1、目 录1 无线传播基本原理 .22 无线传播特性 .32.1 频段划分介绍 .32.2 快衰落与慢衰落 .42.3 传播损耗 .72.4 多普勒效应 .92.5 菲涅尔区 .113 无线传播模型 .123.1 传播模型概述 .123.2 常用传播模型介绍 .121. 自由空间的传播 .132. Okumura-Hata 模型 .133. COST231-Hata 模型 .154. COST231 Walfish Ikegami 模型 .165. Keenan-Motley 模型 .176. ASSET 支持的模型 .173.3 传播模型校正 .181. CW 测试的原理 .182. CW 测试
2、方法 .193. 传播模型校正及实例 .204 参考文献 .21第三章 无线传播理论1. 无线传播基本原理在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。众所周知，无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波，如 0 所示。就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。自由空间指该区域是各向同性（
3、沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）。自由空间波的其他名字有直达波或视距波。如 0 中(a)所示，直达波沿直线传播，所以可用于卫星和外部空间通信。另外，这个定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之间），如 0 中(b)所示。第二种方式是地波或表面波。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。表面波沿地球表面传播。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。表面波在地表面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。当能量进入地面，它建立地面电流。这三种的表面波见 0 (c)。第三种方式即对流层反射波产生于对流层，对流层
4、是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲，如 0 (d)所示。对流层方式应用于波长小于 10 米（即频率大于 30MHz）的无线通信中。第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于 1 米（频率大于 300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，如 0 (e)所示。这种传播用于长距离通信。除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波动上是随机的快速波动。蜂窝 系统的无线传播利用了第二种电波传播方式。(a) 直达波沿直
5、线传播 (b) 视距通信的应用 (c) 地波传播(d) 对流层对无线电波的不规则散射 (e) 无线电波通过电离层反射传播图1-1 不同的传播模式在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因：第一，它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具。因为在大多数情况下覆盖区域从几百米到几十公里，地波传播可以在这种情况下应用。第二，它可计算邻信道和同信道干扰。预测场强有三种方法：第一种纯理论方法，适用于分离的物体，如山和其他固体物体。但这种预测忽略了地球的不规则性。第二种基于在各种环境的测量，包括不规则地形及人为障碍，尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频率和较低的移动天线。第三种方法是结合上述两种方法的改进模型，基
6、于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响。在蜂窝系统中，至少有两种传播模型：第一种是 FCC 建议的模型；第二种设计模型由Okumura 提供，覆盖边界应考虑实际经验结果。2. 无线传播特性2.1 频段划分介绍无线电波分布在 3Hz 到 3000GHz 之间，在这个频谱内划分为 12 个带，如 0 所示。在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。对于移动通信来讲，我们只关心 UHF 的频段。无线频段划分示意Frequency Classification Designation330Hz30300Hz Extremely Low FrequencyELFFrequency Classific
7、ation Designation3003000Hz Voice Frequency VF330KHz Very-low Frequency VLF30300KHz Low Frequency LF3003000KHz Medium Frequency MF330MHz High Frequency HF30300MHz Very High Frequency VHF3003000MHz Ultra High Frequency UHF330GHz Super High Frequency SHF30300GHz Extremely High FrequencyEHF3003000GHz对于
