第3章 电波传播、天线、抗衰落技术.ppt

1、2020/8/2,1,移动通信技术,第3章 电波传播、天线、抗衰落技术,2020/8/2,2,第3章 电波传播、天线、抗衰落技术,3.1 电波传播 3.2 天线工作原理及优化 3.3 抗衰落技术,2020/8/2,3,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性 3.1.2 阴 影 效 应 3.1.3 移动信道的多径传播特性 3.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征 3.1.5 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗 预测,3.1 电波传播,2020/8/2,4,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和UHF，即150MHz，450MHz、900MHz

2、和1 800MHz、2.4GHz。 移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限。,图3-1 典型的移动信道电波传播路径,2020/8/2,5,1 自由空间电波传播方式 自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。 电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。,3.1.1 VHF、UHF频段

3、的电波传播特性,2020/8/2,6,自由空间传播损耗 可定义为 式中，d是距离的千米数，f是频率的兆赫数。 由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时， 将分别增加6dB。,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,7,2 视距传播的极限距离 由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。视线所能到达的最远距离称为视线距离 （见图3-2）。 图3-2 视距传播的极限距离,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,8,已知地球半径为R=6 370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR（单位为m

4、），理论上可得视距传播的极限距离d0为 由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。 实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8 500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,9,3 绕射损耗 在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。 设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图3-3所示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙。,3.1.1

5、 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,10,图3-3 菲涅尔余隙 （a）中所示的x被定义为负值 （b）中所示的x被定义为正值,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,11,根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图3-4所示。横坐标为x/ ， 称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,12,图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系 由图3-4可见，当横坐标x/ 0.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。 当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6

6、dB，当x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,13,4 反射波,电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。 图3-5所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。 反射波与直射波的行距差为 式中 d=d1+d2,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,14,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,图3-5 反射波和直射波,2020/8/2,15,由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差0为 再加上地面反射时大都要

7、发生一次反相，实际的两路电波相位差为,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,16,在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。 当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。 当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。 在高频波段，绕射和反射一样，依赖于物体的形状以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,17,当电波穿

8、行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常多时，发生散射。 散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射。,3.1.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2020/8/2,18,3.1.2 阴 影 效 应,当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。 移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落。 移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，存在阴影区（盲区）。因此盲区定义是某些特定区域中，电波被吸收或被反射而使移动台接收不到

9、信息。它要求在网络规划、设置基站时必须予以充分的考虑。,2020/8/2,19,3.1.2 阴 影 效 应,信号衰落 衰落：移动通信接收点所接收到的信号场强 是随机起伏变化的 对于这种随机量的研究通常是采用统计分析 法。典型信号衰落特性，如图3.6所示。,图3.6典型信号衰落特性,2020/8/2,20,图中，虚线表示的是信号局部中值，其含义是在局部时间中，信号电平大小或小于它的时间各为50%。由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变化造成了信号衰落。 移动台接收的信号场强值（dB）是时间t的函数。具有50%概率的场强值称为场强中值。若场强中

10、值等于接收机的最低门限值，则通信的可通率为50%。因此，为了保证正常的通信，必须使实际的场强中值远大于接收机的门限值。,3.1.2 阴 影 效 应,2020/8/2,21,障碍物遮挡直射波引起接收信号中值的变化，表现为慢衰落。 由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。,3.1.2 阴 影 效 应,2020/8/2,22,慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。 慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等，而与频率无关。 慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化幅度取决于信号频率与障碍物状况。频率较高的信号比

11、频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能力。 慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电场实测的方法找出其统计规律。,3.1.2 阴 影 效 应,2020/8/2,23,3.1.2 阴 影 效 应,图3-6 慢衰落测试,2020/8/2,24,3.1.3 移动信道的多径传播特性,1 概述 2多普勒频移 3多径接收信号的统计特性 4 衰落信号的特征量,2020/8/2,25,1 概述 A移动信道的时变特性 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。如果用公式表示，按接收信号功率可表示为 式中，| |表示移动台与基站的距离

