【圖】無線傳播理論基礎知識培訓(華為技術資料)
(2011/11/6 9:46:00)
無線傳播理論基礎知識培訓(華為技術資料)
無線傳播理論(華為技術資料)
1 ．概要說明
無線傳播理論(華為技術資料)
1 ．概要說明
無線傳播方式決定了蜂窩系統的設計，從頻段的確定、頻率分配、無線電波的覆蓋范圍、計算通信概率及系統間的電磁干擾，直到最終確定無線設備的參數和進行場強預測。
本文主要講述了蜂窩系統的傳播環境，介紹了傳播過程中出現的快衰落和慢衰落現象以及傳播損耗現象。
本文還介紹了 GSM 移動通信系統的信號損耗中值計算模型和具有代表性的凡種傳播模型，同時對 CW 測試原理、測試方法和傳播模型的校正進行了介紹。
全文分為四節：
第一節：無線傳播基本原理。
講述了電磁波的不同傳播模式。
第二節：無線傳播環境。
講述了快衰落和慢衰落、多普勒頻移、分集接收以及傳播損耗。
第三節：無線傳播模型。
講述了 Okumura-Hata,COST231-Hata,COST231 Walfish Ikegami,室內傳播模型和規劃軟件 ASSET 使用的傳播模型。
第四節：傳播模型校正。
講述了 CW 測試的原理和方法，并列舉了模型校正的實例。
2 ．關鍵詞
無線傳播 衰落 損耗 傳播模型 模型校正 CW 測試
第一章無線傳播基本原理
要點：掌握電磁波的多種傳播途徑。
在規劃和建設-個移動通信網時，從頻段的確定、頻率分配、無線電波的覆蓋范圍、計算通信概率及系統間的電磁干擾，直到最終確定無線設
備的參數，都必須依靠對電波傳播特性的研究、了解和據此進行的場強預測。它是進行系統工程設計與研究頻譜有效利用、電磁兼容性等課題所必須了解和掌握的基本理論。
眾所周知，無線電波可通過多種方式從發射天線傳播到接收天線：直達波或自由空間波、地波或表面波、對流層反射波、電離層波。如圖 1 所示。就電波傳播而言，發射機同接收機間最簡單的方式是自由空間傳播。自由空間指該區域是各向同性（沿各個軸特性-樣）且同類（均勻結構）。自由空間波的其他名字有直達波或視距波。如圖 1 ( a ) ，直達波沿直線傳播，所以可用于衛星和外部空間通信。另外，這個定義也可用于陸上視距傳播（兩個微波塔之間），見圖 l ( b ）。
第二種方式是地波或表面波。地波傳播可看作是三種情況的綜合，即直達波、反射波和表面波。表面波沿地球表面傳播。從發射天線發出的-
些能量直接到達接收機；有些能量經從地球表面反射后到達接收機；有些通過表面波到達接收機。表面波在地表面上傳播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。當能量進入地面，它建立地面電流。這三種的表面波見圖 1 ( c ）。第三種方式即對流層反射波產生于對流層，對流層是異類介質，由于天氣情況而隨時間變化。它的反射系數隨高度增加而減少。這種緩慢變化的反射系數使電波彎曲。如圖 1 ( d ）所示。
對流層方式應用于波長小于 10 米（即頻率大于 30MHz ）的無線通信中。第四種方式是經電離層反射傳播。當電波波長小于 1 米（頻率大于30OMHz ）時，電離層是反射體。從電離層反射的電波可能有-個或多個跳躍，見圖 1 ( e ）。這種傳播用于長距離通信。除了反射，由于折射率的不均勻，電離層可產生電波散射。另外，電離層中的流星也能散射電波。同對流層-樣，電離層也具有連續波動的特性，在這種波動上是隨機的快速波動。蜂窩系統的無線傳播利用了第二種電波傳播方式。這-點將在后文中論述。
在設計蜂窩系統時研究傳播有兩個原因。第-，它對于計算覆蓋不同小區的場強提供必要的工具。因為在大多數情況下覆蓋區域從凡百米到凡
十公里，地波傳播可以在這種情況下應用。第二，它可計算鄰信道和同信道干擾。
預測場強有兩種方法。第-種純理論方法，適用于分離的物體，如山和其他固體物體。但這種預測忽略了地球的不規則性。第二種基于在各種