8、WCDMA 所用频段有 2 种：上行（MHZ） 下行(MHZ)A 1920-1980 2110-2170B 1850-1910 1930-1990我国计划 WCDMA 采用的是 A 段的频率。 2.2 快衰落与慢衰落根据上一节的论述，在一个典型的蜂窝移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑物或其他物体所阻碍，所以，在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。在 UHF 频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射，如 0-1 所示。 建筑物反射波 绕射波 直达波 地面反射波图2-2-1 多径传播模型所有
9、的信号分量合成产生一个复驻波，它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小。其合成场强在移动几个车身长的距离中会有 2030dB 的衰落，其最大值和最小值发生的位置大约相差 1/4 波长。大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落，如 0 所示。在性质上，多径衰落属于一种快速变化。此外，这种传播特点还产生了时间色散的现象。深衰落点在空间上的分布是近似的相隔半个波长（900MHz 为 17cm，1900MHz 为 8cm)，如果此时手机天线处于这个深衰落点（当汽车中的手机用户由于红灯而驻留在这个深衰落点，我
10、们称为红灯问题），话音质量将会变差。研究表明，如移动单元所收到的各个波分量的振幅、相位和角度是随机的，那么合成信号的方位角和幅度的概率密度函数分别为：0 h2 o (1-1)r0 (1-2)其中 r 为标准偏差。（1-1）式和（1-2）式分别表明方位角 在 02 是均匀分布的，而电场强度概率密度函数是服从瑞利分布的。故多径衰落也称瑞利衰落。 对于这种快衰落，基站采取的措施就是采用时间分集、频率分集和空间分集（极化分集）的办法。时间分集主要靠符号交织、检错和纠错编码等方法，不同编码所具备的抗衰落特性不一样。CDMA 移动通信的空中信道编码方式参见相关协议。频率分集理论的基础是相关带宽，即当两个频
11、率相隔一定间隔后，就认为他们的空间衰落特性是不相关的，移动通信频段，大量数据表明两个频率间隔大于 200KHz 就可获得这种不相关性；频率分集主要采取扩频方式，在 CDMA 移动通信中，由于每个信道都工作在较宽频段（WCDMA 为 5MHz），本身就是一种扩频通信。空间分集主要采用主分集天线接收的办法来解决，基站接收机对主、分集通道接收到的信号分别通过最大似然序列估值均衡器（MLSE）均衡后进行分集合并。这种主分集接收的效果由主分集天线接收的不相关性所保证，所谓不相关性是指，主集天线接收到的信号与分集天线的接收信号不具有同时衰减的特性，这也就要求采用空间分集时主分集天线之间的间距大于 10 倍
12、的无线信号波长（对于 WCDMA 系统要求天线间距大于 1.5 米），或者采用极化分集的办法保证主分集天线接收到的信号不具有相同的衰减特性。而对于移动台（手机）而言，因为只有一根天线，因而不具有这种空间分集功能。基站接收机对一定时间范围（时间窗）内不同时延信号的均衡能力也是一种空间分集的形式。CDMA 通信中，软切换时，移动台与多个基站同时联系，从中选取最好的信号送给交换机，这同样是一种空间分集的形式。大量研究结果表明，移动台接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰落外，其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落，如 0 所示。它是由阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。电波传播路径上
13、遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，就会使接收场强中值的变化。变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与车速有关。研究这种慢衰落的规律，发现其中值变动服从对数正态分布。另外，由于气象条件随时间变化、大气介电常数的垂直梯度发生慢变化，使电波的折射系数随之变化，结果造成同一地点的场强中值随时间的慢变化。统计结果表明，此中值变化也服从对数正态分布。分布的标准偏差为 rt。由于信号中值变动在较大范围内随地点和时间的分布均服从对数正态分布，所以它们的合成分布仍服从对数正态分布。在陆地移动通信中，
14、通常信号中值随时间的变动远小于随地点的变动，因此可以忽略慢衰落的影响，r=r L。但是在定点通信中，需要考虑慢衰落。图2-2-2 快衰落和慢衰落总的来说，在蜂窝环境中有两种影响：第一种是多路径，由于从建筑物表面或其他物体反射、散射而产生的短期衰落，通常移动距离几十米；第二种是直接可见路径产生的主要接收信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。也就是说，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。2.3 传播损耗在研究传播时，特定收信机功率接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号减小，这种信号强度减小称为传播损耗。在研究电波传播时，首先要研究两个天线在
