005电磁传播及仿真中传播模型基本知识

GBUTtem,内部,此报告仅供内部使用。未经本院的书面许可，其它任何机构不得擅自传阅、引用或复制。,Date：2015.3.25,仿真中电磁传播及相关基本知识,Name：南作用,GBUTtem,1,汇报主题,概述,无线电波传播信道,工程应用基础介绍,传播模型,总结,GBUTtem,2,概述,GBUTtem,3,概述了解电波环境传播意义,对于移动通信网络，其核心内容之一；移动通信环境的灵活、多变性，导致无线信号的不确定性；对电磁传播及其相关知识的了解，是移动通信网络规划的基础,电波传播理论是一门严谨的科学,却常常被忽视？,GBUTtem,4,概述移动环境电波传播特点,多径无线传播无线路径是一个很复杂的传播媒介传播介质自身受多种因素制约终端发射功率有限基站/终端的发射功率客观限制了小区的服务范围手机功耗、电磁辐射、干扰受限决定了发射功率大小干扰不确定性用户行为的不确定性“无影无形”不可见无线网络貌似简单，实则非常复杂,GBUTtem,5,概述频段介绍,不同的波段，其传播特性差异较大？,GBUTtem,6,概述频段传播特性,长波（波长1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米）长波传播：波长长，地面、其他参数对其传播的影响可忽略长波的传播比较稳定；电离层的下能反射传播；信号衰减小，对其他接受系统干扰很强烈天电干扰对长波的接收影响严重带宽有限中波传播广播波段以表面波或天波的形式传播接收场强都很稳定，可用以完成可靠的通信，如船舶通信与导航等电离层较深处才能发生反射短波传播短波可以靠表面波和天波传播。由于短波频率较高，地面吸收较强，用表面波传播时，衰减很快，可利用电离层对天波的一次或多次反射，进行远距离无线电通信。超短波和微波传播频率很高，表面波衰减大；电波穿入电离层很深，甚至不能反射回来以空间波方式传播；频带很宽；超短波和微波在传播特点上有一些差别，但基本上是相同的，主要是在低空大气层做视距传播。因此，为了增大通信距离，一般把天线架高,GBUTtem,7,本课件范围,本软件的核心算法首先采用Excel实现，并在相关的工程中进行测试验证,频段UHF：移动通信GSM900，GSM1800，WCDMA2GHz，LTE1800、LTE2300、LTE2600,GBUTtem,8,本课件内容将用于以下,本软件的核心算法首先采用Excel实现，并在相关的工程中进行测试验证,站址规划：电波传播理论有利于我们在查勘工作中对无线环境进行评估，选择天线方位角，下倾角，选择天线类型计算小区覆盖（链路预算）：结合传播模型，可在网络规划设计阶段对小区覆盖半径有定量评估传播模型校正：传播模型校正核心是传播模型网络仿真：网络仿真实质上是对无线网络覆盖、容量性能评估，其中核心环节即为传播模型,GBUTtem,9,无线电传播信道,GBUTtem,10,无线信道分类-电磁波产生,Maxwell对移动通信贡献很大；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。,GBUTtem,11,无线信道传播路径分类,直射反射（漫反射）衍射（绕射）透射（穿透）,建筑物反射波绕射波直射波地面反射波,GBUTtem,12,无线信道传播信道分析-直达径,从发射机至接收机最短路径；信号衰减最小；简单判断方法：直视、对视传播类似于自由空间传播；频率越高，要求越高,GBUTtem,13,无线信道传播信道分析-反射,类似镜面反射，入射波波长远远小于物体反射面；信号强度：与入射角度、频率、反射面材质有关，幅度减小；相位调整；幅度-a*幅度(a-相位材料的偏振性决定相位的变化很难直观判断，反射条件复杂，信号路径多,GBUTtem,14,无线信道传播信道分析-漫反射,粗糙的反射面，波长相当；信号强度：与入射角度有关，幅度减小；相位调整；信号强度:幅度-a*幅度(a随机相位偏振性影响:随机对移动通信信号贡献小,GBUTtem,15,无线信道传播信道分析-衍射/绕射,电磁波在不规则的尖角或者薄边处传播，绕射点四处扩散；障碍物大小与波长同一数量级时发生，强度与反射波想当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传播模型：锲型模型、刀刃模型、多刀刃模型,GBUTtem,16,无线信道传播信道分析-穿透传播（1）,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工程设计中，通常根据定义的无线传播环境，综合考虑该场景下建筑物材质、平均穿透层数，综合取定衰减值。