12、。上式是信道对传输信号作用的一般表示式，这些作用有三类。,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,26, 自由空间传播损耗与弥散，用| |n表示，其中n一般为34。 阴影衰落，用S( )表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的慢衰落。 多径衰落，用R( )表示。这是由于移动传播环境的多径传播而引起的快衰落。多径衰落是移动信道特性中最具有特色的部分。,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,27,上述三种效应表现在不同距离范围内，图3-7所示为 典型的实测接收信号场强。 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，这就是

13、多径衰落引起的，又称为快衰落。 在数百波长的区间内，信号的短区间中心值也出现缓慢变动的特征，这就是阴影衰落。 长区间中心值随距离基站的位置变化而变化，其衰减特性一般服从dn规律。,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,28,图3-7 陆地移动传播特性,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,29,B移动环境的多径传播,陆地移动信道的主要特征是多径传播。 传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射，如图3-8所示。 这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条反射波

14、到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落。,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,30,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,31,多径传输演示,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,32,通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。例如，基站天线通常高30m，最高可达90m；移动台天线通常高2m3m。 移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物体造成的反射是造成多径效应的主

15、要原因。 离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域，只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移动台构成多径，而且这些路径要比近端区域中建筑物所引起的多径的长度要长。,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,33,2 多普勒频移,当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（Doppler Shift），可用下式表示 式中，是入射电波与移动台运动方向的夹（见图3-9），v是运动速度，是波长。 式（3-8）中与入射角度无关，是fD的最大值，称为 最大多普勒频移。,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,34,3.1.

16、3 移动信道的多径传播特性,图3-9 入射角,2020/8/2,35,3 衰落信号的特征量 工程实际中，常常用一些特征量 来表示衰落信号的幅度特性。,A衰落率 衰落率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过中 值电平的次数。平均衰落率可用下式表示： 式中，速度v的单位为km/h，频率f的单位为MHz， 平均衰落率A的单位为Hz。,（3-9）,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,36,B电平通过率 观察实测的衰落信号可以发现，衰落速率与衰落 深度有关。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落 发生得相当频繁。定量地描述这一特征的参量就是 电平通过率（Level Cross Rate，LC

17、R）。电平通 过率NR定义为信号包络在单位时间内以正斜率通过 某一规定电平R的平均次数。 式中， 是最大多普勒频移,3.1.3 移动信道的多径传播特性,为信号包络的均方根电平.,2020/8/2,37,图3-10 电平通过率和平均电平持续时间,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,38,C衰落持续时间 平均衰落持续时间定义为信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比，可用下式表示： 式中 是最大多普勒频移， ， 为信号包络的均方根电平。 设： 得归一化,（3-11）,3.1.3 移动信道的多径传播特性,2020/8/2,39,3.1.4 多径衰落的时域特征和

18、频域特征,1 时延扩展,图3-11 时延扩展示意图,2020/8/2,40,2 相关带宽 根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率 选择性衰落与非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰 落。频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与 频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同 的随机响应。 非频率选择性衰落是指信号中各分量的 衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分 量所遭受的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信 号的波形不失真。,3.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征,2020/8/2,41,对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的 带宽小于相关带宽时，发生非频选择性衰落；当信

19、 号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。为 了解释这个问题，这里考虑频率分别为和两个信号 的包络相关性。这种相关性可由两信号的相关系 数，即归一化的相关函数得出。 设这两个信号的包 络为和，频率差为f，则其包络相关系数为：,3.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征,2020/8/2,42,式中， 为相关函数： 如果信号衰落服从瑞利分布，则可得出r(f,)的 近似表达式为： 式中， 为特殊函数，为最大多普勒频移，为移 动信道的时延扩展。,3.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征,2020/8/2,43,将设为参变量，可得到不同值时的曲线，如图3-13所示。图中还给出若干实测数据，实测是在郊区

20、进行，工作频率为836MHz。可以看出，实测数据接近于=1/4s的理论曲线。,由于这里讨论的是两信号在频域的相关性，可设t =0。在这种情况下，式变成：,3.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征,2020/8/2,44,图3-12相关系数曲线,3.1.4 多径衰落的时域特征和频域特征,2020/8/2,45,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。 这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。这里的信号中值是