環境的測量，包括不規則地形及人為障礙，尤其是在移動通信中普遍存在的較高的頻率和較低的移動天線。第三種方法是結合上述兩種方法的改進模型，基于測量和使用折射定律考慮山和其他障礙物的影響。在蜂窩系統中，至少有兩種傳播模型，第-種是 FCC 建議的模型。第二種設計模型由 Okumura 提供，覆蓋邊界應考慮實際經驗結果。
第二章無線傳播環境
要點：
掌握快衰落和慢衰落的概念。
掌握多普勒頻移的概念。
掌握分集接收的方法。
掌握典型地形傳播損耗的計算方法。
2 . 1 快衰落和慢衰落
根據上-節的論述，在-個典型的蜂窩移動通信環境中，由于接收機與發射機之間的直達路徑被建筑物或其他物體所阻礙，所以，在蜂窩基站
與移動臺之間的通信不是通過直達路徑，而是通過許多其他路徑完成的。在 UHF 頻段，從發射機到接收機的電磁波的主要傳播模式是散射，即從建筑物平面反射或從人工、自然物體折射，如圖 2 所示。
所有的信號分量合成產生-個復駐波，它的信號的強度根據各分量的相對變化而增加或減小。其合成場強在移動凡個車身長的距離中會有 20
- 30dB 的衰落，其最大值和最小值發生的位置大約相差 1 / 4 波長。大量傳播路徑的存在就產生了所謂的多徑現象，其合成波的幅度和相位隨移動臺的運動產生很大的起伏變化，通常把這種現象稱為多徑衰落或快衰落，如圖 3 所示。
在性質上，多徑衰落屬于-種快速變化。研究表明，如移動單元所收到的各個波分量的振幅、相位和角度是隨機的，那么合成信號的方位角和
幅度的概率密度函數分別為：
其中 r 為標準偏差。（ 2 - l ）式和（ 2 - 2 ）式分別表明方位角夕在 O - 2 兀是均勻分布的，而電場強度概率密度函數是服從瑞利分
布的。故多徑衰落也稱瑞利衰落。
大量研究結果表明，移動臺接收的信號除瞬時值出現快速瑞利衰落外，其場強中值隨著地區位置改變出現較慢的變化，這種變化稱為慢衰落,見圖 3 。它是由陰影效應引起的，所以也稱作陰影衰落。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會產生電磁場的陰影。當移動臺通過不同障礙物阻擋所造成的電磁場陰影時，就會使接收場強中值的變化。變化的大小取決于障礙物的狀況和工作頻率，變化速率不僅和障礙物有關，而且與車速有關。研究這種慢衰落的規律，發現其中值變動服從對數正態分布。
另外，由于氣象條件隨時間變化、大氣介電常數的垂直梯度發生慢變化，使電波的折射系數隨之變化，結果造成同-地點的場強中值隨時間的
慢變化。統計結果表明，此中值變化也服從對數正態分布。分布的標準偏差為 rt 。由于信號中值變動在較大范圍內隨地點和時間的分布均服從對數正態分布，所以它們的合成分布仍服從對數正態分布。在陸地移動通信中，通常信號中值隨時間的變動遠小于隨地點的變動，因此可以忽略慢衰落的影響，二 rL 。但是在定點通信中，需要考慮慢衰落。
總的來說，在蜂窩環境中有兩種影響：第-種是多路徑，由于從建筑物表面或其他物體反射、散射而產生的短期衰落，通常移動距離凡十米；
第二種是直接可見路徑產生的主要接收信號強度的緩慢變化，即長期場強變化。也就是說，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號幅
度滿足對數正態分布的慢衰落。
2 . 2 多普勒頻移
快速運動的移動臺還會發生多普勒頻移現象，這是因為在移動臺高速運動時接收和發送信號將導致信號頻率將發生偏移而引起的干擾。多普勒頻移符合下面的公式：
當運動速度過高時，多普勒頻移的影響必須考慮，而且工作頻率越高，頻移越大。
2 . 3 分集接收
多徑衰落和陰影衰落產生的原因是不同的，隨著移動臺的移動，瑞利衰落隨著信號的瞬時值快速變動，而對數正態衰落隨著信號平均值變動，這兩者是構成移動通信接收信號不穩定的主要因素，使接收信號被大大惡化，雖然通過增加發信功率、天線尺寸和高度等方法能取得改善，但采用這些方法在移動通信中比較昂貴，有時也顯得不切實際，而采用分集方法即在若干支路上接收相互間相關性很小的載有同-消息的信號，然后通過合并技術再將各個支路的信號合并輸出，那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。
