无线电波传播

无线电波传播第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三主要内容电波传播概述大尺度路径损耗小尺度路径损耗对数正态阴影模型链路预算2第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第一部分电波传播概述第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制：反射：当电磁波遇到比其波长大得多得物体时发生反射，发射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射：当接收机与发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。概述4第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三绕射使得无线电信号能够传播到阻挡物后面，绕射损耗可用费涅尔区解释。费涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距长度大nλ/2的连续区域。费涅尔区的半径为：5第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三6第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三由于不同物体间的反射、绕射和散射，产生了：大尺度路径损耗——幂定律小尺度路径损耗——瑞利分布对数正态阴影衰落——正态分布7第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三8第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第二部分大尺度路径损耗第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三大尺度路径损耗发射机与接收机之间长距离（几百米或几千米）上的场强变化传播模型经验模型：根据大量的测量结果统计分析后导出的公式，如HATA模型、COST231模型；确定性模型：对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法，如自由空间模型；半确定性模型：基于确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的等式，如WIM模型。10第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三自由空间传播模型预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强适用范围：卫星通信系统和微波视距无线链路自由空间路径损耗为：11第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三HATA模型适用范围：适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。频率f：100～1500MHz距离d：1～20km基站天线高度hb：30～200m移动台天线高度hm：1～10m12第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三路径损耗公式：市区：L(dB)=69.55+26.16logf-13.82log(hb)+[44.9-6.55log(hb)]log(d)-a(hm)中小城市：a(hm)=(1.1logf-0.7)hm-(1.56logf-0.8)

大城市：a(hm)=3.2(log11.75hm)2-4.97

13第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三郊区：L(dB)=L(市区)-2[log(f/28)]2-5.4

乡村（准开放）：L(dB)=L(市区)-[log(f/28)]2-2.39(logf)2+9.17logf-23.17

乡村（开放）：L(dB)=L(市区)－4.78(logf)2+18.33logf-40.9414第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三频率基站高度移动台高度900MHz50

