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無(wú)線傳播理論與模型_第2頁(yè)
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無(wú)線傳播理論與模型第一頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日無(wú)線傳播理論與模型摘要本章首先介紹無(wú)線傳播理論,著重介紹了自由空間傳播模型,電場(chǎng)與功率的關(guān)系,以及三種基本傳播機(jī)制。然后介紹無(wú)線傳播模型,包括傳播模型概述和分類,并分別介紹宏小區(qū)、微小區(qū)和室內(nèi)傳播模型。最后介紹了傳播模型在蜂窩技術(shù)中的應(yīng)用。第二頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握無(wú)線傳播理論基本知識(shí)掌握傳播模型的作用,記住幾種常用模型的名稱和適用范圍。理解鏈路預(yù)算的基本參數(shù)和計(jì)算方法。了解一些產(chǎn)品在覆蓋規(guī)劃中如何應(yīng)用學(xué)習(xí)完本課程,您應(yīng)該能夠:第三頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日無(wú)線傳播理論概述電磁波傳播的機(jī)理是多種多樣的,但總體上可以歸結(jié)為反射、繞射和散射。大多數(shù)蜂窩無(wú)線系統(tǒng)運(yùn)作在城區(qū),發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間一般不存在直接視距路徑,且存在高層建筑,因此產(chǎn)生了繞射損耗。此外由于不同物體的多路徑反射,經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度路徑的電磁波相互作用產(chǎn)生了多徑損耗,同時(shí)也存在隨著發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離的不斷增加而引起電磁強(qiáng)度的衰減。對(duì)傳播模型的研究,傳統(tǒng)上集中于給定范圍內(nèi)平均接收?qǐng)鰪?qiáng)的預(yù)測(cè),和特定位置附近場(chǎng)強(qiáng)的變化。對(duì)于預(yù)測(cè)平均場(chǎng)強(qiáng)并用于估計(jì)無(wú)線覆蓋范圍的傳播模型,由于它們描述的是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間(T-R)長(zhǎng)距離(幾百米或幾千米)上的場(chǎng)強(qiáng)變化,所以被稱為大尺度傳播模型。另一方面,描述短距離(幾個(gè)波長(zhǎng))或短時(shí)間(秒級(jí))內(nèi)的接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)的傳播模型,稱為小尺度衰減模型。第四頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在極小的范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí),可能引起瞬時(shí)接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng),即小尺度衰減。其原因是接收信號(hào)為不同方向信號(hào)的合成。由于相位變化的隨機(jī)性,其合成信號(hào)變化范圍很大。在小尺度衰減中,當(dāng)接收機(jī)移動(dòng)距離與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí),其接收?qǐng)鰪?qiáng)可以發(fā)生3或4個(gè)數(shù)量級(jí)(30dB或40dB)的變化。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)時(shí),當(dāng)?shù)仄骄鶊?chǎng)強(qiáng)逐漸減弱,該平均接收?qǐng)鰪?qiáng)由大尺度傳播模型預(yù)測(cè)。典型地,當(dāng)?shù)仄骄邮請(qǐng)鰪?qiáng)由從5到40范圍內(nèi)信號(hào)測(cè)量平均值計(jì)算得到,對(duì)于頻段從1GHz到2GHz的蜂窩系統(tǒng),相應(yīng)測(cè)量在1米到10米范圍內(nèi)。無(wú)線傳播理論概述

第五頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

無(wú)線傳播理論概述

不同頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性第六頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

無(wú)線電波分布在3Hz到3000GHz之間,在這個(gè)頻譜內(nèi)劃分為12個(gè)帶,如上表。在不同的頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性。頻率越低,傳播損耗越小,覆蓋距離越遠(yuǎn);而且頻率越低,繞射能力越強(qiáng),建筑物內(nèi)覆蓋效果越好。但是,低頻段頻率資源緊張,系統(tǒng)容量有限,因此主要應(yīng)用于廣播、電視、尋呼等系統(tǒng)。高頻段頻率資源豐富,系統(tǒng)容量大;但是頻率越高,傳播損耗越大,覆蓋距離越近;而且頻率越高,繞射能力越弱,建筑物內(nèi)覆蓋效果越差。而且頻率越高,技術(shù)難度越大,系統(tǒng)的成本也相應(yīng)提高。移動(dòng)通信系統(tǒng)選擇所用頻段要綜合考慮覆蓋效果和容量。UHF頻段與其他頻段相比,在覆蓋效果和容量之間折衷的比較好,因此被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域。當(dāng)然,隨著人們對(duì)移動(dòng)通信的需求越來(lái)越多,需要的容量越來(lái)越大,移動(dòng)通信系統(tǒng)必然要向高頻段發(fā)展。無(wú)線傳播理論概述

第七頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

自由空間傳播模型用于預(yù)測(cè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無(wú)阻擋的視距路徑時(shí)的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。衛(wèi)星通信和微波視距無(wú)線鏈路是典型的自由空間傳播。與大多數(shù)大尺度無(wú)線電波傳播模型類似,自由空間模型預(yù)測(cè)接收功率的衰減為T(mén)-R距離的函數(shù)(冪函數(shù))。自由空間中距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率由Friis公式給出:

