電波的傳播特性

電波的傳播特性第1頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2第2章電波的傳播特性內容電波傳播中的衰落OM模型概念及場強衰耗中值的預測任意地形、地物衰耗場強中值和信號中值的預測電波傳播電路的計算、覆蓋設計第2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3第2章電波的傳播特性重點OM模型及任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預測系統(tǒng)均衡難點電波傳播衰耗特性的統(tǒng)計數(shù)字特征量任意地形、地物情況下電波傳播衰耗中值的預測目的和要求了解衰落對信號傳輸?shù)挠绊懤斫獗碚麟姴▊鞑ニズ奶匦缘慕y(tǒng)計數(shù)字特征量掌握自由空間傳輸衰耗、OM模型及電波傳播衰耗中值的計算方法第3頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月42.1無線電波2.1.1無線電波的概念無線電波是一種能量的傳輸形式電場和磁場在空間交替變換，向前行進傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向第4頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月5無線電波的傳播速度傳播速度和傳播媒質有關

真空中的傳播速度等于光速(Ｃ＝3×108m／s)空氣中的傳播速度略小于光速

通常認為它等于光速

無線電波的波長、頻率和傳播速度的關系：λ＝Ｖ/ｆＶ為速度(m/s)；ｆ為頻率(Hz)；λ為波長(m)不同介質中傳播速度不同、波長不同第5頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月6無線電波的極化概念：無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化

電波的極化方向：無線電波的電場方向極化波必須用對應的極化特性的天線接收

否則在接收過程中會產生極化損失極化的類型線極化水平極化、垂直極化+45°傾斜極化、-45°傾斜極化橢圓極化圓極化第6頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月7第7頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月8雙極化天線兩個天線為一個整體，有兩個獨立的波，這兩個波的極化方向相互垂直

類型V/H（垂直/水平）極化傾斜（+45°/-45°）極化第8頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月92.1.2電波的傳播方式電波的傳播方式在分析電波傳播特性時總是以自由空間的傳播環(huán)境為參考進行自由空間一種理想的、均勻的、各向同性的介質空間當電磁波在自由空間中傳播時直線傳播，不發(fā)生反射、折射、散射和吸收現(xiàn)象只存在電磁波能量擴散而引起的傳播損耗實際傳播環(huán)境中電波的傳播方式直射、反射、繞射、散射第9頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月10超短波傳播特性無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同

主要傳播特性視距傳播多徑傳播繞射能力弱電波傳播中的三種損耗路徑傳播損耗慢衰落損耗快衰落損耗第10頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月11室內環(huán)境的傳播電波在建筑物內傳播的類型由室外向建筑物內的穿透傳播電波只在建筑物內傳播室內無線環(huán)境特點覆蓋范圍小傳播距離短傳播時延要小的多室內環(huán)境中用戶多處于靜止和慢速移動狀態(tài)，可忽略多普勒頻移室內環(huán)境變化更復雜，電波傳播受建筑類型、室內布局、建筑材料影響較大

即使在同一個建筑物內的不同位置，其傳播環(huán)境也不盡相同，甚至差別很大第11頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月122.2電波傳播中的衰落電波傳播的衰落特性場強估算模型第12頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月132.2.1電波傳播的衰落特性衰落的概念由于實際傳播環(huán)境中復雜的地形地物對傳播信號的阻擋，及反射、繞射和散射引起的無線信號的多徑傳播都會對電磁波的傳播產生影響，導致接收信號的隨機變化衰落的類型陰影衰落（陰影效應、氣象條件變化）

場強中值的緩慢變化（慢衰落）多徑衰落（多徑效應）

瞬時值有快速、大幅度的變化（快衰落）第13頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月14表征衰落的統(tǒng)計數(shù)字特征場強中值E0概念：場強值超過設定場強值的概率為50%時，該設定值為場強中值若場強中值等于接收機最低門限值，則可通信率為50%。（只有50%的時間可正常通信）場強中值不能反映衰落的嚴重程度例：統(tǒng)計時間為T，超過E0的時間為t1、t2、t3則：超過E0的概率為p(t)=(t1+t2+

