无线传播理论
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无线传播理论
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•
学习完本课程，您将能够： – 掌握无线电波传播原理，为 后续的链路预算等做理论准 备。
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第一章 无线电波基本原理
第二章 无线电波传播特性
第三章 无线电波传播模型
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COST 231 Walfish-Ikegami模型
适用范围： 频率范围 f: 800~2000MHz 基站天线高度 Hbase: 4~50m 移动台高度 Hmobile: 1~3m 距离 d: 0.02~5km 建筑物高度 Hroof (m) 路面宽度 w (m) 建筑物间距 b (m) 相对直射波方向的街道走向α()
• • 市区环境，宏蜂窝或微蜂窝 郊区环境或乡村环境不适用
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Keenan-Motley模型
PLdB 32.5 20log f 20logd P W
在自由空间传播模型的基础上增加了墙壁和地
板的穿透损耗
P－墙壁损耗参考值，W－墙壁数目
K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7
参考值
152/1800M Urban 44.90 -2.55 0.00 -13.82 -6.55 -0.80
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计算机辅助计算模型（2）
U-net规划软件模型
Pathloss=K1+K2logd+K3log(Heff)+K4Diffraction +K5log(d)log(Heff)+K6(Hmeff)+Kclutterf(clutter)
主要适用室内环境
没有考虑到多径的影响
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计算机辅助计算模型（1）
ASSET规划软件模型
Pathloss=K1+K2lgd+K3(Hms)+K4lg(Hms)+K5lg(Heff) +K6lg(Heff)lg(d)+K7+Kclutter
Pathloss：路径损耗(dB) K1： 与频率相关的常数 K2： 距离衰减常数 K3、K4：移动台天线高度修正系数 K5、K6：基站天线高度修正系数 K7： 绕射修正系数 Kclutter：地物衰减修正系数 d： 基站与移动台之间的距离(km) Hms、Heff：移动台天线和基站天线的有效高度(m) K参数
K1 K2 K3 K4 K5 K6
参考值
-52.92 68.6 5.83 1 -6.55 0
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理论传播模型
•
射线跟踪模型－Volcano传播模型 – 利用计算机辅助计算，计算每一条从发射机经过传播路径到达 接收机的信号，并加以合成 – 要求高精度的电子地图——一般要求精度5米以上——成本高
-20
快衰落 慢衰落
-40
-60
10
20
30
距离(m)
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信号分集
抗快衰落措施－分集 • 时间分集 – 符号交织、检错、纠错编码、RAKE接收技术 • 空间分集 – 采用主、分集天线接收。主、分集天线的接收 信号不具有同时衰减的特性。基站接收机对一 定时间范围内不同时延信号的均衡能力也是一 种空间分集的形式。 • 极化分集 • 频率分集 – GSM体制采用跳频 – CDMA体制采用扩频技术
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地形分类
T
•准平滑地形 表面起伏平缓，起伏高度小于等于20 米的地形 •不规则地形 除了准平滑地形之外的其余地形，可 按状态分为：丘陵地形、孤立山岳、倾 斜地形、水陆混合地形等
R
T R
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信号衰落
接收功率(dBm)
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思考题
• • •
• •
移动通信系统使用的是无线电波的哪 个频段？ 无线电波主要有哪几种传播方式？ 无线传播环境中，信号衰落主要有哪 两种形式？各自的特点及产生原因是 什么？ 无线传播环境中，信号传播损耗主要 有哪几种形式？ 常见的传播模型有哪些？各自的应用 环境是什么？
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课程小结
•
本章主要讲述了无线电波的相关知识， 需要掌握的知识包括： – 无线电波的传播途径 – 无线电波的损耗和色散特性，以及 主要的补偿方案 – 常用的无线电波模型，掌握主要涉 及的参数
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年
月
日
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振 子 电场
磁场 电场 电波传输方向
磁场 电场
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基本原理－电磁波的传播
• •
池塘中的波纹：能量从源点向四周传播，并逐渐减弱 电磁波的传播与此类似，不同之处（当辐射源是各向同性的理想点源时）： – 在三维空间以球面波的形式传播 – 传播介质不同，空气、障碍物、反射物
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Okumura-Hata模型
PL 69.55 26.16log f 13.82loghb ahm 44.9 6.55loghb logd dB Cm
适用范围： 频率范围 f: 基站天线高度 Hb: 移动台高度 Hm: 距离 d:
•宏蜂窝模型 •基站天线高度高于周围建筑物 •1km以内预测不适用 •频率超过1500MHz以上时不适 用
150~1500MHz 30~200m 1~10m 1~20km