21、长区间中值。 损耗预测模型 场强估算模型；Okumura模式（OM模型）；Egli模型 ；Bullingron（BM）模型。,2020/8/2,46,1 地形环境分类,A地形特征定义 （1）地形波动高度 h 地形波动高度 h在平均意义上描述了电波传播路 径中地形变化的程度。 （2）天线有效高度 移动台天线有效高度定义为移动台天线距地面的实 际高度。,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,47,图3-15基站天线有效高度,图3-14 地形波动高度,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,48,B地形分类 实际地形虽然千差万别，但从电波传播

22、的角度考 虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。 C传播环境分类 开阔地区 郊区 中小城市地区 大城市地区,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,49,2 Okumura模型,Okumura模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF和UHF频段。 该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。 A准平坦地形大城市地区的中值路径损耗 Okumura模型中准平坦地形大城市地区的中 值路径损耗（dB）由下式给出 LT = Lbs+Am(f,d ) Hb(hb,d ) Hm(hm,f )

23、(3-16),3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,50,式中，Lbs为自由空间路径损耗，由式（3-2） 给出；Am(f，d)为在大城市地区当基站天线高度 hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对于自由空 间的中值损耗，又称基本中值损耗；Hb(hb，d)为基 站天线高度增益因子（dB）,即实际基站天线高度相 对于以标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函 数；Hm(hm,f )为移动台天线高度增益因子（dB）， 即实际移动台天线高度相对于以标准天线高度hm =3m的增益为频率的函数。,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,5

24、1,图3-16 准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,52,图3-17 基站天线高度增益因子,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,53,图3-18 移动台天线高度增益因子,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,54,B 不规则地形及不同环境中的中值路径损耗,以准平坦地形中的中值路径损耗作为基础，针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素，用修正因子加以修正，就可得到不规则地形及不同环境中的中值路径损耗，可用下式表示为 (3-20) 根据已得出的中值路径损耗，可求

25、出移动台接收到的信号功率为 (3-21),3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,55,C Hata模型与传播损耗的经验公式,Hata根据Okumura模型中的各种图表曲线归纳出一个 经验公式，称为Hata模型。 (3-22) 这种模型仍然保留了Okumura模型的风格，以市区 传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。 中小城市修正因子 (3-23) 大城市修正因子（建筑物平均高度15m) 当f200Mhz,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,56,当f400Mhz D Hata模型扩展 欧洲科学与技术研究协会（EURO-COST

26、） 的COST-231工作委员会对Hata模型进行了扩展， 使它适用于PCS系统，适用频率达到2GHz。 E COST-231模型 COST-231工作委员会在Walfishi模型和Ikegami模型的基础上，根据实测数据加以完善而提出COST-231模型。 这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗和移动台周围建筑屋顶之间的损耗。,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,57,F 微蜂窝系统的覆盖区预测模式,在大蜂窝和小蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，这时传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射波决定，即主要射线是在屋顶之上传播。 Okumur

27、a-Hata模型适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，而不适用于基站天线高度低于屋顶的微蜂窝系统作传播预测。,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,58,在微蜂窝系统中，基站天线高度通常低于屋顶，电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定，即主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中进行。 COST-231-Walfish-Ikegami模型可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播损耗预测。 但是，在基站天线高度大致与其附近的屋顶高度同一水平时，屋顶高度的微小变化将引起路径损耗的急剧变化，这时容易造成预测误差。 所以，在这种情况下使用COST-231-Walfish-Ike

28、gami模型要特别小心。,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,59,在做微蜂窝覆盖区预测时，必须有详细的街道及建筑物的数据，不能采用统计近似值。 市区环境的特性用下列参数表示，这些参数的定义见图3-19（a）和（b）。,图3-19 环境参数的定义,3.1.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2020/8/2,60,60,3.2.1 天线的定义 天线是用来完成辐射和接收无线电波的装置。 3.2.2 天线的分类 天线根据作用可分为： 发射天线是无线电波的辐射器，它将天线电波有效地辐射到天空中； 接收天线是辐射场的接收器，它接收来自空间的相应频率的无线电波，并将

