无线传播特性

无线传播特性第1页，共51页，2023年，2月20日，星期六目录一、无线传播基本原理二、无线传播的特点三、无线传播模型四、模型校正第2页，共51页，2023年，2月20日，星期六无线电波波段划分不同的频段内的频率具有不同的传播特性第3页，共51页，2023年，2月20日，星期六电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场电磁波的产生根据Maxwell方程组：空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，电微波在真空中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。光和电磁波在本质上是相同的，光是一定波长的电磁波。第4页，共51页，2023年，2月20日，星期六电磁波的传播池塘中的波纹：能量从源点向四周传播，并逐渐减弱电磁波的传播与此类似，不同之处（当辐射源是各向同性的理想点源时）：在三维空间以球面波的形式传播传播介质不同，空气、障碍物、反射物第5页，共51页，2023年，2月20日，星期六无线传播的理论基础在自由空间中，由点源发射的正弦波向各个方向辐射球面波，此时该点源称为各向同性辐射源假设点源发射功率为Prad(W)，在距离d(m)处的单位面积功率（即Poynting矢量）为：对于实际天线，若辐射功率为Pt(W)，天线增益为Gt(dBi)

，则Poynting矢量为：第6页，共51页，2023年，2月20日，星期六无线传播的理论基础若接收天线有效接收面积为Ae(m2)，增益为Gr(dBi)

，则两者关系：因此在距离d处接收到的功率为：无线网络规划、设计的理论基础是传播损耗，自由空间传播损耗为：其它传播模型都是以自由空间传播模型为理论基础发展起来的第7页，共51页，2023年，2月20日，星期六目录一、无线传播基本原理二、无线传播的特点三、无线传播模型四、模型校正第8页，共51页，2023年，2月20日，星期六①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波无线传播的特点陆地移动通信的电波传播机制实际环境的无线传播LOS和NLOS第9页，共51页，2023年，2月20日，星期六无线信道特征d(m)Pr(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落无线信道随用户的位置和时间而变化多径散射、阴影遮挡使得接收功率发生剧烈变化慢衰落衰减：Pr正比于1/dn阴影：障碍物遮挡快衰落多径效应在很小的距离间隔和时间间隔上，信号强度快速变化产生Doppler频移产生时延扩展第10页，共51页，2023年，2月20日，星期六分集技术抗快衰落措施－分集技术－显分集空间分集极化分集频率分集：GSM--跳频，WCDMA--扩频技术其它：方向性分集、场分集、发射分集－隐分集隐分集即是利用信号处理技术将分集作用隐含在被传输信号之中，如RAKE接收技术、信道交织、纠错编码等可看作时间分集第11页，共51页，2023年，2月20日，星期六时延扩展多径传播：不同路径的信号到达接收机的时间不同当多径信号不能被接收机区分时就产生同信道干扰（CCI），对于WCDMA系统，多径时延必须大于一个码片周期(0.26µs)才能被识别典型值(µs):Open<0.2,Suburban=0.5,Urban=3解决均衡、RAKE技术第12页，共51页，2023年，2月20日，星期六Doppler频移Doppler效应的例子：火车经过你的身边移动通信中的Doppler频移V：移动台速度：信号到达角度第13页，共51页，2023年，2月20日，星期六TRTR绕射损耗穿透损耗地物损耗损耗第14页，共51页，2023年，2月20日，星期六特点电磁波在绕射点四处扩散绕射波覆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绕射损耗第15页，共51页，2023年，2月20日，星期六XdBmWdBm穿透损耗=X-W=BdB电磁波穿透墙体的反射和折射

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穿透损耗第16页，共51页，2023年，2月20日，星期六

物体阻挡/穿透损耗为：

隔墙阻挡：5～20dB

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：2～15dB

厚玻璃：6～10dB

火车车厢的穿透损耗为：15～30dB

电梯的穿透损耗：30dB左右

茂密树叶损耗：10dB

穿透损耗第17页，共51页，2023年，2月20日，星期六地面性质水面稻田田野城市、山地、森林等效地面反射系数0.9～10.6～0.80.3～0.50.1～0.2反射损耗（dB）0～12～46～1014～20反射损耗第18页，共51页，2023年，2月20日，星期六无线传播环境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）第19页，共51页，2023年，2月20日，星期六无线传播环境传播环境分类参照ITU-RP.1411-1，结合中国国情，分类如下传播环境描述密集城区高楼林立，信号几乎不可能从建筑物屋顶绕射传播普通城区街道较宽，建筑物较低，信号可以从屋顶绕射郊区建筑物较低矮，且较稀疏乡村建筑物低矮，稀疏，植被较多山区公路室内第20页，共51页，2023年，2月20日，星期六无线传播环境传播环境分类对应的小区类型小区类型小区半径典型天线安装位置Macro-cell>500m天线安装于室外，高于周围屋顶平均高度Micro-cell100~500m天线安装于室外，低于周围屋顶平均高度Pico-cell<100m天线安装于室内或室外，低于周围所有屋顶高度其它新的小区分类，如Mini-cell…第21页，共51页，2023年，2月20日，星期六目录一、无线传播基本原理二、无线传播的特点三、无线传播模型四、模型校正第22页，共51页，2023年，2月20日，星期六确定性模型自由空间模型双线模型RayTracing传播模型分类经验模型Okumura-HataCOST231-HataCOST231Walfish-IkegamiKeenan-Motley半经验模型计算机辅助计算模型

