无线传播特性20040520

1、无线传播特性华为公司华为公司 无线网络规划部无线网络规划部2004年年5月月目目 录录一、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不同的频段内的频率具有不同的传播特性电场电场电场电场电场电场振子振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场电磁波的产生电磁波的产生根据根据Maxwell方程组：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。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。交

2、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。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。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）（当辐射源是各向同性的理想点源时）：在三维空

3、间以球面波的形式传播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、反射物传播介质不同，空气、障碍物、反射物无线传播的理论基础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，此时该点源称为该点源称为各向同性辐射源各向同性辐射源假设点源发射功率为假设点源发射功率为Prad (W)，在距离，在距离d (m)处的单位面积功率（即处的单位面积功率（即Poynting矢量）为：矢量）为：对于实际天线，若辐射功率为对于实际天线，若辐射功率为Pt (W)，天线增益为，天线增益为Gt (dBi) ，则，则Poynting

4、矢量为：矢量为：)(W/m 422dPPradfs)(W/m 422dGPPttfs无线传播的理论基础无线传播的理论基础若接收天线有效接收面积为若接收天线有效接收面积为Ae (m2)，增益为，增益为Gr (dBi) ，则两者关系：，则两者关系：)(m G42r2eA因此在距离因此在距离d处接收到的功率为：处接收到的功率为：)(W GGPd)(44 4rtt2222rttefsrGdGPAPP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：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：)(dB )d4log(20)GG1log(10rttrfsPPL)(dB log20

5、log204532)(f)(d.LMHzkmfs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目 录录一、无线传播基本原理一、无线传播基本原理二、无线传播的特点二、无线传播的特点三、无线传播模型三、无线传播模型四、模型校正四、模型校正建筑物反射波建筑物反射波绕射波绕射波直射波直射波地面反射波地面反射波无线传播的特点无线传播的特点陆地移动通信的电波传播机制陆地移动通信的电波传播机制实际环境的无线实际环境的无线传播传播LOS和和NLOS无线信道特征无线信道特征d (m)Pr (dBm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落快衰落快

6、衰落无线信道随用户的位置无线信道随用户的位置和时间而变化和时间而变化多径散射、阴影遮挡使多径散射、阴影遮挡使得接收功率发生剧烈变得接收功率发生剧烈变化化慢衰落慢衰落衰减：衰减：PrPr正比于正比于1/dn阴影：障碍物遮挡阴影：障碍物遮挡快衰落快衰落多径效应多径效应p在很小的距离间隔和时间间隔上，信号强在很小的距离间隔和时间间隔上，信号强度快速变化度快速变化p产生产生Doppler频移频移p产生时延扩展产生时延扩展分集技术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

7、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 500 m天线安装于室外，高于周围屋顶平均高度Micro-cell100500m天线安装于室外，低于周围屋顶平均高度Pico-cell100m天线安装于室内或室外，低于周围所有屋顶高度其它新的小区分类，如 Mini-cell目目 录录一、无线传播基本原理一、无线传播基本原理二、无线传播的特点二、无线传播的

8、特点三、无线传播模型三、无线传播模型四、模型校正四、模型校正确定性模型确定性模型p自由空间模型自由空间模型p双线模型双线模型pRay TracingRay Tracing传播模型分类传播模型分类经验模型经验模型pOkumura-HatapCOST231-HatapCOST231 Walfish-IkegamipKeenan-Motley半经验模型半经验模型p计算机辅助计算模型计算机辅助计算模型 Okumura-Hata COST231-Hata COST231 Walfish-Ikegami 室内传播模型 计算机辅助计算模型 常用传播模型常用传播模型自由空间传播模型自由空间传播模型Lfs=91

9、.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）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。气介质近似于各向同性介质。)(dB log20log204532)(f)(d.LMHzkmfsOkumura-Hata模型模型市区市区:Lu (dB) = 69.55 + 26.16*log(f) 13.8

10、2*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模型模型郊区：郊区：Lsu (dB) = Lu 2*log(f/28)2 5.4乡村半开阔地：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：乡村开阔地：Lro (dB)

11、 = Lu 4.78*log(f)2 + 18.33*log(f) 40.94Okumura-Hata模型模型适用范围：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模型模型市区：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*H

12、m 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模型模型适用范围：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COS

13、T 231 Walfish-Ikegami模型模型 基站与移动台之间无可视路径（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（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模型模型适用范围：适用范围：频率范围 f:8002000MHz基站天线高度

14、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

15、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 80)(lo

16、g21)(log18)(log)1041 (401010103fhRhLbb 3GPP推荐的传播模型现有模型的适用性现有模型的适用性 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：p城市建筑物的影响考虑不完善p密集城区街道的波导效应没有考虑p模型校正工作量巨大 华为在香港3G项目规划时，采用 Ray TracingRay Tracing 模型Ray Tracing 模型模型 经验模型，如Okumura-Hata、COST231-HATA、COST231 WI

17、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 模型模型 香港岛、九龙Ray Tracing 模型模型 香港岛局部Ray Tracing 模型模型

18、COST231-Hata预测结果Ray Tacing预测结果 预测结果差异目目 录录一、无线传播基本原理一、无线传播基本原理二、无线传播的特点二、无线传播的特点三、无线传播模型三、无线传播模型四、模型校正四、模型校正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 选择站址原则选择站址原则a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。a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）。a多种模型：如果测试环境需要用