t3)/T×100%

當p(t)=50%時，

E0為場強中值第14頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月15衰落深度：衡量衰落的嚴重程度接收電平與場強中值電平之差表示以場強中值電平為參考，表明信號起伏偏離其中值電平的程度衰落深度=20Lg（Ei/Eo)若為電平值，則衰落深度=Ei-Eo第15頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月16衰落速率N衡量場強變化的快慢，即頻繁程度單位時間內場強包絡與給定電平值ER相交次數(shù)的一半衰落率與工作頻率、移動臺行進速度和方向等因素有關平均衰落率：其中v（km/h）、f（MHz）系統(tǒng)設計時，音頻通帶或信令數(shù)據(jù)通帶的低端應高于衰落率第16頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月17衰落持續(xù)時間場強低于某一給定電平值的持續(xù)時間表示信息傳輸?shù)氖苡绊懗潭然蛐帕钫`碼的長度第17頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月182.2.2場強估算模型電波傳播受地形地物的影響即電波傳播特性與實際空間環(huán)境相關預測時在自由空間基礎上考慮具體環(huán)境影響OM模型Egli模型BM模型Cost231模型第18頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月19以日本東京城市場強中值實測結果得到的經驗曲線構成的模型。模型：城市視為準平滑地形，給出經驗曲線其他地形地物情況則給出修正值適用范圍：頻率：100MHz～1500MHzBTS天線高度：30m～200mMS天線高度：1m～10m傳播距離：1km～20km1.OM模型(Okumura-M.Hata奧村哈達)第19頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月20美國陸上移動通信、VHF、UHF信號預測方法，對丘陵地形預測較準在傳播地形起伏高度為20m的基本條件下，基本傳播衰減公式：

L(dB)=177+20lgd+20lgf-20lghThR

單位：d(英里)；f(MHz)；hT、

hR(英尺)

其他地形給出修正因子適用范圍：頻率：25MHz～470MHz傳播距離：60km以內2.Egli模型第20頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月21理論模型以自由空間、平面大地和球面地形傳播理論為基礎，以諾模圖形式給出。適用范圍：頻率：30MHz～3000MHz傳播距離：1～幾百公里3.BM（Bullingron）第21頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月22歐洲建議廣泛用于建筑物高度近似一致的城區(qū)和郊區(qū)環(huán)境應用分兩種情況：高基站天線----非視距NLOS低基站天線----視距LOS4.cost231模型第22頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月232.3電波傳播特性預測OM模型任意地形地物信號中值的預測場強中值變動分布及預測覆蓋設計第23頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月242.3.1OM模型模型：城市視為準平滑地形，給出經驗曲線其他地形地物情況則給出修正值OM模型可在適用范圍內作電波傳播預測地形、地物的分類準平滑地形上的電波傳播特性不規(guī)則地形修正因子其他因素對電波傳播的影響第24頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月251.地形、地物的分類地形的分類準平滑地形：地形剖面圖上，表面起伏高度在20m以下，且起伏緩慢不規(guī)則地形丘陵地形孤立山岳傾斜地形水陸混合地形第25頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月26地物的分類根據(jù)障礙物的密集程度和屏蔽程度分類地物的類型開闊地：無較大樹木、建筑物等障礙物

準開闊地郊區(qū)：障礙物不稠密市區(qū)：障礙物稠密▲只能考慮一種地物形態(tài)，而地形可根據(jù)實際情況組合第26頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月27天線有效高度基站天線有效高度hb=hta-hgahga：從基站天線架設點起3～15km距離內的平均地面海拔高度hta：基站天線架設的海拔高度MS天線有效高度hm：地面以上有效高度▲以后所有天線高度均指天線有效高度第27頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月281.準平滑地形上的電波傳播自由空間的傳播損耗市區(qū)傳播衰耗中值的預算郊區(qū)、開闊地傳播衰耗中值的預算預算中的注意點第28頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月29自由空間：理想的空間（真空）電波沿直線傳播，不被吸收，不會被反射、折射、繞射和散射，電磁波的能量沒有損失自由空間傳播損耗的含義：損耗

來自于球面波發(fā)散傳播中，天線

未接收到的能量即：球面波的擴散損耗自由空間傳播損耗（1）自由空間的傳播損耗Lbs僅與d、f有關第29頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月30基本衰耗中值Am(f,d)基站天線有效高度增益因子Hb(hb,d)移動臺天線有效高度增益因子Hm(hm,f)準平滑市區(qū)傳播衰耗中值L市區(qū)（2）市區(qū)傳播衰耗中值的預算第30頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月31基本衰耗中值

Am(f,d)hb=200m

hm=3m參數(shù)：f、d第31頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月32基站天線有效

