第8章天线与电波传播.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,移动通信技术,第8章 天线与电波传播,1,第8章 天线与电波传播,内容,天线的基本特性、基站天线的类型、天线的下倾、智能天线及天线的辐射功率,表征电波传播衰耗特性的数字特征、,OM,模型概念,任意地形、地物衰耗场强中值和信号中值的预测,电波传播电路的计算、覆盖设计,2,第8章 天线与电波传播,重点,自由空间传播衰耗,OM,模型及任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测,系统均衡,难点,天线的基本特性,电波传播衰耗特性的数字特征,任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测,3,第8章 天线与电波传播,目的和要求,了解天线的基本特性、类型,掌握自由空间传输衰耗、,OM,模型及电波传播衰耗中值的计算方法,了解电波传播电路计算,4,8.1天线基本概念,天线基本特性,天线的方向性,指天线向一定方向辐射电磁波的能力,对接收天线表示天线对来自不同方向的电波的接收能力,方向图,天线方向的选择性常用方向图来表示,辐射方向图：以天线为球心的等半径球面上，相对场强随坐标变量,和,变化的图形,工程设计中一般使用二维方向图,无线网络优化中需使用三维方向图,5,8.1天线基本概念,二维方向图,6,8.1天线基本概念,三维方向图,7,8.1天线基本概念,波束宽度,方向图中通常都有两个瓣或多个瓣,其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣,波束宽度：主瓣两半功率点间的夹角,又称为半功率（角）波束宽度、3,dB,波束宽度,主瓣波束宽度越窄，方向性越好，抗干扰能力越强,经常考虑3,dB、10dB,波束宽度,8,8.1天线基本概念,波束宽度示意图,9,8.1天线基本概念,前后比,天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比,前后比值越大，天线定向接收性能就越好,基本半波振子天线的前后比为，对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力,以,dB,表示的前后比=10,log,前向功率/反向功率,典型值为25,dB,左右，有一个尽可能小的反向功率,10,8.1天线基本概念,天线的增益,天线功率增益表示在某特定方向上能量集中能力,天线增益指在相同输入功率下，天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天线替代后在同一点产生的辐射功率密度之比,参考天线为全方向性天线(在所有方向上辐射功率密度都均匀相同)：增益用,dBi,表示,参考天线为半波振子天线:增益用,dBd,表示,同一个天线用,dBd,和,dBi,分别表示时的转换关系为：0,dBd,=2.14dBi,11,8.1天线基本概念,天线增益,12,8.1天线基本概念,天线的极化,平面波按极化可分为线极化波、圆极化波（或椭圆极化波）,极化是指在垂直于传播方向的波阵面上，电场强度矢量端点随时间变化的轨迹,如轨迹为直线，该平面波就是线极化波,线极化波可分为垂直线极化波和水平线极化波；还有45倾斜的极化波,如轨迹为圆或椭圆，就是圆极化波或椭圆极化波,13,8.1天线基本概念,天线的极化示意图,14,8.1天线基本概念,天线的极化方向：天线辐射的电磁场的电场方向,基站天线一般采用的都是垂直放置的线极化天线,为改善接收性能和减少基站天线数，基站天线开始用双极化天线，既能收发水平极化波，又能收发垂直极化波,15,8.1天线基本概念,天线的带宽,用来描述天线处于良好的工作状态下的频率范围,工作带宽可根据天线的方向图特性、输入阻抗或电压驻波比的要求确定,通常带宽定义为：天线增益下降3,dB,时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度,在移动通信系统中：当天线的输入驻波比1.5时，天线的工作带宽,天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降,16,8.1天线基本概念,例：天线的频带宽度=890-820=70,