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无线电波传播无线电波传播第1页，本讲稿共49页主要内容主要内容l 电波传播概述l 大尺度路径损耗l 小尺度路径损耗l 对数正态阴影模型l 链路预算2第2页，本讲稿共49页第一部分第一部分 电波传播概述电波传播概述第3页，本讲稿共49页l移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制：l反射：当电磁波遇到比其波长大得多得物体时发生反射，发射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。l绕射：当接收机与发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。l散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。概述概述4第4页，本讲稿共49页l绕射使得无线电信号能够传播到阻挡物后面，绕射损耗可用费涅尔区解释。l费涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距长度大n/2的连续区域。l费涅尔区的半径为：5第5页，本讲稿共49页6第6页，本讲稿共49页l由于不同物体间的反射、绕射和散射，产生了：l大尺度路径损耗 幂定律l小尺度路径损耗 瑞利分布l对数正态阴影衰落 正态分布7第7页，本讲稿共49页8第8页，本讲稿共49页第二部分第二部分 大尺度路径损耗大尺度路径损耗第9页，本讲稿共49页大尺度路径损耗大尺度路径损耗l发射机与接收机之间长距离（几百米或几千米）上的场强变化l传播模型l经验模型：根据大量的测量结果统计分析后导出的公式，如HATA模型、COST 231模型；l确定性模型：对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法，如自由空间模型；l半确定性模型：基于确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的等式，如WIM模型。10第10页，本讲稿共49页自由空间传播模型自由空间传播模型l预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强l适用范围：卫星通信系统和微波视距无线链路l自由空间路径损耗为：11第11页，本讲稿共49页HATA模型模型l适用范围：适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。l频率f：1001500MHzl距离d：120kml基站天线高度 hb：30200ml移动台天线高度hm：110m 12第12页，本讲稿共49页l路径损耗公式：l市区：L(dB)=69.55+26.16logf-13.82log(hb)+44.9-6.55log(hb)log(d)-a(hm)l中小城市：a(hm)=(1.1logf-0.7)hm-(1.56logf-0.8)l大城市：a(hm)=3.2(log11.75hm)2-4.97 13第13页，本讲稿共49页l郊区：L(dB)=L(市区)-2log(f/28)2-5.4 l乡村（准开放）：L(dB)=L(市区)-log(f/28)2-2.39(logf)2+9.17logf-23.17 l乡村（开放）：L(dB)=L(市区)4.78(logf)2+18.33logf-40.94 14第14页，本讲稿共49页频率频率 基站高度基站高度移动台高度移动台高度900MHz50 m1.5 m15第15页，本讲稿共49页COST 231模型模型l适用范围：HATA模型的扩展，适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。l频率f：15002000MHzl距离d：120kml基站天线高度 hb：30200ml移动台天线高度hm：110m 16第16页，本讲稿共49页l路径损耗公式：L(dB)=46.3+33.9logf-13.82log(hb)+44.9-6.55log(hb)logd-a(hm)+Cml a(hm)与HATA模型相同l Cm=0dB 中等城市和郊区 Cm=3dB 大城市中心17第17页，本讲稿共49页COST231-Walfish-Ikegami模型模型l适用范围：适用于宏小区和微小区，但不适用于微微小区。