，对来