29、其变成高频电流或导引波由馈线传输给接收机。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,61,如果按照天线的结构形式，天线可以分为： 线状天线； 面状天线。 按照工程对象可分为： 通信天线； 广播电视天线； 雷达天线等； 按照天线所使用的频率，可以分为： 长波天线； 中波天线；,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,62,62,短波天线； 超短波天线。 在移动通信系统中，通常分为： 基站天线； 移动台天线。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,63,63,3.2.3 天线的理论基础 研究天线问题，实质上是研究天线产生的空间电磁场的分布以及由空间电磁场分布所决定的天线特征。

30、求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足其边界条件。所以天线问题实质上是电磁场问题。 天线的理论基础是电磁场理论。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,64,3.2.4天线基本原理 1 天线的辐射特性 导线载有交变电流时，可形成电磁波辐射。辐射的能力与导线的长短和形状有关，能产生显著辐射的直导线称为振子。,图3.20 导线形成电磁波辐射示意图,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,65,天线的功能是控制辐射能量的去向，一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图。对称振子组阵控制辐射能量构成“扁平的面包圈”，把信号集中到所需要的地方。,图3.21 对称振子具有“面包圈”和“扁平

31、的面包圈”形的方向图,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,66,用反射板可把辐射能量控制聚焦到一个方向，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线，进一步提高了增益。例如扇形覆盖天线与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd,图3.22 天线的扇形覆盖示意图,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,67,2 基本电振子 指无限小的线电流元，即其长度L远小于波长 。 基本电振子的辐射是有方向性的。 3 电对称振子 最简单的天线是对称振子。它是由两段同样粗细和长度为L的直导线构成，在天线中间的两个端点之间馈电。 半波振子天线长度与波长的关系可表示为 2L=/2；,3

32、.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,68,全波对称振子：全长与波长相等的振子全波振子天线长度与波长的关系为2L=。 折合振子：将振子折合起来。,3.2 天线工作原理及优化,表2.1 基本电振子、半波振子、全波振子天线的增益,2020/8/2,69,3.2.4天线的基本特性 1 方向 (1) 定义 发射天线指天线向一定方向辐射电磁波的能力，对接收天线表示天线对来自不同方向的电波的接收能力。天线方向的选择性常用方向图来表示。 (2) 辐射方向图 以天线为球心的等半径球面上，相对场强随坐标变量和变化的图形；工程设计中一般使用二维方向图，可用极坐标来表示天线在垂直方向和水平方向的方向图。,3.

33、2 天线工作原理及优化,2020/8/2,70,图3.23 水平方向角 图3.24 垂直方向角,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,71,图3.25 三维方向图,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,72,2 波束宽度 方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣，波束宽度是主瓣两半功率点间的夹角，又称为半功率（角）波束宽度、3dB波束宽度。主瓣波束宽度越窄，方向性越好，抗干扰能力越强，经常考虑3dB、10dB波束宽度。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,73,图3.26 波束宽度示意图,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,74

34、,3 前后比 天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。 前后比值越大，天线定向接收性能就越好，对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。以dB表示的前后比=10log前向功率/反向功率，典型值为25dB左右，有一个尽可能小的反向功率。,3.2 天线工作原理及优化,图3.27 前后比示意图,2020/8/2,75,4 增益 增益的定义：在相同的输入功率下，天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天线替代后在同一点产生的辐射功率密度之比值。 天线的增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。,3.2 天线工作原理及优化,图3.28 天线

