电波的传播特性

电波的传播特性第一页，共六十四页，2022年，8月28日2第2章电波的传播特性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、覆盖设计第二页，共六十四页，2022年，8月28日3第2章电波的传播特性重点OM模型及任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测系统均衡难点电波传播衰耗特性的统计数字特征量任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测目的和要求了解衰落对信号传输的影响理解表征电波传播衰耗特性的统计数字特征量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第三页，共六十四页，2022年，8月28日42.1无线电波2.1.1无线电波的概念无线电波是一种能量的传输形式电场和磁场在空间交替变换，向前行进传播过程中，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第四页，共六十四页，2022年，8月28日5无线电波的传播速度传播速度和传播媒质有关

真空中的传播速度等于光速(Ｃ＝3×108m／s)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：λ＝Ｖ/ｆＶ为速度(m/s)；ｆ为频率(Hz)；λ为波长(m)不同介质中传播速度不同、波长不同第五页，共六十四页，2022年，8月28日6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线极化水平极化、垂直极化+45°倾斜极化、-45°倾斜极化椭圆极化圆极化第六页，共六十四页，2022年，8月28日7第七页，共六十四页，2022年，8月28日8双极化天线两个天线为一个整体，有两个独立的波，这两个波的极化方向相互垂直

类型V/H（垂直/水平）极化倾斜（+45°/-45°）极化第八页，共六十四页，2022年，8月28日92.1.2电波的传播方式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一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间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直射、反射、绕射、散射第九页，共六十四页，2022年，8月28日10超短波传播特性无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同

主要传播特性视距传播多径传播绕射能力弱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第十页，共六十四页，2022年，8月28日11室内环境的传播电波在建筑物内传播的类型由室外向建筑物内的穿透传播电波只在建筑物内传播室内无线环境特点覆盖范围小传播距离短传播时延要小的多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，甚至差别很大第十一页，共六十四页，2022年，8月28日122.2电波传播中的衰落电波传播的衰落特性场强估算模型第十二页，共六十四页，2022年，8月28日132.2.1电波传播的衰落特性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）多径衰落（多径效应）

瞬时值有快速、大幅度的变化（快衰落）第十三页，共六十四页，2022年，8月28日14表征衰落的统计数字特征场强中值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)/T×100%

当p(t)=50%时，

E0为场强中值第十四页，共六十四页，2022年，8月28日15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衰落深度=20Lg（Ei/Eo)若为电平值，则衰落深度=Ei-Eo第十五页，共六十四页，2022年，8月28日16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）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第十六页，共六十四页，2022年，8月28日17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第十七页，共六十四页，2022年，8月28日182.2.2场强估算模型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模型第十八页，共六十四页，2022年，8月28日19以日本东京城市场强中值实测结果得到的经验曲线构成的模型。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适用范围：频率：100MHz～1500MHzBTS天线高度：30m～200mMS天线高度：1m～10m传播距离：1km～20km1.OM模型(Okumura-M.Hata奥村哈达)第十九页，共六十四页，2022年，8月28日20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适用范围：频率：25MHz～470MHz传播距离：60km以内2.Egli模型第二十页，共六十四页，2022年，8月28日21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。适用范围：频率：30MHz～3000MHz传播距离：1～几百公里3.BM（Bullingron）第二十一页，共六十四页，2022年，8月28日22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应用分两种情况：高基站天线----非视距NLOS低基站天线----视距LOS4.cost231模型第二十二页，共六十四页，2022年，8月28日232.3电波传播特性预测OM模型任意地形地物信号中值的预测场强中值变动分布及预测覆盖设计第二十三页，共六十四页，2022年，8月28日242.3.1OM模型模型：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OM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第二十四页，共六十四页，2022年，8月28日251.地形、地物的分类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丘陵地形孤立山岳倾斜地形水陆混合地形第二十五页，共六十四页，2022年，8月28日26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开阔地：无较大树木、建筑物等障碍物

准开阔地郊区：障碍物不稠密市区：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第二十六页，共六十四页，2022年，8月28日27天线有效高度基站天线有效高度hb=hta-hgahga：从基站天线架设点起3～15km距离内的平均地面海拔高度hta：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第二十七页，共六十四页，2022年，8月28日281.准平滑地形上的电波传播自由空间的传播损耗市区传播衰耗中值的预算郊区、开阔地传播衰耗中值的预算预算中的注意点第二十八页，共六十四页，2022年，8月28日29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：球面波的扩散损耗自由空间传播损耗（1）自由空间的传播损耗Lbs仅与d、f有关第二十九页，共六十四页，2022年，8月28日30基本衰耗中值Am(f,d)基站天线有效高度增益因子Hb(hb,d)移动台天线有效高度增益因子Hm(hm,f)准平滑市区传播衰耗中值L市区（2）市区传播衰耗中值的预算第三十页，共六十四页，2022年，8月28日31基本衰耗中值

Am(f,d)hb=200m

hm=3m参数：f、d第三十一页，共六十四页，2022年，8月28日32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)第三十二页，共六十四页，2022年，8月28日33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hm>5m时，还与

环境有关

（拐点）第三十三页，共六十四页，2022年，8月28日34自由空间传播衰耗

Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz)准平滑市区传播衰耗中值

L市区=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)第三十四页，共六十四页，2022年，8月28日35（2）郊区、开阔地传播衰耗中值的预算郊区修正因子