第23页，共51页，2023年，2月20日，星期六Okumura-HataCOST231-HataCOST231Walfish-Ikegami室内传播模型计算机辅助计算模型常用传播模型第24页，共51页，2023年，2月20日，星期六自由空间传播模型Lfs=91.48+20lgd, forf=900MHzLfs=97.98+20lgd, forf=1900MHzLfs=99+20lgd, forf=2100MHz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。第25页，共51页，2023年，2月20日，星期六Okumura-Hata模型市区:Lu(dB)=69.55+26.16*log(f)‑13.82*log(Hb)‑a(Hm)+

[44.9‑6.55*log(Hb)]*log(d)其中，a(Hm)为移动台天线高度修正因子。对于中等城市：a(Hm)=

[1.1*log(f)‑0.7]*Hm‑

[1.56*log(f)‑0.8]对于大城市：a(Hm)=8.29*[log(1.54*Hm)]2‑1.1 forf<=200MHz（不适合现有移动通信体制）a(Hm)=3.2*[log(11.75*Hm)]2‑4.97 forf>=400MHz第26页，共51页，2023年，2月20日，星期六Okumura-Hata模型郊区：Lsu(dB)=Lu‑2*[log(f/28)]2‑5.4乡村半开阔地：Lrqo(dB)=Lu‑4.78*[log(f)]2+18.33*log(f)‑35.94乡村开阔地：Lro(dB)=Lu‑4.78*[log(f)]2+18.33*log(f)‑40.94第27页，共51页，2023年，2月20日，星期六Okumura-Hata模型适用范围： 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:

1~20km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以上时不适用第28页，共51页，2023年，2月20日，星期六COST231-Hata模型市区：Lu(dB)=46.3+33.9*log(f)‑13.82*log(Hb)‑a(Hm)+

[44.9‑6.55*log(Hb)]*log(d)+Cm其中， a(Hm)=

[1.1*log(f)‑0.7]*Hm‑

[1.56*log(f)‑0.8] Cm=0dBformediumsizedcityandsuburbancentreswithmoderatetreedensity Cm=3dBformetropolitancentres郊区和乡镇的修正值与Okumura-Hata模型相同第29页，共51页，2023年，2月20日，星期六COST231-Hata模型适用范围： 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2000MHz或低于1500MHz时不适用第30页，共51页，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型基站与移动台之间无可视路径（Non-LOS）Lb=Lo forLrts+Lmsd<=0其中，Lo为自由空间传播损耗第31页，共51页，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型Lrts:屋顶到街道的绕射和散射损耗其中，第32页，共51页，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型Lmsd:多重屏障损耗其中，第33页，共51页，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型Lmsd:多重屏障损耗其中，对于树木密度适中的中等城市：对于大城市：第34页，共51页，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型Lb=42.6+26*log(d)+20*log(f) ford>=0.020kmOr:Lb=Lo ford<0.02km其中，Lo为自由空间传播损耗基站与移动台之间有可视路径（LOS）对于高楼林立的街道（StreetCanyon）传播环境，基站天线通常低于周围建筑物的屋顶高度。受传播环境的影响，无线信号通常只能沿街道走向传播。第35页，共51页，2023年，2月20日，星期六COST231Walfish-Ikegami模型适用范围： 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α()

市区环境，宏蜂窝或微蜂窝郊区环境或乡村环境不适用第36页，共51页，2023年，2月20日，星期六室内传播模型室内环境与室外环境差异巨大，室外模型不适用于室内环境L=37+30Log10(R)+18.3n((n+2)/(n+1)-0.46)

f：频率(MHz)R：天线到移动台距离(m)n：天线到移动台之间相隔的楼层数第37页，共51页，2023年，2月20日，星期六计算机辅助计算模型为便于计算，各种规划软件均具有自身的传播模型数学公式这些模型可以通过模型校正来调整参数使其更接近实际环境常用的有Planet，Asset，Atoll模型校正后的模型比经验模型适用范围更广必需准确的、满足精度要求的地理数据库第38页，共51页，2023年，2月20日，星期六WCDMA系统需要的传播模型Where:R isthebasestation-mobilestationseparationinkilometres;f isthecarrierfrequencyof2000MHz;hb isthebasestationantennaheight,inmetres,measuredfromthe average rooftoplevel

3GPP推荐的传播模型第39页，共51页，2023年，2月20日，星期六现有模型的适用性郊区、乡村：宏蜂窝模型适用，如COST231-HATA，视需要校正城区、密集城区：宏蜂窝模型、微蜂窝模型，适合于初始简单规划用于详细规划时，经典的宏蜂窝模型和微蜂窝模型存在缺陷：城市建筑物的影响考虑不完善密集城区街道的波导效应没有考虑模型校正工作量巨大华为在香港3G项目规划时，采用RayTracing

模型第40页，共51页，2023年，2月20日，星期六RayTracing模型经验模型，如Okumura-Hata、COST231-HATA、COST231WI等模型建立在实测统计的基础上，直观可靠,经验模型仍然是当今进行移动通信场强预测的主要工具；但是用该方法所得出的电波传播模型对环境的依赖性较大,对实测设备、数字地图的要求也较高,使得经验模型的实用性存在一定问题。确定性模型，如RayTracing，应用电磁波传播理论来建立预测模型,基础牢固,结果更具有普遍性,获得人们愈来愈多的关注，并已经形成商用软件。RayTracing模型预测精度较高、模型校正工作量小或基本不需要校正但需要高精度数字地图、高性能计算机第41页，共51页，2023年，2月20日，星期六RayTracing模型香港岛、九龙第42页，共51页，2023年，2月20日，星期六RayTracing模型香港岛局部第43页，共51页，2023年，2月20日，星期六RayTracing模型COST231-Hata预测结果RayTacing预测结果预测结果差异第44页，共51页，2023年，2月20日，星期六目录一、无线传播基本原理二、无线传播的特点三、无线传播模型四、模型校正第45页，共51页，2