MHz,17,8.1天线基本概念,天线的辐射特性,导线载有交变电流时，可形成电磁波辐射,辐射的能力与导线的长短和形状有关,能产生显著辐射的直导线称为振子,18,8.1天线基本概念,天线的功能就是控制辐射能量的去向,一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图,19,8.1天线基本概念,对称振子组阵控制辐射能量构成“扁平的面包圈”,把信号集中到所需要的地方,例：设一个对称振子天线在接收机中有1,mW,的功率，由4个对称振子构成的天线阵的接收机就有4,mW,的功率，天线增益为10,log(4mW/1mW)=6dBd,20,8.1天线基本概念,利用反射板可把辐射能量控制聚焦到一个方向，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,进一步提高了增益,例：扇形覆盖天线与单个对称振子相比的增益为10,log(8mW/1mW)=9dBd,21,8.1天线基本概念,基本电振子,无限小的线电流元，即其长度,L,远小于波长,基本电振子的辐射是有方向性的,22,8.1天线基本概念,电对称振子,最简单的天线是对称振子,由两段同样粗细和长度为,L,的直导线构成，在天线中间的两个端点之间馈电,半波振子天线长度与波长的关系可表示为2,L=/2,全波振子天线长度与波长的关系为2,L=,23,8.1天线基本概念,几个名词,对称振子：两臂长度相等的振子，每臂长度为,/4,全波对称振子：全长与波长相等的振子,折合振子：将振子折合起来,随着长度,L,的增加，方向图变得比较尖锐,L/2,时，除了主瓣外还有副瓣,L=,时，在垂直于振轴线的方向上没有辐射,/2,的对称振子在800,MHz,频段约200,mm,长；在400,MHz,频段约400,mm,长,24,8.1天线基本概念,基本电振子、半波振子、全波振子天线的增益,天线类型,增益(,dBi,),基本电振子,1.76,半波振子,2.14,全波振子,3.80,25,8.1天线基本概念,天线阵列辐射,为加强某一方向的辐射强度，常把几副天线摆在一起构成天线阵,天线阵根据其排列可分为直线阵、平面阵和立体阵,天线阵的辐射特性主要取决于：阵元数、阵元的空间位置、阵元电流振幅分布、阵元电流相位分布,主要考虑均匀直线式天线阵：各阵元天线以相等的间距排列成一直线，电流大小相等、相位以均匀比例递增或递减,26,8.1天线基本概念,基站天线的类型,全向天线,在水平各个方向上功率均匀地辐射，水平方向图的形状基本为圆形,垂直方向图上，辐射能量是集中的，可获得天线增益,一般由半波振子排列成的直线阵构成，并把按设计要求的功率和相位馈送到各个半波振子，以提高辐射方向上的功率,振子单元数每增加一倍(相应于长度增加一倍)，增益增加3,dB,典型的增益值是69,dBd,受限制的因素主要是物理尺寸,27,8.1天线基本概念,定向天线,定向天线的水平和垂直辐射方向图是非均匀的,常称为扇区天线，辐射功率或多或少集中在一个方向,使用方向天线有两个原因：覆盖扩展及频率复用,使用方向天线可改善蜂窝移动网中的干扰,定向天线一般由直线天线阵加上反射板,构成或直接采用方向天线,典型增益值是916,dBd,结构上一般为816个单元的天线阵,28,8.1天线基本概念,特殊天线,用于特殊场合信号覆盖的天线,泄漏同轴电缆：用于室内或隧道中的覆盖,泄漏同轴电缆外层窄缝允许所传送的信号能量沿整个电缆长度不断泄漏辐射,接收信号能从窄缝进入电缆传送到基站,使用泄漏同轴电缆时，没有增益,为了延伸覆盖范围可以使用双向放大器,通常能满足大多数应用的典型传输功率值是2030,W,29,8.1天线基本概念,多天线系统,许多单独天线形成的合成辐射方向图,最简单的类型是在塔上相反方向安装两个方向性天线，通过功率分配器馈电,目的：用一个小区覆盖大范围，比用两个小区情况所使用的信道数要少,使用：不能使用全向天线，或当所需的增益(较大的覆盖面积)比一个全向天线系统所能提供的要大时，可用多天线系统来形成全向方向图,典型增益：单独天线增益减去功率分配器带来的3,dB,损耗,30,8.1天线基本概念,天线分集技术,分集技术用于移动通信系统中解决衰落问题,基站接收也采用分集接收技术,对用电池供电的,MS，,不能用提高发射功率满足衰落储备,31,8.1天线基本概念,天线下倾,天线下倾可改善系统的抗干扰性能,天线