覆盖区预测PPT演示课件

电波传播与覆盖预测（第三课）,上海网驭通讯技术有限公司,2,内容提要,1、陆地移动环境中的无线电电波传播2、覆盖区预测及相关因素3、传播模型4、场强测试与测试数据处理,3,移动环境中的电波传播,第一节,4,1、移动台的天线比较低,2、移动台的移动性,3、信号电平随机变化,传播路径总是受到地形及人为环境的影响；各种地形环境和复杂的人为建筑物、树林等使得接收信号为大量的散射、反射信号的迭加；,移动台总是在移动，即使移动台不同，周围环境也一直在变化，如人、车的移动、风吹动树叶等；使得基站与移动台之间的传播路径不断发生变化。还有是移动台相对与基站的移动方向、移动速度的不同，都会导致信号电平的变化；,信号电平随时间和位置的变化而变化；只能用随机过程的概率分布来描述；,陆地移动通信环境的特点,5,4、在城市环境中存在着波导效应,由于街道两旁有高大的建筑物，导致波导效应。结果使得沿传播方向的街道上信号增强，垂直于传播方向的街道上信号减弱，两者相差达10dB左右。另外，这种现象在离基站约8公里左右将减弱；,5、人为噪声现象严重,比较常见的有同频干扰、邻频干扰；还有互调干扰、近端对远端比干扰等；随着频率复用系数的提高，同邻频干扰将成为主要因素。,6、干扰现象严重,人为噪声主要是机动车的点火噪声；还有电力线噪声和工业噪声,陆地移动通信环境的特点（续）,6,波导效应示意图,波导效应,7,1、电波传播模式,2、信号的表示方法,在陆地移动通信系统中，主要的传播模式是视距内的直射波和反射波传播。大部分情况是移动台附近散射体产生的多个反射波，即多径传播模式；多径信号的构成主要由两类：一类是从远地散射体产生的回波，这种回波的时延较长且较稳定；另一类是从移动台附近半径为50400波长的建筑物和树林反射和散射的回波，这类回波数量大，时延短，它们是构成多径信号的主要部分。,信号是一个随机值，需要用中值和瞬时值来联合表征。实际的接收信号是在中值的基础上叠加了瞬时值。称中值为长期衰落，瞬时值为短期衰落。,m(x)为长期衰落，或本地均值，或慢衰落；r0(x)为短期衰落，或瑞利衰落，或快衰落；,电波传播模式和信号表示,信号场强的两种不同的表示方法用于不同的场合：以时间函数表示的信号用于研究信号的衰落现象；而以距离函数表示的信号则用于研究传播损耗曲线。另外，接收信号的中值电平随时间的变化远小于随位置的变化。,8,3、长期衰落的统计特性,1、长期衰落的定义：是指接收到的衰落信号的平均值。是指在一个特定的长度L内平均得到的信号电平值（或场强值、或损耗值）。L的取值为40个波长内取3650个测试信号。2、长期衰落形成的原因：是由于传播路径上的地形和人为环境结构的变化而造成的。3、长期衰落的概率密度函数和累积概率分布函数：长期衰落的概率密度分布服从对数正态概率密度函数，长期衰落的累积概率分布服从对数正态累积分布。,长期衰落,9,4、短期衰落的统计特性,1、短期衰落的定义：是指接收的衰落信号的瞬时值。2、短期衰落形成的原因：由于传播受到移动台周围（50100个波长内）的散射体（主要指人为建筑物）或自然障碍（主要指树林）的反射在地面上造成多径波干涉，结果形成驻波场。当移动台通过这个驻波场时，接收信号呈现短期衰落，场强会起伏。3、短期衰落的概率密度函数和累积概率分布函数：短期衰落的概率密度分布服从瑞利概率密度函数，短期衰落的累积概率分布服从瑞利累积分布。,为短期衰落r的均方根值,短期衰落,10,5、信号传播的其它特性,1、衰落电平交叉率：在单位时间内，信号中值以正斜率通过某一规定电平的预期速率。当规定电平为中值电平时的衰落电平交叉率，称为衰落率。2、衰落平均持续时间：指场强低于某一电平的持续时间，衰落平均持续时间将引起传输数据的突发差错。