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产品版本GSM工程师使用对象无线产品产品名称资料编码无线传播理论无线传播理论无线传播理论无线传播理论描述作者修订版本日期修订记录日期批准日期审核2001/12/15日期工程部资料开发部审核2001/12/10日期移动通信工程部拟制华华华华为为为为技技技技术术术术有有有有限限限限公公公公司司司司目录204.3传播模型校正及实例.....................................................184.2CW测试的方法..........................................................184.1CW测试的原理..........................................................18第四章传播模型校正...........................................................153.5规划软件ASSET使用的传播模型...........................................153.4室内传播模型...........................................................133.3COST231WalfishIkegami模型.............................................133.2COST231-Hata模型......................................................123.1Okumura-Hata模型.......................................................11第三章无线传播模型...........................................................82.4传播损耗................................................................72.3分集接收................................................................72.2多谱勒频移..............................................................42.1快衰落和慢衰落..........................................................4第二章无线传播环境............................................................2第一章无线传播基本原理........................................................1无线传播理论...................................................................无线传播理论无线传播理论无线传播理论无线传播理论1.概要说明无线传播方式决定了蜂窝系统的设计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和进行场强预测本文主要讲述了蜂窝系统的传播环境介绍了传播过程中出现的快衰落和慢衰落现象以及传播损耗现象本文还介绍了GSM移动通信系统的信号损耗中值计算模型和具有代表性的几种传播模型同时对CW测试原理测试方法和传播模型的校正进行了介绍全文分为四节第一节无线传播基本原理讲述了电磁波的不同传播模式第二节无线传播环境讲述了快衰落和慢衰落多普勒频移分集接收以及传播损耗第三节无线传播模型讲述了Okumura-HataCOST231-HataCOST231WalfishIkegami室内传播模型和规划软件ASSET使用的传播模型第四节传播模型校正讲述了CW测试的原理和方法并列举了模型校正的实例2.关键词无线传播衰落损耗传播模型模型校正CW测试无线传播理论华为技术1第一章第一章第一章第一章无线传播基本原理无线传播基本原理无线传播基本原理无线传播基本原理要点掌握电磁波的多种传播途径在规划和建设一个移动通信网时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它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论众所周知无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线直达波或自由空间波地波或表面波对流层反射波电离层波如图1所示就电波传播而言发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播自由空间指该区域是各向同性沿各个轴特性一样且同类均匀结构自由空间波的其他名字有直达波或视距波如图1(a)直达波沿直线传播所以可用于卫星和外部空间通信另外这个定义也可用于陆上视距传播两个微波塔之间见图1(b)第二种方式是地波或表面波地波传播可看作是三种情况的综合即直达波反射波和表面波表面波沿地球表面传播从发射天线发出的一些能量直接到达接收机有些能量经从地球表面反射后到达接收机有些通过表面波到达接收机表面波在地表面上传播由于地面不是理想的有些能量被地面吸收当能量进入地面它建立地面电流这三种的表面波见图1(c)第三种方式即对流层反射波产生于对流层对流层是异类介质由于天气情况而随时间变化它的反射系数随高度增加而减少这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲如图1(d)所示对流层方式应用于波长小于10米即频率大于30MHz的无线通信中第四种方式是经电离层反射传播当电波波长小于1米频率大于300MHz时电离层是反射体从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃见图1(e)这种传播用于长距离通信除了反射由于折射率的不均匀电离层可产生电波散射另外电离层中的流星也能散射电波同对流层一样电离层也具有连续波动的特性在这种波动上是随机的快速波动蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式这一点将在后文中论述在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因第一它