电磁环境和电磁波传播模型

电磁环境和电磁波传播模型1.什么是电磁环境？电磁环境是在特定区域内各种电子设备在该区域产生的电磁波信息的总和。空间电磁环境研究的主要内容是空间电磁辐射强度。2.研究电磁环境对移动通信的意义？在已知地形、地物、频率和收发天线的高度等数据的条件下，可利用这些模型估算基站服务区内的场强分布。在已知地形和地物的条件下，可以利用这些模型对移动通信网进行规划与设计。在对已部署的网络进行优化时，可以利用这些模型对网络的质量经行评估，并对调整天线高度，天线倾斜角度和频率配置等参数所带来的影响做出预测，从而为网络优化提供指导性意见。无线传播环境决定了电波传播的损耗，然而由于电波传播环境极为复杂，所以在研究建立电磁传播预测模型时，人们常常根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正，以使其更加接近实际，更准确。无线信道环境电波传播面临的是随时变化、复杂的无线信道环境。首先传播环境十分复杂，传播机理多种多样，几乎包括了电波传播的所有过程，如直射，绕射，反射，散射和透射等。其次，由于移动台的移动性，传播参数随时变化，引起接受场强，时延等参数的快速波动。移动通信系统的无线传播主要是利用了电磁波的直达波和反射波。在设计移动通信系统或对移动通信系统的覆盖进行分析时，研究电磁波的传播是非常重要的，这主要有以下两个原因：第一，用于计算不同覆盖小区的信号强度。在大多数情况下，每个覆盖区域包括直达波和反射波。第二，用于计算相同和相邻信道之间的干扰。移动通信系统由于采用频率复用技术，同频和领频干扰是必须解决的问题。电波传播的基本特性移动通信信道衰落的表现无线电波传播方式衰落原因复杂的无线电波传播环境传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径直射、反射、绕射和散射以及它们的合成移动信道基本特性衰落特性3.电磁波传播公式3.电磁波传播公式4.电磁波的传播机制电磁波最基本的五种传播机制为直射，反射，绕射，散射和透射。电波的传播机制基本电波的传播机制反射阻挡体比传输波长大的多的物体产生多径衰落的主要因素绕射散射阻挡体为尖利边缘产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体4.1直射电磁波可以认为是自由空间内的传播，即在均匀的、所有方向都可认为是无限大的理想电介质内的传播。对于自由空间内的传播，在从源出发的任一给定方向上，超过某一由源尺寸和波长决定的距离后，电磁波的每一矢量的大小均与离开源的距离成反比。直射波又称为空间波，是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。4.1直射4.2反射当电磁波遇到比其波长大得多的物体时，或者在不同介质交界处时，发生反射。在理想介质表面上发生反射是没有能量损失的。但是实际中都是非理想介质表面，故存在一定的能量损失。发生反射时，入射射线、反射射线以及反射点都在同一个平面内，入射射线与反射射线的夹角等于反射射线与反射点法线的夹角，这就是电磁波的反射定理。反射定理的基本原理图4.2反射4.3绕射绕射是指电磁波传播路径上，当尺寸相当大的障碍物产生遮挡时，在障碍物背后的阴影区中产生电磁波。当入射射线遇到散射体边界面的边缘、拐角、尖顶和凸曲面时,会产生一新的绕射射线。在边缘绕射情况下,边缘绕射射线与边缘的夹角等于入射射线与边缘的夹角。一条入射射线会激起无穷多条绕射射线,它们都位于一个以绕射点为顶点的圆锥面上。圆锥轴就是绕射点所在边缘的切线,圆锥的半顶角等于入射射线与边缘切线的夹角。4.3绕射一致性绕射理论基本原理图4.4散射当电磁波入射到宏观物体或微观电子上时，引起物体上的诱导电荷和电流，或改变电子运动，从而向各个方向辐射电磁波，这个过程叫做电磁波的散射。散射传播是由天线辐射出去的电磁波投射到低空大气层或电离层中不均匀介质时产生散射，其中一部分到达接收点。散射传播距离远，但是效率低，不易操作，使用并不广泛。散射散射无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8sincih表面光滑度的判定表面平整度的参数高度平面上最大的突起高度h{2sinexp8hisroughsh粗糙表面下的反射场强散射损耗系数：式中，为表面高度h的标准差，h是具有局部平均值的高斯分布的随机变量。用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强：4.5透射电磁波的透射也称为电磁波的折射，其原理与反射一样都是发生在两种介质的交界处，只是反射的电磁波返回原介质中，而透射的电磁波则进入到另一种介质中。由于电磁波在两种介质中的传播速度不同，故在两种介质的交界处传播方向发生改变，射线经过两次透射后穿过墙体。4.5透射透射定理基本原理图5.室外传播模型在移动通信系统的室外环境，电磁波通常在非规则、非单一的环境中传播。在估计信道损耗时，需要考虑传播路径上的地形地貌，也要考虑到建筑物、树木、电线杆等障碍物。实验表明，随着距离的增大，接受信号强度逐渐减小，然而衰减的速率是不同的。视距时传播衰减速率最小，其次是开阔地和郊区，城区的衰减速率最大。所以在不同的环境中应选择不同的传输模型进行预测分析。5.室外传播模型在室外的传播环境中,按照覆盖区域的不同,室外传播模型可以分为宏蜂窝模型和微蜂窝模型。在宏蜂窝场景中,基站发射功率可达到几十瓦特,蜂窝覆盖半径为几公里至几十公里。相比于宏蜂窝场景,微蜂窝覆盖范围小一些,一般为200米至1000米,基站高度一般为3m至10m,发射功率一般为10mw至IW,所预测的区域一般为市区街道等人口密集区域。