3、时延展宽：在多径传播环境下，由于接收到来自各个方向的反射波的路径时延差，对于不连续的数字脉冲信号将产生时延展宽现象。时延展宽是决定相干带宽的唯一因素，也是产生码间干扰的主要原因。4、相干带宽：当两个频率f1与f2的间隔大于相干带宽时，f1与f2两个信号的衰落不相关或相关系数较小；如果两个频率f1与f2的间隔小于相干带宽时，则两个信号的衰落相关；采用频率分集时要考虑相干带宽。5、码间干扰：码间干扰是由于在多径传播中相对于大的时延展宽或高的传输比特率所引起的。在数据传输系统中，传输比特率受到时延展宽的限制。,信号传播的其它特性,11,电波传播模式,电波传播模式,12,长期衰落与短期衰落,信号表示：长期衰落与短期衰落,13,长期衰落的采样定理,长期衰落：本地均值,14,长期衰落的概率分布密度函数：对数正态分布,长期衰落的对数正态分布特性,15,电平交叉率,衰落电平交叉率,16,1、传播损耗的定义,2、传播损耗与距离的一般关系,在移动通信中，随着传播距离的增加，传播损耗将增加。在120公里范围内，大致为40dB/dec。dec为10倍距离。当距离在增大时，将增大至5060dB/dec。,对于某一无线电链路，从发射天线输出端的信号经过一定的传播路径，到达接收天线的输入端时，功率电平的损耗（或衰减）值，一般用dB表示。,传播损耗,17,1、自由空间的传播损耗：,2、绕射损耗：,4、建筑物贯穿损耗,3、传播损耗的常见类型,绕射损耗分单刃绕射、多刃绕射、圆球形绕射；绕射损耗一般比较大，其中圆球形绕射损耗最大。多刃绕射损耗可以由单刃绕射损耗累加得到。,3、反射损耗：,反射损耗与反射面的反射系数（扩散系数、镜面反射系数、漫反射系数等）有关，也和反射角的大小有关。,建筑物的贯穿损耗是指电波通过建筑物的外层结构时所受到的衰减，它等于建筑物外与建筑物内的场强中值之差。900MHz，一般中等城市取1318dB，大城市取20dB；1800MHz加5dB,传播损耗常见类型（一）,18,5、人体损耗：,手持机位于使用者的腰部和肩部时，接收的信号场强比天线离开人体几个波长时将分别降低47dB和12dB。一般人体损耗设为3dB。,7、植被损耗：,一般车内损耗5dB。,植被损耗与树林的稠密程度、树叶形状（针叶、阔叶）、树林的厚度、树林与接收天线的距离等有关；在树林内部（0.2dB/m（900M）、0.3dB/m（1800M）；部分穿过树林（绕射或20dB/dec）；接收天线周围有树林，低于树林，大致为10dB；,6、车内损耗：,传播损耗常见类型（二）,19,菲涅尔区与传播余隙,4、菲涅尔区与传播余隙,1、菲涅尔区,f(n)=ST+RT=SR+n*/2,S,R,T,2、传播余隙：第一菲涅尔区半径的0.577倍。,满足f(n)与f(n-1)的曲面之间的区域称为第n菲涅尔区。N=1时，称为第一菲涅尔区，其是一个椭球体，第一菲涅尔区包含全部发射能量的1/2。另外测试和理论表明，若间隙大于第一菲涅尔区半径的0.577倍，则损耗等于自由空间的损耗,间隙(第一菲涅尔半径）,20,覆盖区预测及相关因素,第二节,21,无线网络建设示意图,22,1、主要的影响因素,1、服务质量指标；2、发射机输出功率；3、接收机的可用灵敏度；4、天线的方向性及增益；5、天线高度；6、工作频率；7、传播环境（地形以及人为环境）；8、分集接收的应用；,小区覆盖范围的相关因素,23,2、噪声受限和干扰受限,1、噪声受限：覆盖区的范围受信噪比控制（S/N)，决定于传播条件及人为噪声，所以又称为传播受限；2、干扰受限：覆盖区的范围主要受载干比控制（C/I)，在用户密度高的市区，频率复用系数高，基站区成为干扰受限。