下倾主要是改变天线的垂直方向图主瓣指向，使垂直方向图的主瓣信号指向覆盖小区，而垂直方向图的零点或副瓣对准受其干扰的同频小区,改善服务小区覆盖范围内的信号强度,提高服务小区内的,C/I,值，减少对远处同频小区的干扰,提高系统的频率复用能力，增加系统容量,改善基站附近的室内覆盖性能,32,8.1天线基本概念,两种方式,机械下倾：通过机械装置调节天线向下倾斜所需角度,电下倾：通过调节天线各振子单元相位(相控阵天线技术)，使天线垂直方向图主瓣下倾一定角度，而天线本身仍保持和地面成垂直放置的位置,33,8.1天线基本概念,机械下倾天线,天线向下倾斜对覆盖范围的影响,34,8.1天线基本概念,利用方向图中的凹坑减少同频干扰,天线方向图中的凹坑准确地对准被干扰小区，可以利用凹坑减少同频干扰,对水平波束宽度为60的天线，向下倾斜角应选在1416，此时凹坑最大,为保证其覆盖范围，还须调整基站发射功率,不同类型的天线，垂直方向图不同，凹坑所对应的下倾角也不同,35,8.1天线基本概念,天线向下倾斜对抗同频干扰能力的改善,例：服务小区天线固定下倾5时的载干比,C/I,分布图,36,8.1天线基本概念,利用天线下倾降低同频干扰时，下倾角须根据天线的三维方向图具体计算后认真选择,改善抗同频干扰能力的大小不与下倾角成正比,要尽量减小对同频小区的干扰，又要保证满足服务区的覆盖范围,考虑实际地形、地物的影响,下倾角较大时，须考虑天线前后比和旁瓣的影响,进行场强测试和同频干扰测试，确认,C/I,值的改善程度,37,8.1天线基本概念,电下倾天线,利用赋形波束技术，设计向下倾斜或抗干扰性更好的阵列定向天线,水平方向图形状不变化，覆盖范围减小,38,8.1天线基本概念,天线辐射能量集中在服务区内，对其他小区干扰很小,39,8.1天线基本概念,能有效减小同频干扰,有效地减小远距离干扰,远距离干扰：距离达320,km,远的其他系统由于大气波导原因产生的干扰,增加电下倾天线的高度来覆盖盲区或弱信号点较多的丘陵地区，仍能减小同频干扰,40,8.1天线基本概念,适用于,GSM,系统的智能天线,智能天线,多波束智能天线与自适应智能天线,目前在,GMS,系统中采用多波束智能天线,自适应天线阵列主要在3,G,中应用,多波束天线：一个扇区多个波束覆盖,波束指向固定，宽度随阵元数定，用波束切换技术随用户移动，基站自动选择不同的相应波束，使接收信号最强,41,8.1天线基本概念,多波束智能天线系统,系统必须在多波束智能天线与基站间添加射频交换矩阵,42,8.1天线基本概念,分时隙多波束,43,8.1天线基本概念,多波束智能天线结构,由4个置于一条直线且相距半,个波长的阵元组成，在一个,传统基站120扇区内，该天,线产生4个30的并行窄波束,多波束智能天线通过检测上行,链路的到达方向,DOA,选择对应,的下行逻路的最佳波束,44,8.1天线基本概念,使用多波束智能天线的,GSM,系统可实现波束分集，解决衰落问题,分集接收的两个支路信号取自多波束智能天线两个波束的接收信号,采用波束分集时，要求系统选择两个最佳波束，通过射频交换矩阵与接收机的两个分集接收端连接,45,8.1天线基本概念,典型的移动基站天线技术指标,有效辐射功率,ERP,ERP,以理论上的点源为基准的天线辐射功率,ERP,对于基站天线表示为：,ERP=P-L,C,-L,f,+,G,a,P,是基站输出功率，,L,C,是合路器损耗,，,L,f,是馈线损耗，,G,a,是基站天线增益,基站天线增益用,dBi,表示为等效各向同性辐射功率,EIRP,46,8.1天线基本概念,典型指标,增益：15,dBi,极化方式：垂直极化,阻抗：50,反向损耗：18,dB,前后比：30,dB,可调下倾角：210,3,dB（,半功率）波束宽度：水平：64；垂直：18,10,dB,波束宽度：水平：120；垂直：30,垂直上旁瓣抑制：-12,dB；,垂直下旁瓣抑制：-14,dB,47,8.1天线基本概念,传输线基本概念,传输线(或馈线)：连接天线和发射(或接收)机输出(或输入)端的导线,任务：有效地传输信号能量,传输线必须屏蔽或平衡,以最小的损耗传送信号,不拾取或产生杂散干扰信号,应合理布局，尽量缩短馈线长度,有导体的电阻损耗和绝缘材料的介质损耗。