第3讲-无线电波传播理论

1、第三章 无线电波传播理论,参考书目： 樊昌信.通信原理 马玉珉.通信系统理论 闻映红.天线与电波传播理论 马华兴.传播模型优化的研究,主要内容： 3.1 无线电波传播机制 3.2 无线电波衰落特性 3.3 无线电波传播模型,3.1无线电波传播机制,无线电波传播特性的研究和了解是移动通信网络规划和建设的基础,从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。,无线电波是无线通信中信息传播的载体 无线电波无处不在： 无线广播 无线电视 卫星通信 移动通信 雷达,通常无线电波所指的是从极低

2、频10KHz到极超高频的顶点300GHz（Giga Hertz）。通常划分成八个区域，参看下表：,移动通信中频段的划分为：,由上表可以看出移动通信频段位于UHF频段范围内。,在不同的频段内的频率具有不同的传播特性： 频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力越强。但是，低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、电视、寻呼等系统。 高频段频率资源丰富，系统容量大；但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，绕射能力越弱。另外频率越高，技术难度越大，系统的成本也相应提高。 移动通信系统选择的UHF频段与其他频段相比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好。随着人们对移动通信的需求越来越多，

3、需要的容量越来越大，移动通信系统必然要向高频段发展。,无线传播环境十分复杂，传播方式多种多样，几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。 直射： 直射是无线电波在自由空间传播的方式。自由空间是一个理想的无限大的空间，是为了减化问题的研究而提出的一种科学的抽象。在自由空间的传播衰落不考虑其它衰落因素，仅考虑由能量的扩散而引起的损耗。,反射： 当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。,绕射： 当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。 绕射使得无线电信号能够传播到阻挡物后面。,散射： 当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体

4、、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、灯柱等。,建筑物反射波 绕射波 直达波 地面反射波,基本原理传播路径,在一个典型的蜂窝移动通信环境中，在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。 无线电波以视距内直射波、反射波和散射为主要传播方式，大部分情况是移动台附近散射体产生的多个反射波。这些经过不同传播路径到达接收机的信号将具有不同的幅度和相位，它们的合成效果将导致接收机收到的信号变得非常复杂，即多径传播模式。,3.2无线电波衰落特性,无线电波传播极其复杂，存在直射、反射、绕射和散射等多种传播方式和

5、多径，会引起严重的信号衰落 。 基站发出的无线电信号的传播路径损耗受地面地形地物的影响很大，基站越高信号传得越远 。 无线电波传播还和频率相关，频率越高，传播路径损耗越大，绕射能力越弱，传播的距离也越近。,根据衰落对无线信号造成的影响，无线电波在无线空间中传输时经历的衰落分为3类: 平均路径损耗平均接收信号的强度与距离长度增加的某次幂成反比变化 阴影衰落当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，其局部中值电平随地点、时间以及移动台速度做比较平缓的变化， 称为慢衰落。 多径衰落由于多径传播引起的衰落。接收处合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰

6、落。,根据接收信号场强变化的大小，无线电波在无线空间中传输时经历的衰落分为3类损耗: 大尺度衰落描述由距离引起的信号的衰减，大尺度区间（数百或千米）内接收信号强度随发射接收距离变化的特性 中尺度衰落中等尺度区间（数百波长）内接收信号强度中值的慢速变化特性 小尺度衰落小尺度区间（数十波长）内接收信号场强瞬时值的快速变化特性,根据接收信号场强变化的作用时间，无线电波在无线空间中传输时经历的衰落分为2类损耗: 慢衰落接收信号强度下降，但该场强中值随地理改变变化缓慢，故称慢衰落。又称为阴影衰落。 快衰落在足够短的时间间隔内接收信号强度的快速变化，并且合成波的振幅和相位随移动台的运动起伏变化很大 ，称为

7、快衰落。,在蜂窝环境中有两种影响：第一种是多径，从建筑物表面或其他物体反射、散射而产生的短期衰落；第二种是直接可见路径产生的主要信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。,传播损耗自由空间传播损耗,自由空间的传播损耗可以由下式表示： 其中f为频率(MHz)，d为距离(km)。上式与距离d成反比，当距离增加一倍时，自由空间的路径损耗增加6dB。同时，减小波长提高频率也会使路径损耗增大。当已知频率f还可以简化上式： 称为路径损耗倾斜因子。在实际蜂窝环境中，随着环境的不同的取值范围在26之间变化。,传播损耗反射损耗,传播损耗其他传播损

