無線傳播特性20040520

1、目 錄,一、無線傳播基本原理二、無線傳播的特點(diǎn)三、無線傳播模型四、模型校正,無線電波波段劃分,不同的頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性,電磁波的產(chǎn)生,根據(jù)Maxwell方程組：空間某處只要有變化的磁場就能激發(fā)出渦旋電場，而變化的電場又能激發(fā)渦旋磁場。交變的電場和磁場互相激發(fā)就形成了連續(xù)不斷的電磁振蕩即電磁波。電磁波的速度只隨介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)而變化，電微波在真空中傳播的速度，等于光在真空中傳播的速度。光和電磁波在本質(zhì)上是相同

2、的，光是一定波長的電磁波。,電磁波的傳播,池塘中的波紋：能量從源點(diǎn)向四周傳播，并逐漸減弱電磁波的傳播與此類似，不同之處（當(dāng)輻射源是各向同性的理想點(diǎn)源時）：在三維空間以球面波的形式傳播傳播介質(zhì)不同，空氣、障礙物、反射物,無線傳播的理論基礎(chǔ),在自由空間中，由點(diǎn)源發(fā)射的正弦波向各個方向輻射球面波，此時該點(diǎn)源稱為各向同性輻射源假設(shè)點(diǎn)源發(fā)射功率為Prad (W)，在距離d (m)處的單位面積功率（即Poynting矢量）為：,對于實(shí)際天

3、線，若輻射功率為Pt (W)，天線增益為Gt (dBi) ，則Poynting矢量為：,無線傳播的理論基礎(chǔ),若接收天線有效接收面積為Ae (m2)，增益為Gr (dBi) ，則兩者關(guān)系：,因此在距離d處接收到的功率為：,無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計的理論基礎(chǔ)是傳播損耗，自由空間傳播損耗為：,其它傳播模型都是以自由空間傳播模型為理論基礎(chǔ)發(fā)展起來的,目 錄,一、無線傳播基本原理二、無線傳播的特點(diǎn)三、無線傳播模型四、模型校正,①建筑物反射波②

4、繞射波③直射波④地面反射波,無線傳播的特點(diǎn),陸地移動通信的電波傳播機(jī)制,實(shí)際環(huán)境的無線傳播,LOS和NLOS,無線信道特征,無線信道隨用戶的位置和時間而變化多徑散射、陰影遮擋使得接收功率發(fā)生劇烈變化,慢衰落衰減：Pr正比于1/dn陰影：障礙物遮擋快衰落多徑效應(yīng)在很小的距離間隔和時間間隔上，信號強(qiáng)度快速變化產(chǎn)生Doppler頻移產(chǎn)生時延擴(kuò)展,分集技術(shù),抗快衰落措施－分集技術(shù),－顯分集空間分集極化分集頻率分集：

5、GSM--跳頻，WCDMA--擴(kuò)頻技術(shù)其它：方向性分集、場分集、發(fā)射分集,－隱分集隱分集即是利用信號處理技術(shù)將分集作用隱含在被傳輸信號之中，如RAKE接收技術(shù)、信道交織、糾錯編碼等 可看作時間分集,時延擴(kuò)展,多徑傳播：不同路徑的信號到達(dá)接收機(jī)的時間不同當(dāng)多徑信號不能被接收機(jī)區(qū)分時就產(chǎn)生同信道干擾（CCI），對于WCDMA系統(tǒng)，多徑時延必須大于一個碼片周期(0.26µs)才能被識別典型值 (µs): Open

6、 < 0.2, Suburban = 0.5, Urban = 3,Doppler頻移,Doppler效應(yīng)的例子：火車經(jīng)過你的身邊,,移動通信中的Doppler頻移,V：移動臺速度?：信號到達(dá)角度,,繞射損耗,穿透損耗,地物損耗,損耗,特點(diǎn)電磁波在繞射點(diǎn)四處擴(kuò)散繞射波覆蓋除障礙物外的所有方向擴(kuò)散損耗最為嚴(yán)重計算公式復(fù)雜，隨不同繞射常數(shù)變化,繞射損耗,電磁波穿透墻體的反射和折射,室內(nèi)信號取決于建筑物的穿透損耗 室內(nèi)窗口處

7、與室內(nèi)中部信號差別較大 建筑物材質(zhì)對穿透損耗影響較大 電磁波的入射角對穿透損耗影響較大,穿透損耗,物體阻擋/穿透損耗為： 隔墻阻擋：5～20dB 樓層阻擋：＞20dB， 室內(nèi)損耗值是樓層高度的函數(shù)，-1.9dB/層 家具和其它障礙物的阻擋： 2～15dB 厚玻璃： 6～10dB 火車車廂的穿透損耗為：15～30dB 電梯的穿透損耗： 30dB左右 茂密