,电磁波穿透墙体的反射和折射,GBUTtem,17,无线信道传播信道分析-穿透传播（2）,建筑物类型隔墙阻挡：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：5-10dB材质,GBUTtem,18,无线传播信道分析-传播分析,在某一点接收的信号，是各种传播路径过来信号综合；空旷区域：主要是直射波和反射波；建筑物密集：反射、衍射波、漫反射占主导UHF电波传播属地面波，受地形、地物和人为环境的影响严重；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）无线信道随用户的位置和时间而变化；,GBUTtem,19,无线传播信道分析-衰落分析,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：障碍物遮挡快衰落在很小的距离间隔和时间间隔上，信号强度快速变化多径效应-多径接收产生Doppler频移产生时延扩展,GBUTtem,20,无线传播信道分析-慢衰落,慢衰落的场强中值服从对数正态分布，且与位置/地点相关；其关键的指标是：线覆盖率、标准偏差、面覆盖率；通常面覆盖率作为设计要求指标，最终体现为衰落余量（dB）；根据无线环境分类，确定标准偏差；通常密集市区、市区标准偏差取定8-11dB，郊区、农村取6-8dB左右；通过积分/微分，线覆盖率和面覆盖率可相互转化，,1.28,1.64,2,简单计算：,GBUTtem,21,无线传播信道分析-快衰落-分集及多径接收,空间分集极化分集频率分集：GSM-跳频，WCDMA-扩频技术方向性分集、发射分集RAKE接收技术、信道交织、纠错编码等,GBUTtem,22,无线传播信道分析-快衰落-时延扩散,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）码间干扰，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,GBUTtem,23,无线传播信道分析-快衰落-相关带宽,定义的是一定频率范围之内，两个频率分量幅度的相似程度；频率相关函数大于0.9的某特定带宽，则Bc=1/50某一时延的统计标准差；频率相关函数大于0.5的某特定带宽，则Bc=1/5某一时延的统计标准差；,GBUTtem,24,无线传播信道分析-移动速度,Doppler效应：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,GBUTtem,25,无线传播信道分析-衰落比较,GBUTtem,26,无线传播信道分析-工程解决方法,在动态条件下，为了达到同静态条件下（只有接收机内部噪声）一样的话音质量，必需提高接收信号的强度衰落储备快衰落储备（针对快衰落，常采用快速功率控制方法加以克制）慢衰落储备噪声和干扰余量噪声人为、环境考虑在接收机噪声系数中系统内和系统间的同频及临频干扰干扰余量,GBUTtem,27,传播模型,GBUTtem,28,无线传播模型环境,无线网络规划中，研究的是大尺度、中尺度的信号传播机制；信号传播经历的路程对其传播影响较大；需要引入一种可综合反映传播路径环境的估测方法；传播模型用于预测地形、障碍物及人为环境对电波传播中路径损耗的影响。,GBUTtem,29,无线传播模型环境-统计模型,射线跟踪：本质上讲，射线跟踪将信源看成光源，计算每条光线的路径；基于无线电传播理论的理论分析；适合传播环境简单，如室内、微小区、深度覆盖产经；应用较复杂，计算量大；对传播环境3D数据的要求较高；统计模型：认为传播环境具有相关性和规律性；采用统计的方法，针对大量测试数据，进行拟合，得出可用的传播模型；方法较为成熟，目前网络仿真中广泛使用；,传播模型-射线跟踪,CrossWave/Myraid-射线跟踪模型的演进,最初原理：从天线发出上百条射线，在建筑物表面多次反射（全三维）。,一次优化：能量集中在主要路径上-简化反射次数和路径-建筑物预处理（全三维）二次优化：全三维-能量集中在垂直和水平方向，其余能量考虑合并；三次优化：垂直面采用Daygout模型，不采用射线跟踪；水平面采用射线跟踪，并将结果合并；,仿真软件中传播模型,垂直衍射；水平导向传播；山体反射；,宏蜂窝：占传播主导因素的山脉放射和楼宇的垂直衍射会被考虑微蜂窝：典型的街道峡谷效应、水平导向传播和水平衍射会被考虑。