8、耗,绕射损耗 穿透损耗,在分析山区或者城市中摩天大楼密布的密集市区的传输损耗时，通常还要分析绕射损耗和穿透损耗。一般室内的电波分量是穿透分量和绕射分量的叠加。,绕射损耗,特点： 电磁波在绕射点四处扩散 绕射波函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,建筑物穿透损耗,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,电磁波穿透墙体的反射和折射,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：

9、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,阴影衰落（慢衰落）： 它是由于电波传播路径上的障碍物的阻挡而产生的损耗。当电波传播路径上遇到高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。这种衰落变化率较慢，服从对数正态分布，又称为慢衰落。,多径衰落（快衰落）： 无线电波通过反射、绕射和散射等传播途径建立收发的无线链路，接收处合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化。这种由于多径传播引起的衰落称为多径衰落或快衰落，服从瑞利分布。,为了对抗多径传播而引起的衰落，移动通信采用分集接收技术。 分集

10、接收：是指接收端对它接收到的多个衰落特性相互独立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。 分集的含义：一是分散传输，使接收端能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并（包括选择与组合）以降低衰落的影响。,空间分集 在空间设立两副接收天线，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小。 两天线间隔距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。所谓相关性是指信号间相似的程度。 空间分集是GSM数字移动通信系统中最常用的一种分集方法。,极化分集 由于移动台的小型化，对移动台接收采用空间分

11、集一般比较困难，在固定基站上采用大距离的空间分集也不可能总行得通。 把两副接收天线的极化方向互成一定的角度进行接收，可以获得较好的分集效果 。极化分集可以把两副天线集成在一副天线内实现，这样对于一个小区只需一副发送天线和接收天线即可，如果采用双工器，则只需一副收发合一的天线，大大减少了天线的数量。,时间分集 采用一定的时延来发送同一消息或者在系统所能承受的时延范围内在不同的时间内发送消息的一部分 。 时间分集的弊病是导致信道容量能离减少，因为相同的码组被发射几次，而不管传输信道的信能如何。 在移动通信系统中，交织与纠错编码就是一种有效和实用的时间分集方法。,频率分集 频率分集是指用两个以上的频

12、率同时传送一个信号，在接收端对不同频率的信号进行合成，利用不同频率的无线载波的不同路径减少或消除衰落的影响。 由于频率资源的限制，在移动通信系统中一般不采用这种分集技术。,抗多径衰落技术分集接收,分集的含义 接收机对多个携带同一信息且衰落特性相互独立的接收信号处理后达到克服多径衰落的目的,两种处理方法： 选择信噪比最大的信号 最大比率合并信号（同相和加权方式）,空间分集,信道均衡克服码间干扰,自适应均衡器,多普勒频移,多普勒频移：由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率和波源发出的频率之间发生变化。 快速运动的移动台会产生多普勒频移现象，这是因为在移动台高速运动时接收和发送信

13、号将导致信号频率发生偏移而引起的干扰。接收机收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值。,高速技术-AFC自动频率校正,f：接收频率 fc：工作频率 fd：多普勒频移 v：速度 ：波长 ：夹角,问题: 高速引起无线频率偏移-多普勒频移 解决: 自动频率矫正技术可以有效克服频率偏移，确保无线链路质量 支持最高速度: 超过500km/h 适用业务：语音、CSD、GPRS,3.3无线电波传播模型,无线传播模型是计算电磁波在传播过程中的传播损耗的数学模型。 传播模型是十分重要的，是移动通信网规划的基础。无线电波的传播模型就是通过实际的测量，并借助计算机，对不同区域的测量结果进行曲线拟合，最

14、终勾勒出电波在不同地形条件的传播公式。 传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。,无线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,参照ITU-R P.1411-1，结合中国国情，传播环境分类如下：,不同小区类型,宏小区（宏蜂窝）：覆盖半径大于1km 微小区（微蜂窝）：覆盖半径在0.11km之间 微微小区（微微蜂窝）：覆盖半径在0.010.1km之间,