公式(1)其中,Pt為發(fā)射功率;Pr(d)是接收功率,為T(mén)-R距離的函數(shù);Gt是發(fā)射天線增益;Gr是接收天線增益;d是T-R間距離,單位為米;L是與傳播無(wú)關(guān)的系統(tǒng)損耗因子;

為波長(zhǎng),單位米。天線增益與它的有效截面相關(guān),即:

公式(2)自由空間傳播模型第八頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

自由空間傳播模型有效截面Ae與天線的物理尺寸相關(guān),

則與載頻相關(guān):

公式(3)其中,f為載頻Hz;Wc為載頻,rad/s;c為光速,m/s。Pt和Pr必須有相同單位,Gt和Gr為無(wú)量綱量。綜合損耗L(L≥1)通常歸因于傳輸線衰減、濾波損耗和天線損耗,L=1則表明系統(tǒng)硬件中無(wú)損耗。由自由空間公式1可知,接收功率隨T-R距離的平方衰減,即接收功率衰減與距離的關(guān)系為20dB/10倍程。第九頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

各方向具有相同單位增益的理想全向天線,通常作為無(wú)線通信系統(tǒng)的參考天線。等效各向同性輻射功率(EIRP)定義為:

公式(4)

表示同全向天線相比,可由發(fā)射機(jī)獲得的在最大天線增益方向上的最大發(fā)射功率。實(shí)際上用有效發(fā)射功率(ERP)代替EIRP,來(lái)表示同半波偶極子天線相比的最大發(fā)射功率。由于偶極子天線具有1.64的增益(比全向天線高2.15dB),因此對(duì)于同一傳輸系統(tǒng),ERP比EIRP低2.15dB。實(shí)際上,天線增益是以dBi為單位與全向天線相比的dB增益或以dBd為單位與半波偶極子天線相比的dB增益。自由空間傳播模型第十頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

路徑損耗,表示信號(hào)衰減,單位為dB的正值,定義為有效發(fā)射功率和接收功率之間的差值,可以包括也可以不包括天線增益。當(dāng)包括天線增益時(shí),自由空間路徑損耗為:

公式(5)

當(dāng)不包括天線增益時(shí),設(shè)定天線增益具有單位增益。其路徑損耗為:

公式(6)自由空間傳播模型第十一頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

Friis自由空間模型僅當(dāng)d為發(fā)射天線遠(yuǎn)場(chǎng)值時(shí)使用。天線的遠(yuǎn)場(chǎng)定義為超過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)距離

的地區(qū),

與發(fā)射天線截面的最大線性尺寸和載波波長(zhǎng)有關(guān):

其中,D為天線的最大物理尺寸。此外對(duì)于遠(yuǎn)地地區(qū),

必須滿足:

和自由空間傳播模型第十二頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

顯而易見(jiàn)公式1不包括d=0的情況。為此,大尺度傳播模型使用近地距離

作為接收功率的參考點(diǎn)。當(dāng)

時(shí),接收功率

相關(guān)。

可由公式(1)預(yù)測(cè)或由測(cè)量的平均值得到。參考距離必須選擇在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),即

,同時(shí)

小于移動(dòng)通信系統(tǒng)中所用的實(shí)際距離。這樣,使用公式(1),當(dāng)距離大于

時(shí),自由空間中接收功率為

公式(8)在移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)中,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)

在幾平方公里的典型覆蓋區(qū)內(nèi),要發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。因?yàn)榻邮针娖降膭?dòng)態(tài)范圍非常大,經(jīng)常以dBm或dBW為單位來(lái)表示接受電平。公式(8)可以表示成以dBm或dBW為單位,只要公式兩邊均乘以10。例如,如果

單位為dBm,接收功率為:

公式(9)其中,

單位為瓦。自由空間傳播模型第十三頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

在實(shí)際使用低增益天線,1~2GHz地區(qū)的系統(tǒng)中,參考距離

在室內(nèi)環(huán)境典型值取為1m,室外環(huán)境取為100m或1km,這樣公式(8)和公式(9)中的分子為10的倍數(shù)。這就使以dB為單位的路徑損耗計(jì)算很容易。自由空間傳播模型第十四頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

陸地移動(dòng)通信中的無(wú)線信號(hào)基站發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)的傳播路徑損耗受地面地形地物的影響很大,基站越高信號(hào)傳得越遠(yuǎn)。無(wú)線電波傳播極其復(fù)雜,受到反射、繞射和散射等多徑傳播的影響,有時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的信號(hào)衰落。無(wú)線電波傳播還和頻率相關(guān),頻率越高,傳播路徑損耗越大,繞射能力越弱,傳播的距離也越近。第十五頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

在移動(dòng)通信中,影響傳播的三種最基本的機(jī)制為反射、繞射和散射。接收功率(或它的反面,路徑損耗)是基于反射、散射和繞射的大尺度傳播模型預(yù)測(cè)的最重要的參數(shù)。這三種傳播機(jī)制也描述了小尺度衰弱和多徑傳播。當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)發(fā)生發(fā)射,發(fā)射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無(wú)線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射。由阻擋表面產(chǎn)生的二次波散布于空間,甚至于阻擋體的背面。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間不存在視距路徑,圍繞阻擋體也產(chǎn)生波彎曲。在高頻波段,繞射與反射一樣,依賴于物體的形狀,以及繞射點(diǎn)入射波振幅、相位和極化的情況。當(dāng)電磁波穿行的介質(zhì)中存在小于或等于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常巨大時(shí),發(fā)生散射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體。在實(shí)際通信系統(tǒng)中,樹(shù)葉、街道標(biāo)志和燈柱都會(huì)引發(fā)散射。無(wú)線信號(hào)三種基本傳播機(jī)制

第十六頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日1.

