无线电波传播基础理论

1、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。无线电波传播与工作频率有关，如450MHz、900MHz和1800MHz的电波传播特性差别很大；无线电波传播特性与各区域的电波传播环境有关，确定某一特定地区的传播环境的主要因素有： 自然地形（高山、丘陵、平原、水域等） 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性 该地区的植被特征 天气状况 自然和人为的电磁噪声状况另外，无线电波传播还受到移动台运动因素的影响。静止的移动台与高速运动

2、的移动台的传播特性也大不相同。电波传播具有可逆性，即电波从A点传播到B点所经历的损耗和衰减同电波从B点传播到A点所经历的是一样的。波段号数符号(中译名)频率范围频率范(下限除外包括上限)相当米制划分4VLF(甚低频)3至30kHz万米波5LF(低频)30到300kHz千米波6MF(中频)300至3 000kHz百米波7HF(高频)3至30MHz十米波8VHF(甚高频)30至300MHz米波9UHF(超高频)300至3 000MHz分米波(十分之一米波)10SHF(特高频)3至30GHz厘米波(百分之一米波)11EHF(极高频)30至300GHz毫米波(千分之一米波)通常无线电波所指的是从极低频

3、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：技术CDMA标准GSM900波段1800波段890-915MHz(MS)1710-1755MHz(MS)935-960MHz(BS)1805-1850MHz(BS)扩展GSM波段885-915MHz(MS)930-960MHz(BS)频率范围GSM 825-835MHz (MS) 870-880MHz (BS)由上表可以看出移动通信频段位于UHF频段范围内，是以空间波的方式进行传输的。 Calculations in dB (deci-Bel)logarithmic, rela

4、tive scaleAlways with respect to a referencedBW :dB above W attdBm :dB above mW attdBi :dB above isotropicdBd :dB above dipoledB V/m:dB above V/mrule-of-thumb: +3 dB = factor 2 +7 dB = factor 5 +10 dB = factor 10-30 dBm = 1 W-20 dBm = 10 W-10 dBm = 100 W-7 dBm = 200 W-3 dBm = 500 W 0 dBm = 1 mW+3 dB

5、m = 2 mW+7 dBm = 5 mW+10 dBm = 10 mW+13 dBm = 20 mW+20 dBm = 100mW+30 dBm = 1 W+40 dBm = 10W+50 dBm = 100WPowerVoltages Conversion factor E(dBV/m) = P(dBm) + 106,4 + antenna factorantenna factor = 20 log(f MHz) -29,8 - ant_gain + cable_lossantenna factor for 900 MHz : 29 dB1800 MHz : 35 dBdBPPPlinP

6、dB1010010log.()dBEEElinE dB2010020log.() Free- space propagati onSi gnal strength decreasesexponenti al l y wi th di stancespecul ar refl ecti ondi ffuse refl ecti on Refl ecti onSpecul ar Refl ecti onam pl i tude: A - *A ( - pol ari sati on: m ateri al dependant phase shi ftDi ffuse Refl ecti on.am

7、 pl i tude: A - *A ( random phasepol ari sati on : randomD Absor pt i onheavy ampl i t udeat t enuat i on mat er i aldependant phase shi f t sdepol ar i sat i on Di f f r act i onwedge- modelkni f e edgemul t i pl e kni f e edgesAA - 5.30 dB快衰落：大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其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，这就是所谓的快

8、衰落或多径衰落，也称为瑞利衰落。其电场强度概率函数是服从瑞利分布的。克服快衰落的方法主要有各种形式的分集方式：时间、频率、空间、极化慢衰落：移动台接收的信号除瞬时出现快速瑞利衰落外，其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这就是所谓的慢衰落或阴影衰落，其接收电场强度概率函数是服从高斯分布的。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。克服慢衰落的主要方法是加大发射功率，提高接受灵敏度，宏观分集等。总的来说，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

9、化。也就是说，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。在研究传播时，特定接收机功率接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号减小，这种信号减小称为传播损耗。自由空间的传播损耗可以由下式表示：)log(20)log(204 .32kmMHzpdfL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：)log(100kmpdLL式中2。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。 Po

10、wer densi t y by t her ecei vi ng end: Ef f ect i ve ant ennaar ea: Recei ved power Mobi l e envi r onment s:)5.5 ,2(withdCGGPPrssrReffGA42Pr = S AeffSP Gdss42PPG Gdrssr42PsAsGsPrArGrd24不同环境下因子的取值范围：环境路径损耗倾斜因子自由空间2市区蜂窝环境2.73.5市区阴影蜂窝环境35室内视距1.61.8室内非视距4625 dB/dec30 dB/dec20 dB/dec40 .50 dB/decpath lo