由于衰落具有頻率、時間和空間的選擇性，因此分集技術包括空間分集、時間分集、頻率分集、極化分集和角度分集等五種。空間分集：若在空間設立兩副接收天線，獨立接收同-信號，由于其傳播環境及衰落各不相同，具有不相干或相干性很小的特點，采用分集合并技術并使輸出較強的有用信號，降低了傳播因素的影響。在移動通信中，空間的間距越大，多徑傳播的差異就越大，所收場強的相關性就越小。天線間隔可以是垂直間隔也可以是水平間隔。但是，垂直間隔的分集性能太差，不主張用這種方式。為獲得相同的相關系數，基站兩分集天線之間的垂直距離應大于水平距離。這種方式在移動通信中是最有效的，也是應用最普遍的-種分集方式。
時間分集：可采用通過-定的時延來發送同-消息，或在系統所能承受的時延范圍以內在不同時間內的各發送消息的-部分。在 GSM 中采用的
是后面會講到的交織技術來實現時間分集的。
頻率分集：這種分集技術在 GSM 中是通過調頻來實現的。
極化分集：它是通過采用垂直電子天線、垂直磁性天線和環狀天線來實現的。
角度分集：由于地形地貌和建筑物等環境的不同，到達接收端的不同路徑的信號可能來自于不同的方向，在接收端，采用方向性天線，分別指向不同的信號到達方向，則每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關的。
2 . 4 傳播損耗
在研究傳播時，特定收信機功率接收的信號電平是-個主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號減小，這種信號強度減小稱為傳播損耗
。在研究電波傳播時，首先要研究兩個天線在自由空間（各向同性、無吸收，電導率為零的均勻介質）條件下的特性。以理想全向天線為例。
經推導，自由空間的傳播損耗為：
有了自由空間的路徑損耗公式后，可以考慮在平坦的，但不理想的表面上 2 個天線之間的實際傳播情況。假設在整個傳播路徑表面絕對平坦（無折射）。基站和移動臺的天線高度分別為 h 。和 h 州，如圖 4 所示。
與自由空間的路徑損耗相比，平坦地面傳播的路徑損耗為：
地形地物的種類千差萬別，對移動通信電波傳播損耗的影響也是錯綜復雜的。在實際應用中是不可能存在絕對的平坦地形的。對于復雜的地形-般可分為兩類，即“準平滑地形”和“不規則地形”。
“準平滑地形”指表面起伏平緩，起伏高度小于等于 20 米的地形，平均表面高度差別不大。 Okumura 將起伏高度定義為距離移動臺天線前方10 公里內地形起伏 10 ％與 90 ％的差。 CCIR 定義為收信機前方 10 - 50 公里處地形高度超過 90 ％與超過 10 ％的差。除此以外的其它地形統稱為“不規則地形”，按其狀態可分為：丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形和水陸混合地形等。在對市區及其附近地區分析傳輸損耗時，還可以依據地理區域的擁擠程度分類，如分成：開闊區、密集市區、中等市區、郊區等。
在分析山區或者城市中摩天大樓密布的密集市區的傳輸損耗時，通常還要分析繞射損耗。繞射損耗是對障礙物高度和天線高度的-種測量。障
礙物高度必須同傳播波長比較。同-障礙物高度對長波長產生的繞射損耗小于短波長。預測路徑損耗時，把這些障礙物看作尖形障礙，即“刃
形”。用物理光學中常用的方法可計算損耗。圖 5 中有兩種障礙物。第-種情況下，高 H 處的視距路徑無障礙物。第二種情況下，障礙物在
電波路徑中。第-種中我們假設障礙物高度是負數，第二種假設障礙物高度是正數。繞射損耗 F 可通過繞射常數 v 求出， v 由下式給出。
第三章無線傳播模型
要點：掌握凡種典型的傳播模型。
傳播模型是非常重要的。傳播模型是移動通信網小區規劃的基礎。模型的價值就是保證了精度，同時節省了人力、費用和時間。在規劃某-區
域的蜂窩系統之前，選擇信號覆蓋區的蜂窩站址使其互不干擾，是-個重要的任務。如果不用預期方法，唯-的方法就是嘗試法，通過實際測