反射(無(wú)線電波遇到遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的障礙物表面)電波在不同性質(zhì)的介質(zhì)交界處,會(huì)有一部分發(fā)生反射,一部分通過(guò)。如果平面波入射到理想電介質(zhì)的表面,則一部分能量進(jìn)入第二個(gè)介質(zhì)中,一部分能量反射回到第一介質(zhì),沒(méi)有能量損耗。如果第二介質(zhì)為理想發(fā)射體,則所有能量被反射回第一介質(zhì),無(wú)能量損耗。反射波和傳輸波的電場(chǎng)強(qiáng)度取決于費(fèi)涅爾(Fresnel)反射系數(shù)

。反射系數(shù)為材料的函數(shù),并與極性、入射角和頻率有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),電磁波為極化波,即在空間相互垂直的方向上同時(shí)存在電場(chǎng)分量。極化波在數(shù)學(xué)上可表示成兩個(gè)空間相互垂直成分的和,例如水平和垂直,左手環(huán)和右手環(huán)成分等。對(duì)一定的極性,可通過(guò)疊加計(jì)算反射場(chǎng)。無(wú)線信號(hào)三種基本傳播機(jī)制

第十七頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日2.

繞射(遇到尖角或薄邊的阻擋物)繞射使得無(wú)線電信號(hào)繞地球曲線表面?zhèn)鞑?,能夠傳播到阻擋物后面。盡管接收機(jī)移動(dòng)到阻擋體的陰影區(qū)時(shí),接收?qǐng)鰪?qiáng)衰減非常迅速,但繞射場(chǎng)依然存在并常常具有足夠的強(qiáng)度。繞射現(xiàn)象可由Huygens原理解釋,它說(shuō)明波前上的所有點(diǎn)可作為產(chǎn)生次級(jí)波的點(diǎn)源,這些次級(jí)波組合起來(lái)形成傳播方向上新的波源。繞射由次級(jí)波的傳播進(jìn)入陰影區(qū)而形成。陰影區(qū)繞射波場(chǎng)強(qiáng)為圍繞阻擋物所有次級(jí)波的矢量和。無(wú)線信號(hào)三種基本傳播機(jī)制

第十八頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日3.

散射(遇到大量尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的顆粒)在實(shí)際移動(dòng)無(wú)線環(huán)境中,接收信號(hào)比單獨(dú)繞射和反射模型預(yù)測(cè)的要強(qiáng)。這是因?yàn)楫?dāng)電波遇到粗糙表面時(shí),反射能量由于散射而散布于所有方向。像樹(shù)、街道標(biāo)志和燈柱這樣的物體在所有的方向上散射能量,這就給接收機(jī)提供了額外的能量。遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的平滑表面可建模成反射面,對(duì)于粗糙表面,反射系數(shù)需乘以一個(gè)散射損耗系數(shù)

,以代表減弱的反射場(chǎng)。物體表面粗糙程度可以使用瑞利(Rayleigh)準(zhǔn)則來(lái)判斷,如果平面上最大的突起高度h小于hc,則認(rèn)為表面為光滑的,反之則為粗糙的。無(wú)線信號(hào)三種基本傳播機(jī)制

第十九頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日傳播途徑直射波及地面反射波(最一般的傳播形式)對(duì)流層反射波(傳播具有很大的隨機(jī)性)電離層反射波(超視距通訊途徑)山體繞射波(陰影區(qū)域信號(hào)來(lái)源)無(wú)線電波可通過(guò)多種方式從發(fā)射天線傳播到接收天線:直射波或地面反射波、繞射波、對(duì)流層反射波、電離層反射波。如圖所示。還有了一種:表面波的傳播方式,主要利用左邊這兩種。第二十頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日就電波傳播而言,發(fā)射機(jī)同接收機(jī)間最簡(jiǎn)單的方式是自由空間傳播。自由空間指該區(qū)域是各向同性(沿各個(gè)軸特性一樣)且同類(均勻結(jié)構(gòu))。另一種方式是地面反射波。直射波和反射波疊加的結(jié)果可能使信號(hào)加強(qiáng),也可能使信號(hào)減弱,即所謂的多徑效應(yīng)。繞射波是建筑物內(nèi)部等陰影區(qū)域信號(hào)的主要來(lái)源。繞射波的強(qiáng)度受傳播環(huán)境影響很大,且頻率越高,繞射信號(hào)越弱。第三種方式即對(duì)流層反射波,產(chǎn)生于對(duì)流層。對(duì)流層是異類介質(zhì),由于天氣情況而隨時(shí)間變化。它的反射系數(shù)隨高度增加而減少。這種緩慢變化的反射系數(shù)使電波彎曲。對(duì)流層方式應(yīng)用于波長(zhǎng)小于10米(即頻率大于30MHz)的無(wú)線通信中。第四種方式是經(jīng)電離層反射傳播。當(dāng)電波波長(zhǎng)小于1米(頻率大于300MHz)時(shí),電離層是反射體。從電離層反射的電波可能有一個(gè)或多個(gè)跳躍,因此這種傳播用于長(zhǎng)距離通信。同對(duì)流層一樣,電離層也具有連續(xù)波動(dòng)的特性。傳播途徑第二十一頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日城區(qū)的電波傳播

