无线传播特性

无线传播特性,华为公司 无线网络规划部2004年5月,目 录,一、无线传播基本原理二、无线传播的特点三、无线传播模型四、模型校正,无线电波波段划分,不同的频段内的频率具有不同的传播特性,电磁波的产生,根据Maxwell方程组：空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，电微波在真空中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。光和电磁波在本质上是相同的，光是一定波长的电磁波。,电磁波的传播,池塘中的波纹：能量从源点向四周传播，并逐渐减弱电磁波的传播与此类似，不同之处（当辐射源是各向同性的理想点源时）：在三维空间以球面波的形式传播传播介质不同，空气、障碍物、反射物,无线传播的理论基础,在自由空间中，由点源发射的正弦波向各个方向辐射球面波，此时该点源称为各向同性辐射源假设点源发射功率为Prad (W)，在距离d (m)处的单位面积功率（即Poynting矢量）为：,对于实际天线，若辐射功率为Pt (W)，天线增益为Gt (dBi) ，则Poynting矢量为：,无线传播的理论基础,若接收天线有效接收面积为Ae (m2)，增益为Gr (dBi) ，则两者关系：,因此在距离d处接收到的功率为：,无线网络规划、设计的理论基础是传播损耗，自由空间传播损耗为：,其它传播模型都是以自由空间传播模型为理论基础发展起来的,目 录,一、无线传播基本原理二、无线传播的特点三、无线传播模型四、模型校正,建筑物反射波绕射波直射波地面反射波,无线传播的特点,陆地移动通信的电波传播机制,实际环境的无线传播,LOS和NLOS,无线信道特征,无线信道随用户的位置和时间而变化多径散射、阴影遮挡使得接收功率发生剧烈变化,慢衰落衰减：Pr正比于1/dn阴影：障碍物遮挡快衰落多径效应在很小的距离间隔和时间间隔上，信号强度快速变化产生Doppler频移产生时延扩展,分集技术,抗快衰落措施分集技术,显分集空间分集极化分集频率分集：GSM-跳频，WCDMA-扩频技术其它：方向性分集、场分集、发射分集,隐分集隐分集即是利用信号处理技术将分集作用隐含在被传输信号之中，如RAKE接收技术、信道交织、纠错编码等 可看作时间分集,时延扩展,多径传播：不同路径的信号到达接收机的时间不同当多径信号不能被接收机区分时就产生同信道干扰（CCI），对于WCDMA系统，多径时延必须大于一个码片周期(0.26s)才能被识别典型值 (s): Open 0.2, Suburban = 0.5, Urban = 3,Doppler频移,Doppler效应的例子：火车经过你的身边,移动通信中的Doppler频移,V：移动台速度：信号到达角度,绕射损耗,穿透损耗,地物损耗,损耗,特点电磁波在绕射点四处扩散绕射波覆盖除障碍物外的所有方向扩散损耗最为严重计算公式复杂，随不同绕射常数变化,绕射损耗,电磁波穿透墙体的反射和折射,室内信号取决于建筑物的穿透损耗 室内窗口处与室内中部信号差别较大 建筑物材质对穿透损耗影响较大 电磁波的入射角对穿透损耗影响较大,穿透损耗,物体阻挡/穿透损耗为： 隔墙阻挡：520dB 楼层阻挡：20dB， 室内损耗值是楼层高度的函数，-1.9dB/层 家具和其它障碍物的阻挡： 215dB 厚玻璃： 610dB 火车车厢的穿透损耗为：1530dB 电梯的穿透损耗： 30dB左右 茂密树叶损耗：10dB,穿透损耗,反射损耗,无线传播环境,电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定传播模型的选取。影响传播环境的主要因素： 地貌：高山、丘陵、平原、水域、植被 地物：建筑物、道路、桥梁 噪声：自然噪声、人为噪声 气候：雨、雪、冰（对UHF频段影响微小）,无线传播环境,传播环境分类参照ITU-R P.1411-1，结合中国国情，分类如下,无线传播环境,传播环境分类对应的小区类型,其它新的小区分类，如 Mini-cell,目 录,一、无线传播基本原理二、无线传播的特点三、无线传播模型四、模型校正,确定性模型自由空间模型双线模型Ray Tracing,传播模型分类,经验模型Okumura-HataCOST231-HataCOST231 Walfish-IkegamiKeenan-Motley,半经验模型计算机辅助计算模型,Okumura-HataCOST231-HataCOST231 Walfish-Ikegami室内传播模型计算机辅助计算模型,常用传播模型,自由空间传播模型,Lfs=91.48+20lgd, for f=900MHzLfs=97.98+20lgd, for f=1900MHzLfs=99+20lgd, for f=2100MHz,自由空间传播模型适用于具有各向同性传播介质（如真空）的无线环境，是理论模型。该环境在现实中并不存在，但空气介质近似于各向同性介质。,Okumura-Hata模型,市区:Lu (dB) = 69.55 + 26.16*log(f) 13.82*log(Hb) a(Hm) +44.9 6.55*log(Hb)*log(d)其中，a(Hm)为移动台天线高度修正因子。