11、ss 总体而言GSM1800MHz频段的覆盖比GSM900M频段要差一些： Okumura Hata公式中GSM1800M频段的路径损耗比GSM900M频段大9.79dB功率预算中GSM1800M频段MS发射功率比GSM900M频段小3dB(各自分别为30dBm和33dBm） 50m长 7/8” 电缆损耗差值为0.97dB GSM1800与GSM900相比较，所有以上各项给出了 13.77 dB差值 但实际的场强测量和1800M频段的模型校正发现平均差值并没有这么大 通常 Okumura Hata模型1800M频段的修正因子比900M频段小36dB。这说明平均损耗差值在810dB之间，且依赖于

12、具体电波传播环境和基站天线高度 以下测试是在市区环境中同一站址，分别在1800MHz和900MHz频段的下行链路中进行的， 平均差值 = 9.5dB, 变化范围为 = -6 22 dB (损耗包括了ERP和电缆损耗的不同) 图中部分变化较大的值是由于天线波瓣图的差异造成的 室内穿透损耗1800M比900M平均要大35dB，但对部分建筑物可能是负的020406080100120-15-13-11-9-7-5-3-1135791113151719212325# samples-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080901000.50.

13、91.31.72.12.52.93.33.74.14.54.95.35.76.16.56.97.37.78.1Cell Range / kmCoverage Threshold dBm / Location probablity %Coverage threshold GSM1800Coverage threshold GSM900Location probablity GSM1800Location probablity GSM900 路径损耗用路径损耗用5dB纠正纠正 BS天线高度天线高度 30m MS天线高度天线高度 1.5m 标准方差标准方差 8 dB 路径损耗斜率路径损耗斜率 3.3

14、8 GSM1800 MS灵敏度灵敏度, 功率功率 -100 dBm , 30 dBm GSM900 MS灵敏度灵敏度, 功功率率 -102 dBm, 33 dBm平均差值平均差值 = 8.77dB 由于1800M频段的覆盖比900M频段要差810dB，因此，可以通过共站址的方法实现有效的室外覆盖。 同时也要求GSM900实现良好的室内覆盖50556065707580859095100-70-74-78-82-86-90-94-98-102-106-110Coverage Threshold dBmLocation Probablity %Location probablity GSM1800L

15、ocation probablity GSM900传播模型 随着网络规模的扩大，对通信质量要求的提高，网络规划、覆盖预测已不可能靠手工运算来完成。通过计算机应用传播模型就能够很好的解决这一问题。通过模型进行预测能够得到误差在10dB以内的路径损耗的本地均值 移动通信中用到的传播模型有很多,常见的有： Hata-Okumura模型 Walfisch-Ikegami模型 Planet通用模型不同的模型有不同的特点，有各自的适用范围。下面将介绍几种国内用来做场强预测的几种模型。传播模型 Hata-Okumura模型mOkummurahbbpAdhhfLlog)log55. 69 .44(log82.

16、13log26.2655.69Lp从基站到移动台的路径损耗(dB) f载波频率(MHz)hb基站天线高度 d基站到移动台之间的距离(m)hm移动台天线高度(110m)，一般取1.5m，单位为mmOkummurahA移动台高度修正，在中等城市取)8 . 0log56. 1 ()7 . 0log1 . 1 (fhfm在大城市取值97. 4)75.11(log(2 . 32mh Walfisch-Ikegami模型(WIM型)传播模型 该经验模型是为了预测建筑物对传输损耗中值的影响而开发的。它应用于建筑物高度相当一致、排列成行且相邻建筑物之间的间隔较窄的距离在0.025km的市区和郊区环境。若基站和

17、手机天线之间存在视距传播，则： Lb=42.6+26(d)+20(f) 若视距不存在，则： Lb=L0+Lrts+Lmsd 这里L0为自由空间路径损耗，Lrts为屋顶到街道的绕射和散射损耗，Lmsd为多屏绕射损耗。 自由空间路径损耗由下式给出： L0=32.4+20(d)+20(f) 规划软件Planet中的通用传播模型PRX = PTX + K1 + K2 d + K3 (Heff) + K4 Diffraction+ K5 (Heff) d + K6 (Hmeff) + Kclutter PRX接收为功率（dBm）; PTX为发射功率（dBm）; K1为偏置常量（dB）; K2为距离衰减常

18、数;K3为基站天线高度补偿修正系数; K4为多重绕射损耗修正系数;K5为基站天线高度多重修正因子; K6为移动台天线有效高度增益修正因子;d为基站到移动台之间的距离（m）; Heff为基站天线有效高度（m）; Kclutter为移动台地貌衰减系数（dB）; Hmeff为移动台天线有效高度;路径损耗可写为PL (dB) = PTX - PRX = - K1 - K2 d - K3 (Heff) - K4 Diffraction- K5 (Heff) d - K6 (Hmeff) Kclutter注：Planet中的通用模型与Okumura-Hata模型相比，只是引进了绕射因子和地貌修正因子。传播模型色散和多普勒效应 时间色散主要指由于无线信道的非线性造成的信号波形失真，多径干扰就是一种典型的时间色散的原因，若时间色散严重将会影响信号的译码。因此在GSM中利用训练序列来训练均衡器，将色散的波形进行校正，但是均衡器的作用范围限定在16us以内。但是在CDMA中由于使用了RA