很少有直射波能直接到達(dá)移動(dòng)臺(tái),大部分情況,接收的信號(hào)主要是反射波、繞射波和散射波的疊加第二十二頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日傳播途徑①建筑物反射波②繞射波③直射波④地面反射波第二十三頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日在一個(gè)典型的蜂窩移動(dòng)通信環(huán)境中,移動(dòng)臺(tái)總是比基站天線矮很多,接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的直達(dá)路徑被建筑物或其他物體所阻礙。所以,在蜂窩基站與移動(dòng)臺(tái)之間的通信不是通過(guò)直達(dá)路徑,而是通過(guò)許多其他路徑完成的。在UHF頻段,從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的電磁波的主要傳播模式是散射,即從建筑物平面反射或從人工、自然物體折射。慢衰落由障礙物阻擋造成陰影效應(yīng),接收信號(hào)強(qiáng)度下降,但該場(chǎng)強(qiáng)中值隨地理改變變化緩慢,故稱慢衰落。又稱為陰影衰落。慢衰落的場(chǎng)強(qiáng)中值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,且與位置/地點(diǎn)相關(guān)快衰落合成波的振幅和相位隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)起伏變化很大,稱為快衰落,衰落的速度取決于移動(dòng)臺(tái)的速度。深衰落點(diǎn)在空間上的分布是近似的相隔半個(gè)波長(zhǎng)。因其場(chǎng)強(qiáng)服從瑞利分布,又稱為瑞利衰落,衰落的振幅、相位、角度隨機(jī)。無(wú)線傳播環(huán)境

——兩種衰落第二十四頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日無(wú)線傳播環(huán)境

——兩種衰落距離(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落第二十五頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日快衰落又可以細(xì)分為以下3類:(1)、時(shí)間選擇性衰落:用戶的快速移動(dòng)在頻域上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而引起頻率擴(kuò)散,從而引起時(shí)間選擇性衰落。(2)、空間選擇性衰落:不同的地點(diǎn),不同的傳輸路徑衰落特性不一樣。(3)、頻率選擇性衰落:不同的頻率衰落特性不一樣,引起時(shí)延擴(kuò)散,從而引起頻率選擇性衰落。為減少快衰落對(duì)無(wú)線通信的影響,常用方法有空間分集,頻率分集,時(shí)間分集等。無(wú)線傳播環(huán)境

——兩種衰落第二十六頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日抗快衰落措施——分集(1)、時(shí)間分集

符號(hào)交織、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)編碼(2)、空間分集

采用主、分集天線接收(3)、頻率分集450M的寬帶通信本身就是頻率分集(4)、RAKE接收利用RAKE接收機(jī)接收多個(gè)不相關(guān)多徑無(wú)線傳播環(huán)境

——抵抗信號(hào)快衰落第二十七頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日對(duì)于快衰落,基站采取的措施是采用時(shí)間分集、空間分集(極化分集)和頻率分集的辦法。時(shí)間分集主要靠符號(hào)交織、檢錯(cuò)和糾錯(cuò)編碼等方法,不同編碼所具備的抗衰落特性不一樣,這也是當(dāng)今移動(dòng)通信研究的前沿課題。空間分集主要采用主分集天線接收的辦法來(lái)解決,基站的接收機(jī)對(duì)主分集通道分別接收到的的信號(hào)進(jìn)行處理,一般采取最大似然法。這種主分集接收的效果由主分集天線接收的不相關(guān)性所保證(所謂不相關(guān)性是指,主集天線接收到的信號(hào)與分集天線的接收信號(hào)不具有同時(shí)衰減的特性,這也就要求采用空間分集時(shí)主分集天線之間的間距大于10倍的無(wú)線信號(hào)波長(zhǎng)(對(duì)于GSM,900M要求天線間距大于4米,1800M要求天線間距大于2米),或者采用極化分集的辦法保證主分集天線接收到的信號(hào)不具有相同的衰減特性。而對(duì)于移動(dòng)臺(tái)(手機(jī))而言,因?yàn)橹挥幸桓炀€,因而不具有這種空間分集功能。無(wú)線傳播環(huán)境