,传播模型-射线跟踪效果,统计模型,决定模型,地图数据,地图数据含：地表高度数据（DTM）地物数据（Clutter）矢量数据（Vector）建筑物高度（一般5m精度以上，DHM）航拍/卫拍影像（可选）文字标注（可选）,地图数据-精度差别引起的差异（1）,射线跟踪模型预测PathLoss的精确一定程度上取决于地图的精细程度，必要条件是建筑物高度/形状；高精度地图对建筑物采样才有实质的意义，射线跟踪传模才有使用基础；即使传统的统计模型，高精度的地图也有一定的计算精确提升。,地图数据-精度差别引起的差异（2）,地物采样和分类精度（20m及以上针对区块，5m基于单个建筑）,地图数据-精度差别引起的差异（3）,5m精度地图需要对地物/林地等信息采集，20m则未必,地图数据-精度差别引起的差异（4）,建筑物高度：20m地图针对一类地物类型统一修正，5m则对每个建筑物进行采集。,地图数据-精度差别引起的差异（5）,通常5m精度和20m精度有如下差别：20m地图针对仿真区域细节描述较为粗，显示上通常会有锯齿，50m更甚高精度地图仿真效果更为清晰、漂亮；通常5m和20m地图数据量是16倍关系，相应的计算机硬件及能力都会提升；,传播模型-射线跟踪模型的选择,高精度地图成本50m地图平均约0.6元/Km220m地图平均约15元/Km25m地图平均约1000元/Km2计算复杂度计算时间及能力,GBUTtem,41,无线传播模型环境-统计模型-传播模型,选测传播模型依据：频段、传播距离、室内/室外，基站高度、终端高度，基于此选择传播模型原型Okumura(奥村)/Hata模型适用频段：900M2000MHzCOST231-Hata模型适用频段：1500-2000MHzCOST231Walfish-Ikegami模型适用频段：800M-2000MHz规划软件Aircom的传播模型适用于900M2000M的宏蜂窝Keenan-Motley模型适用室内传播,GBUTtem,42,无线传播模型环境-统计模型-Okumura奥村,Okumura模型属于经验模型，完全建立在测量数据的基础上；它是日本的Okumura在1968年，以其在日本的大量测试数据为基础统计出；Okumura测量了各种不同地貌的传播损耗，每种情况都用一条曲线表示。由于各地的地形、地貌特征差异巨大,其中Lf为自由空间传播损耗，Amu为基本衰耗中值，与工作频率和通信距离有关，Gte、Gre为天线高度增益因子。,GBUTtem,43,无线传播模型环境-统计模型-COST-231Hata模型,COST-231Hata模型是由EUROCOST组成的COST工作委员会开发的Hata模型扩展版本；COST-231Hata模型与Okumura-Hata模型的主要区别在于频率衰减的系数不同，以及大城市中心衰减；应用频率在15002000MHz，适用小区半径大于1km的宏蜂窝系统，基站移动台有效天线高度在110m。有效天线高度在30200m，,fc(MHz)：工作频率，1502000MHzhte(m)：基站天线有效高度，30200mhre(m)：移动台天线有效高度，110md(km)：基站与移动台天线之间的水平距离a(hre)：有效天线修正因子Ccell：小区类型校正因子对于不同的地貌特征，还要考虑地形校正因子Cterrain。,GBUTtem,44,无线传播模型环境-统计模型-Okumura(奥村)/Hata模型,Okumura模型的基础上，Hata于1980年利用回归方法拟合出便于计算机计算的经验解析公式,Hata公式的预测结果非常接近原始的Okumura模型。在距离大于1Km时，计算结果差值不超过1dB。Okumura-Hata模型适合于计算机处理，因此在规划系统中应用非常普遍。,fc(MHz)：工作频率，1501500MHzhte(m)：基站天线有效高度，30200mhre(m)：移动台天线有效高度，110md(km)：基站与移动台天线之间的水平距离a(hre)：有效天线修正因子Ccell：小区类型校正因子对于不同的地貌特征，还要考虑地形校正因子Cterrain。,GBUTtem,45,无线传播模型环境-统计模型-Cost231-Walfish-Ikegami,从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。