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COST 231-Hata模型
PL 46.30 33.90log f 13.82loghb ahm 44.9 6.55loghb logd dB Cm
电磁波在绕射点四处扩散 绕射波覆盖除障碍物外的所有方向 扩散损耗最为严重 计算公式复杂，随不同绕射常数变化
T
R
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穿透损耗（1）
• • • •
室内信号取决于建筑物的穿透损耗 室内窗口处与室内中部信号差别较大 建筑物材质对穿透损耗影响较大 电磁波的入射角对穿透损耗影响较大
不同的频段内的频率具有不同的传播特性
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基本原理－电磁波的传播 • 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种 现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。 – 如果电波的电场方向垂直于地面，为垂直极化波 – 如果电波的电场方向与地面平行，为水平极化波
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自由空间传播模型
Lo=91.48+20lgd, for f=900MHz Lo=97.51+20lgd, for f=1800MHz
Lo=98.84+20lgd, for f=2100MHz
• 自由空间传播模型适用于具有各向同性传播介质（如真空）的无线 环境，是理论模型。该环境在现实中并不存在，但空气介质近似于 各向同性介质。
Pathloss：路径损耗(dB) K1： 偏置常数 K2： 距离衰减常数 K3： 基站天线高度修正系数 K4： 绕射计算的乘数（必须为正数） K5： log(HTxeff) log(d)的乘数 K6： 移动台天线高度修正系数 Kclutter： 地物衰减修正系数 d： 基站与移动台之间的距离(m) Hmeffs、Heff：移动台天线和基站天线的有效高度(m) K参数
适用范围： 频率范围 f: 基站天线高度 Hb: 移动台高度 Hm: 距离 d:
•宏蜂窝模型 •基站天线高度高于周围建筑物 •1km以内预测不适用 •频率超过2000MHz或低于 1500MHz时不适用
1500~2000MHz 30~200m 1~10m 1~20km
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基本原理－传播途径
直射波及地面反射波 （最一般的传播形式）
对流层反射波 （传播具有很大的随机性）
山体绕射波 （阴影区域信号来源）
电离层反射波 （超视距通讯途径）
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基本原理－传播路径
①建筑物反射波 ②绕射波 ③直达波 ④地面反射波
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第一章 无线电波基本原理 第二章 无线电波传播特性 第三章 无线电波传播模型
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无线传播环境
•电波传播受地形结构和人为环境的影响， 无线传播环境直接决定传播模型的选取。 影响环境的主要因素： – 自然地形（高山、丘陵、平原、水域） – 人工建筑的数量、分布、材料特性 – 该区域植被特征 – 天气状况
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电波时延扩展 • 起源于反射，主要指到达接收机的主信号和其他多径信号在空间传输时 间差异而带来的同频干扰问题，当多径信号不能被接收机区分时就产生 同信道干扰（CCI）， 对于WCDMA系统，多径时延必须大于一个码片周期(0.26µs)才能被识 别 多径时延典型值 (µs)：开阔区 < 0.2，郊区 = 0.5，市区 = 3
T R
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第一章 无线电波基本原理 第二章 无线电波传播特性 第三章 无线电波传播模型
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常用传播模型
• • • • • •
自由空间传播模型 Okumura(奥村)/Hata模型 COST231-Hata模型 COST231 Walfish-Ikegami模型 Keenan-Motley模型 计算机辅助计算模型
基本原理－无线频谱 Frequency
3-30Hz
Classification
Extremely Low Frequency
Voice Frequency Very-low Frequency Low Frequency Medium Frequency High Frequency Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Extremely High Frequency
Designation
ELF
VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
30-300Hz
300-3000Hz 3-30KHz 30-300KHz 300-3000KHz 3-30MHz 30-300MHz 300-3000MHz 3-30GHz 30-300GHz
300-3000GHzΒιβλιοθήκη Baidu
ε 0μ 0
w1
d D
w2 ε 0μ 0
ε μ
E2
θ θ E1
电磁波穿透墙体的反射和折射
WdBm
XdBm
穿透损耗=X-W=B dB
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穿透损耗（2）
•
物体阻挡/穿透损耗为： – 隔墙阻挡：5－20dB – 楼层阻挡：＞20dB， – 室内损耗值是楼层高度的函数，-1.9dB/层 – 家具和其它障碍物的阻挡： 2－15dB – 厚玻璃： 6－10dB – 火车车厢的穿透损耗为：15－30dB – 电梯的穿透损耗： 30dB左右 – 茂密树叶损耗：10dB
• •
解 决
均衡、RAKE技术