l频率f：8002000MHzl距离d：0.025kml基站天线高度 hb：450ml移动台天线高度hm：13m18第18页，本讲稿共49页l路径损耗公式：l视距路径：L(dB)=Lfs+10.19+6logd 其中，Lfs=自由空间损耗=32.45+20logd+20logfl非视距路径：L(dB)=Lfs+Lrts+Lmds Lrts =从屋顶到街面的衍射和散射损耗 Lmds=多遮蔽物衍射损耗19第19页，本讲稿共49页第三部分第三部分 小尺度路径损耗小尺度路径损耗第20页，本讲稿共49页小尺度路径损耗小尺度路径损耗l无线信号在经过短距离（几个波长）或短时间（秒级）的传播后其幅度快速衰落。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的。l多径衰落通常是围绕由大尺度路径损耗模型和阴影衰落所确定的平均电平而随机起伏，其统计分布服从瑞利分布。21第21页，本讲稿共49页l小尺度衰落的影响：多径传播时延扩展多普勒频移频率选择性衰落时间选择性衰落l现代移动通信系统中，一般采用分集技术对付多径衰落，对接收到的几路信号进行合并或选择其中最好的一个信号。22第22页，本讲稿共49页相关概念（相关概念（1）l多普勒频移fd：移动台或周围物体运动时的路径差造成接收信号相位的变化引起多普勒频移。多普勒频移与移动台运动速度及运动方向、与电波入射方向之间的夹角有关。l多普勒扩展Bd：多普勒功率谱不为0的频率范围。其值等于最大多普勒频移fm。23第23页，本讲稿共49页相关概念（相关概念（2）l相干时间Tc：多普勒扩展在时域的表示，信道特性没有显著变化的持续时间。l比特持续时间小于信号相干时间Tc时，信道衰减和相移对于至少一个比特持续时间内基本上固定不变，此时，信道呈现慢衰落性。否则，信道呈现快衰落性，引起信号失真。因此，必须保证数据速率大于信道的频率衰落速率1/Tc。24第24页，本讲稿共49页速度速度(km/h)(km/h)8080120120160160200200250250300300350350多普勒扩展多普勒扩展(Hz)(Hz)67 67 100 100 133 133 167 167 208 208 250 250 292 292 相干时间相干时间(s)(s)6345634542304230317231722538253820302030169216921450145025第25页，本讲稿共49页26第26页，本讲稿共49页27第27页，本讲稿共49页相关概念（相关概念（3）l时延扩展：经不同路径达到接收机的时间不同引起时延扩展。时延扩展一般用均方根时延扩展rms表示。l相干带宽Bc：两个接收信号的幅度、相位具有高度相关性的频率范围。l信号带宽超过相干带宽时，信道呈现平坦衰落性；否则，信道呈现频率选择性衰落，引起码间干扰。因此，必须保证数据速率小于信道的时延衰落速率Bc。28第28页，本讲稿共49页相关概念（相关概念（4）l电平通过率NR：信号包络沿正向通过某一规定电平的速率。l平均衰落持续时间 ：接收信号低于某一特定电平的持续时间。29第29页，本讲稿共49页电平通过率电平通过率30第30页，本讲稿共49页平均衰落持续时间平均衰落持续时间31第31页，本讲稿共49页l分集技术分为两类：l微分集：只利用接收机进行分集，接收同一发射点发射的不相关或微相关的同一信息信号，各接收分支接收到的信号被同时衰落的概率很小。用来对付多径效应。l宏分集：允许一个移动台同时接收几个基站来的信号或发给几个基站信号。用来对付阴影衰落。分集技术（分集技术（1）32第32页，本讲稿共49页l在实际的移动通信中，存在三种选择性衰落，它们的形成都是由多径传播引起的：l由于快速移动用户附近物体的反射，在频域上产生多普勒扩散，引起时间选择性衰落；l由远处山丘与高大建筑物反射，使信号在时域和空间角度上产生扩散，引起频率选择性衰落和空间选择性衰落；l由基站附近建筑物和其他物体的反射，影响达到天线的信号入射角分布，引起空间选择性衰落。分集技术（分集技术（2）33第33页，本讲稿共49页l一般在基站上使用微分集技术l时间分集：在不同时刻发射相同的信息，时刻间隔大于或等于相干时间，不同时间的衰落是不相关的。如交织与纠错编码。l频率分集：由多个载频发射同一信号，载频间隔大于或等于相干带宽，不同频率的衰落是不相关的。