随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加,48,8.1天线基本概念,超短波频段的传输线,平行线传输线,由两根平行的导线组成,是对称式或平衡式的传输线,损耗大，不能用于,UHF,频段,同轴电缆传输线,两根导线为芯线和屏蔽铜网,不对称式或不平衡式传输线,工作频率范围宽，损耗小,能屏蔽静电，但不能屏蔽磁场的干扰,使用时切忌与强电流线路并行走向，不能靠近低频信号线路,49,8.1天线基本概念,馈线终端匹配连接,馈线终端所接负载阻抗等于馈线特性阻抗,终端负载是天线时，如天线振子较粗，输入阻抗随频率的变化较小，易和馈线保持匹配,匹配时工作频率范围较宽,为使馈线与天线严格匹配，架设天线时还需通过测量，适当调整天线结构，或加装匹配装置,50,8.1天线基本概念,匹配,馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收,馈线上只有入射波，没有反射波,天线和馈线不匹配时，负载只能吸收部分能量,入射波的一部分能量反射回来形成反射波,例：反射损耗为10,log(10/0.5)=13dB,51,8.1天线基本概念,电源与负载的连接,不平衡电源或不平衡负载之间用同轴电缆连接，平衡电源与平衡负载间用平行传输线连接,平衡性或不平衡性遭到破坏时需加装“平衡不平衡”的转换装置(平衡变换器),/2,平衡变换器(形平衡变换器),/4,四分之一波长短路传输线终端,52,8.1天线基本概念,/2,平衡变换器(形平衡变换器),用于不平衡馈线与平衡负载连接时的平衡变换,阻抗变换作用,例：同轴电缆的阻抗匹配,53,8.1天线基本概念,平衡-不平衡变换,四分之一波长短路传输线终端的高频开路的性质，可实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口间的平衡-不平衡变换,54,8.2电波传播,概述,统计数字特征,场强中值,具有50%概率的场强值称为场强中值,场强值高于规定电平值的持续时间占统计时间的一半时，所规定的电平值,场强中值等于接收机最低门限值时通信可通率为50%,55,8.2电波传播,衰落深度,表示衰落的严重程度,用接收电平与场强中值电平之差表示,一般移动通信系统中，衰落深度可达2030,dB,衰落持续时间,场强低于某一给定电平值的持续时间,用于表示信息传输受影响的程度，也可用于判断信令误码的长度,56,8.2电波传播,衰落速率,简称衰落率，用来描述衰落的频繁程度，即接收信号场强变化的快慢,单位时间内场强包络与给定电平值,E,R,的交点数的一半,与工作频率、,MS,行进速度和行进方向等因素有关,N=V/(/2)=1.85*10,3,*V*f(Hz),式,中,V,以,km/h,为单位，,f,单位为,MHz,系统设计时，音频通带或信令数据通带的低端应高于衰落率,57,8.2电波传播,场强估算模型,自由空间的传播损耗,自由空间是一个理想的空间,电波直线传播，不被吸收，不会被反射、折射、绕射和散射，电磁波的能量没有损失,信号从天线发散传播，接收机只能收到发射信号功率的一部分，未收到部分可视为传播损耗,58,8.2电波传播,自由空间的传播损耗,L,bs,L,bs,=32.45+20lgf(MHz)+20lgd(km),仅与传输距离、工作频率有关，与收发天线增益无关,工作频率提高一倍，或传播距离增加一倍时，传播损耗增加6,dB,59,8.2电波传播,场强估算模型,Okumura,模式（,OM,模型）,Egli,模型,Bullingron,（BM）,模型,OM,模型,以日本东京城市场强中值实测结果的经验曲线构成,将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中值，对于其他地形或地物情况，则给出修正值，在场强中值基础上进行修正,OM,模型适用范围：频率为1001500,MHz；,基站天线高度为30200,m；,移动台天线高度为110,m；,传播距离为120,km,的范围场强预测,60,8.2电波传播,地形地物的分类,地形的分类,准平滑地形,传播路径地形剖面图上，表面起伏高度在20,m,以下，且起伏缓慢,不规则地形,丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形、水陆混合地形,61,8.2电波传播,基站天线有效高度,h,b,h,b,=,h,tn,-,h,gn,h,gn,：,从基站天线架设点起35,km,距离内的平均地面海拔高度,