8、樹葉損耗：10dB,穿透損耗,反射損耗,無線傳播環(huán)境,電波傳播受地形結(jié)構(gòu)和人為環(huán)境的影響，無線傳播環(huán)境直接決定傳播模型的選取。影響傳播環(huán)境的主要因素： 地貌：高山、丘陵、平原、水域、植被 地物：建筑物、道路、橋梁 噪聲：自然噪聲、人為噪聲 氣候：雨、雪、冰（對UHF頻段影響微?。?無線傳播環(huán)境,傳播環(huán)境分類參照ITU-R P.1411-1，結(jié)合中國國情，分類如下,無線傳播環(huán)境,傳播環(huán)境分類對應(yīng)的小區(qū)類型,其它新的小區(qū)分類，如

9、 Mini-cell…,目 錄,一、無線傳播基本原理二、無線傳播的特點(diǎn)三、無線傳播模型四、模型校正,確定性模型自由空間模型雙線模型Ray Tracing,傳播模型分類,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚈kumura-HataCOST231-HataCOST231 Walfish-IkegamiKeenan-Motley,半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀嬎銠C(jī)輔助計算模型,Okumura-HataCOST231-HataCOST231 Walfish-Ik

10、egami室內(nèi)傳播模型計算機(jī)輔助計算模型,常用傳播模型,自由空間傳播模型,Lfs=91.48+20lgd, for f=900MHzLfs=97.98+20lgd, for f=1900MHzLfs=99+20lgd, for f=2100MHz,自由空間傳播模型適用于具有各向同性傳播介質(zhì)（如真空）的無線環(huán)境，是理論模型。該環(huán)境在現(xiàn)實(shí)中并不存在，但空氣介質(zhì)近似于各向同性介質(zhì)。,Okumura-Hata模型,市區(qū):Lu

11、 (dB) = 69.55 + 26.16*log(f) ? 13.82*log(Hb) ? a(Hm) + [44.9 ? 6.55*log(Hb)]*log(d)其中，a(Hm)為移動臺天線高度修正因子。對于中等城市：a (Hm) = [1.1*log(f) ? 0.7]*Hm ? [1.56*log(f) ? 0.8]對于大城市：a (Hm) = 8.29*[log(1.54*Hm)]

12、2 ? 1.1 for f = 400 MHz,Okumura-Hata模型,郊區(qū)：Lsu (dB) = Lu ? 2*[log(f/28)]2 ? 5.4鄉(xiāng)村半開闊地：Lrqo (dB) = Lu ? 4.78*[log(f)]2 + 18.33*log(f) ? 35.94鄉(xiāng)村開闊地：Lro (dB) = Lu ? 4.78*[log(f)]2 + 18.33*log(f) ? 40.94,Okumura-Hata模

13、型,適用范圍：頻率范圍 f:150~1500MHz基站天線高度 Hb:30~200m移動臺高度 Hm:1~10m距離 d:1~20km,宏蜂窩模型基站天線高度高于周圍建筑物1km以內(nèi)預(yù)測不適用頻率超過1500MHz以上時不適用,COST 231-Hata模型,市區(qū)：Lu (dB) = 46.3 + 33.9*log(f) ? 13.82*log(Hb) ? a(Hm) + [44.9 ? 6

14、.55*log(Hb)]*log(d) + Cm其中，a(Hm) = [1.1*log(f) ? 0.7]*Hm ? [1.56*log(f) ? 0.8]Cm = 0 dB for medium sized city and suburban centres with moderate tree densityCm = 3 dB for metropolitan centres郊區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的

15、修正值與Okumura-Hata模型相同,COST 231-Hata模型,適用范圍：頻率范圍 f:1500~2000MHz基站天線高度 Hb:30~200m移動臺高度 Hm:1~10m距離 d:1~20km,宏蜂窩模型基站天線高度高于周圍建筑物1km以內(nèi)預(yù)測不適用頻率超過2000MHz或低于1500MHz時不適用,COST 231 Walfish-Ikegami模型,基站與移動臺之間無可視路徑（Non-

16、LOS）,Lb = Lo for Lrts + Lmsd <= 0其中，Lo為自由空間傳播損耗,COST 231 Walfish-Ikegami模型,Lrts: 屋頂?shù)浇值赖睦@射和散射損耗,其中，,,,COST 231 Walfish-Ikegami模型,Lmsd : 多重屏障損耗,,,,其中，,,,COST 231 Walfish-Ikegami模型,Lmsd : 多重屏障損耗,,,,其中，,,,對于樹木密度適中的中等城市

17、：,對于大城市：,COST 231 Walfish-Ikegami模型,,,,,,Lb = 42.6 + 26*log(d) + 20*log(f) for d >= 0.020 kmOr:Lb = Lofor d < 0.02km其中，Lo為自由空間傳播損耗,基站與移動臺之間有可視路徑（LOS）,對于高樓林立的街道（Street Canyon）傳播環(huán)境，基站天線通常低于周圍建筑物的屋頂高度。受傳播環(huán)境的影響