对于中等城市：a (Hm) =1.1*log(f) 0.7*Hm 1.56*log(f) 0.8对于大城市：a (Hm) = 8.29*log(1.54*Hm)2 1.1 for f = 400 MHz,Okumura-Hata模型,郊区：Lsu (dB) = Lu 2*log(f/28)2 5.4乡村半开阔地：Lrqo (dB) = Lu 4.78*log(f)2 + 18.33*log(f) 35.94乡村开阔地：Lro (dB) = Lu 4.78*log(f)2 + 18.33*log(f) 40.94,Okumura-Hata模型,适用范围：频率范围 f:1501500MHz基站天线高度 Hb:30200m移动台高度 Hm:110m距离 d:120km,宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物1km以内预测不适用频率超过1500MHz以上时不适用,COST 231-Hata模型,市区：Lu (dB) = 46.3 + 33.9*log(f) 13.82*log(Hb) a(Hm) +44.9 6.55*log(Hb)*log(d) + Cm其中，a(Hm) =1.1*log(f) 0.7*Hm 1.56*log(f) 0.8Cm = 0 dB for medium sized city and suburban centres with moderate tree densityCm = 3 dB for metropolitan centres郊区和乡镇的修正值与Okumura-Hata模型相同,COST 231-Hata模型,适用范围：频率范围 f:15002000MHz基站天线高度 Hb:30200m移动台高度 Hm:110m距离 d:120km,宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物1km以内预测不适用频率超过2000MHz或低于1500MHz时不适用,COST 231 Walfish-Ikegami模型,基站与移动台之间无可视路径（Non-LOS）,Lb = Lo for Lrts + Lmsd = 0.020 kmOr:Lb = Lofor d 0.02km其中，Lo为自由空间传播损耗,基站与移动台之间有可视路径（LOS）,对于高楼林立的街道（Street Canyon）传播环境，基站天线通常低于周围建筑物的屋顶高度。受传播环境的影响，无线信号通常只能沿街道走向传播。,COST 231 Walfish-Ikegami模型,适用范围：频率范围 f:8002000MHz基站天线高度 Hbase:450m移动台高度 Hmobile:13m距离 d:0.025km建筑物高度 Hroof (m)路面宽度 w (m)建筑物间距 b (m)相对直射波方向的街道走向 ( ),市区环境，宏蜂窝或微蜂窝郊区环境或乡村环境不适用,室内传播模型,室内环境与室外环境差异巨大，室外模型不适用于室内环境L = 37 + 30 Log10(R) + 18.3 n(n+2)/(n+1)-0.46) f：频率(MHz)R：天线到移动台距离(m)n：天线到移动台之间相隔的楼层数,计算机辅助计算模型,为便于计算，各种规划软件均具有自身的传播模型数学公式这些模型可以通过模型校正来调整参数使其更接近实际环境常用的有Planet，Asset，Atoll模型校正后的模型比经验模型适用范围更广必需准确的、满足精度要求的地理数据库,WCDMA系统需要的传播模型,Where:Ris the base station - mobile station separation in kilometres;fis the carrier frequency of 2000 MHz;hbis the base station antenna height, in metres, measured from the average rooftop level,3GPP推荐的传播模型,现有模型的适用性,郊区、乡村：宏蜂窝模型适用，如COST231-HATA，视需要校正城区、密集城区：宏蜂窝模型、微蜂窝模型，适合于初始简单规划,用于详细规划时，经典的宏蜂窝模型和微蜂窝模型存在缺陷：城市建筑物的影响考虑不完善密集城区街道的波导效应没有考虑模型校正工作量巨大,华为在香港3G项目规划时，采用 Ray Tracing 模型,Ray Tracing 模型,经验模型，如Okumura-Hata、COST231-HATA、COST231 WI 等模型建立在实测统计的基础上，直观可靠, 经验模型仍然是当今进行移动通信场强预测的主要工具；但是用该方法所得出的电波传播模型对环境的依赖性较大, 对实测设备、数字地图的要求也较高, 使得经验模型的实用性存在一定问题。确定性模型，如Ray Tracing，应用电磁波传播理论来建立预测模型, 基础牢固, 结果更具有普遍性, 获得人们愈来愈多的关注，并已经形成商用软件。Ray Tracing模型预测精度较高、模型校正工作量小或基本不需要校正但需要高精度数字地图、高性能计算机,Ray Tracing 模型,香港岛、九龙,Ray Tracing 模型,香港岛局部,Ray Tracing 模型,COST231-Hata预测结果,Ray Tacing预测结果,预测结果差异,目 录,一、无线传播基本原理二、无线传播的特点三、无线传播模型四、模型校正,模型校正,模型校正的方法：CW测试信号源为未调制连续波或FM信号适用于网络建设之前需要选择站址，架设模拟发射机，测试工作量大需要专用模拟发射机和接收机定标信号测试利用已开通基站的定标信号适用于部分基站已经开通后测试工作量较小可以直接利用常规路测设备,选择站址,选择站址原则站址数量：根据一般经验，在人口密集的大城市，测试站址应不少于5个；对于中小城市一般一个测试站址就够了，这主要取决于测试基站天线高度及其EIRP大小。代表性：站址选择的原则是要使它能够覆盖规划区内所有的地物类型（这些地物类型来自数字地图）。多种模型：如果测试环境需要用多个模型来描述其传播特性，则各个模型所对应的区域要