35、的增益示意图,2020/8/2,76,增益的单位用dBi或dBd表示。dBi是相对于全向辐射的参考值，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于半波振子天线的参考值。 两者之间的关系是：dBi=dBd+2.15。,3.2 天线工作原理及优化,（a）单一振子方向图,（b）对称振子方向图,图3.28 天线的增益示意图,2020/8/2,77,5 天线的极化 (1) 极化的定义 天线的极化，是指天线辐射时形成的电场强度方向。 极化是指在垂直于传播方向的波阵面上，电场强度矢量端点随时间变化的轨迹。如果轨迹为直线，则称为线极化波，如果轨迹为圆形或者椭圆形，则称为圆极化波或者椭圆极化波。 (2) 极化的分类 平

36、面波按极化可分为线极化波、圆极化波（或椭极化）。线极化波可分为垂直线极化波和水平线极化波；还有45倾斜的极化波。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,78,当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波； 当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。 由于电波的特性，决定了： 水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减； 而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,79,图3.29 天线的极化示意图,3.2 天线工作原理及

37、优化,（a）垂直极化,（b）水平极化,（a）+45的倾斜极化,（b）-45的倾斜极化,2020/8/2,80,在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。图2-29给出了垂直极化与水平极化的示意图。 在移动通信系统中，在基站密集的高话务地区，广泛采用双极化天线，就其设计思路而言，一般分为： 垂直与水平极化方式； 45极化方式。 性能上45极化方式优于垂直与水平极化方式，因此目前大部分采用的是45极化方式。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,81,双极化天线组合了+45和-45两幅极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下。 大大节省了每个小区的天线数量； 同时由于45为

38、正交极化，有效保证了分集接收的良好效果（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB）。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,82,6 天线的带宽 常带宽定义为：天线增益下降3dB时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。带宽是指天线处于良好工作状态下的频率范围，超过这个范围，天线的各项性能将变差。工作带宽可根据天线的方向图特性、输入阻抗或电压驻波比的要求确定。在移动通信系统中，天线的工作带宽指当天线的输入驻波比1.5时带宽，当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,83,图3.30 天线带宽示意图,3.2 天线工作原理

39、及优化,2020/8/2,84,7 天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是指天线馈电端输入电压与输入电流的比值。 天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特征阻抗。 当天线的输入阻抗与馈线阻抗匹配时，馈线所传送功率全部被天线吸收，否则将有一部分能量反射回去而在馈线上形成驻波，并将增加在馈线上的损耗。 移动通信天线的输入阻抗应做成50纯电阻，以便与特性阻抗为50的同轴电缆相匹配。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,85,8 天线下倾技术 天线的倾角： 当天线垂直安装时，天线辐射方向图的主波瓣将从天线中心开始沿水平线向前。为了控制干扰，增强覆盖范围内的信号强度，即减少零凹

40、陷点的范围，一般要求天线主波束有一个下倾角度。 天线下倾有两种方式：机械的方式和电调方式。 机械天线即指使用机械调整下倾角度的移动天线，机械天线的天线方向图容易变形，其最佳下倾角度为1 5；,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,86,图3.31 天线下倾示意图,3.2 天线工作原理及优化,机械下倾是利用天线的机械装置来调节天线 立面对于地平面的角度。,2020/8/2,87,电调天线即指使用电子调整下倾角度的移动天线，电调天线改变倾角后天线的方向图变化不大。 电下倾是通过调节天线各振子单元的相位来改变天线垂直方向下的主瓣方向，此时天线仍保持与水平面垂直。,3.2 天线工作原理及优化,

41、图3.32 电下倾垂直方向图,2020/8/2,88,天线倾角定义了天线倾角的范围，在此范围内，天线波束发生的畸变较小。机械下倾角度过大，会造成波束的畸变。 机械下倾天线随着下倾角的增加，在超过10后，其水平方向图将产生变形，在达到20的时候，天线前方会出现明显的凹坑。,3.2 天线工作原理及优化,图3.33 天线前方的凹坑,2020/8/2,89,天线下倾主要是改变天线的垂直方向图主瓣指向，使垂直方向图的主瓣信号指向覆盖小区，而垂直方向图的零点或副瓣对准受其干扰的同频小区。改善服务小区覆盖范围内的信号强度，提高服务小区内的C/I(载干比）值，减少对远处同频小区的干扰，提高系统的频率复用能力，

