移动通信技术与网络优化_第2章_电波与天线工作原理及优化

2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系1第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系2第2章电波与天线工作原理及优化•2.1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、1800MHz、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，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。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系3第2章电波与天线工作原理及优化图2.1典型的移动信道电波传播路径2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系4第2章电波与天线工作原理及优化•2.1.1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。•请思考：为什么当电波经过一段路径传播后，能量仍会受到衰减？•由于辐射能量的扩散而引起的。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系5•直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗Lbs：)(lg20lg2045.32dBfdLbs式中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。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。第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/236第2章电波与天线工作原理及优化•2.1.3阴影效应•1、什么是阴影效应？•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。障碍物BSMS图2.2阴影效应示意图2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系7第2章电波与天线工作原理及优化•2、盲区•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信息的区域。它要求在网络规划、设置基站时必须予以充分的考虑。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系8第2章电波与天线工作原理及优化•3、慢衰落•阴影效应使接收天线处场强中值发生变化，从而引起衰落，由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。•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。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系9第2章电波与天线工作原理及优化•慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。频率较高的信号比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。2020/6/2310第2章电波与天线工作原理及优化•2.1.4移动信道的多径传播特性•1、陆地移动信道的主要特征是多径传播。发射信号接收信号强度时间图2.3电磁波传播路径示意图2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系11•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，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。或者说接收信号由直射波和反射波叠加而成，各信号到达接收点时幅度和相位都不一样，使接收信号电平起伏不定，使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。第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系12第2章电波与天线工作原理及优化•2.1.5多普勒效应•指当移动台在运动中通信时，相对速度引起的频移。频移与速度和入射波方向有关。可用下式表示：•式中，是入射电波与移动台运动方向的夹角，v是运动速度，是波长。coscosmDfvf2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系13第2章电波与天线工作原理及优化•2.1.6电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测•1、信号中值预测•电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。•2、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。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系14•知识补充：•奥村(Okumura)模型，简称OM模型•它是使用不同的频率，不同的天线高度，选择不同的距离进行一系列测试，最后绘成经验曲线而构成的模型。•该模型将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中值。对于郊区，给出开阔区的场强中值，它是以城市场强中值为基础进行修正的。对于“不规划地形”也给出了相应的修正因子。第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系15•OM模型适用范围：频率为100~1500MHz；基站天线高度为30~200m；移动台天线高度为1~10m；传播距离为1~20km的范围场强预测。第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系161.市区传播衰耗中值实际路径衰耗LT等于基本衰耗中值Am(f,d)加上自由空间的传播衰耗Lbs),(dfALLmbsT第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/2317图2.4大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f,d)1009080706050403020105321d/km300020001000700500300200100101235102030302040504060708090100506070d/km市区hb＝200mhm＝3m基本衰耗中值Am(f,d)/dB频率/MHz该图表明了基本衰耗中值Am(f,d)与工作频率、通信距离的关系。可以看出随着工作频率的升高或通信距离的增大，传播衰耗都会增加。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系18例1当d=10km,hb=200m,hm=3m,f=900MHz时，求该城市街道地区准平滑地形的传播衰耗中值。解：自由空间的传播衰耗中值Lbs为：dBfdLbs5.111900lg2010lg2045.32lg20lg2045.32查图2.4可求得基本损耗中值Am(f,d)，即dBAdfAmm30)10,900(),(所以，城市街道地区准平滑地形的传播衰耗中值为：dBdfALLmbsT5.141305.111),(第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/2319图2.5基站天线高度增益因子Hb(hb,d)2020/6/2320图2.6移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系21在考虑基站天线高度因子与移动台天线高度因子的情况下，市区准平滑地形的路径传播衰耗中值应为：),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/2322图2.7郊区修正因子Kmr200010007005003002001000510152025郊区修正因子Kmr/dB频率/MHzd＝1kmd＝5kmd＝10kmd≥20km2020/6/2323图2.8开阔区、准开阔区修正因子（Qo，Qr）Qo:开阔区Qr:准开阔区353025201510020030050070010002000频率f/MHz开阔区修正因子Qo/dB准开阔区修正因子Qr/dBQrQo2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系24•Okumura-Hata方法•为了在系统设计时,使Okumura预测方法能采用计算机进行预测，Hata对Okumura提出的基本中值场强曲线进行了公式化处理，所得基本传输损耗的计算公式如下：第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系25)(lg)lg55.69.44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市区)(4.528lg2)()(2dBfLLbb市区郊区)(94.40lg33.18)(lg78.4)()(2dBffLLbb市区开阔区式中：d为收发天线之间的距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz；hb为基站天线有效高度，单位为m；hm为移动台天线高度（m）;α(hm)为移动台天线高度校正因子。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系26由下式计算：)300(97.4)75.11(lg2.3)300(1.1)54.1(lg29.88.0lg56.1)7.0lg1.1()(22MHzfhMHzfhfhfhmmmm中、小城市大城市大城市这套公式的适用范围为：150MHz≤f≤1920MHz，可扩展到3000MHz，20m≤hb≤200m，1m≤hm≤10m，1km≤d≤20km，准平坦地形。)(mh第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系27第2章电波与天线工作原理及优化•2.3天线的基本特性•1、方向的定义•指天线向一定方向辐射电磁波的能力，接收天线是指天线对来自不同方向的电波的接收能力。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系28第2章电波与天线工作原理及优化•2、增益•天线的增益是表示天线在某一特定方向上能量被集中的能力。•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。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系29第2章电波与天线工作原理及优化•2.4基站天线的应用•1、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，垂直方向图上，辐射能量是集中的，可获得天线增益。•（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。使用定向天线的原因：覆盖扩张和频率复用。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系30第2章电波与天线工作原理及优化•（3）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。主要有多波束智能天线与自适应智能天线。•（4）多波束天线•一个扇区多个波束覆盖。多波束天线采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。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系31第2章电波与天线工作原理及优化•2.5天线分集技术•2.5.1抗衰落技术概述•衰落是移动通信信道的基本特征。多径传播使接收信号不仅包含数量约为10Hz～100Hz的多普勒频移和几十分贝的深度衰落，而且有数微秒的时延差。这些影响会造成传输性能的下降和严重的码间干扰（ISI），使数字信号误码率增加。阴影效应和气象条件的变化会造成信号幅度的降低和相位变化。这都是移动信道独有的特性，它将影响移动通信系统的接收性能。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系32第2章电波与天线工作原理及优化•为了提高移动通信系统的性能，采用分集、信道均衡和信道编码三种技术来改善接收信号质量。•1、分集技术•用来补偿衰落信道损耗的，它通常要通过两个或更多的接收天线来实现。基站和移动台的接收机都可以应用分集技术。分集主要分：显分集和隐分集。2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系33•（1）显分集构成明显的分集信号的传输方式，指利用多幅天线接收信号的分集。•（2）隐分集分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集是只需一幅天线来接收信号的分集，因此，在数字移动通信中得到了广泛的应用。目前，主要的隐分集技术有交织编码技术、跳频技术、直接扩频技术等。第2章电波与天线工作原理及优化2020/6/23广东农工商职业技术学院电信系34第2章电波与天线工作原理及优化•2、均衡•可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（ISI）。•3、信道编码•通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能（可靠性）。