高度增益因子

Hb(hb,d)以hb=200m時

的值為基準

(0dB)第32頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月33移動臺天線有效

高度增益因子

Hm(hm,f)以hm=3m時的值為

基準(0dB)當hm>5m時，還與

環(huán)境有關

（拐點）第33頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月34自由空間傳播衰耗

Lbs(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz)準平滑市區(qū)傳播衰耗中值

L市區(qū)=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)第34頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月35（2）郊區(qū)、開闊地傳播衰耗中值的預算郊區(qū)修正因子

Kmr的預測參數(shù)：f，d第35頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月36開闊地修正因子QO

準開闊地修正因子Qr參數(shù)：f第36頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月372.不規(guī)則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陸混合地形修正因子第37頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月38（1）丘陵地修正因子丘陵地：連綿、起伏高度有限第38頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月39丘陵地修正因子Kh

、微小修正因子Khf參數(shù)：△h：自MS向發(fā)射BTS方向延伸10km范圍內，地形起伏的90%與10%處的高度差。預測點靠近山峰處與山谷處衰耗不同，考慮微小修正因子Khf(近山峰處>0；近山谷處<0)在丘陵地預測時，須同時使用Kh和Khf第39頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月40(2)孤立山岳的修正因子孤立山岳：

山岳近似刃形，單獨

(背面考慮繞射衰耗)孤立山岳的

修正因子Kjs基準：山岳高度H=200m參數(shù)：山岳到發(fā)射點距離d1到接收點距離d2當H≠200m時，

修正因子為第40頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月41(3)斜坡地形的修正因子斜坡地形：

5~10km內地形傾斜正斜坡：

電波傳播方向上

地形逐漸增高，

傾角為+θm(mrad)

負斜坡：

地形逐漸降低，

傾角為-θm斜坡地形的修正因子Ksp參數(shù)傾角θm收發(fā)天線間距d第41頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月42水陸混合地形：

區(qū)域中既有水面，

又有陸地水陸混合地形

修正因子Ks(>0)水域信號比陸地強參數(shù)水面位置位于

BTS側/MS側水面距離與全距離比例全距離d(4)水陸混合地形修正因子第42頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月434.其他因素對電波傳播的影響街道走向修正因子建筑物穿透損耗植被衰耗隧道中的傳播▲沒有特別說明，可不考慮第43頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月44縱向：電波傳播方向與

街道平行

Kaf>0，表示場強中值

高于基準場強中值橫向：電波傳播方向與

街道垂直

Kac<0，表示場強中值

低于基準場強中值(1)街道走向/修正因子Kaf/Kac第44頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月45穿透能力與波長，建筑物材料、結構、樓層相關建筑物地面層的穿透損耗信號衰耗與樓層高度的關系頻率（MHz）150250450800平均穿透損耗(dB)2219.71817(2)建筑物穿透損耗LP第45頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月46樹木、植被對電波有吸收作用由樹木、植被引起的附加衰耗取決于樹木的高度、種類、形狀、分布密度、空氣濕度及季節(jié)變化，還取決于工作頻率、天線極化、通過樹林的路徑長度等大片森林對電波傳播

產生的附加衰耗

城市中樹林、綠地

與建筑物是交替存

在的，引起的衰耗

與大片森林的影響

不同

(3)植被衰耗第46頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月47(4)電波在隧道中的傳播衰耗衰耗原因：隧道壁的吸收及電波的干涉作用衰耗與工作頻率、天線位置、隧道長度、形狀等有關頻率越高，衰耗越小

隧道會對較高頻率電波形成有效的波導

出現(xiàn)分支或轉彎時，衰耗急劇增加

彎曲度越大，衰耗越嚴重

第47頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月48電波在隧道中的傳播衰耗曲線A是160MHz時，

隧道內兩半波偶極子

天線間的傳輸衰耗；曲線B為200Ω平衡波

導線的衰耗。由圖可知，在隧道中，

中等功率通信設備間

的通信距離，

通常為200m左右，

理想條件不超過300m。

第48頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月492.3.2任意地形地物信號中值預測任意地形地物衰耗中值LA的預測LA=LT-KTLT=Lbs+Am-Hb-HmKT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+αKjs+Ksp+Ks+Kaf/Kac信號中值Ppe的預測任意地形地物接收功率Ppe=PP+KT準平滑市區(qū)接收功率PP=Po-Am+Hb+Hm自由空間下接收功率Po第49頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月502.3.3場強中值變動分布及預測影響通信可靠性的重要因素是場強的變化特性場強中值變動分布場強瞬時值變動規(guī)律(隨位置)50m樣本區(qū)間——>區(qū)間內場強累積分布障礙物均勻的城市街道地區(qū)、森林：近似瑞利分布