18、，無線信號通常只能沿街道走向傳播。,COST 231 Walfish-Ikegami模型,,,,,適用范圍：頻率范圍 f:800~2000MHz基站天線高度 Hbase:4~50m移動臺高度 Hmobile:1~3m距離 d:0.02~5km建筑物高度 Hroof (m)路面寬度 w (m)建筑物間距 b (m)相對直射波方向的街道走向 α ( ? ),市區(qū)環(huán)境，宏蜂窩或微蜂窩郊區(qū)環(huán)境

19、或鄉(xiāng)村環(huán)境不適用,室內(nèi)傳播模型,,,,室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境差異巨大，室外模型不適用于室內(nèi)環(huán)境L = 37 + 30 Log10(R) + 18.3 n((n+2)/(n+1)-0.46) f：頻率(MHz)R：天線到移動臺距離(m)n：天線到移動臺之間相隔的樓層數(shù),計算機(jī)輔助計算模型,,,,為便于計算，各種規(guī)劃軟件均具有自身的傳播模型數(shù)學(xué)公式這些模型可以通過模型校正來調(diào)整參數(shù)使其更接近實(shí)際環(huán)境常用的有Planet，Asset

20、，Atoll模型校正后的模型比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用范圍更廣必需準(zhǔn)確的、滿足精度要求的地理數(shù)據(jù)庫,WCDMA系統(tǒng)需要的傳播模型,,,Where:Ris the base station - mobile station separation in kilometres;fis the carrier frequency of 2000 MHz;?hbis the base station antenna height, in m

21、etres, measured from the average rooftop level,3GPP推薦的傳播模型,現(xiàn)有模型的適用性,,,郊區(qū)、鄉(xiāng)村：宏蜂窩模型適用，如COST231-HATA，視需要校正城區(qū)、密集城區(qū)：宏蜂窩模型、微蜂窩模型，適合于初始簡單規(guī)劃,用于詳細(xì)規(guī)劃時，經(jīng)典的宏蜂窩模型和微蜂窩模型存在缺陷：城市建筑物的影響考慮不完善密集城區(qū)街道的波導(dǎo)效應(yīng)沒有考慮模型校正工作量巨大,華為在香港3G項(xiàng)目規(guī)劃時，采用

22、Ray Tracing 模型,Ray Tracing 模型,,,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鏞kumura-Hata、COST231-HATA、COST231 WI 等模型建立在實(shí)測統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，直觀可靠, 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿匀皇钱?dāng)今進(jìn)行移動通信場強(qiáng)預(yù)測的主要工具；但是用該方法所得出的電波傳播模型對環(huán)境的依賴性較大, 對實(shí)測設(shè)備、數(shù)字地圖的要求也較高, 使得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)用性存在一定問題。確定性模型，如Ray Tracing，應(yīng)用電磁波傳播理論來建立預(yù)測模型,

23、 基礎(chǔ)牢固, 結(jié)果更具有普遍性, 獲得人們愈來愈多的關(guān)注，并已經(jīng)形成商用軟件。Ray Tracing模型預(yù)測精度較高、模型校正工作量小或基本不需要校正但需要高精度數(shù)字地圖、高性能計算機(jī),Ray Tracing 模型,,,香港島、九龍,Ray Tracing 模型,,,香港島局部,Ray Tracing 模型,,,COST231-Hata預(yù)測結(jié)果,Ray Tacing預(yù)測結(jié)果,預(yù)測結(jié)果差異,目 錄,一、無線傳播基本原理二、無線傳播

24、的特點(diǎn)三、無線傳播模型四、模型校正,模型校正,模型校正的方法：CW測試信號源為未調(diào)制連續(xù)波或FM信號適用于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之前需要選擇站址，架設(shè)模擬發(fā)射機(jī)，測試工作量大需要專用模擬發(fā)射機(jī)和接收機(jī)定標(biāo)信號測試?yán)靡验_通基站的定標(biāo)信號適用于部分基站已經(jīng)開通后測試工作量較小可以直接利用常規(guī)路測設(shè)備,選擇站址,選擇站址原則站址數(shù)量：根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，在人口密集的大城市，測試站址應(yīng)不少于5個；對于中小城市一般一個測試站址就夠了，這主

25、要取決于測試基站天線高度及其EIRP大小。代表性：站址選擇的原則是要使它能夠覆蓋規(guī)劃區(qū)內(nèi)所有的地物類型（這些地物類型來自數(shù)字地圖）。多種模型：如果測試環(huán)境需要用多個模型來描述其傳播特性，則各個模型所對應(yīng)的區(qū)域要仔細(xì)定義阻擋物：如果有明顯的障礙物存在，則要在數(shù)據(jù)的后處理中進(jìn)行過濾,數(shù)據(jù)采集,采樣符合李氏定律：40個波長，采樣50個樣點(diǎn)車速上限：Vmax=0.8λ/Tsample異常情況下測試結(jié)果必須從采樣數(shù)據(jù)中剔除衰落過大的樣