42、增加系统容量，改善基站附近的室内覆盖性能。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,90,图3.34 下倾0-13时的载干比C/I分布图,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,91,电下倾和机械下倾的波形对本图,图3.35 波形对本图,副瓣功率强度/主瓣功率强度=副瓣电平。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,92,9 驻波比 (1)驻波比概念 驻波比（Voltage Standing Wave Ratio ，VSWR）：馈线上的电流（电压）最大值与电流（电压）最小值之比或者无线前射和反射功率的一种比值。用于测量天线的好坏的一种参考值。 对天馈线进行测试主要是通过测量其

43、驻波比（VSWR）或回损（Return loss)的值和隔离度（Isolation)来判断天线的安装质量。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,93,(2) 驻波比告警 RBS200基站发射天馈线的驻波比告警一般设为 1.5,RBS2000站的驻波比一级告警为2.2,二级告警为1.8。 (3) 基站发射天线之间的隔离度 RBS200基站发射天线之间的隔离度应大于40DB，发射与接收天线之间的隔离度应大于20DB。 RBS2000站发射天线之间的隔离度应大于30DB，发射与接收天线之间的隔离度应大于30DB。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,94,(4) 驻波比的测量 A

44、、天馈线测试的常用仪器 频谱仪、TDR和Site-master，目前使用较多的是Site- master。它是一种用于测量回损，驻波比，电缆损耗的 专用工具。 B、Site-master的优点 可直接测得天馈线驻波比的数值；可以测天线的隔离 度和回损；可以快速的进行故障定位（DTF）；可以测 缆线的插入损耗和基站的发射功率。 C、天馈线的测试内容: 天线、硬馈线、软跳线和 ALNA。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,95,图3.36 天馈线测试仪,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,96,10 基站天线的类型 (1)全向天线 全向天线在水平方向功率均匀地辐射，垂直方向图

45、上，辐射能量是集中的，可获得天线增益。水平方向图的形状基本为圆形。一般由半波振子排列成的直线阵构成，并把按设计要求的功率和相位馈送到各个半波振子，以提高辐射方向上的功率。可以将半波振子按照直线排列，振子单元数量每增加一倍，增益增加3dB，通常典型的增益值是69dBd的全向天线，高度为3米。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,97,图3.37 全向天线图例,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,98,(2)定向天线 定向天线在垂直和水平方向上都具有方向性，水平和垂直辐射方向图是非均匀的，其一般是由直线天线阵加上反射板构成，也可以直接采用方向天线（八木天线），其增益在920dB

46、d左右。高增益的天线，其方向图将会非常狭窄。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,99,图3.38 定向天线图例,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,100,(3)构成或直接采用方向天线 典型增益值是916dBd，结构上一般为816个单元的天线阵。,图3.39 816个单元的天线阵,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,101,(4) 智能天线 智能天线最早应用于军事用途，在20世纪90 年代，开始应用在GSM上。智能天线技术在3G系 统中将显得非常重要。 (A) 智能天线的定义 智能天线也称为自适应阵列天线，它是基于自适 应天线阵列原理，利用天线阵列的波束赋形产生

47、多个 独立的波束，并自适应地调整波束方向来跟踪每一个 用户。主要有多波束智能天线与自适应智能天线。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,102,多波束天线 一个扇区多个波束覆盖。波束指向固定，宽度随 阵元数定，用波束切换技术随用户移动，基站自动 选择不同的相应波束，使接收信号最强。 多波束智能天线 多波束智能天线系统必须在多波束智能天线与基站 间添加射频交换矩阵。由4个置于一条直线且相距半 个波长的阵元组成，在一个传统基站120扇区内， 该天线产生4个30的并行窄波束，多波束智能天线 通过检测上行链路的到达方向DOA选择对应的下行,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,103