郊區(qū)不規(guī)則地形，障礙物有空隙：近似正態(tài)分布

σ=6~7dB場強中值變動規(guī)律(隨位置)1~2km樣本區(qū)間，每20m左右一個場強中值

——>各小區(qū)間中值累積分布的50%值和變動幅度市區(qū)：近似正態(tài)分布

郊區(qū)、丘陵地：近似正態(tài)分布第50頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月51場強中值變動規(guī)律σ取決于地形、地物、

工作頻率等因素。半徑為2km的區(qū)域，

σ分布如圖。隨頻率升高而增加，與BTS天線高度，

通信距離關系不大第51頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月52實際應用中，σ不同時，常用σ隨通信概率變化的歸一化曲線計算

xσ為相對于中值的變動幅度第52頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月53接收信號中值隨時間變化服從正態(tài)分布分布隨時間、位置變化的標準偏差

D為收發(fā)天線間距，Δh為地形波動高度頻率MHzσLσt準平滑地形不規(guī)則地形Δh(m)D(km)50100150175市區(qū)郊區(qū)50150300508910陸地2571503.5~5.54~791113水陸混合3791145067.5111518水面914209006.58141821第53頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月54場強變動分布為中值分布

和瞬時值分布的合成市區(qū)：正態(tài)分布和

瑞利分布的合成

郊區(qū)、丘陵地：

標準偏差為σL和σt的

兩個正態(tài)分布的合成合成瞬時值變動幅度曲線

不同的頻率時，表示

相對于中值的變動第54頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月55通信概率MS在無線覆蓋區(qū)邊緣進行滿意通話的成功概率包括：位置概率和時間概率

信號中值隨位置變化遠大于隨時間的變化，因此，時間概率可忽略中值隨位置呈正態(tài)分布第55頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月56通信概率與系統(tǒng)余量的關系可根據(jù)p(x)和σ確定SM

也可根據(jù)SM和σ確定p(x)第56頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月57若要求在無線區(qū)覆蓋邊緣90%的位置上和90%的時間里達到規(guī)定的話音質量，則σL用σ代替，，式中σL與σt可查表得到。在系統(tǒng)其它參數(shù)不變的情況下，要提高系統(tǒng)的通信概率，只能縮短通信距離以減小路徑衰耗中值，減小的衰耗中值即為系統(tǒng)余量。系統(tǒng)以減小傳播距離為代價提高通信概率第57頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月582.3.4覆蓋設計傳播模型的選用及修正不同模型適用于不同的應用環(huán)境模型的適用范圍當?shù)氐膫鞑l件常用模型的比較各種模型在預測時都會存在誤差，這是由于各地的傳播環(huán)境不同而造成。因此應用時，除選擇適合本地環(huán)境的模型外還必須對其加以修正，通過對模型的修正，來提高預測的精度。修正需進行實地測試，通過測試獲得進行模型校正的數(shù)據(jù)，然后用測試結果修正模型中相關的參數(shù)，以使預測結果更接收近于當?shù)氐膶嶋H情況第58頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月59基站覆蓋預測規(guī)劃→預測：檢驗覆蓋范圍和區(qū)內質量基站覆蓋的主要影響因素覆蓋預測方法網路建成后，通過路測對規(guī)劃進行檢驗，及時調整該地區(qū)基站數(shù)、站址等進行網路調整和優(yōu)化第59頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月60系統(tǒng)均衡基站覆蓋區(qū)MS接收信號強度高于設計值90%以上的區(qū)域保證通信，滿足雙向靈敏度要求BS、MS收發(fā)功率、靈敏度要求均不同，必須進行系統(tǒng)均衡若上行覆蓋大于下行：小區(qū)邊緣下行信號較弱，易被其它小區(qū)的信號“淹沒”；若下行覆蓋大于上行：移動臺被迫守候在強信號下，但上行信號太弱，話音質量不好第60頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月61設：基站發(fā)射機天線前端功率為Poutb，移動臺發(fā)射機天線前端功率為Poutm，基站天線增益Gab，空間損耗Lp，移動臺天線增益Gam，移動臺接收電平為Pinm，衰落余量Mf，基站發(fā)射機天線共用器損耗Lcb，基站接收機分集增益Gdb，基站發(fā)射機端口功率Pbt，基站接收機端口功率Pbr下行鏈路：Pinm+Mf=Poutb-Lcb-Lfb+Gab-Lp+Gam上行鏈路：Pinb+Mf=Poutm+Gam-Lp+Gab-Lfb+Gdb比較兩式：Pi