第7章电波的传播特性

1、1 第7章 电波的传播特性 2 l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 3 l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 l难点 任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测 l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 4 l无线电波的概念 l电波的传播方式 5 l无线电波的概念 无线电波是一种能量的传输形式 l电场和磁场在空间交替变换，向前行进 l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 6

2、l无线电波的传播速度 传播速度和传播媒质有关 l真空中的传播速度等于光速(3108ms ) l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) l不同介质中传播速度不同、波长不同 7 l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 l线极化 水平极化、垂直极化 +45倾斜极化、- 45倾斜极化 l椭圆极化 l圆极化 8 9 双极化天线 l两个天线为一个整体，

3、有两个独立的波，这两个 波的极化方向相互垂直 l类型 V/H（垂直/水平）极化 倾斜（+45/-45 ）极化 10 l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 l一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间 l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 l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 l直射、反射、绕射、散射 11 l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 l视距传播 l多径传播 l绕射能力弱 l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 12 l

4、电波在建筑物内传播的类型 室内无线环境特点 l覆盖范围小 l传播距离短 l传播时延要小的多 l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 l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 13 l电波传播的衰落特性 l场强估算模型 14 l1.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 l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） l多径

5、衰落（多径效应） 瞬时值有快速、大幅度的变化（快衰落） 15 l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 16 l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 l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 l衰落深度=20Lg（Ei/Eo) l若

6、为电平值，则衰落深度= Ei-Eo 17 l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） l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 18 l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 19 l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 l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 20 l以日本东京城市场强中值实测结果

7、得到的经验曲 线构成的模型。 l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 l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 21 l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 l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 l适用范围： 频率：25MHz 470MHz 传播距离： 60km

8、以内 22 l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。 l适用范围： 频率：30MHz 3000MHz 传播距离：1 几百公里 23 l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 l应用分两种情况： 高基站天线-非视距NLOS 低基站天线-视距LOS 24 lOM模型 l任意地形地物信号中值的预测 l场强中值变动分布及预测 l覆盖设计 25 l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 lOM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 26

9、 l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 l丘陵地形 l孤立山岳 l倾斜地形 l水陆混合地形 27 l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 l开阔地：无较大树木、建筑物等障碍物 准开阔地 l郊区：障碍物不稠密 l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 28 l天线有效高度 基站天线有效高度hb = hta -hga lhga：从基站天线架设点起315km距离内的平均 地面海拔高度 lhta：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 29

10、l自由空间的传播损耗 l市区传播衰耗中值的预算 l郊区、开阔地传播衰耗中值的预算 l预算中的注意点 30 l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 l自由空间传播损耗 Lbs仅与d、f有关 31 l基本衰耗中值Am(f,d) l基站天线有效高度增益因子Hb(hb,d) l移动台天线有效高度增益因子Hm(hm,f) l准平滑市区传播衰耗中值L市区 32 l基本衰耗中值 Am(f,d) hb=200m hm=3m 参数：f、d 33

11、 l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) 34 l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） 35 l自由空间传播衰耗 Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz) l准平滑市区传播衰耗中值 L市区=Lbs+ Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) 36 l郊区修正因子 Kmr的预测 参数：f，d 37 l开阔地修正因子QO 准开阔地修正因子Qr 参数：f 38 l丘陵地修正因子 l孤立山岳的修正因子 l斜坡地形的修正因子 l

12、水陆混合地形修正因子 39 l丘陵地：连绵、起伏高度有限 40 l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) 水域信号比陆地强 参数 l水面位置位于 BTS侧/MS侧 l水面距离与全距离比例 l全距离d 44 l街道走向/修正因子Kaf /Kac 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 Kac区间内场强累积分布 l障碍物均匀的城市街道地区、森林：近似瑞利

13、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) l12km样本区间，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 l市区：近似正态分布 郊区、丘陵地：近似正态分布 48 l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 49 l接收信号中值随时间变化服从正态分布 l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 频率 MHz Lt 准平滑地形不规则地形h(m) D(km)50100150175 市区郊区50150300 508910陆地257 1503.55.5479111

14、3水陆混合37911 45067.5111518水面91420 9006.58141821 50 l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 51 l2.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 min )()( min P dxxpPxP 52 l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

15、(x) 53 l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。 l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 22 tL 54 l传播模型的选用及修正 不同模型适用于不同的应用环境 l模型的适用范围 l当地的传播条件 l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 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

16、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 55 l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 56 l系统均衡 基站覆盖区 lMS接收信号强度高于设计值90%以上的区域 l保证通信，满足双向灵敏度要求 lBS、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

17、，话音质量不好 57 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，衰落余量Mf，基站发 射机天线共用器损耗Lcb，基站接收机分集增益Gdb，基站 发射机端口功率Pbt，基站接收机端口功率Pbr 下行链路：Pinm+Mf=Poutb-Lcb-Lfb+Gab-Lp+Gam 上行链路：Pinb+Mf=Poutm+Gam-Lp+Gab-Lfb+Gdb 比较两式：Pinm-Pinb=Poutb-Poutm-Lcb-Gdb 58 l衰落主要有由于多径效应引起的快衰落，由气 象条件、阴影效应引起的慢衰落两种。快衰落 主要影响信号的瞬时值，而慢衰落影响的主要 是信号中值 l表征信号和衰落的统计数字特征量主要有场强 中值、衰落深度、衰落率和衰落持续时间 l常用的电波传播模型很多，基本方法都是以某 一地形地物状况的实测数据为依据，给出参考 模型，再根据实际地形地物状况及应用条件进 行修正 59 lOM