分视距和非视距两种情况：(1)视距情况基本传输损耗采用下式计算L42.6+26lgd+20lgf(2)非视距情况基本传输损耗由三项组成:LLo+Lmsd+LrtsLo=32.4+20lgd+20lgfa)Lo代表自由空间损耗b)Lmsd是多重屏蔽的绕射损耗c)Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗。可以用于小于1km的计算；可以用于基站天线高度高于和低于周围建筑物屋顶的情况在基站天线低于周围建筑物时精度会下降公式复杂，计算量大；要求环境建模：街道宽度、建筑物的高度；,GBUTtem,46,无线传播模型环境-统计模型-标准宏小区模型,L=K1+K2log(d)+K3log(HTxeff)+K4Diffraction+K5log(d)log(HTxeff)+K6(HRxeff)+Kclutterf(clutter),K1:常数(dB).K2:log(d)的乘数因子d:发射天线和接收天线之间的距离(m).K3:log(HTxeff).的乘数因子HTxeff:发射天线的有效高度(m).K4:衍射衰耗的乘数因子，它必须是正值。.Diffractionloss:经过有障碍路径引起的衍射损耗(dB).K5:log(HTxeff)log(d)的乘数因子.K6:的乘数因子.HRxeff:接收天线的有效高度(m).Kclutter:forf(clutter)的乘数因子.f(clutter):因地物所引起的平均加权损耗.,GBUTtem,47,无线传播模型环境-模型校正,以上统计传播模型原型基于人/厂商所在地区关系；每个模型客观上反应的是测试地区传播情况；如果要用于其他地区，则各个城市环境、地物地貌都有很大不同；,模型校正的目的是得出该地区的传播统计模型，以便使网络覆盖规划结果和该地区更为接近,采用校正前传播模型的传播预测图采用校正后传播模型的传播预测图,未校正的传播模型与实测结果的误差图校正后的传播模型与实测结果的误差图,GBUTtem,48,无线传播模型环境,参照ITU-RP.1411-1，结合国情,GBUTtem,49,传播模型工程中应用-链路预算,通常在网络规划、可研阶段，借以粗略的估计网络覆盖；输入参数：根据链路预算计算出来的“最大路径损耗（空中）”（考虑传播环境）（dB）不同的传播环境：不同的网络质量要求、不同的衰落余量、不同的传播模型参数；输出参数：不同传播环境下的覆盖半径（Km）输出覆盖半径是网络级的，不涉及某个小区的覆盖情况；由于是粗略估算，以上传播模型对部分参数（和地物相关）可做简化；模型可用默认参数计算，也可用校正后的模型计算；对网络覆盖的评估是无线网络设计的核心之一；,GBUTtem,50,传播模型工程中应用-链路预算-示例,WCDMA上行链路简介,GBUTtem,51,传播模型工程中应用-无线网络仿真,对无线网络仿真结果有着举足轻重的影响；主要输入的相关参数（和链路预算相当，但一般至少增加地物修正及加权因子）；每个小区的传播模型；每个小区的传播模型分配通常根据无线传播环境来分；传播模型综合考虑不同地物下的传播特性（基于校正的模型）；通常情况下，需要校正后的传播模型；输出结果丰富（接收电平、干扰、覆盖率等）；,GBUTtem,52,工程应用介绍,GBUTtem,53,工程应用-电磁辐射计算（1）,根据国家环境保护标准GB870288“电磁辐射防护规定”；对工作或者生活中电磁辐射能量有明确的要求；具体指标有：公共照射和专业照射；电磁辐射防护限值：XXXW/m2：如何计算？,GBUTtem,54,工程应用-电磁辐射计算（2）,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：,GBUTtem,55,工程应用-隧道效应,道路和两边的高楼形成狭窄的通道；其对无线电波传播具有加强的作用；这样，形成信号的长距离传输；传播的如果是无用信号，则形成的是强干扰；,天线,天线,GBUTtem,56,工程应用-高站（1）,GBUTtem,57,工程应用-高站（2）,GBUTtem,58,工程应用-高站（3）,“高站”对于自干扰系统，是个“致命”的字眼！