H,tn,：,基站天线的海拔高度,天线高度均指天线有效高度,MS,天线有效高度,h,m,有效高度,指地面以上的高度,62,8.2电波传播,地物的分类,按地面障碍物的密集程度和屏蔽程度分：,开阔地：在电波传播方向上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面,郊区：移动台周围的障碍物不稠密,市区：移动台周围的障碍物稠密,63,8.2电波传播,准平滑地形上的,电波传播特性,市区传播衰减中值,的预测,基本衰耗中值,A,m,(f,d),取决于传播距离,d、,工作频率,f,A,m,(f,d),曲线以,h,b,=200,m，,h,m,=3m,为基准,64,8.2电波传播,基站天线有效,高度增益因子,H,b,(,h,b,d),65,8.2电波传播,MS,天线有效,高度增益因子,H,m,(,h,m,f),66,8.2电波传播,准平滑市区传播衰减中值,L,市区,=,L,bs,+A,m,(f,d)-,H,b,(,h,b,d)-,H,m,(,h,m,f),H,b,(,h,b,d)、,H,m,(,h,m,f),为增益因子，计算衰减中值时取减号,67,8.2电波传播,郊区、开阔地的,衰减中值的预测,郊区衰减中值的预测,L,郊区,=,L,s,市区,-,K,mr,郊区修正因子,K,mr,68,8.2电波传播,开阔地衰减中值的预测,L,开阔地,=,L,s,市区,-,Q,o,(,或,Q,r,),Q,o,为开阔地修正因子,Q,r,为准开阔地的修正因子,69,8.2电波传播,不规则地形修正因子,丘陵地的修正因子,地形起伏高度,h：,指自接收,MS,向发射的基站方向延伸10,km,的范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差,丘陵地修正因子分为两项,以,h,为参数而变化的丘陵地修正因子,K,h,丘陵地微小修正因子,K,hf,主要是考虑在丘陵中，谷底与山峰处的屏蔽作用不同，靠近山峰处，,K,hf,取负值，靠近山谷处，,K,hf,取正值,70,8.2电波传播,丘陵地的修正因子,71,8.2电波传播,孤立山岳的修正因子,K,js,电波传播路径上有刃形单独山岳时，其背后的场强计算应考虑其绕射衰减,绕射衰减修正因子,K,js,在山岳高度,H,为200,m,时，以山岳到发射点的距离,d,1,、,到接收点的距离,d,2,为参数,若山岳高度,H200m，,则需乘上高度影响系数,=0.07，,即修正因子变为：,K,js,72,8.2电波传播,孤立山岳的,修正因子,K,js,73,8.2电波传播,斜坡地形的修正,因子,K,sp,在510,km,内地形倾斜,正斜坡，倾角为,+,m,负斜坡，倾角为-,m,74,8.2电波传播,水陆混合路径的修正因子,K,S,以,d,SR,与全距离,d,的比值为地形参数,水面位于,MS,一方时混合路径修正因子如曲线,A(,实线)所示,水面位于基站一方时混合路径的修正因子如曲线,B(,虚线)所示,当水面在传播路径中间时，则取曲线的中间值,75,8.2电波传播,水陆混合路径,修正因子,K,S,76,8.2电波传播,其他因素对电波传播的影响,街道走向修正因子,K,af,/,K,ac,当电波传播方向与街道走向平行,在纵向路线上,修正因子,K,af,为正值，表示场强中值高于基准场强中值,当电波传播方向与街道走向垂直,在横向路线上,修正因子,K,ac,为负值，表示场强中值低于基准场强中值,77,8.2电波传播,街道走向修正因子,K,af,/,K,ac,78,8.2电波传播,建筑物的穿透衰耗,L,p,各个频段的电波穿透建筑物的能力不同,不同材料、结构和楼房层数，其吸收衰耗不同,室内传播衰耗：,L,b,=L,0,+,L,p,L,b,为实际路径衰耗中值；,L,0,为街心的路径衰耗中值；,L,p,为建筑物的穿透损耗,Lp,随楼层增高而近似下降,79,8.2电波传播,植被衰耗,由树木、植被对电波的吸收作用引起,植被衰耗取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度、季节变化、工作频率、天线极化、通过树林的路径长度等多方面的因素,大片森林对电波传播产生的附加衰耗,一般垂直极化波比水平极化波的衰耗要稍大些,在城市中对电波传播引起的衰耗与大片森林不同,80,8.2电波传播,植被衰耗,81,8.2电波传播,隧道中的