最常用的室外传播环境模型包括Okumura模型、Hata模型、车载传播模型、双折线模型、Lee模型、Mallllattan传播模型、Berg模型、Xia.H模型等。室外传播模型Hata模型CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型Okumura-Hata模型COST231Hata模型常用的几种室外电波传播损耗预测模型5.1Okumura模型okumura模型是okumura等人根据在日本大量测试数据统计出的以曲线表示的传播模型。该模型是预测城区信号时使用最广泛的模型。它以准平坦地形大城市市区的中值场强或路径损耗为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。Okumura等人的模型基于经验数据，这些数据源于在各种不规则地形和环境分布下进行的详细的传播测试。这些结果以统计方法进行分析并合成为图表。在城区准光滑地形下可以得到中值场强的基本预测结果。在开阔地带或郊区都有可供使用的修正因子。其他的一些修正因子包括起伏的丘陵地貌，孤立的山峰，混合的陆地海面路径，街道走向，一般的斜坡地貌等等，这使得最终的预测结果接近于实际环境中的场强值。5.1Okumura模型Okumura开发了一套在准平滑城区、基站天线高度为200米、移动台高度为3米的自由空间中值损耗曲线，其中移动台和基站的天线均为垂直全方向天线，如图所示，该模型给出的是统计结果,在运用时必须考虑地形因子，它给出的测试结果显示郊区的损耗变化率较大，当接收天线较低时较为明显。5.1Okumura模型相对于自由空间的传输损耗与频率和距离之间的关系5.1Okumura模型奥村模型（Okumura）是最常用的传播模型，比较简单，分析起来比较方便，常用于无线网络的设计中。奥村模型得名于奥村，奥村在20世纪60年代测量了日本东京等地无线信号的传播特性，根据测量数据得到了一些统计图表，用于对信号衰耗的估计。奥村模型有一定的适用范围，例如，载波频率从150～2000MHz；离基站不能太近，有效距离为1～100km；天线高度要在30m以上。5.1Okumura模型Hata在奥村模型上做了改进，将统计图表转换为公式，这样计算信号衰耗就不必查图表，非常方便，而且还适合计算机处理。尽管如此，这些公式仍然统称为奥村模型。在城市，奥村模型描述为以下的Hata公式：Lp=69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)lgd式中，Lp对应路径损耗；f代表载波频率；hb代表基站的等效高度；hm代表终端的等效高度；d代表基站与终端之间的距离；a(hm)是与终端有关的修正因子，当终端的等效高度为1.5m时a(hm)被忽略。5.1Okumura模型除了城市以外，奥村模型还分别针对郊区、农村和开阔地定义了相应的公式。一般天线的高度为30m，考虑到上行信号的频率为1.9GHz，可以简化Hata公式中上行信号损耗计算公式，为：Lp=A+35.2lgd其中，城市环境A为134.7，郊区环境A为127.5，农村环境A为115.4。同样地，考虑到下行信号的频率为2.1GHz，可以简化Hata公式中下行信号损耗计算公式，为：Lp=A+35.2lgd其中，城市环境A为135.8，郊区环境A为128.6，农村环境A为116.5。奥村模型是无线信号传播模型的鼻祖，后来又产生了许多基于奥村模型的修正模型，如COST－231Hata模型、TCPU规划工具采用的9999模型和Atoll规划工具采用的SPM模型等。其中COST值得一提，这是EuropeanCo-OperationinthefieldofScientificandTechnicalresearch的缩写，是欧洲的一个科研项目组织。COST组织了不少科研项目，传播模型包括前面提到的信道模型都是其中的研究成果，而231代表项目编号。5.2.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32（1）丘陵地修正因子丘陵地：连绵、起伏高度有限33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Khf34(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(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d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6.室内传播模型6.1室内无线环境特征室内无线环境的特点是传输功率较小，覆盖距离更近，环境的变动更大。对于不同的建筑物而言，室内布置、材料结构、建筑物尺度和应用类型等因素的变化更大，这就使得传播环境产生了很大的差异。即使在同一个建筑物的不同位置，其传播环境也不尽相同，甚至差别很大。例如，信号电平很大程度上依赖于建筑物内的门是开还是关。不同材料制成的墙体和障碍物对信号有不同的阻隔，因此路径损耗衰减指数变化也比较大，甚至建筑物窗口的数量也影响楼层间的损耗。墙壁和地板的穿入损耗，根据建筑材料的不同而变化，从轻质编织物的3dB，到混凝土砖块结构的13~20dB。建筑物的内在结构会引起无线电波的反射、绕射、透射和散射，也就是引起发射信号通过不止一条途径到达接收端，就是多径现象。6.2室内无线传播的影响因素1.外部墙壁的种类（如钢铁结构、玻璃、砖、混凝土）、有屏蔽作用的物体、房间的布局、摆设等；2.由于环境密度的不同带来的城市和郊区的建筑物的差别；3.由于结构和内部家具的不同带来的城市和郊区的建筑物的差别；4.建筑物中