由于干扰受限是用户密度增长的结果，又称容量受限。干扰受限还包括邻频干扰。,小区覆盖范围的相关因素（二）,24,1、话音质量,2、覆盖区边缘无线可通率,移动网一般要求三级话音。由于主观因素太强，一般用其它指标来代替。实际规划中使用接收机灵敏度可接收的接收机输入端最低可用信号电平和干扰指标来代替，两个指标都要满足。,离基站一定距离上的接收信号电平不是一个常数，是随时间、位置不断变化的随机量。在覆盖区边缘进行满意通话（话音质量达到规定指标）的成功概率。又称为通信概率。通信概率与位置和时间有关。随时间的变化远小于随位置的变化，因此，主要考虑位置因素。由于中值电平只能保证50%时间位置的信号电平满足通信要求，这种服务质量难以令人满意。因此，一般要求比50%高。如原来：城市90%，农村75%。现在城市95%，农村80%。另外，交叠覆盖区的通信概率会提高。,服务质量指标,25,由于提高了通信概率，意味着接收到的信号电平比中值还要高出一定的值，以保证达到指定的通信概率。这个值称为系统余量。,为标准偏差，城市取6.5dB，郊区取8dB，不规则地形取10dB。,系统余量与恶化量,指存在多径传播效应及人为噪声（主要是汽车火花干扰）的情况下，为了达到只有接收机内部噪声条件下的同样的话音质量所必需的接收电平的增加量。移动台高速运动，信号恶化比较明显，移动台缓慢移动或静止时则几乎可以忽略。一般恶化量储备为810dB。此时服务质量好了，但投资很大，一般实际上取23dB。,恶化量,26,1、接收机的可用灵敏度,为达到一定信号质量指标所必需的接收机输入端信号电平的最低值；GSM系统：BTS为-108dBm，移动台-102dBm；,接收机输入端有效信号电平,2、接收机输入端最低可用信号电平,3、不同覆盖类型要求下的最低可用信号电平,室外覆盖：考虑人体损耗；室内覆盖：考虑人体损耗和建筑物贯穿损耗；车内覆盖：考虑车内损耗和人体损耗；,考虑到服务质量，为使信号电平达到接收机的可用灵敏度，接收机输入端最低可用信号电平；,27,4、最低可用信号电平的计算例子,设中等城市环境，GSM900网络，手机的接收机灵敏度为-102dBm，通信概率要求为95%，为达到室内覆盖，求下行链路最低可用信号电平值。,最低可用信号电平为：-102+10.7+3+15+3=-70dBm。,接收机输入端有效信号电平例子,28,采用分集技术，可以抑制衰落的影响。分集有很多种：宏观分集、微观分集。微观分集又分：空间分集、频率分集、极化分集、场量分集、多径分集等等。宏观分集用于抑制慢衰落，微观分集用于抑制快衰落。在GSM移动通信系统中，主要采用空间分集接收方式。分集增益与通信概率（覆盖区边缘无线可通率）有关，概率越大，分集增益越大。水平分集增益一般为35dB。,分集增益,29,空间分集是具体实施就是在同一基站或小区，采用两副水平间隔数十个波长的天线接收同一信号，在通过分集组合技术选出最强信号或组合成衰落较小的信号。可以用分集增益来表示空间分集的改善情况，其大小与采用组合技术有关，但主要改善取决于分集天线的有效高度（he）与水平间距（d）之比值（he/d=）及接收信号到达角（来波角）。如下图所示，当接收正面来的信号（即=0）时，两幅分集接收天线上信号相关系数最小，分集增益最大；当接收侧面来的信号（即=90）时，则其相关系数最大，分集增益最小。,分集增益,30,分集增益,分集增益在垂直天线联线的方向最大为了得到和水平分集同样的分集效果，垂直分开距离是水平分集距离的5倍左右。这适用于中等和较大的蜂窝小区。,31,分集增益,为了获得较好的分集增益并在工程实施可以实现，通常取分集接收天线上的信号其相关系数0.7来决定天线间距。