传播衰耗,由于隧道壁的吸收及电波干涉而产生,隧道中，中等功率通信设备间的通信距离，在通常情况下为200,m,左右，在理想条件下不超过300,m,当通信系统中的一方天线在隧道外时，通信距离还要大大缩短,电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关,频率越高，衰耗越小,当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲度越大，衰耗越严重,82,8.2电波传播,隧道中的传播衰耗,曲线,A,为160,MHz,时隧道内两半波偶极子天线间传输衰耗,曲线,B,为200,平衡波导线的衰耗,83,8.2电波传播,任意地形地物信号中值的预测,给定发射功率，准平滑市区接收功率中值,P,P,=P,o,-A,m,(f,d)+,H,b,(,h,b,d)+,H,m,(,h,m,f),P,o,为自由空间传播条件下的接收信号功率,传播路径不是准平滑的市区，根据地形地物修正,P,pe,=,P,P,+K,T,K,T,=,K,mr,+Q,0,+,Q,r,+,K,h,+,K,hf,+,K,js,+,K,sp,+K,s,根据地形地物，,K,T,可能是一项或多项,任意地形地物时，收发天线间的信号传播衰减中值,L,A,=,L,T,+K,T,L,T,=L,bs,+A,m,(f,d)-,H,b,(,h,b,d)-,H,m,(,h,m,f),84,8.2电波传播,例1：,设基站天线有效高度为60,m，,移动台天线高度为1.5,m，,工作频率为900,MHz，,在准平滑市区，通信距离为20,km,时，其传播路径上的衰减中值为多少？,解：,自由空间传播衰耗,L,bs,=32.45+20lgf+20lgd,=32.45+20,lg900+20lg20,=117.56,dB,查图得,A,m,(f,d)=33dB，,H,b,(,h,b,d)=-11dB，,H,m,(,h,m,f)=-2.5dB,根据已知条件，,K,T,=0，,则传播衰耗中值为：,L,A,=L,T,=,L,bs,+A,m,(f,d)-,H,b,(,h,b,d)-,H,m,(,h,m,f),=117.56+33-(-11)-(-2.5)=164.06,dB,85,8.2电波传播,例2：,若将例1中的地形改为郊区，正斜坡地形，且,m,=15mrad，,其他条件不变，则传播衰耗中值为多少？,解：,查图得,K,mr,=9dB，,K,sp,=4dB,根据地形可得,K,T,=,K,mr,+,K,sp,，,则传播衰耗中值为：,L,A,=L,T,-,K,mr,-,K,sp,=164.06-9-4=151.06,dB,86,8.2电波传播,陆地移动通信电波传播特性,场强变化的原因,场强瞬时值：快衰落,多径衰落引起,快速、大幅度的变化,统计特性满足瑞利分布，又称为瑞利衰落,场强中值：慢衰落,阴影效应、气象条件变化引起,变化缓慢,服从对数正态分布,87,8.2电波传播,场强中值变动分布,场强瞬时值,在障碍物均匀的城市街道地区或森林小区间，变动分布近似服从瑞利分布,在郊区和不规则地形上，近似于对数正态分布，其标准偏差,=67dB,场强中值,在市区，累积分布近似服从对数正态分布，标准偏差,取决于地形地物、工作频率等因素,随时间变化标准偏差,t,和随位置变化标准偏差,L,标准偏差,88,8.2电波传播,随通信概率变化的归一化对数正态分布,89,8.2电波传播,例：,设通信概率为50%时，路径损耗中值为140,dB，,要提高通信概率到90%，则路径损耗为？,解：,查曲线得,x,值为1.28,标准偏差为,=8.25dB,路径损耗变化量为,x=10.56dB,L,m,=140dB-1.28=129.44dB,90,8.3电波传播电路的计算,计算步骤,根据业务性质和用户要求，初步确定服务区及无线区域组成、话音质量、可靠通信概率,预定无线设备方案并进行电波传播电路计算，即考虑噪声、衰减等因素后计算区域覆盖或天线高度,综合考虑技术、成本、使用，对设备方案及无线区域组成进行调整，以获得最佳设计,91,8.3电波传播电路的计算,话音质量标准,主观评定试听确定,分为五个等级,5级(优)：几乎无噪声,4级(良)：有轻微噪声,3级(中)：有使人烦恼的噪声,2级(差)：有非常烦人的噪声,1级(劣)：话音几乎不可懂,话音的可懂度随级别的降低而降低,话音质量标准要求移动通信网