由于频率资源有限，一般不采用。如调频。l空间分集：使用相隔0.50.8 的两个接收天线，接收到的信号可认为是不相关的。l极化分集：使用正交极化的接收天线，可以合并在一个天线单元内。分集技术（分集技术（3）34第34页，本讲稿共49页第四部分第四部分 阴影衰落阴影衰落第35页，本讲稿共49页阴影衰落阴影衰落l基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响，接收信号服从均值为0的对数正态分布。l计算一个移动通信系统的阴影衰落时，通常会用到小区边缘通信概率或区内通信概率。l小区边缘通信概率：小区边缘接收电平高于某一特定值的概率；l区内通信概率：小区内接收电平高于某一特定值的概率。36第36页，本讲稿共49页l小区边缘通信概率l区内通信概率37第37页，本讲稿共49页小区边缘通信概率与区内通信概率的关系小区边缘通信概率与区内通信概率的关系38第38页，本讲稿共49页衰落储备的计算衰落储备的计算39第39页，本讲稿共49页移动类型移动类型功率等级功率等级通信地点通信地点高度高度覆盖等级覆盖等级最小电平最小电平分类分类车上手持台车上手持台2w车箱内1.5m85%98dBm1沿线手持台沿线手持台2w全线1.5m90%98dBm2无线列调机车台无线列调机车台8w全线4.5m95%95dBm3列控机车台列控机车台8w全线4.5m98%92dBm440第40页，本讲稿共49页MS1MS2MS3MS4未考虑阴影衰落的接收功率-97-97-99-99区内通信概率85909598边缘通信概率63.573.58593.5最小电平-98-98-95-92考虑阴影衰落的接收功率-95-93-87-81阴影衰落储备241218当当=7，n=3.5 时时41第41页，本讲稿共49页42第42页，本讲稿共49页第五部分第五部分 链路预算链路预算第43页，本讲稿共49页l对于陆地移动通信系统，传播路径损耗和阴影衰落将影响系统的覆盖范围，而多径衰落将影响信号的传输质量。l发射机和接收机之间增益和损耗一般用链路预算来表示。44第44页，本讲稿共49页参数参数频率频率 基站高度基站高度移动台高度移动台高度环境环境900MHz40 m1.5 m城市城市RXTX2W移动台移动台天线增益天线增益0 dBi 馈线及接头损耗馈线及接头损耗 0dB输出功率输出功率33 dBm天线增益天线增益电缆及接头损耗电缆及接头损耗 接收灵敏度接收灵敏度-104 dBm12 dBi选择项选择项 接收分集增益接收分集增益 5 dB 路径损耗路径损耗人体损耗人体损耗 3 dB区内通信概率区内通信概率90%:-98 dBm阴影衰落储备阴影衰落储备4dB基站基站RXm RXd 耦合系统耦合系统快衰落保护储备快衰落保护储备3dB环境噪声保护环境噪声保护2dB4dB绝缘子和耦合损耗绝缘子和耦合损耗0dB上行上行链链路路预预算算45第45页，本讲稿共49页参数参数频率频率 基站高度基站高度移动台高度移动台高度环境环境900MHz40 m1.5 m城市城市RXTX移动台移动台天线增益天线增益0 dBi 电缆及接头损耗电缆及接头损耗 0dB灵敏度灵敏度-102 dBm天线增益天线增益电缆及接头损耗电缆及接头损耗耦合和绝缘子损耗耦合和绝缘子损耗 12 dBi3 dB选择项选择项 接收分集增益接收分集增益 0 dB 路径损耗路径损耗人体损耗人体损耗3 dB区内通信概率区内通信概率90%:-98dBm阴影衰落储备阴影衰落储备4dB20W基站基站最大发射输出功率最大发射输出功率RXm RXd 43 dBm耦合系统耦合系统快衰落保护储备快衰落保护储备3dB环境噪声保护环境噪声保护2dB4dB下行下行链链路路预预算算46第46页，本讲稿共49页额定功率额定功率2w移动台的链路预算表移动台的链路预算表链路参数上行下行接收部分BTSMS接收灵敏度-104-104快衰落保护储备33耦合和电缆损耗42分集增益50天线增益122屏蔽储备2020中值功率-94-81发送部分MSBTS发射功率3943耦合和绝缘子损耗03馈线的接头损耗24天线增益212全向等效辐射功率3948路径预算133129人体损耗33路径损耗13012647第47页，本讲稿共49页参数参数频率频率 基站高度基站高度900MHz50 m48第48页，本讲稿共49页参数参数频率频率 基站高度基站高度900MHz50 m49第49页，本讲稿共49页