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Doppler频移 • Doppler效应的例子：火车经过你的身 边
移动通信中的Doppler频移
f1 f3
V：移动台速度 ：信号到达角度
f2 V(km/h)
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绕射损耗
• • • •
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第二章 无线电波传播特性
第三章 无线电波传播模型
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COST 231 Walfish-Ikegami模型
适用范围： 频率范围 f: 800~2000MHz 基站天线高度 Hbase: 4~50m 移动台高度 Hmobile: 1~3m 距离 d: 0.02~5km 建筑物高度 Hroof (m) 路面宽度 w (m) 建筑物间距 b (m) 相对直射波方向的街道走向α()
• • 市区环境，宏蜂窝或微蜂窝 郊区环境或乡村环境不适用
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Keenan-Motley模型
PLdB 32.5 20log f 20logd P W
在自由空间传播模型的基础上增加了墙壁和地
板的穿透损耗
P－墙壁损耗参考值，W－墙壁数目
K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7
参考值
152/1800M Urban 44.90 -2.55 0.00 -13.82 -6.55 -0.80
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计算机辅助计算模型（2）
U-net规划软件模型
Pathloss=K1+K2logd+K3log(Heff)+K4Diffraction +K5log(d)log(Heff)+K6(Hmeff)+Kclutterf(clutter)
主要适用室内环境
没有考虑到多径的影响
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计算机辅助计算模型（1）
ASSET规划软件模型
Pathloss=K1+K2lgd+K3(Hms)+K4lg(Hms)+K5lg(Heff) +K6lg(Heff)lg(d)+K7+Kclutter
Pathloss：路径损耗(dB) K1： 与频率相关的常数 K2： 距离衰减常数 K3、K4：移动台天线高度修正系数 K5、K6：基站天线高度修正系数 K7： 绕射修正系数 Kclutter：地物衰减修正系数 d： 基站与移动台之间的距离(km) Hms、Heff：移动台天线和基站天线的有效高度(m) K参数
K1 K2 K3 K4 K5 K6
参考值
-52.92 68.6 5.83 1 -6.55 0
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理论传播模型
•
射线跟踪模型－Volcano传播模型 – 利用计算机辅助计算，计算每一条从发射机经过传播路径到达 接收机的信号，并加以合成 – 要求高精度的电子地图——一般要求精度5米以上——成本高
-20
快衰落 慢衰落
-40
-60
10
20
30
距离(m)
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信号分集
抗快衰落措施－分集 • 时间分集 – 符号交织、检错、纠错编码、RAKE接收技术 • 空间分集 – 采用主、分集天线接收。主、分集天线的接收 信号不具有同时衰减的特性。基站接收机对一 定时间范围内不同时延信号的均衡能力也是一 种空间分集的形式。 • 极化分集 • 频率分集 – GSM体制采用跳频 – CDMA体制采用扩频技术
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地形分类
T
•准平滑地形 表面起伏平缓，起伏高度小于等于20 米的地形 •不规则地形 除了准平滑地形之外的其余地形，可 按状态分为：丘陵地形、孤立山岳、倾 斜地形、水陆混合地形等
R
T R
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信号衰落
接收功率(dBm)
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思考题
• • •
• •
移动通信系统使用的是无线电波的哪 个频段？ 无线电波主要有哪几种传播方式？ 无线传播环境中，信号衰落主要有哪 两种形式？各自的特点及产生原因是 什么？ 无线传播环境中，信号传播损耗主要 有哪几种形式？ 常见的传播模型有哪些？各自的应用 环境是什么？
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本章主要讲述了无线电波的相关知识， 需要掌握的知识包括： – 无线电波的传播途径 – 无线电波的损耗和色散特性，以及 主要的补偿方案 – 常用的无线电波模型，掌握主要涉 及的参数
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月
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磁场 电场 电波传输方向
磁场 电场
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基本原理－电磁波的传播
• •
池塘中的波纹：能量从源点向四周传播，并逐渐减弱 电磁波的传播与此类似，不同之处（当辐射源是各向同性的理想点源时）： – 在三维空间以球面波的形式传播 – 传播介质不同，空气、障碍物、反射物
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Okumura-Hata模型
PL 69.55 26.16log f 13.82loghb ahm 44.9 6.55loghb logd dB Cm
适用范围： 频率范围 f: 基站天线高度 Hb: 移动台高度 Hm: 距离 d:
•宏蜂窝模型 •基站天线高度高于周围建筑物 •1km以内预测不适用 •频率超过1500MHz以上时不适 用
150~1500MHz 30~200m 1~10m 1~20km