15、自由空间（各向同性，无吸收，电导率为零的均匀介质）条件下的特性。以理想全向天线为例。经推导，自由空间的传播损耗为：Lp32.40lg(fMHz)20lg(dkm)（1-3）其中， f 为频率， d 为距离（公里）。上式与距离 d 成反比。当 d 增加一倍，自由空间路径损耗增加 6 分贝。同时，当减小波长 （提高频率 f），路径损耗增大。我们可以通过增大辐射和接收天线增益来补偿这些损耗。当已知工作频率时，（1-3)式还可以写成：Lp01clg(dkm)（1-4）式中 。 称为路径损耗斜率。在实际的蜂窝系统中，根据测量结果显示， c的取值范围一般在 35 之间。有了自由空间的路径损耗公式后，可以考
16、虑在平坦的，但不理想的表面上 2 个天线之间的实际传播情况。假设在整个传播路径表面绝对平坦（无折射）。基站和移动台的天线高度分别为 h和 （A 处为 ，B 处为 ），如 0 所示。(a) 多反射情况 (b) 单反射情况 (c) 找出视距和地面反射的路径差的映象方法图2-3-1 平坦表面的传播与自由空间的路径损耗相比，平坦地面传播的路径损耗为：Ploss = 10clgd -20lghb - 20lghm （1-5） 式中 c = 4。该式表明增加天线高度一倍，可补偿 6dB 损耗；而移动台接收功率随距离的 4 次方变化，即距离增大一倍，接收到的功率减小 12dB。地形地物的种类千差万别，对移动
17、通信电波传播损耗的影响也是错综复杂的。在实际应用中是不可能存在绝对的平坦地形的。对于复杂的地形一般可分为两类，即“准平滑地形”和“不规则地形”。“准平滑地形”指表面起伏平缓，起伏高度小于或等于 20 米的地形，平均表面高度差别不大。Okumura 将起伏高度定义为距离移动台天线前方 10 公里内地形起伏 10%与 90%的差。CCIR定义为收信机前方 1050 公里处地形高度超过 90%与超过 10%的差。除此以外的其它地形统称为“不规则地形”，按其状态可分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和水陆混合地形等。在对市区及其附近地区分析传输损耗时，还可以依据地理区域的拥挤程度分类，如分成：开阔区、密
18、集市区、中等市区、郊区等。在分析山区或者城市中摩天大楼密布的密集市区的传输损耗时，通常还要分析绕射损耗。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种测量。障碍物高度必须同传播波长比较。同一障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。预测路径损耗时，把这些障碍物看作尖形障碍，即“刃形”。用物理光学中常用的方法可计算损耗。0 中有两种障碍物。第一种情况下，高 H处的视距路径无障碍物。第二种情况下，障碍物在电波路径中。第一种中我们假设障碍物高度是负数，第二种假设障碍物高度是正数。绕射损耗 F 可通过绕射常数 v 求出，v 由下式给出。vH2/k1d/2（1-6）不同绕射损耗的近似值由下式求出： F0 vm
19、120lg0.50.62v 0v120lg0.5e0.45v 1v020lg0.40.120.1v0.3822.4v120lg0.25/v v2.4(1-7)(a) 负高度 (b) 正高度图2-3-2 经过刀刃的无线传播 2.4 多普勒效应在无线系统中多普勒效应引起频率变化的关系可以通过下面的公式给出：(1) 基站为频率源 f，移动台接收到的频率 f为：f=f(1V/c) (1-8)式中：v 为移动台的移动速度，c 为空中信号传播速度（设为 3E8 米/秒）；当移动台向基站方向移动时取“+”号，远离基站时取“-”号。(2) 移动台为频率源 f，基站接收到的频率 f为f=f/(1U/c) (1-
20、9)式中：u 为移动台的移动速度，c 为空中信号传播速度（设为 3E8 米/秒）当移动台向基站方向移动时取“-”号，远离基站时取“+”号。下面分几种特殊情况进行讨论：移动台向基站方向移动，速度为 v 时，如 0 所示。图2-4-1 移动台向基站方向移动基站的信号频率为 f1，由于多普勒效应移动台收到的信号频率为 f2；移动台以 f2 向基站发射信号，由于多普勒效应基站收到的频率为 f3。通过上面的公式将有：f2=f1(1+v/c)f3=f2/(1-v/c)f3=f1(1+v/c)/(1-v/c)=f1(c+v)/(c-v)相对频率变化为：(f3-f1)/f1=2v/(c-v) （1-10）移动
21、台远离基站方向移动，速度为 v 时，如 0 所示。图2-4-2 移动台远离基站方向移动基站的信号频率为 f1，由于多普勒效应移动台收到的信号频率为 f2，移动台以 f2 向基站发射信号。由于多普勒效应基站收到的频率为 f3，通过上面的公式将有：f2=f1(1-v/c)f3=f2/(1+v/c)f3=f1(1-v/c)/(1+v/c)=f1(c-v)/(c+v)相对频率变化为：(f3-f1)/f1=-2v/(c+v) （1-11）由于移动台的移动速度相对于信号的传播速度 c 是较小的，所以在这两种情况下相对频率的变化是差不多的，只是方向相反，第一种情况是频率增加，第二种情况是频率减小。相对频率与移动台速度的关系可以通过 0 的曲线来说明。
