电波的传播特性

1、1,电波的传播特性,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,2,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 难点 任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测 目的和要求 了解衰落对信号传输的影响 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,3,7.1 无线电波,无线电波的概念 电波的传播方式,4,1.无线电波的概念,无线电波的概念 无线电波是一种能量的传输形式 电场和磁场在空间交替变换，向前行进 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,5,

2、无线电波的传播速度 传播速度和传播媒质有关 真空中的传播速度等于光速(3108ms ) 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) 不同介质中传播速度不同、波长不同,6,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接收过程中会产生极化损失 极化的类型 线极化 水平极化、垂直极化 +45倾斜极化、- 45倾斜极化 椭圆极化 圆极化,7,8,双极化天线 两个天线为一个整体，有两个独立的波，这两个

3、波的极化方向相互垂直 类型 V/H（垂直/水平）极化 倾斜（+45/-45 ）极化,9,7.1.2 电波的传播方式,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 一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间 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 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 直射、反射、绕射、散射,10,微波传播特性 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 视距传播 多径传播 绕射能力弱 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,11,电波在建筑物内传播的类型

4、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,12,7.2 电波传播中的衰落,电波传播的衰落特性 场强估算模型,13,7.2.1 电波传播的衰落特性,1.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 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

5、（多径效应）瞬时值有快速、大幅度的变化（快衰落,14,2.表征衰落的统计数字特征场,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,15,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 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 衰落深度=20Lg（Ei/Eo

6、) 若为电平值，则衰落深度= Ei-Eo,16,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/h）、f（MHz） 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,17,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,18,7.2.2 场强估算模型,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 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,19,以日本东京城市场

7、强中值实测结果得到的经验曲线构成的模型。 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 适用范围： 频率：100MHz1500MHz BTS天线高度：30 m 200m MS天线高度：1 m10m 传播距离： 1km 20km,1.OM模型(Okumura-M.Hata奥村哈达,20,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 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 适用范围： 频率：

8、25MHz 470MHz 传播距离： 60km 以内,2. Egli模型,21,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。 适用范围： 频率：30MHz 3000MHz 传播距离：1 几百公里,3. BM（Bullingron,22,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 应用分两种情况： 高基站天线-非视距NLOS 低基站天线-视距LOS,4. cost231模型,23,7.3 电波传播特性预测,OM模型 任意地形地物信号中值的预测 场强中值变动分布及预测 覆盖设计,24,7.3.1 OM模型,模型：城市视为准平滑地形，给出经验曲线 其他地形地物

9、情况则给出修正值 OM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性 不规则地形修正因子 其他因素对电波传播的影响,25,1.地形、地物的分类,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 丘陵地形 孤立山岳 倾斜地形 水陆混合地形,26,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 开阔地：无较大树木、建筑物等障碍物准开阔地 郊区：障碍物不稠密 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,27,天线有效高度 基站天线有效高度hb = hta -hga hga：从基站天线架设点起315

10、km距离内的平均地面海拔高度 hta：基站天线架设的海拔高度 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,28,2.准平滑地形上的电波传播,自由空间的传播损耗 市区传播衰耗中值的预算 郊区、开阔地传播衰耗中值的预算 预算中的注意点,29,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 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,30,基本衰耗中值Am(f,d) 基站天线有效高度增益因子Hb(h

11、b,d) 移动台天线有效高度增益因子Hm(hm,f) 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,31,基本衰耗中值Am(f,d) hb=200m hm=3m 参数：f、d,32,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,33,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,34,自由空间传播衰耗 Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz) 准平滑市区传播衰耗中值 L市区=Lbs+ Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f,35,3）郊区、开阔

12、地传播衰耗中值的预算,郊区修正因子Kmr的预测 参数：f，d,36,开阔地修正因子QO准开阔地修正因子Qr 参数：f,37,3.不规则地形修正因子,丘陵地修正因子 孤立山岳的修正因子 斜坡地形的修正因子 水陆混合地形修正因子,38,1）丘陵地修正因子,丘陵地：连绵、起伏高度有限,39,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) 在丘陵地预测时，须同时使用Kh和Khf,40,2)孤立山岳的修正因子,孤立山岳：山岳近似刃形，单

13、独(背面考虑绕射衰耗) 孤立山岳的修正因子Kjs 基准：山岳高度H=200m 参数： 山岳到发射点距离d1 到接收点距离d2 当H200m时，修正因子为,41,3)斜坡地形的修正因子,斜坡地形：510km内地形倾斜 正斜坡：电波传播方向上地形逐渐增高， 倾角为+m (mrad) 负斜坡：地形逐渐降低，倾角为-m 斜坡地形的修正因子Ksp 参数 倾角m 收发天线间距d,42,水陆混合地形：区域中既有水面，又有陆地 水陆混合地形修正因子Ks(0) 水域信号比陆地强 参数 水面位置位于BTS侧/MS侧 水面距离与全距离比例 全距离d,4)水陆混合地形修正因子,43,街道走向/修正因子Kaf /Kac

14、 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 横向：电波传播方向与街道垂直 Kac0，表示场强中值 低于基准场强中值,4.其他因素对电波传播的影响,44,不同的材料、结构和楼房层数，其吸收衰耗的数据都不一样。一般的传播模型都是以街心或空阔地面为假设条件，如果移动台在室内使用，计算传播衰耗和场强时，需把建筑物的穿透衰耗也计算进去 树木、植被对电波有吸收作用。在传播路径上，由树木、植被引起的附加衰耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树林的路径长度等多方面的因素,45,7.3.2 任意地形地物信号中值预测,任意地

15、形地物衰耗中值LA的预测 LA=LT-KT LT=Lbs+Am-Hb-Hm KT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+Ks+Kaf/Kac 信号中值Ppe的预测 任意地形地物接收功率Ppe=PP+KT 准平滑市区接收功率PP=Po-Am+Hb+Hm 自由空间下接收功率Po,46,7.3.3 场强中值变动分布及预测,影响通信可靠性的重要因素是场强的变化特性 1.场强中值变动分布 场强瞬时值变动规律(随位置) 50m样本区间区间内场强累积分布 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) 12km样本区

16、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 市区：近似正态分布 郊区、丘陵地：近似正态分布,47,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,48,接收信号中值随时间变化服从正态分布 分布随时间、位置变化的标准偏差D为收发天线间距，h为地形波动高度,49,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,50,2.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

17、随位置变化远大于随时间的变化，因此，时间概率可忽略 中值随位置呈正态分布,51,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,52,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。 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,53,7.3.4 覆盖设计,传播模型的选用及修正 不同模型适用于不同的应用环境 模型的适用范围 当地的传播条件 常用模型的比较 各种模型在预测时都会存在误差，这是由于各地的

18、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,54,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,55,系统均衡 基站覆盖区 MS接收信号强度高于设计值90%以上的区域 保证通信，满足双向灵敏度要求 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,56,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