对于900MHz频段，我们不妨取一个折衷的来波角进行计算(=45)，则得到其分集天线的有效高度与间距的关系如下表所示:分集天线有效高度/m305060708090100分集天线间距/m3.45.66.77.88.91011.1可以看出，天线愈高要求分集间距愈大，但当间距超过6m时，在铁塔上安装就很困难了。一般来讲基站天线高度为3060m，天线间距为46m为宜。但当天线安装在屋顶时，应尽量拉开天线间距，使d0.11he.。,32,分集增益,极化分集是指把两副接收天线的极化角度互成90，这样就可以获得较好的分集增益，并且可以把这种分集天线集成于一副天线内实现，这样对于一个扇区只需一副TX天线和一副RX天线即可，若采用双工器，则只需一副收发合一的天线，但天线要求较高。,33,1、场强预测的公式,场强预测,34,2、天线参数,天线参数的不同，将导致覆盖区域形状的变化。,天线参数的主要指标有：前后比、3dB波瓣角宽度、增益、极化方式、工作频段、电子下倾角（如果有）、水平方向图和垂直方向图。除了天线本身技术参数外，工程安装时的天线方向角、天线下倾角的设置变化也将导致覆盖区域的变化。,天线参数,35,1、从服务质量指标出发，考虑通信概率、接收机灵敏度、恶化量储备、覆盖类型的附加损耗后，计算出接收机最低可用信号电平；2、从场强预测出发，计算规划区域内各点相对于各小区的中值信号电平的分布；3、最后得到：满足指定服务质量的覆盖区的范围以及信号电平分布、各小区的覆盖区域；,覆盖预测的主要内容,36,传播模型,第三节,37,1、传播模型的概念,传播损耗的计算公式称为传播模型。,2、传播模型概述,传播模型分为统计型模型和决定型模型。统计型模型是利用测试数据，进行统计分析得到的传播模型，一般计算量要小，对电子地图的数据要求也较低，统计型模型一般可以利用测试数据加以修正。决定型模型是根据传播路径上的地物、建筑物的几何信息，利用波的绕射、反射的理论的模型。一般计算量大，对电子地图的数据要求也较高，需要建筑物的信息，一般不能利用测试数据加以修正。统计型模型和决定型模型的选择：1km的分水岭。统计型模型在1-35公里预测的准确性比较高。,传播模型的概述（一）,38,5、传播模型的选择,3、常见的统计型模型,Okumura-Hata模型；COST-231模型；Ericsson模型；,4、常见的决定型模型,COST-231-Walfish-Ikegami；射线跟踪模型；,城区环境类型：如密集城区（建筑物）、一般城区、郊区、农村等；地形地貌特点：如丘陵、开阔地、树林、水体、斜坡、山峰等；覆盖区半径：大于20公里、120公里；400500米或更近；室内型的微蜂窝等等；,Egli模型；Lee模型（点到点模型）；,如何选择传播模型？,传播模型的概述（二）,39,6、传播模型的要求,预测结果与测试结果相比，平均偏差小于3dB，标准偏差小于8dB，不规则地形小于10dB。标准偏差越小,则预测的准确性越高。,传播模型的概述（三）,40,1、适用条件:,1501500MHz（GSM900比较适合）；基站天线有效高度为30200米；移动台天线高度为110米；通信距离为120km；准平滑地区、城区、郊区、开阔地、丘陵、山地、水域等；,2、基本思想：,给出城市环境中的传播模型作为中值路损的基本模型，其它环境使用修正因子。,Okumura-Hata模型（一）,41,3、城市环境的基本模型公式:,4、修正因子：,城区类型：郊区、开阔地、准开阔地、农村等；地形类型：丘陵、斜坡、孤立山峰、水陆混合；城市特有的修正因子：街道走向、建筑物密度；,5、整体模型公式：,Okumura-Hata模型（二）,42,6、天线有效高度的影响：,在其它条件不变的情况下，天线有效高度增加一倍，损耗减少6dB；Okumura-Hata模型在1km处的天线高度增益比实际要小，因此实际使用中也有使用修正量的。