——抵抗信號(hào)快衰落第二十八頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日基站接收機(jī)對(duì)一定時(shí)間范圍(時(shí)間窗)內(nèi)不同時(shí)延信號(hào)的均衡能力也是一種空間分集的形式。450M通信中,軟切換時(shí),移動(dòng)臺(tái)與多個(gè)基站同時(shí)聯(lián)系,從中選取最好的信號(hào),這同樣是一種空間分集的形式。頻率分集主要采取擴(kuò)頻方式來(lái)解決,在GSM移動(dòng)通信中,簡(jiǎn)單地采用跳頻這種擴(kuò)頻方式來(lái)獲得跳頻增益;在450M移動(dòng)通信中,由于每個(gè)信道都工作在較寬頻段(窄帶450M為1.25MHz),本身就是一種擴(kuò)頻通信。無(wú)線傳播環(huán)境

——抵抗信號(hào)快衰落第二十九頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日多徑衰落當(dāng)接收機(jī)在可引起反射、繞射的復(fù)雜環(huán)境下移動(dòng)時(shí),在不到一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)幾十分貝的電平變化和激烈的相位擺動(dòng)無(wú)線傳播環(huán)境

——多徑衰落第三十頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日電波傳播受地形結(jié)構(gòu)和人為環(huán)境的影響,無(wú)線傳播環(huán)境直接決定傳播模型的選取。影響無(wú)線傳播環(huán)境的主要因素:(1)、自然地形(高山、丘陵、平原、水域)

人工建筑的數(shù)量、分布、材料特性(人為環(huán)境)

該區(qū)域植被特征

天氣狀況

自然和人為的電磁噪聲狀況

(2)、人為環(huán)境:

市區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村影響無(wú)線傳播環(huán)境的因素第三十一頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日自由空間傳播的路徑損耗自由空間傳播路徑損耗可寫(xiě)為:

傳播距離越遠(yuǎn),路徑損耗越大;電波的頻率越高,路徑損耗也越大第三十二頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日在研究傳播時(shí),特定收信機(jī)功率接收的信號(hào)電平是一個(gè)主要特性。由于傳播路徑和地形干擾,傳播信號(hào)減小。這種信號(hào)強(qiáng)度減小稱為傳播損耗。(1)、自由空間傳播衰耗:Ploss=32.4+20lgfMHz+20lgdkm;頻率一定時(shí),可描述為:Ploss=L0+10

Xlgd;X=2路徑損耗斜率,實(shí)際環(huán)境中取3~5。

(2)、平坦地形傳播損耗:Ploss=L0+10Xlgd-20lghb-20lghm;X=4路徑損耗斜率hb:基站天線高度hm:移動(dòng)臺(tái)天線高度上式中,f為頻率,d為距離(公里)。上式與距離d成正比,當(dāng)d增加一倍,自由空間路徑損耗增加6分貝。同時(shí),當(dāng)減小波長(zhǎng)(提高頻率f),路徑損耗增大。我們可以通過(guò)增大輻射和接收天線增益來(lái)補(bǔ)償這些損耗。傳播中的損耗第三十三頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日

繞射損耗電磁波在繞射點(diǎn)四處擴(kuò)散;繞射波函蓋除障礙物外的所有方向;波長(zhǎng)越長(zhǎng),繞射能力越“強(qiáng)”;建筑物后面的信號(hào)主要是通過(guò)繞射得到,因此波長(zhǎng)越長(zhǎng),信號(hào)越“強(qiáng)”。傳播中的損耗第三十四頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日(4)、穿透損耗穿透損耗主要取決于建筑物的材料、厚度和入射角度。穿透損耗代表信號(hào)穿透建筑物的能力,不同結(jié)構(gòu)的建筑物對(duì)信號(hào)的影響非常大。同一建筑物對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)產(chǎn)生的穿透損耗大于短波長(zhǎng)。室內(nèi)信號(hào)取決于建筑物的穿透損耗;

室內(nèi)窗口處與室內(nèi)中部信號(hào)差別較大;

建筑物材質(zhì)對(duì)穿透損耗影響較大;

電磁波的入射角對(duì)穿透損耗影響較大;XdBmWdBm穿透損耗=X-W=BdB電磁波穿透墻體的反射和折射傳播中的損耗第三十五頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日常用穿透損耗(800M):