Kmr的预测参数：f，d第三十五页，共六十四页，2022年，8月28日36开阔地修正因子QO

准开阔地修正因子Qr参数：f第三十六页，共六十四页，2022年，8月28日372.不规则地形修正因子丘陵地修正因子孤立山岳的修正因子斜坡地形的修正因子水陆混合地形修正因子第三十七页，共六十四页，2022年，8月28日38（1）丘陵地修正因子丘陵地：连绵、起伏高度有限第三十八页，共六十四页，2022年，8月28日39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)在丘陵地预测时，须同时使用Kh和Khf第三十九页，共六十四页，2022年，8月28日40(2)孤立山岳的修正因子孤立山岳：

山岳近似刃形，单独

(背面考虑绕射衰耗)孤立山岳的

修正因子Kjs基准：山岳高度H=200m参数：山岳到发射点距离d1到接收点距离d2当H≠200m时，

修正因子为第四十页，共六十四页，2022年，8月28日41(3)斜坡地形的修正因子斜坡地形：

5~10km内地形倾斜正斜坡：

电波传播方向上

地形逐渐增高，

倾角为+θm(mrad)

负斜坡：

地形逐渐降低，

倾角为-θm斜坡地形的修正因子Ksp参数倾角θm收发天线间距d第四十一页，共六十四页，2022年，8月28日42水陆混合地形：

区域中既有水面，

又有陆地水陆混合地形

修正因子Ks(>0)水域信号比陆地强参数水面位置位于

BTS侧/MS侧水面距离与全距离比例全距离d(4)水陆混合地形修正因子第四十二页，共六十四页，2022年，8月28日434.其他因素对电波传播的影响街道走向修正因子建筑物穿透损耗植被衰耗隧道中的传播▲没有特别说明，可不考虑第四十三页，共六十四页，2022年，8月28日44纵向：电波传播方向与

街道平行

Kaf>0，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<0，表示场强中值

低于基准场强中值(1)街道走向/修正因子Kaf/Kac第四十四页，共六十四页，2022年，8月28日45穿透能力与波长，建筑物材料、结构、楼层相关建筑物地面层的穿透损耗信号衰耗与楼层高度的关系频率（MHz）150250450800平均穿透损耗(dB)2219.71817(2)建筑物穿透损耗LP第四十五页，共六十四页，2022年，8月28日46树木、植被对电波有吸收作用由树木、植被引起的附加衰耗取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树林的路径长度等大片森林对电波传播

产生的附加衰耗

城市中树林、绿地

与建筑物是交替存

在的，引起的衰耗

与大片森林的影响

不同

(3)植被衰耗第四十六页，共六十四页，2022年，8月28日47(4)电波在隧道中的传播衰耗衰耗原因：隧道壁的吸收及电波的干涉作用衰耗与工作频率、天线位置、隧道长度、形状等有关频率越高，衰耗越小

隧道会对较高频率电波形成有效的波导

出现分支或转弯时，衰耗急剧增加

弯曲度越大，衰耗越严重

第四十七页，共六十四页，2022年，8月28日48电波在隧道中的传播衰耗曲线A是160MHz时，

隧道内两半波偶极子

天线间的传输衰耗；曲线B为200Ω平衡波

导线的衰耗。由图可知，在隧道中，

中等功率通信设备间

的通信距离，

通常为200m左右，

理想条件不超过300m。

第四十八页，共六十四页，2022年，8月28日492.3.2任意地形地物信号中值预测任意地形地物衰耗中值LA的预测LA=LT-KTLT=Lbs+Am-Hb-HmKT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+αKjs+Ksp+Ks+Kaf/Kac信号中值Ppe的预测任意地形地物接收功率Ppe=PP+KT准平滑市区接收功率PP=Po-Am+Hb+Hm自由空间下接收功率Po第四十九页，共六十四页，2022年，8月28日502.3.3场强中值变动分布及预测影响通信可靠性的重要因素是场强的变化特性场强中值变动分布场强瞬时值变动规律(随位置)50m样本区间——>区间内场强累积分布障碍物均匀的城市街道地区、森林：近似瑞利分布

郊区不规则地形，障碍物有空隙：近似正态分布

σ=6~7dB场强中值变动规律(随位置)1~2km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%值和变动幅度市区：近似正态分布

郊区、丘陵地：近似正态分布第五十页，共六十四页，2022年，8月28日51场强中值变动规律σ取决于地形、地物、

工作频率等因素。半径为2km的区域，

σ分布如图。随频率升高而增加，与BTS天线高度，

通信距离关系不大第五十一页，共六十四页，2022年，8月28日52实际应用中，σ不同时，常用σ随通信概率变化的归一化曲线计算

xσ为相对于中值的变动幅度第五十二页，共六十四页，2022年，8月28日53接收信号中值随时间变化服从正态分布分布随时间、位置变化的标准偏差

D为收发天线间距，Δh为地形波动高度频率MHzσLσt准平滑地形不规则地形Δh(m)D(km)50100150175市区郊区50150300508910陆地2571503.5~5.54~791113水陆混合3791145067.5111518水面914209006.58141821第五十三页，共六十四页，2022年，8月28日54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σL和σt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

相对于中值的变动第五十四页，共六十四页，2022年，8月28日55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第五十五页，共六十四页，2022年，8月28日56通信概率与系统余量的关系可根据p(x)和σ确定SM

也可根据SM和σ确定p(x)第五十六页，共六十四页，2022年，8月28日57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σL用σ代替，，式中σL与σt可查表得到。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第五十七页，共六十四页，2022年，8月28日582.3.4覆盖设计传播模型的选用及修正不同模型适用于不同的应用环境模型的适用范围当地的传播条件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第五十八页，共六十四页，2022年，8月28日59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第五十九页，共六十四页，2022年，8月28日60系统均衡基站覆盖区MS接收信号强度高于设计值90%以上的区域保证通信，满足双向灵敏度要求BS、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，话音质量不好第六十页，共六十四页，2022年，8月28日61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：Pi