,7、针对1800频段的COST-231模型,思想与Okumura-Hata模型一样；也是利用测试数据拟合的结果。在1800频段比Okumura-Hata模型更合适。,Okumura-Hata模型（三）,43,1、适用条件:,2、基本思想：,统一Okumura-Hata模型和Cost-231模型的公式；在城区和地形修正因子基础上，增加了地物的修正因子；各个参数K都是可以利用测试数据进行修正。,GSM900/1800（GSM1800比较适合）；基站天线有效高度为30200米；移动台天线高度为110米；通信距离为120km；准平滑地区、城区、郊区、开阔地、丘陵、山地、水域等；,Ericsson模型（一）,44,3、模型公式:,4、修正因子：,主要是城区类型修正因子K5、地物修正因子K(Clutter)，路损斜率K2，绕射损耗作用系数K(d)。其它参数也可以修正。,2、两段式公式:,1、一段式公式:,Ericsson模型（二）,45,5、地物修正因子：,介于01，在多径传播占主导的城市，一般取0.50.65，在郊区取0.70.85，在多径传播不明显的农村地区取0.91。,只考虑移动台所在地物的修正因子。考虑移动台与基站方向一段距离内地物因子的加权平均。考虑移动台在传播方向上前后一段距离内地物因子的加权平均。,6、绕射损耗作用系数：,理论背景：其它条件不变时，移动台周围的50400波长的环境基本决定传播损耗。由于在电波传播路径上的情况的多样性以及电子地图的栅格精度的不同，有几种处理方法：,Ericsson模型（三）,46,1、适用条件:,GSM900/1800：移动台天线高度为110米；通信距离为20m5km；,2、基本思想：,使用几何绕射理论，将模型分为视通和非视通；需要建筑物的详细资料,Cost-231-Walfisch-Ikegami模型（一）,47,视通情况:,4、修正因子：,可以使用Okumura-Hata模型中的地形修正因子,非视通情况:,Lrts屋顶至街道的绕射及散射损耗,Lmsd多重屏障的绕射损耗,L0自由空间传输损耗,3、模型公式：,Cost-231-Walfisch-Ikegami模型（二）,48,理解示意图:,Cost-231-Walfisch-Ikegami模型（三）,49,1、测试统计型模型在1km内预测的准确性下降:,1、天线的入射角的变化范围大，导致损耗斜率从2040dB/dec变化。2、小区基站附近的建筑物和街道走向严重地影响了基站到移动台间的传播损耗；1km之外，基站周围的影响可以忽略，移动台周围的环境影响占主导地位。3、天线高度的不同强烈地影响移动台接收信号；4、基站1km范围内的道路较少，数据量不够，难以建立合理的统计曲线。,近距离的场强预测,50,2、决定型模型预测的困难:,1、地理信息数据需要得到及时更新，除了建筑高度信息外，还需要有树林的高度信息，并且一般使用5米精度的电子地图。2、由于决定型模型的计算量比较大，目前的决定型模型都是对建筑物2D或3D信息进行近似，因而会引入较大的偏差。3、使用射线跟踪模型时，忽略不同的反射表面对电波的反射作用的差异也会导致较大偏差；,3、如何提高1km之内场强预测的准确性:,1、在模型预测的基础上（最好用决定型模型或1km之内大量测试数据统计得到的统计型模型），再利用该小区1km之内的测试数据进行修正。2、各个小区都需要测试，且数据越多越好，因而测试成本较高。