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(chē)車(chē)廂的穿透損耗為:15~30dB梯的穿透損耗:30dB左右茂密樹(shù)葉損耗:10dB傳播中的損耗第三十六頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日(5)、反射損耗(800M)表6.3-1各種環(huán)境反射損耗值:水面反射損耗很小,所以在水面較多的地方要注意控制電波的傳播。地面性質(zhì)水面稻田田野城市、山地、森林等效地面反射系數(shù)0.9~10.6~0.80.3~0.50.1~0.2反射損耗(dB)0~12~46~1014~20傳播中的損耗第三十七頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日問(wèn)題快衰落服從什么分布?慢衰落服從什么分布?第三十八頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日從基站發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)不僅存在大氣層中傳播遇到的路徑損耗,而且還受到地面?zhèn)鞑ヂ窂綋p耗的影響,而地面?zhèn)鞑p耗受地面地形地物的影響很大。移動(dòng)臺(tái)天線高度較低,一般非常接近地平面,這是產(chǎn)生這一附加傳播損耗的原因之—。一般來(lái)說(shuō),地面的質(zhì)地和粗糙度往往導(dǎo)致能量耗散,減小移動(dòng)臺(tái)和基站的接收信號(hào)強(qiáng)度。這種類型的損耗和自由空間損耗相結(jié)合,共同構(gòu)成了傳播路徑損耗。移動(dòng)無(wú)線電信號(hào)還受到各種各樣的散射和多徑現(xiàn)象的影響——它們能引起嚴(yán)重的信號(hào)衰落,這些影響源于移動(dòng)無(wú)線電通信媒介。移動(dòng)無(wú)線電信號(hào)衰落包括長(zhǎng)時(shí)限衰落和短時(shí)限衰落,這是統(tǒng)計(jì)上的分類。長(zhǎng)時(shí)限衰落一般由沿傳播路徑上地形地物的較小規(guī)模變化引起。短時(shí)限衰落一般由各種信號(hào)散射體固定的和運(yùn)動(dòng)的)的反射引起。這類衰落稱為“多徑”衰落。對(duì)在這樣復(fù)雜環(huán)境中傳播信號(hào)的變化進(jìn)行精確特征描述,是一項(xiàng)非常間距的任務(wù)。下面介紹的各種模型,就是通過(guò)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),或者精確的電磁理論計(jì)算,預(yù)測(cè)了當(dāng)?shù)責(zé)o線信號(hào)的變化。無(wú)線傳播模型概述

第三十九頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日傳播模型意義

傳播模型用于預(yù)期地形和人為環(huán)境對(duì)無(wú)線傳播理論中路徑損耗的影響;傳播模型是覆蓋規(guī)劃的基礎(chǔ),好的模型可以保證規(guī)劃的精確度;無(wú)線傳播模型受系統(tǒng)工作頻率的影響,不同的傳播模型有不同的工作頻率范圍;而且有室內(nèi)傳播模型和室外傳播模型之分;運(yùn)用傳播模型時(shí),要注意各項(xiàng)參數(shù)的單位取值;第四十頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日傳播模型的分類

根據(jù)無(wú)線傳播模型的性質(zhì),可以分為下面幾類:1.經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停?.半經(jīng)驗(yàn)或半確定性模型;3.確定性模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)P褪歉鶕?jù)大量的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后導(dǎo)出的公式。用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P皖A(yù)測(cè)路徑損耗的方法很簡(jiǎn)單,不需要相關(guān)環(huán)境的精確信息,但是不能提供非常精確的路徑損耗估算值。確定性模型是對(duì)具體的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境直接應(yīng)用電磁理論計(jì)算的方法,環(huán)境的描述從地形地物數(shù)據(jù)庫(kù)中得到,在環(huán)境描述中可以找到不同的精度等級(jí)。在確定性模型中,已使用的幾種技術(shù)通?;谏渚€跟蹤的方法:幾何繞射理論、物理光學(xué),以及不經(jīng)常用的精確方法,如積分方程法或時(shí)域有限差分法。在市區(qū)、山區(qū)和室內(nèi)環(huán)境情況中,確定性的無(wú)線傳播預(yù)測(cè)是一種極其復(fù)雜的電磁問(wèn)題。半經(jīng)驗(yàn)或半確定性模型是基于把確定性方法用于一般的市區(qū)或室內(nèi)環(huán)境中導(dǎo)出的等式。有時(shí)候,為了改善它們和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性,則根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)等式進(jìn)行修正,得到的等式是天線周?chē)貐^(qū)某個(gè)規(guī)定特性的函數(shù)。第四十一頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日根據(jù)傳播模型的應(yīng)用環(huán)境對(duì)它們進(jìn)行分類。通常考慮三類環(huán)境(小區(qū)):宏小區(qū)(宏蜂窩)、微小區(qū)(或微蜂窩)、微微小區(qū)(或微微蜂窩)。1.

宏小區(qū):宏小區(qū)是面積很大的區(qū)域,覆蓋半徑約1~30km,基站發(fā)射天線通常架設(shè)在周?chē)ㄖ锷戏健Mǔ?,在收發(fā)之間沒(méi)有直達(dá)射線。2.

微小區(qū):微小區(qū)的覆蓋半徑在0.1~1km之間,覆蓋面積不一定是圓的。發(fā)射天線的高度可以和周?chē)ㄖ锏母叨认嗤蛘呗愿哂诨虻陀?。通常,根?jù)收發(fā)天線和環(huán)境障礙物的相對(duì)位置分成兩類情況:LOS(視距)情況和NLOS(非視距)情況。3.

