第2章电波的传播特性

1移动通信技术(第2版)第2章电波的传播特性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78–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）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-Eo16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～1500MHz–BTS天线高度：30m～200m–MS天线高度：1m～10m–传播距离：1km～20km1.OM模型(Okumura-M.Hata奥村哈达)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）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27天线有效高度–基站天线有效高度hb=hta-hgahga：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31基本衰耗中值Am(f,d)–hb=200mhm=3m–参数：f、d32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)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hm5m时，还与环境有关（拐点）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)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，d36开阔地修正因子QO准开阔地修正因子Qr–参数：f372.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38（1）丘陵地修正因子丘陵地：连绵、起伏高度有限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Khf40(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jsjsKHK07.0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d42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44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Kac0，表示场强中值低于基准场强中值(1)街道走向/修正因子Kaf/Kac45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LP46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。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-KTLT=Lbs+Am-Hb-HmKT=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Po502.3.3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52实际应用中，σ不同时，常用σ随通信概率变化的归