音频带内信噪比不小于29,dB,92,8.3电波传播电路的计算,接收机允许的最小输入信噪比,鉴频器解调输出输入信噪比,93,8.3电波传播电路的计算,接收机允许的最小输入信噪比,无线接力传输,系统终端输出噪声是多次转发信号所产生噪声按功率叠加,接收机允许的最小输入信噪比,(,S,i,/N,i,),FM,(S,o,/N,o,),FM,-G,FM,+10lg(r+1),G,FM,：调频接收机的信噪比改善度,r：,最大可能转发次数,在工程上，必须将计算出的(,S,i,/N,i,),FM,与门限信噪比比较,大于门限值时可用，否则，应取门限值作接收机允许的最小输入信噪比,普通鉴频器，一般,为9,dB；,如果采用锁相环解调器，门限值将比普通鉴频器下降35,dB,94,8.3电波传播电路的计算,接收机允许最小输入功率中值,P,min,和移动台、基站间电波传播衰减中值的计算,接收机允许的最小输入功率中值,P,min,N,F,为接收机噪声系数；,K,为波尔兹曼常数；,T,为绝对温度；,B,i,为接收机带宽；,D,为恶化量；,C,为中值变动量,95,8.3电波传播电路的计算,电波传播衰减中值,L,A,的计算,L,A,=P,m,+G,m,+,G,b,-L,C,-L,f,-,P,min,P,m,为移动台发射功率（,dBW,）；G,m,为移动台天线增益（,dB）；,G,b,为基站天线增益（,dB）；L,C,为基站天线共用器总衰耗（,dB）；L,f,为基站、移动台馈线衰耗（,dB）,96,8.3电波传播电路的计算,通信概率,通信概率：移动台在无线覆盖区边缘进行满意通话的成功概率，包括位置概率和时间概率,接收信号的中值电平概率密度,P,min,为接收机输入要求的最小功率电平；,a,L,为平均值；,P,min,与,a,L,的差值为系统余量,SM；,阴影部分即为其通信概率,97,8.3电波传播电路的计算,通信概率与,系统余量间的关系,98,8.3电波传播电路的计算,可根据给定的通信概率和,值确定系统余量；也可根据给定的系统余量和,值获得通信概率值,增大发射功率的方法增加无线覆盖区边缘的通信概率到90%,缩短通信距离为可减小路径衰耗中值，提高系统的通信概率，减小的衰耗中值即为系统余量,系统以减小传播距离为代价提高通信概率,99,8.3电波传播电路的计算,例1：,在准平滑市区，当无线覆盖区域边缘的通信概率为50%时，所需的发射机输入功率为8.5,dBW,（7W）。,若要求其它参数不变，以增大发射功率的方法增加无线覆盖区边缘的通信概率到90%，则系统余量为多大，发射机功率应增加到多少？,解：,查表8-3得，准平滑市区的位置标准偏差,L,=6dB,查图8-50得通信概率为90%时，系统余量为,SM=7.5dB,由于其它参量不变，通信概率的提高只依赖于发射功率的提高,所需发射机输出功率的增加量,P,T,=8.5+SM=16dBW（40W）,若要求在无线区覆盖边缘90%的位置上和90%的时间里达到规定的话音质量，则,L,用,代替。,L,与,t,可查表8-3得到,100,8.3电波传播电路的计算,例2：,在郊区，通信概率为50%时，路径衰耗中值为140,dB，,若要求通信概率提高到90%，其它参数与例1相同，通信距离应为多少,解：,查表得，郊区地形的位置标准偏差为,L,=7.5dB,查图8-50得通信概率为90%时，系统余量为,SM=9.5dB,要求通信概率为90%时，路径衰耗中值,L,A,=140-9.5=130.5dB,再按,OM,模型计算可得通信距离,d,101,8.4覆盖设计,传播模型的选用及修正,移动公网的网路规划中常用的传播模型,序号,传播模型,应用范围,预测范围,比较,1,Okumura,1501500MHz,天线高度30200,m,120km,基站密度大时预测值偏高,2,COST231,8002000MHz,天线高度450,m,0.025km,适合站距近，但考虑地形及地面要素不足,3,Keenan-Motley,室内,适合室内,4,通用校正模型,502000,MHz,天线高度100,m,0.1100km,102,8.4覆盖设计,修正,各地的传播环境不同可能造成较大偏差,应用时需选择适合本地环境的模型，还须对其加以修正，通过对模型的修正，来提高预测的精度,修正需进行实地测试，通过测试获得进行模型校正的数据，然后用测试结果修正模型中相关参数，使预测结果更接近于当地实际情况,103