微微小區(qū):微微小區(qū)的典型半徑是在0.01~0.1km之間。微微小區(qū)可以分為兩類:室內(nèi)和室外。發(fā)射天線在屋頂下面或者在建筑物內(nèi)。無(wú)論在室內(nèi)還是在室外情況中,通常要分別考慮LOS和NLOS這兩種情況。一般,三種類型模型和三種小區(qū)類型之間有相互適應(yīng)的關(guān)系。如經(jīng)驗(yàn)?zāi)P秃桶虢?jīng)驗(yàn)?zāi)P蛯?duì)具有均勻特性的宏小區(qū)是適合的,半經(jīng)驗(yàn)公式還適用于均勻的微小區(qū),模型所考慮的參數(shù)能很好地表征整個(gè)環(huán)境。確定性模型適用于微小區(qū)和微微小區(qū),不管它們的形狀如何,但對(duì)宏小區(qū)是不能適用的,因?yàn)檫@種環(huán)境所需的CPU時(shí)間使這些技術(shù)效率變得低下。傳播模型的分類

第四十二頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日一般規(guī)劃軟件模型Lp=K1+K2lgd+K3(hm)+K4lg(hm)+K5lg(Heff)+K6lg(Heff)lgd+K7diffn+KclutterK1—與頻率(MHz)有關(guān)的常數(shù)

K2—與距離(km)有關(guān)的常數(shù)K3,K4—移動(dòng)臺(tái)天線高度(m)修正系數(shù)

K5,K6—基站天線高度(m)修正系數(shù)K7—繞射修正系數(shù)

Kclutter—地物衰減修正系數(shù)d—基站和移動(dòng)臺(tái)之間的距離(km)hm,Heff—移動(dòng)臺(tái)天線和基站天線有效高度(m)初始K參數(shù)是根據(jù)經(jīng)典模型轉(zhuǎn)換而來(lái)的第四十三頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日幾種常見(jiàn)傳播模型經(jīng)典模型是科學(xué)家通過(guò)CW測(cè)試數(shù)據(jù)逐步擬合出來(lái)的Walfisch-lkegami模型適合于城區(qū)與密集城區(qū);Hata模型不太適合于城區(qū)和密集城區(qū):對(duì)于郊區(qū)、城區(qū)等無(wú)線環(huán)境,該模型輸出的路徑損耗只是截距不一樣,斜率差不多,而且它們隨著距離不同,路徑損耗是一條直線,而Walfisch-lkegami模型,路徑損耗與距離不是線性關(guān)系,在距離較近處,斜率大。模型適用范圍Okumura-Hata宏蜂窩預(yù)測(cè),150-1500MHz,距離1-20kmCost231-Hata適用于1500-2000MHz,宏蜂窩預(yù)測(cè)Walfish-Ikegami適用于800-2000MHz城區(qū)、密集市區(qū)環(huán)境預(yù)測(cè)Keenan-Motley適用于800-2000MHz室內(nèi)環(huán)境預(yù)測(cè)規(guī)劃軟件中使用適用于400-2000MHz宏蜂窩預(yù)測(cè)第四十四頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日Okumura-Hata模型是Hata在Okumura大量測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用公式擬合得到的。由于使用Okumura模型,需要查找其給出的各種曲線,不利于計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)。Hata根據(jù)Okumura的基本中值場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)曲線,通過(guò)曲線擬合,提出了傳播損耗的經(jīng)驗(yàn)公式,即Okumura-Hata模型。這個(gè)模型時(shí)作了下列三點(diǎn)假設(shè),以求簡(jiǎn)化:1.作為兩個(gè)全向天線之間的傳播損耗處理;2.作為準(zhǔn)平滑地形而不是不規(guī)則地形處理;3.以城市市區(qū)的傳播損耗公式作為標(biāo)準(zhǔn),其他地區(qū)采用校正公式進(jìn)行修正。宏小區(qū)傳播模型Okumura-Hata模型第四十五頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日適用條件:1.f為150~1500MHz;2.基站天線有效高度hb為30~200米;3.移動(dòng)臺(tái)天線高度hm為1~10米;4.通信距離為1~35km;傳播損耗公式如下:

公式說(shuō)明:d單位為km;f的單位為MHz;Lb城為城市市區(qū)的基本傳播損耗中值;hb、hm——基站、移動(dòng)臺(tái)天線有效高度,單位為米;基站天線有效高度計(jì)算:設(shè)基站天線離地面的高度為hs,基站地面的海拔高度為hg,移動(dòng)臺(tái)天線離地面的高度為hm,移動(dòng)臺(tái)所在位置的地面海拔高度為hmg,則基站天線的有效高度hb=hs+hg-hmg,移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度為hm。注:基站天線有效高度計(jì)算有多種方法,如:基站周?chē)?~10公里的范圍內(nèi)的地面海拔高度的平均;基站周?chē)?~10公里的范圍內(nèi)的地面海拔高度的地形擬合線;等等;不同的計(jì)算方法一方面與所使用的傳播模型有關(guān),另外也與計(jì)算精度要求有關(guān)。Okumura-Hata模型第四十六頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日COST-231-Hata模型也是以O(shè)kumura等人的測(cè)試結(jié)果為依據(jù),通過(guò)對(duì)較高頻段的Okumura傳播曲線進(jìn)行分析得到的公式。適用條件:1.f為1500~2000MHz;2.基站天線有效高度