48、,逻路的最佳波束。,图3.40 多波束智能天线系统,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,104,采用智能天线技术，实际上是通过数字信号处理，使天线阵列为每个用户自适应地进行波束赋形，相当于为每个用户形成了一个可跟踪它的高增益天线。这样既可以进行全方位通信，又可以降低发射功率，减少干扰，增加系统容量，同时波束赋形可以克服多经传播问题。 (B) 智能天线的理论基础 智能天线的理论基础是信号统计检测和估计理论、信号处理及最优控制理论。 智能天线的技术基础是自适应天线和高分辨率阵列信号处理。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,105,(C) 智能天线系统的组成 智能天线系统由天线

49、阵列、收发信机组和智能处 理器三部分组成，其基本结构如下图3.41所示。,图3.41,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,106,天线阵列： 天线阵列本身由M个空间分布的天线阵元组成。 天线阵列的功能受所选阵元的特性及其集合配置的约束。 天线阵列阵元的排列有直线阵、环形阵、平面阵等多种。 最简单的结构是直线阵列排列。 空间滤波： 天线阵列接收所有到达阵列的各用户信号； 通过智能信号处理单元适当合并阵列的输出；,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,107,可以从接收的多用户信号中提取出占用同一频带、同一时间的各个用户的信号，称为“空间滤波”。 智能处理器： 在智能天线系统的基

50、本结构中，智能处理器起着很重要的作用。 它又由空间参数提取、上下行自适应算法及波束赋形等单元组成。 智能天线技术的关键在于空间参数提取和数字赋形的实现,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,108,(D) 智能天线的主要优点 智能天线能根据每个用户的信号来（达）波方向，由天线阵列合成并调整其方向图，以达到跟踪用户及其信号变化的目的。 在移动通信系统中采用智能天线技术主要具有以下优点： 自动跟踪用户及其信号； 提高信号干扰比，改善通信质量； 增加系统容量，提高通信数量； 提高频谱利用率；,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,109,扩大通信覆盖区域； 降低基站发射功率； 节省成

51、本，减少电磁环境污染。 (E) 智能天线的应用 智能天线应用在移动通信系统中，主要是应用在基站端。移动台特别是手机由于受到体积、电源等方面的限制，目前难以实现。 基站智能天线的接收技术主要有：全自适应方式和基于预波束的波束切换两种方式。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,110,全自适应方式在理论上可以达到最优，但在实际上很难达到工程实用化。 波束切换方式只能实现与当前用户状态和传输环境的部分近匹配，从理论上讲不是最优的，但易于实现。 现在有将两者结合使用的倾向。 基于第三代移动通信系统的基站智能天线发射技术有两种实现方案。 一种是类似于第二代移动通信的IS-95中的上行功率控制技

52、术，做成闭环反馈测试结构形式。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,111,这种方式对FDD切实可行； 但它存在着占有系统资源、产生附加时延及受上行信道干扰等缺点。 另一种是利用上行信道信息来估计下行信道。 这一方案对FDD不能使用； 但对于IMT-2000 中的TDD方案，只要上下行时分的帧长较短（一般小于10ms），显然是可行的。 目前在GSM系统中采用多波束智能天线，使用多 波束智能天线的GSM系统可实现波束分集，解决衰落 问题。分集接收的两个支路信号取自多波束智能天线,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,112,两个波束的接收信号，采用波束分集时，要求系统 选择两个

53、最佳波束，通过射频交换矩阵与接收机的 两个分集接收端连接。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,113,(7) 其它特殊的天线 用于特殊场合信号覆盖的天线。例如泄漏同轴电缆，泄漏同轴电缆外层窄缝允许所传送的信号能量沿整个电缆长度不断泄漏辐射，它能够起到连续不断的覆盖作用，主要用于室内覆盖和隧道的覆盖，使接收信号能从窄缝进入电缆传送到基站。使用泄漏同轴电缆时，没有增益。为了延伸覆盖范围可以使用双向放大器，通常能满足大多数应用的典型传输功率值是2030W，但是价格昂贵。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,114,(8)多天线系统 许多单独天线形成的合成辐射方向图。最简单的类型