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具因为在大多数情况下覆盖区域从几百米到几十公里地波传播可以在这种情况下应用第二它可计算邻信道和同信道干扰预测场强有两种方法第一种纯理论方法适用于分离的物体如山和其他固体物体但这种预测忽略了地球的不规则性第二种基于在各种环境的测量包括不规则地形及人为障碍尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频无线传播理论华为技术2率和较低的移动天线第三种方法是结合上述两种方法的改进模型基于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响在蜂窝系统中至少有两种传播模型第一种是FCC建议的模型第二种设计模型由Okumura提供覆盖边界应考虑实际经验结果abcde电离层地波散射体(e)无线电波通过电离层反射传播(d)对流层对无线电波的不规则散射(c)地波传播(b)视距通信的应用(a)直达波沿直线传播图1不同的传播模式无线传播理论华为技术3第二章第二章第二章第二章无线传播环境无线传播环境无线传播环境无线传播环境要点掌握快衰落和慢衰落的概念掌握多普勒频移的概念掌握分集接收的方法掌握典型地形传播损耗的计算方法2.1快衰落和慢衰落根据上一节的论述在一个典型的蜂窝移动通信环境中由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑物或其他物体所阻碍所以在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达路径而是通过许多其他路径完成的在UHF频段从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射即从建筑物平面反射或从人工自然物体折射如图2所示无线传播理论华为技术4地面反射波直达波绕射波建筑物反射波图2多径传播模型所有的信号分量合成产生一个复驻波它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小其合成场强在移动几个车身长的距离中会有2030dB的衰落其最大值和最小值发生的位置大约相差1/4波长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通常把这种现象称为多径衰落或快衰落如图3所示在性质上多径衰落属于一种快速变化研究表明如移动单元所收到的各个波分量的振幅相位和角度是随机的那么合成信号的方位角和幅度的概率密度函数分别为022-1✕✜r02-2无线传播理论华为技术5其中r为标准偏差2-1式和2-2式分别表明方位角在02是均匀分✕✜布的而电场强度概率密度函数是服从瑞利分布的故多径衰落也称瑞利衰落大量研究结果表明移动台接收的信号除瞬时值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种变化称为慢衰落见图3它是由阴影效应引起的所以也称作阴影衰落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当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时就会使接收场强中值的变化变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率变化速率不仅和障碍物有关而且与车速有关研究这种慢衰落的规律发现其中值变动服从对数正态分布另外由于气象条件随时间变化大气介电常数的垂直梯度发生慢变化使电波的折射系数随之变化结果造成同一地点的场强中值随时间的慢变化统计结果表明此中值变化也服从对数正态分布分布的标准偏差为rt由于信号中值变动在较大范围内随地点和时间的分布均服从对数正态分布所以它们的合成分布仍服从对数正态分布在陆地移动通信中通常信号中值随时间的变动远小于随地点的变动因此可以忽略慢衰落的影响r=rL但是在定点通信中需要考虑慢衰落距离距离距离距离(m)接收功率接收功率接收功率接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落慢衰落慢衰落快衰落快衰落快衰落快衰落图3快衰落和慢衰落总的来说在蜂窝环境中有两种影响第一种是多路径由于从建筑物表面或其他物体反射散射而产生的短期衰落通常移动距离几十米第二种是直接可见路径产生的主要接收信号强度的缓慢变化即长期场强变化也就无线传播理论华为技术6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2.2多普勒频移快速运动的移动台还会发生多普勒频移现象这是因为在移动台高速运动时接收和发送信号将导致信号频率将发生偏移而引起的干扰多普勒频移符合下面的公式fI=f0-fDcosI=f0-v/cosIfI为合成后的频率f0为工作频率fD为最大多普勒频移I为多径信号合成的传播方向与移动台行进方向的夹角v为移动台的运动速度为波长当移动台快速远离基站时为fI=f0-fD当移动台快速靠近基站时为fI=f0+fD当运动速度过高时多普勒频移的影响必须考虑而且工作频率越高频移越大2.3分集接收多径衰落和阴影衰落产生的原因是不同的随着移动台的移动瑞利衰落随着信号的瞬时值快速变动而对数正态衰落随着信号平均值变动这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素使接收信号被大大恶化虽然通过增加发信功率天线尺寸和高度等方法能取得改善但采用这些方法在移动通信中比较昂贵有时也显得不切实际而采用分集方法即在若干支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号然后通过合并技术再将各个支路的信号合并输出那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率由于衰落具有频率时间和空间的选择性因此分集技术包括空间分集时间分集频率分集极化分集和角度分集等五种空间分集若在空间设立两副接收天线独立接收同一信号由于其传播环境及衰落各不相同具有不相干或相干性很小的特点采用分集合并技术并使输出较强的有用信号降低了传播因素的影响在移动通信中空间的间距越大多径传播的差异就越大所收场强的相关性就越小天线间隔可以是垂直间隔也可以是水平间隔但是垂直间隔的分集性能太差不主张用这种方式为获得相同的相关系数基站两分集天线之间的垂直距离应大于水平距离这种方式在移动通信中是最有效的也是应用最普遍的一种分集方式时间分集可采用通过一定的时延来发送同一消息或在系统所能承受的时延范围以内在不同时间内的各发送消息的一部分在GSM中采用的是后面会讲到的交织技术来实现时间分集的无线传播理