為30~200米;3.移動(dòng)臺(tái)天線高度

為1~10米;4.通信距離為1~35km。傳播損耗公式:公式說(shuō)明:d單位為km,f的單位為MHz;Lb城為城市市區(qū)的基本傳播損耗中值;hb、hm——基站、移動(dòng)臺(tái)天線有效高度,單位為米;基站天線有效高度計(jì)算:設(shè)基站天線離地面的高度為hs,基站地面的海拔高度為hg,移動(dòng)臺(tái)天線離地面的高度為hm,移動(dòng)臺(tái)所在位置的地面海拔高度為hmg,則基站天線的有效高度hb=hs+hg-hmg,移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度為hm。COST-231-Hata模型第四十七頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日宏蜂窩模型的基礎(chǔ)是:基站到移動(dòng)臺(tái)間的傳播損耗由移動(dòng)臺(tái)周?chē)沫h(huán)境決定,但在1km之內(nèi),基站周?chē)慕ㄖ锖徒值雷呦驀?yán)重地影響了基站到移動(dòng)臺(tái)間的傳播損耗,因而前面提到的宏蜂窩模型不適合1km內(nèi)的預(yù)測(cè)。COST-231-Walfish-Ikegami模型可以適用于20m~5km范圍的傳播損耗預(yù)測(cè),既可用作宏蜂窩模型,也可用作微蜂窩模型。在作微蜂窩覆蓋預(yù)測(cè)時(shí),必須有詳細(xì)的街道及建筑物的數(shù)據(jù),不能采用統(tǒng)計(jì)近似值。適用條件:f為1500~2000MHz。傳播損耗公式:1.低基站天線情況:在街道形成的峽谷中的傳播特性和自由空間的傳播特性是有差別的。如果在街道峽谷內(nèi)存在一自由的視距(LOS)路徑的話,則COST-231-Walfish-Ikegami模型第四十八頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日2.高基站天線情況:在這種情況下,COST-231-Walfish-Ikegami模式由3項(xiàng)組成,他對(duì)于非視距(NLOS)路徑情況是成立的。公式說(shuō)明:L0——自由空間傳輸損耗,計(jì)算基站到最后屋頂之間的自由空間損耗;Lrts——最后的屋頂至街道的繞射及散射損耗,計(jì)算街道內(nèi)的繞射和反射;Lmsd——多重屏前向繞射損耗(multi-screendiffractionloss),計(jì)算屋頂上方的多次繞射;Lori——街道方向因子;

——街道寬度(m);f——計(jì)算頻率(MHz);——單位為m;

——單位為度;COST-231-Walfish-Ikegami模型第四十九頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日Hate模型、COST-231模型對(duì)比須輸入頻率距離天線有效高度地形地貌(城市、郊區(qū)、農(nóng)村、等)RSSI,

dBm-120-110-100-90-80-70-60-5003691215182124273033DistancefromCellSite,kmFieldStrength,dBuV/m+90+80+70+60+50+40+30+20藍(lán)色線表示路測(cè)結(jié)果灰色線表示Hata模型預(yù)測(cè)結(jié)果HataModelPL(dB)=69.55+26.16log(F)-13.82log(H)+(44.9-6.55log(H))*log(D)+CHataModelPL:路徑損耗F:頻率,單位MHz(150-1500MHz)D:距離,單位kmH:基站天線有效高度,單位mC:環(huán)境校正因子;取值:密集城區(qū):0dB城區(qū):-5dB郊區(qū):-10dB農(nóng)村:-17dBCOST-231PL(dB)=46.3+33.9*logF-13.82*logH+(44.9-6.55*logH)*logD+CCOST-231PL:路徑損耗F:頻率,單位MHz(1500-2000MHz)D:距離,單位kmH:基站天線有效高度,單位mC:環(huán)境校正因子;取值:密集城區(qū):-2dB城區(qū):-5dB郊區(qū):-8dB農(nóng)村:-10dB開(kāi)闊地:-26dB第五十頁(yè),共五十七頁(yè),2022年,8月28日微小區(qū)傳播模型雙射線模型雙射線傳播模型在計(jì)算接收處的場(chǎng)時(shí)只考慮直達(dá)射線和地面反射射線的貢獻(xiàn)。對(duì)平坦的農(nóng)村環(huán)境是可以勝任的,而且它也適合于具有低基站天線的微蜂窩小區(qū),在那里收發(fā)天線之間有LOS路徑。在這種情況中,若建筑物的墻對(duì)電波也發(fā)生反射和繞射的話,它們將在簡(jiǎn)單的雙射線模型中導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)幅度的快速變化,但是并不改變由雙射線預(yù)測(cè)的整個(gè)路徑損耗冪定律指數(shù)n的值)。多射線模型多射線模型已被用在LOS情況下的市區(qū)微蜂窩小區(qū)中,當(dāng)收發(fā)天線比屋頂平面低得多時(shí)。這些模型假設(shè)所謂的街道為“介質(zhì)峽谷”結(jié)構(gòu)(也稱為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)),接收端的場(chǎng),來(lái)自收發(fā)之間的直達(dá)射線、沿地面的反射射線、以及峽谷的垂直平面(建筑物墻)反射的射線。雙射線模

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