m1.5m15第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三COST231模型适用范围：HATA模型的扩展，适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。频率f：1500～2000MHz距离d：1～20km基站天线高度hb：30～200m移动台天线高度hm：1～10m16第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三路径损耗公式：L(dB)=46.3+33.9logf-13.82log(hb)+[44.9-6.55log(hb)]logd-a(hm)+Cma(hm)与HATA模型相同Cm=0dB中等城市和郊区Cm=3dB大城市中心17第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三COST231-Walfish-Ikegami模型适用范围：适用于宏小区和微小区，但不适用于微微小区。频率f：800～2000MHz距离d：0.02～5km基站天线高度hb：4～50m移动台天线高度hm：1～3m18第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三路径损耗公式：视距路径：L(dB)=Lfs+10.19+6logd其中，Lfs=自由空间损耗=32.45+20logd+20logf非视距路径：L(dB)=Lfs+Lrts+LmdsLrts=从屋顶到街面的衍射和散射损耗Lmds=多遮蔽物衍射损耗19第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第三部分小尺度路径损耗第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三小尺度路径损耗无线信号在经过短距离（几个波长）或短时间（秒级）的传播后其幅度快速衰落。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的。多径衰落通常是围绕由大尺度路径损耗模型和阴影衰落所确定的平均电平而随机起伏，其统计分布服从瑞利分布。21第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三小尺度衰落的影响：多径传播时延扩展多普勒频移频率选择性衰落时间选择性衰落现代移动通信系统中，一般采用分集技术对付多径衰落，对接收到的几路信号进行合并或选择其中最好的一个信号。22第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三相关概念（1）多普勒频移fd：移动台或周围物体运动时的路径差造成接收信号相位的变化引起多普勒频移。多普勒频移与移动台运动速度及运动方向、与电波入射方向之间的夹角有关。多普勒扩展Bd：多普勒功率谱不为0的频率范围。其值等于最大多普勒频移fm。23第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三相关概念（2）相干时间Tc：多普勒扩展在时域的表示，信道特性没有显著变化的持续时间。比特持续时间小于信号相干时间Tc时，信道衰减和相移对于至少一个比特持续时间内基本上固定不变，此时，信道呈现慢衰落性。否则，信道呈现快衰落性，引起信号失真。因此，必须保证数据速率大于信道的频率衰落速率1/Tc。24第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三速度(km/h)80120160200250300350多普勒扩展(Hz)67100133167208250292相干时间(μs)634542303172253820301692145025第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三26第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三27第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三相关概念（3）时延扩展：经不同路径达到接收机的时间不同引起时延扩展。时延扩展一般用均方根时延扩展τrms表示。相干带宽Bc：两个接收信号的幅度、相位具有高度相关性的频率范围。信号带宽超过相干带宽时，信道呈现平坦衰落性；否则，信道呈现频率选择性衰落，引起码间干扰。因此，必须保证数据速率小于信道的时延衰落速率Bc。28第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三相关概念（4）电平通过率NR：信号包络沿正向通过某一规定电平的速率。平均衰落持续时间：接收信号低于某一特定电平的持续时间。29第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三电平通过率30第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三平均衰落持续时间31第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三分集技术分为两类：微分集：只利用接收机进行分集，接收同一发射点发射的不相关或微相关的同一信息信号，各接收分支接收到的信号被同时衰落的概率很小。用来对付多径效应。宏分集：允许一个移动台同时接收几个基站来的信号或发给几个基站信号。用来对付阴影衰落。分集技术（1）32第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三在实际的移动通信中，存在三种选择性衰落，它们的形成都是由多径传播引起的：由于快速移动用户附近物体的反射，在频域上产生多普勒扩散，引起时间选择性衰落；由远处山丘与高大建筑物反射，使信号在时域和空间角度上产生扩散，引起频率选择性衰落和空间选择性衰落；由基站附近建筑物和其他物体的反射，影响达到天线的信号入射角分布，引起空间选择性衰落。分集技术（2）33第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三一般在基站上使用微分集技术时间分集：在不同时刻发射相同的信息，时刻间隔大于或等于相干时间，不同时间的衰落是不相关的。如交织与纠错编码。频率分集：由多个载频发射同一信号，载频间隔大于或等于相干带宽，不同频率的衰落是不相关的。由于频率资源有限，一般不采用。如调频。空间分集：使用相隔0.5λ~0.8λ的两个接收天线，接收到的信号可认为是不相关的。极化分集：使用正交极化的接收天线，可以合并在一个天线单元内。分集技术（3）34第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第四部分阴影衰落第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三阴影衰落基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响，接收信号服从均值为0的对数正态分布。计算一个移动通信系统的阴影衰落时，通常会用到小区边缘通信概率或区内通信概率。小区边缘通信概率：小区边缘接收电平高于某一特定值γ的概率；区内通信概率：小区内接收电平高于某一特定值γ的概率。36第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三小区边缘通信概率区内通信概率37第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三小区边缘通信概率与区内通信概率的关系38第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三衰落储备的计算39第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三移动类型功率等级通信地点高度覆盖等级最小电平分类车上手持台2w车箱内1.5m85%－98dBm1沿线手持台2w全线1.5m90%－98dBm2无线列调机车台8w全线4.5m95%－95dBm3列控机车台8w全线4.5m98%－92dBm440第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三MS1MS2MS3MS4未考虑阴影衰落的接收功率-97-97-99-99区内通信概率85％90％95％98％边缘通信概率63.5％73.5％85％93.5％最小电平-98-98-95-92考虑阴影衰落的接收功率-95-93-87-81阴影衰落储备241218当σ=7，n=3.5时41第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三42第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三第五部分链路预算第四十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三对于陆地移动通信系统，传播路径损耗和阴影衰落将影响系统的覆盖范围，而多径衰落将影响信号的传输质量。发射机和接收机之间增益和损耗一般用链路预算来表示。44第四十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三参数频率基站高度移动台高度环境900MHz40m1.5m城市RXTX2W移动台天线增益0dBi馈线及接头损耗0dB输出功率33

dBm天线增益电缆及接头损耗

接收灵敏度-104

dBm12

dBi选择项接收分集增益5dB路径损耗人体损耗3dB区内通信概率90%:-98

dBm阴影衰落储备4dB基站RXmRXd

耦合系统快衰落保护储备3dB环境噪声保护2dB4dB绝缘子和耦合损耗0dB上行链路预算45第四十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三参数频率基站高度移动台高度环境900MHz40m1.5m城市RXTX移动台天线增益0dBi电缆及接头损耗0dB灵敏度-102

dBm天线增益电缆及接头损耗耦合和绝缘子损耗

12

dBi3dB选择项接收分集增益0dB路径损耗人体损耗3dB区内通信概率90%:-98dBm阴影衰落储备4dB20W基站最大发射输出功率RXmRXd

43

dBm耦合系统快衰落保护储备3dB环境噪声保护2dB4dB下行链路预算46第四十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三额定功率2w移动台的链路预算表链路参数上行下行接收部分BTSMS接收灵敏度-104-104快衰落保护储备33耦合和电缆