量進行。這就要進行蜂窩站址覆蓋區的測量，在所建議的方案中，選擇最佳者。這種方法費錢，費力。利用高精度的預期方法并通過計算機計算，通過比較和評估計算機輸出的所有方案的性能，我們就能夠很容易地選出最佳蜂窩站址配置方案。因此，可以說傳播模型的準確與否關系到小區規劃是否合理，運營商是否以比較經濟合理的投資滿足了用戶的需求。由于我國幅員遼闊，各省、市的無線傳播環境千差萬別。例如，
處于丘陵地區的城市與處于平原地區的城市相比，其傳播環境有很大不同，兩者的傳播模型也會存在較大差異。因此如果僅僅根據經驗而無視各地不同地形、地貌、建筑物、植被等參數的影響，必然會導致所建成的網絡或者存在覆蓋、質量問題，或者所建基站過于密集，造成資源浪費。隨著我國移動通信網絡的飛速發展，各運營商越來越重視傳播模型與本地區環境相匹配的問題。
-個優秀的移動無線傳播模型要具有能夠根據不同的特征地貌輪廓，像平原、丘陵、山谷等，或者是不同的人造環境，例如開闊地、郊區、市
區等，做出適當的調整。這些環境因素涉及了傳播模型中的很多變量，它們都起著重要的作用。因此，-個良好的移動無線傳播模型是很難形
成的。為了完善模型，就需要利用統計方法，測量出大量的數據，對模型進行校正。傳播模型的校正問題將在第 4 節中做具體的介紹。-個好的模型還應該簡單易用。模型應該表述清楚，不應該給用戶提供任何主觀判斷和解釋，因為主觀判斷和解釋往往在同-區域會得出不同的預期值。-個好的模型應具有好的公認度和可接受性。應用不同的模型時，得到的結構有可能不-致。良好的公認度就顯得非常重要了。多數模型是預期無線電波傳播路徑上的路徑損耗的。所以傳播環境對無線傳播模型的建立起關鍵作用，確定某-特定地區的傳播環境的主要因素有：
( l ）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等） ;
( 2 ）人工建筑的數量、高度、分布和材料特性；
( 3 ）該地區的植被特征；
( 4 ）天氣狀況；
( 5 ）自然和人為的電磁噪聲狀況。
另外，無線傳播模型還受到系統工作頻率和移動臺運動狀況的影響。在相同地區，工作頻率不同，接收信號衰落狀況各異；靜止的移動臺與高速運動的移動臺的傳播環境也大不相同。-般分為：室外傳播模型和室內傳播模型。常用的模型如表 1 所示。
3 . 1 okumura-Hata 模型
Okumura - Hata 模型由在日本測得的平均測量數據構成。市區的路徑損耗中值可以用下面的近似解析式表示：
3 . 2 C0ST231 - Hata 模型
適合頻段： 1500 - 2000 MHz
基站的天線高度 Hb : 30 - 200m
移動臺天線高度 Hm : 1 - 10m
覆蓋距離： 1 - 20 km
大城市區域（在農村地區和郊區可以從圖 3 中得到校正因子）。
3.3 C0ST231 Walfish Ikegami 模型
該模型適合于大城市環境。
適合頻段： 800 - 2000 MHz
使用的天線掛高： 4 - 50m
移動臺高度： 1 - 3m
覆蓋距離： 0 . 02 - 5km
Height of buildings : Hroof ( m )
Width of road : w ( m )
Building separation : b ( m )
Road orientation with respect to the direct radio path : Phi(o) Urban areas
1 ．基站和移動臺之間沒有直射徑的情況（ s mall cells )
2 ．基站和手機之間有直射路徑的情況（ Street Canyon )
微小區（天線低于屋頂高度），路徑損耗模型如下：
Lb = 42.6 + 26*log(d)+20*log(f)for d >=0.020 km
4.2 CW測試的方法
1 . CW 測試的站址選擇在測試之前首先需要確定測試站址及其數量，根據-般經驗，在人口密集的大城市，測試站址應不少于 5 個；對于中
小城市-般-個測試站址就夠了，這主要取決于測試基站天線高度及其 EIRP 大小。站址選擇的原則是要使它能夠覆蓋足夠多的地物類型（這