,近距离的场强预测（续）,51,场强测试与传播模型修正,第四节,52,1、传播模型修正的必要性,1、经验传播模型的传播环境与实际使用的传播环境有差异；2、对城区类型、地形的判断也因人而异，主观性比较强；3、利用测试数据修正传播模型，以提高传播预测的准确性；,2、传播模型的几种修正方法,1、经典的模型校正方法：测量距基站1公里及10公里处的信号电平，计算损耗公式的截距和斜率；2、RMS（均方误差）方法：先利用经验给出各参数的初值以及取值范围，然后逐个调整参数，全局的控制值为均方误差最小。3、多维的最小二乘法：将参数的一种取值视为多维向量空间的一个值，利用多维的最小二乘法，计算法方程，求解出各个参数。,传播模型修正,53,3、传播模型修正的数据要求,1、电子地图：包括地形高度、地物、街道矢量、建筑物等对电波传播有影响的地理信息；2、测试站点的信息：包括测试站点的人为环境特点，站址（经纬度）、天线高度、天线类型（包括方向图、增益）、馈缆损耗、发射机的发射功率、接收机的增益、是否有人体损耗和车内损耗；3、符合场强测试方法要求而得到的场强测试数据；,传播模型修正的数据要求,54,4、用于传播模型修正的场强测试方法,1、测试站址选择原则：,1、尽可能选择有代表性的传播环境，对不同的人为环境如密集城区、一般城区、郊区等等，能分别设测试站点；2、选择站址使它能覆盖足够多的地物类型（电子地图提供）；3、测试站点的天线比周围（150200m）内的障碍物高出5m以上；,2、测试站点的数目：,1、对每一种人为环境，最好有三个或三个以上的测试站点，以尽可能消除位置因素；,场强测试方法（一）,55,3、测试天线：,1、收发天线都使用无方向性天线；,4、测试频点：,1、确保同、邻频干扰在可以忽略的程度，即测试频点要干净；,场强测试方法（二）,56,螺旋测试路径,沿基站走“8”字路线,5、测试路线：,1、能够得到不同距离的测试数据；2、在某一距离上至少有45个测试数据，以消除位置影响；3、尽可能经过各种地物；4、纵横街道大致相同,场强测试方法（三）,57,6、采样频率与测试车速：,1、根据Lee氏定理，40个波长是合理的消除瑞利衰落影响的本征长度；如果大于40个波长，导致长期衰落的信息被平滑掉；如果小于40个波长，则仍保留部分瑞利衰落的影响。2、为了达到90%的可信度，在40个波长中至少需采样50个点；如此可以保证测试得到的信号电平的中值与实际信号电平的中值之间的偏差小于1dB。3、测试设备大都是按时间采样的，如1秒采样n个值。为了保证40个波长中至少采样50个信号，则车速v需满足：v=0.8*n(m/s)。4、（例子）设900MHz，1秒采样50个信号，则最高车速：48km/h5、车速尽可能匀速。,场强测试方法（四）,58,5、用于传播模型修正的测试数据处理,1、利用测试数据产生中值信号：,根据40个波长的本征长度，（视采样速率和车速动态决定滑窗内的数据点数，即滑窗长度），对本征长度内的采样信号取瑞利累计分布的50%的值作为信号的中值（比平均值小1.6dB）；,2、过滤不合适的测试数据：,根据所修正模型的适用范围，确定测试数据的范围。一个是测试点与测试基站的距离，如一般的模型采用1km到10km的数据；另外是测试信号电平一般在-100-40dBm之间为宜。,传播模型修正的数据处理（一）,59,3、将测试数据定位在测试路径上：,由于GPS存在偏差，因此测试数据在显示的时候并不是总在测试路径上，因此需要进行数据定位以消除地理偏差；,4、应消除“波导效应”的影响：,由于电波传播测试一般是在街道上测试的，但对于街道，存在着“波导效应”，使得平行于传播方向的信号强度比垂直于传播方向的信号强度高出10dB左右；由于传播模型不是只为预测道路上的传播情况，因此与道路相关的因素应该去掉；否则会导致修正后的传播模型整体偏大或偏小。,5、考虑测试点所在位置周围的地物类型：,由于电子