,8.4覆盖设计,基站覆盖预测,在规划中根据用户需求对基站覆盖区域作出预测,检验覆盖范围和覆盖区内质量是否达到预期目标,覆盖区内是否还有“盲区”,是否由于邻小区场强过高，交叉覆盖造成“孤岛”,检查切换区是否分布在高话务密度区域,影响基站覆盖的主要因素,使用的频率、服务质量要求、发射机输出功率、接收机可用灵敏度、使用的天馈线、通信地点的传播环境、选用的传播模型等,104,8.4覆盖设计,覆盖预测：将已选择的基站站址和参数输入规划软件，由计算机仿真来完成,网路建成后，要通过路测对规划进行检验，并针对路测中发现的不足，通过调整该地区基站数、站址等进行网路调整和优化，以达到预期目标,105,8.4覆盖设计,天线分集接收,分集天线间的距离,D：,为了保证分集效果，接收天线和分集接收天线间保持的一定空间间隔,通常根据参数,、,天线有效高度,h，,来设计分集天线间的距离,D。=h/D,在900,MHz,时取10，在1800,MHz,时取20,在实际工程设计中，分集天线间的距离可根据现场安装条件的实际情况，大约选在3.54.5,m,之间,106,8.4覆盖设计,收发天线之间的水平距离,d,i,隔离度为30,dB,时是2,隔离度要求30,dB,时，应使,d,i,2,为波长,在900,MHz,时，,=0.32m,在1800,MHz,时，,=0.16m,空间分集除获得抗衰落分集增益外，还可获得3.,5,dB,左右的设备增益,107,8.4覆盖设计,系统均衡,目的：为了保证通信，满足双向间,MS,和基站最低接收灵敏度的要求,由于基站,和,MS,发射功率、接收灵敏度不同，因此在系统仿真前，必须进行系统均衡,如上行信号覆盖大于下行信号覆盖，小区边缘下行信号较弱，易被其它小区的信号“淹没”,如下行信号覆盖大于上行信号覆盖，,MS,被迫守候在强信号下，但上行信号太弱，话音质量不好,上下行功率平衡并不意味着绝对相等,108,8.4覆盖设计,设：基站发射机天线前端功率为,P,outb,，,基站天线增益,G,ab,，,空间损耗,L,p,，MS,天线增益,G,am,，MS,接收电平,为,P,inm,，,衰落余量,M,f,，,基站发射机天线共用器损耗,L,cb,，,基站接收机分集增益,G,db,，,基站发射机端口功率,P,bt,，,基站接收机端口功率,P,br,109,8.4覆盖设计,下行链路：,P,inm,+M,f,=,P,outb,-,L,cb,-,L,fb,+G,ab,-,L,p,+,G,am,上行链路：,P,inb,+M,f,=,P,outm,+,G,am,-,L,p,+G,ab,-,L,fb,+,G,db,比较两式：,P,inm,-,P,inb,=,P,outb,-,P,outm,-,L,cb,-,G,db,设：,MS,接收机最小输入电平(接收机灵敏度)为,-102,dBm,；,基站接收机最小输入电平为-106,dBm,；,基站天线共用器损耗,L,cb,=5dB；,基站接收机分集接收增益,G,db,=2dB；,上下行链路平衡,当,MS,发射功率,P,outm,=2W(33dBm),时，基站输出功率,P,outb,=44dBm(31W),110,本章小结,天线的基本特性主要包括方向图、增益、极化、带宽、辐射特性等。基站天线主要有全向天线、定向天线、特殊天线和多天线系统。利用天线机械下倾、电下倾改善系统的抗干扰性能，可用两种方法实现。智能天线可有效降低网络中的同频干扰，,GSM,系统中采用的是多波束智能天线,OM,模型是常用的电波传播预测方法之一，给出准平滑市区的场强中值，其他地形、地物给出相应的修正因子，任意地形、地物的电波传播衰耗中值可表示为,L,A,=L,T,-K,T,，,而,L,T,=L,bs,+A,m,(f,d)-,H,b,(,h,b,d)-,H,m,(h,f)，K,T,=,K,mr,+,Q,o,+,Q,r,+,K,h,+,K,hf,+,k,js,+,K,sp,+K,s,。,其中，,K,T,根据具体地形、地物确定,111,本章小结,由于多径效应引起的快衰落，其场强瞬时值变化符合瑞利分布。由气象条件、阴影效应引起的慢衰落，其场强中值变化符合对数正态分布,在系统其它参数不变的情况下，要提高系统的通信概率，只能缩短通信距离，以减小路径衰耗中值，即系统以减小传播距离为代价提高通信概率,为了保证通信质量，必需满足双向通信的移动台和基站最低接收灵敏度的要求，必须进行系统均衡,112,