54、是在塔上相反方向安装两个方向性天线，通过功率分配器馈电。目的是用一个小区覆盖大范围，比用两个小区情况所使用的信道数要少。使用时不能使用全向天线，或当所需的增益(较大的覆盖面积)比一个全向天线系统所能提供的要大时，可用多天线系统来形成全向方向图。典型增益是单独天线增益减去功率分配器带来的3dB损耗。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,115,11 典型指标 增益15dBi ；极化方式为垂直极化 ；阻抗50； 反向损耗18Db；前后比30dB；可调下倾角2 10；3dB（半功率）波束宽度，水平64，垂直 18；10dB波束宽度，水平120，垂直30；垂 直上旁瓣抑制-12dB ，垂直下

55、旁瓣抑制-14dB 。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,116,12 天馈线安装与测量 (1) 天馈系统对覆盖范围的影响 天馈系统是整个基站中最经常出现故障的部分，而且对系统的性能影响较大。天线检查工作在硬件清障中工作量较大，特别是在我国南方沿海地区，由于台风的因素导对天线系统的影响更加明显，通常的天线检查工作可归纳为以下几个部分。 (2) 天线方位角与倾角检查 天线方位角与倾角是否符合设计要求，它们是网络无线规划的重要参数，如果不符合设计要求，必然,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,117,出现小区覆盖异常、邻区表设置错误等情况，从 而产生掉话和切换失败。值得注意的

56、是，采用分 集接收时，同一扇区两根天线之间的距离还须不 小于3米。 (3) 馈线的检查 检查每一根馈线的驻波比是否符合要求（小于1.3）。驻波比过高，即反射功率偏高，这也会导致小区的覆盖范围缩小，甚至这会发生掉话或则切换失败，从而使得该小区无法有效地吸收话务，引起邻近小区的阻塞。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,118,案例分析：在某市的网络优化中，我们发现小区10065的话务量较小，约为2Erl左右，而该区域相邻小区20311却发生了话务拥塞，进一步分析我们发现该小区正好正对该市的一个商业区，查询历史的报表，该小区的忙时话务量大约在8Erl左右，因此我们判断小区10065可能发

57、生故障。通过现场测试，发现小区10065的BCCH载频所在的馈线接头漏水，导致驻波比异常，故障排除后，小区10065覆盖恢复正常，并且也能正常吸收话务量。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,119,(4) 馈线与天线连接的检查 检查基站顶部出来的每一根馈线是否正确地连接到相应的扇区上。如果连接不正确，不仅将直接影响小区的覆盖范围，甚至导致邻频或同频干扰与及邻区设置不正确，以至于系统性能下降。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,120,案例分析：在某市的网络优化中，我们通过OMC-R发现基站1023的第1和第3小区在忙时掉话较多并且切换失败率高，通过多次路测发现这两个小区

58、的覆盖不正常，经检查为馈线连接错误，第一小区TCH载频所在的馈线和第三小区TCH载频所在的馈线接反，因此导致覆盖异常。此类故障有一定的隐蔽性，通常小区配置中将会有多副天线，如果其中仅是TCH上的载频馈线接反，并且话务优先分配在BCCH所在在信道上时，话务量相对较小的时候故障不能表现出来，当话务量增大时，该故障会明显表现出来。,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,121,13 天馈线安装、测量连接方法 (1)安装,图3.40 天馈线安装示意图,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,122,图3.41 天馈跳线的一般排列示意图,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,123

59、,(2)天馈线测量的连接方法,图3.42 天馈线测量的连接示意,3.2 天线工作原理及优化,2020/8/2,124,3.3 抗衰落技术,3.3.1 抗衰落技术概述 3.3.2 分集接收技术 3.3.3 均衡基本概念,2020/8/2,125,3.3.1 抗衰落技术概述,在移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的。发送的信号经过反射、散射等传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落，如图3.43所示。,图3.43 移动信道中典型的衰落信号,2020/8/2,126,在移动通信信道中，除了多径衰落还有阴影衰落。信号受高大建筑物或地形起伏等的阻挡，接受信号幅度将降低。 气象条件等的变化也都影响信号的传播，使接收到的信号的幅度和相位发生变化。