其他小区-越区；对于本小区-高站“塔下黑”，其他小区也可能“越区”进入；高站接入的终端发射功率增加，干扰增加，该小区负载增加；小区覆盖率降低，与正常小区相比，增加10dB的传播损耗；最严重的是高站给整个网络带来的干扰及潜在的优化问题；,GBUTtem,59,工程应用-高站（高站4）,解决方案：重新选符合要求的站点，或者降低高度；选择智能、电调天线；调整小区负载门限，降低导频、公共控制信道发射功率；,GBUTtem,60,工程应用-倾角-机械/电调,电下倾,GBUTtem,61,工程应用-倾角计算,通常通过下面公式来从理论上来测算天线下倾角的设置：=arctg(h/R)A/2-天线的俯仰角h-天线的高度R-小区的覆盖半径A-天线的垂直平面半功率角在实际的设置中，一般在由此得出的俯仰角角度的基础上再加上1-2度，使信号更有效地覆盖在本小区之内，再通过路测实地考察下倾角设置的正确性,GBUTtem,62,工程应用-单极化,垂直极化,水平极化,-45度倾斜的极化,+45度倾斜的极化,GBUTtem,63,工程应用-双极化,两个天线为一个整体传输两个独立的波,GBUTtem,64,工程应用-极化,当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例,当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都会产生dB的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；,GBUTtem,65,工程应用-dBD/dBi,一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射,对称振子的增益为2.14dB,一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器(点源）相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.14dBi,GBUTtem,66,工程应用-天线方向性图-增益,对称半波振子方向图,顶视,侧视,定向天线方向图,全向天线方向图,GBUTtem,67,工程应用-天线方向性图-波瓣宽度（1）,水平半功率角与垂直半功率角；最大辐射方向功率下降一半（3dB）的两点之间的波束宽度；基站天线水平半功率角有360、210、120、90、65、60、45、33等；垂直半功率角有6.5、7、10、13、16等,GBUTtem,68,工程应用-天线方向性图-波瓣宽度（2）,在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣；最大的瓣称为主瓣；其余的瓣称为副瓣；主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强,方位即水平面方向图,120(eg),峰值,-10dB点,-10dB点,10dB波束宽度,60(eg),峰值,-3dB点,-3dB点,3dB波束宽度,15(eg),Peak,Peak-3dB,Peak-3dB,32(eg),Peak,Peak-10dB,Peak-10dB,俯仰面即垂直面方向图,GBUTtem,69,工程应用-天线方向性图-波瓣宽度（3）,天线是一种能量集中的装置；在某个方向辐射的增强意味着其他方向辐射的减弱；通常可以通过水平面波瓣宽度的缩减来增强某个方向的辐射强度以提高天线增益；在天线增益一定的情况下，天线的水平波束宽度与垂直波束宽度成反比,GBUTtem,70,工程应用-天线楼面设置（1）,天线周围的净空要求为50100m，即天线底部应高出周围环境5m（第一菲涅尔区半径）；如果天线安装在墙面，天线发射方向尽量与墙面垂直，如有夹角，要求不小于75度；基站天线安装应注意在其覆盖区内是否会产生较大的阴影。应尽量避免天线主瓣被高大建筑物、山体所阻挡；用大楼顶面安装定向天线时，天线位置应尽量靠近楼边，避免大楼的边沿阻挡波束；天线离开楼顶的高度应该保证第一菲涅尔余隙无阻挡，工程设计中应避免天线主瓣方向到大楼边沿的距离超过30米,GBUTtem,71,工程应用-天线楼面设置（2）,障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙,x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙；在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.5x1；当x0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为6dB；,GBUTtem,72,工程应用-天线分集距离,移动台通常使用间距在0.5以上的两个接收天线就可以得到两个几乎不相关的信号；基站相关