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COST 231-Hata模型
PL 46.30 33.90log f 13.82loghb ahm 44.9 6.55loghb logd dB Cm
电磁波在绕射点四处扩散 绕射波覆盖除障碍物外的所有方向 扩散损耗最为严重 计算公式复杂，随不同绕射常数变化
T
R
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穿透损耗（1）
• • • •
室内信号取决于建筑物的穿透损耗 室内窗口处与室内中部信号差别较大 建筑物材质对穿透损耗影响较大 电磁波的入射角对穿透损耗影响较大
不同的频段内的频率具有不同的传播特性
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基本原理－电磁波的传播 • 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种 现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。 – 如果电波的电场方向垂直于地面，为垂直极化波 – 如果电波的电场方向与地面平行，为水平极化波
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自由空间传播模型
Lo=91.48+20lgd, for f=900MHz Lo=97.51+20lgd, for f=1800MHz
Lo=98.84+20lgd, for f=2100MHz
• 自由空间传播模型适用于具有各向同性传播介质（如真空）的无线 环境，是理论模型。该环境在现实中并不存在，但空气介质近似于 各向同性介质。
Pathloss：路径损耗(dB) K1： 偏置常数 K2： 距离衰减常数 K3： 基站天线高度修正系数 K4： 绕射计算的乘数（必须为正数） K5： log(HTxeff) log(d)的乘数 K6： 移动台天线高度修正系数 Kclutter： 地物衰减修正系数 d： 基站与移动台之间的距离(m) Hmeffs、Heff：移动台天线和基站天线的有效高度(m) K参数
适用范围： 频率范围 f: 基站天线高度 Hb: 移动台高度 Hm: 距离 d:
•宏蜂窝模型 •基站天线高度高于周围建筑物 •1km以内预测不适用 •频率超过2000MHz或低于 1500MHz时不适用
1500~2000MHz 30~200m 1~10m 1~20km
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基本原理－传播途径
直射波及地面反射波 （最一般的传播形式）
对流层反射波 （传播具有很大的随机性）
山体绕射波 （阴影区域信号来源）
电离层反射波 （超视距通讯途径）
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①建筑物反射波 ②绕射波 ③直达波 ④地面反射波
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第一章 无线电波基本原理 第二章 无线电波传播特性 第三章 无线电波传播模型
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无线传播环境
•电波传播受地形结构和人为环境的影响， 无线传播环境直接决定传播模型的选取。 影响环境的主要因素： – 自然地形（高山、丘陵、平原、水域） – 人工建筑的数量、分布、材料特性 – 该区域植被特征 – 天气状况
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电波时延扩展 • 起源于反射，主要指到达接收机的主信号和其他多径信号在空间传输时 间差异而带来的同频干扰问题，当多径信号不能被接收机区分时就产生 同信道干扰（CCI）， 对于WCDMA系统，多径时延必须大于一个码片周期(0.26µs)才能被识 别 多径时延典型值 (µs)：开阔区 < 0.2，郊区 = 0.5，市区 = 3
T R
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自由空间传播模型 Okumura(奥村)/Hata模型 COST231-Hata模型 COST231 Walfish-Ikegami模型 Keenan-Motley模型 计算机辅助计算模型
基本原理－无线频谱 Frequency
3-30Hz
Classification
Extremely Low Frequency
Voice Frequency Very-low Frequency Low Frequency Medium Frequency High Frequency Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Extremely High Frequency
Designation
ELF
VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
30-300Hz
300-3000Hz 3-30KHz 30-300KHz 300-3000KHz 3-30MHz 30-300MHz 300-3000MHz 3-30GHz 30-300GHz
300-3000GHzΒιβλιοθήκη Baidu
ε 0μ 0
w1
d D
w2 ε 0μ 0
ε μ
E2
θ θ E1
电磁波穿透墙体的反射和折射
WdBm
XdBm
穿透损耗=X-W=B dB
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穿透损耗（2）
•
物体阻挡/穿透损耗为： – 隔墙阻挡：5－20dB – 楼层阻挡：＞20dB， – 室内损耗值是楼层高度的函数，-1.9dB/层 – 家具和其它障碍物的阻挡： 2－15dB – 厚玻璃： 6－10dB – 火车车厢的穿透损耗为：15－30dB – 电梯的穿透损耗： 30dB左右 – 茂密树叶损耗：10dB
• •
解 决
均衡、RAKE技术
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移动通信中的Doppler频移
f1 f3
V：移动台速度 ：信号到达角度
f2 V(km/h)
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绕射损耗
• • • •