15、宏小区,宏小区（宏蜂窝） 覆盖半径通常大于1Km 高发射功率，大于10W，最高可达80W甚至更高 高增益天线，天线高过周围环境 常用于郊区、农村、公路等覆盖,微小区,微小区（或微蜂窝） 覆盖半径在0.11公里之间 发射功率通常大于1W 中等增益天线，天线架设在和周围环境高度相当或者更低的位置 常用于话务热点或小盲区的连续覆盖,微微小区,微微小区（或微微蜂窝） 微微小区的典型半径是在0.010.1km之间 发射功率通常只有几十毫瓦 小增益天线，在屋顶下面或者在建筑物内 常用于写字楼、商场、宾馆、会议中心等对覆盖要求高和高话务量的区域,常用传播模型,自由空间传播模型 Okumura(奥村)/Hat

16、a模型 COST231-Hata模型 COST231 Walfish-Ikegami模型 Keenan-Motley模型 计算机辅助计算模型,自由空间传播模型,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。,Lo=91.48+20lgd, for f=900MHz Lo=97.51+20lgd, for f=1800MHz Lo=98.84+20lgd, for f=2100MHz,适用范围： 频率范围 f: 150-1500MHz 基站天线高度 Hb: 30-200m 移动台高度 Hm: 1-10m 距离 d

17、: 1-20km,Okumura-Hata模型,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 城区类型：郊区、开阔地、准开阔、农村等。,Lp = 69.55 + 26.16 log f 13.82 log hb+ (44.9 65.5 log hb ) log d Ahm Lp从基站到移动台的路径损耗单位dB f载波频率单位MHz hb基站天线高度单位米 Hm移动台天线高度单位米 D基站到移动台之间的距离单位km 对于中等城市或大城市修正 Am = (1.1 log f 0.7)hm (1.56 log f 0.8) 在郊区传播模型可以修正为

18、 Lps = Lp(市区) 2log(f /28)2 5.4 在开阔地传播模型可以修正为 Lpo = Lp(市区) 4.78(log f)2 + 18.33 log f 40.94,路径损耗,举例：GSM-R下行链路工作频段930-934MHz。 计算选取频点f=932MHz，基站高度为35米、45米、50米的情况下，分别计算手持台（天线高度：1.5m）和机车台（天线高度：4.5m ）的路径损耗。,适用范围： 频率范围 f: 1500-2000MHz 基站天线高度 Hb: 30-200m 移动台高度 Hm: 1-10m 距离 d: 1-20km,COST 231-Hata模型,宏蜂窝模型 基站

19、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,Lu (dB) = 46.3 + 33.9 log(f) - 13.82 log(Hb) - a(Hm) +44.9 - 6.55log(Hb) log(d) + Cm 其中：a(Hm) =1.1 log(f) - 0.7 Hm -1.56 log(f) - 0.8 Cm = 0 dB 对于中等城市和郊区中心区 Cm = 3 dB 对于大城市 对于农村准开阔地 Lrqo (dB) = Lu - 4.78 log(f)2 + 18.33 log(f) - 35.94 对于农村开阔地 Lro (dB)

20、 = Lu - 4.78 log(f)2 + 18.33 log(f) - 40.94,适用范围： 频率范围 f:800-2000MHz 基站天线高度 Hbase:4-50m 移动台高度 Hmobile:1-3m 距离 d:0.02-5km 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(),COST 231 Walfish-Ikegami模型,市区环境，宏蜂窝或微蜂窝 郊区环境或乡村环境不适用,Cost-231-Walfish-Ikegami模式公式 视距情况基本传输损耗采用下式计算L42.6+26lgd+20lgf 非视距情况基本传输

21、损耗由三项组成:LLo+Lmsd+LrtsLo=32.4+20lgd+20lgf Lo代表自由空间损耗 Lmsd是多重屏蔽的绕射损耗 Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗。,Keenan-Motley模型,在自由空间传播模型的基础上增加了墙壁和地板的穿透损耗 P墙壁损耗参考值，W墙壁数目 主要适用室内环境 没有考虑到多径的影响,Pathloss=K1+K2lgd+K3(Hms)+K4lg(Hms)+K5lg(Heff)+K6lg(Heff)lg(d)+K7+Kclutter,Pathloss：路径损耗(dB) K1： 与频率相关的常数 K2： 距离衰减常数 K3、K4：移动台天线高度修正系数 K5、K6：基站天线高度修正系数 K7： 绕射修正系数 Kclu