些地物類型來自數字地圖）。
在實際測試中為便于測試，測試站址可按以下標準來確定站址是否合適：
( l ）天線高度大于 20 米；
( 2 ）天線高于最近的障礙物 5 米以上。
如圖 6 所示，在此障礙物主要指天線所在屋頂上的最高建筑物，作為站址的建筑物應高于周圍建筑物的平均高度。
2 . CW 測試準備
CW 測試首先需要有-個測試基站發射 RF 信號，可以 FM 調制，也可以不調制，然后用 CW 測試設備進行驅車測試。基站系統包括發射天線,饋線、高功放、高頻信號源。測試系統包括測試接收機、 GPS 接收機、測距儀、測試軟件以及便攜式計算機等。
測試接收機的采樣速度要盡可能高。測試基站設備安裝在選定的測試站址后，應用功率計測量天線口的發射功率和反射功率，計算出測試基站的有效輻射功率（ EIRP ）。計算公式如下：
基站設備安裝調試正常后，記錄下該基站的 EIRP 。用 GPS 測量站址的經緯度；用三角測量法測量建筑物的高度。天線高度為建筑物高度加上天線桅桿高度以及天線本身長度的-半。用便攜式測試設備掃頻，以確認測試基站設備工作正常，并且周圍無干擾信號。
3 . CW 測試
專業的 CW 測試設備的采樣方式有三種：按時間采樣；按脈沖采樣；按距離采樣。通用測試設備-般只能按時間采樣。按距離采樣進行測試時
，能夠嚴格滿足李氏定理 40 個波長采樣 36 - 50 個樣點的要求，測量準確度很高。距離采樣方法對于車速要求不嚴格，但是存在-個車速
上限。車速的上限 ( Vmax ）與 CW 測試設備的最大采樣速率（ Tsample ）有關：
Vmax＝0.8λTsamPle
在測試過程中，應選取包含各種地物類型的測試路徑作隨機驅車測試。當移動臺離測試基站距離在 3km 以內時，接收信號受基站周圍建筑物結構和天線高度的影響較大；平行于信號傳播方向的信號強度與垂直于信號傳播方向的信號強度差 10dB 左右。因此在距基站半徑 3km 以內的街道上測試時，縱向和橫向的街道最好采樣同樣數量的樣本，以消除其影響。測試路徑盡量不要選擇高速公路以及很寬闊平直的街道，而應選擇較窄的街道。對每個測試基站應采樣盡量多的數據，-般每個站點測試 4 小時以上為宜。當遇到紅燈等停車時，應停止記錄。
由于地形地物在-段時間內基本固定，所以對于某-確定的基站，在某-確定地點的本地均值是確定的。該本地均值就是 CW 測試期望測得的
數據，它也是與傳播模型預測值最逼近的值。
4.3傳播模型校正及實例
如果進行模型校正，就必須具有數字地圖。移動通信所用的數字地圖包括地形高度，地面用途種類等對移動通信電波傳播有影響的地理信息，是規劃軟件進行模型校正、覆蓋預測、干擾分析、頻率規劃的重要基礎數據。各軟件商開發的用于計算機輔助分析的傳播模型各不相同，但都基于 Okumura 的基本模型，并提供可作修正的參數。下面結合前文曾提到的規劃軟件 ASSET 中的傳播模型介紹具體的模型校正的方法。需要說明的是，如果已有地形地物相似城市的模型參數，可以直接用于規劃預測，而沒有必要重做 CW 測試和模型校正，以節省人力物力。
ASSET 模型的 Kl 至 K7 參數由具體的傳播環境決定， K ( dutter ）是由不同地物決定的修正系數。不同的地物決定了不同的K(dutter)，這些 K 參數是通過 CW 測試的數據逐步擬合出來的。獲得 CW 測試數據后，可以通過 K 參數試驗法和最小方差法兩種途徑得到。
在標準模型的眾多 K 參數中，每個 K 參數對模型的影響程度是不-樣的，從對模型的分析可知， Kl 、 K ( cl utter ）是常量，與傳播距
離，天線高度等因素無關； K3 、 K4 為移動臺的高度修正因子，由于移動臺的高度變化不大（可定為 1 . 5 米左右），因此， K3 、 K4 最終可以歸結為最后階段的微量調整， K2 、 KS 、 K6 的調整要視具體的測試數據和測試路徑而定。
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