无线电波传播基础知识

无线电波传播基础

移动研究所网规网优部第一页，共六十二页。学习完本课程，你将能够：了解电磁波的相关基本概念掌握无线电波的几种实际传播途径掌握无线电波的衰落特性了解菲涅尔区和多普勒频移现象了解常用的宏蜂窝及微蜂窝模型课程目的第二页，共六十二页。目录电磁波基础无线电波的传播无线电波传播模型第三页，共六十二页。电磁波基础提纲电磁波基础电磁波的产生电磁波的传播相关基本概念电磁波波段划分第四页，共六十二页。麦克斯韦电磁理论在时变电磁场中，变化的磁场激发旋涡电场；而变化的电场同样可以激发涡旋磁场。电场与磁场的相互联系，相互激发，时间上周而复始，空间上交链重复。电磁波的产生电磁波基础第五页，共六十二页。

TEM波的传播形式电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。电磁波的传播电磁波基础第六页，共六十二页。电磁波的相关基本概念电磁波的传播速度v相关的单位dB/dBm/dBuv/dBi/dBd等电磁波的波长λ电磁波的频率f电磁波的相关基本概念电磁波基础第七页，共六十二页。电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化电磁波在真空中的传播速度等于光速在其他媒质中的传播速度为：Ｖε＝Ｃ/sqrt(ε)

ε为传播媒质的介电常数基本概念-传播速度v电磁波基础第八页，共六十二页。电磁波的传播具有周期性，这又包括时间周期性和空间周期性在任意时刻，波长在空间的分布具有周期性，即物理量在空间周期分布，这种周期性用波长λ来描述。电磁波的波长是指电磁波在介质中传播时，相邻两个波峰与波峰之间，或者波谷与波谷之间的距离，单位为米基本概念-波长λ电磁波基础第九页，共六十二页。电磁波的传播具有周期性，这又包括时间周期性和空间周期性在波场中任一位置（点），该点的物理量经过一定的时间后又恢复原来的数值，具有时间周期性。这种周期性可以用振动的周期T来描述，振动的频率为周期的倒数，表示为f=1/T，单位为Hz。波长、频率和传播速度的关系：λ=v/f基本概念-频率f电磁波基础第十页，共六十二页。W与dBmP(dBm)=10lg（P(W)/10^-3）dBi与dBddBi-天线相对于理想电源的增益dBd-天线相对于单一对称半波振子的增益dBi=2.15+dBddBG(dB)=10lgG（G为增益，倍数）3dBm-1dBm=2dBdBuvdBuv为电压特定的分贝单位，dBm为功率特定的分贝单位。基本概念-几个相关单位电磁波基础第十一页，共六十二页。电磁波的波段划分波段频率范围波长范围极长波（EFL，极低频）3～30Hz105～104km特长波（SLF，特低频）30～300Hz104～103km超长波（ULF，超低频）300～3000Hz103～102km甚长波（VLF，甚低频）3～30KHz102～10km长波（LF，低频）30～300KHz10～1km中波（MF，中频）300～3000KHz103～102m短波（HF，高频）3～30MHz102～10m超短波（VHF，甚高频）30～300MHz10～1m微波分米波（UHF，超高频）300～3000MHz102～10cm厘米波（SHF，特高频）3～30GHz10～1cm毫米波（EHF，极高频）30～300GHz10～1mm亚毫米波（超级高频）300～3000GHz1～0.1mm电磁波基础第十二页，共六十二页。目录电磁波基础无线电波的传播无线电波传播模型第十三页，共六十二页。电磁波的波段划分无线电波的传播无线电波的传播自由空间中的无线电波传播陆地移动通信环境的特点无线电波的衰落特性菲涅尔区、多普勒频移和时间色散无线电波的实际传播途径视距与非视距传播第十四页，共六十二页。自由空间中的电波传播公式为：PL(dB)=32.44+20lgf（MHz）+20lgd（km）其中，PL为自由空间的路损，单位是dB；f为载波的频率，单位是MHz；d为发射源与接收点的距离，单位是km。当f和d扩大一倍时，Ls均增加6dBGSM1800基站传播损耗在自由空间就比GSM900基站大6dB。

自由空间中的电波传播无线电波的传播第十五页，共六十二页。视距传播无线电波的传播第十六页，共六十二页。受地球曲率半径的影响,已知地球半径为R=6370km，极限直视距离Rmax与HT和HR间的关系为：Rmax＝3.57（√HT(m)+√HR(m)）(km)考虑到大气层的不均匀性对电波传播的影响，等效为地球半径R=8500km，极限直视距离应修正为：

Rmax＝4.12{√HT(m)+√HR(m)}(km)

视距传播无线电波的传播第十七页，共六十二页。非视距传播绕射波对流层反射波电离层反射波无线电波的传播第十八页，共六十二页。直射反射绕射散射穿透无线电波的实际传播途径无线电波的传播第十九页，共六十二页。直射在自由空间中,电波沿直线传播而不被吸收,也不发生反射、折射和散射等现象而直接到达接收点的传播方式。直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗，公式同自由空间中的路损公式，如下：PL(dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)无线电波的实际传播途径无线电波的传播第二十页，共六十二页。反射和折射电磁波在不同介质的交界处会发生反射和折射，这个介质物体远大于电波波长；对于良导体而言，反射不带来衰减；对于绝缘体而言，只反射入射波能量的一部分，剩下的被折射入新的介质继续传播；对于非理想介质，会吸收电磁波的能量，产生贯穿衰落无线电波的实际传播途径无线电波的传播第二十一页，共六十二页。绕射在发射机与接收机之间有边缘光滑且不规则的阻挡物体，该物体的尺寸与电波波长接近，电波可以从该物体的边缘绕射过去；当波撞击在障碍物边缘时发生绕射，“次级球面波”传播进入阴影区。超出直射路径的长度导致相移，费涅尔区表达了相对于障碍物位置的相移。若无LOS，绕射可帮助覆盖。无线电波的实际传播途径无线电波的传播第二十二页，共六十二页。散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。无线电波的实际传播途径无线电波的传播第二十三页，共六十二页。穿透电磁波在不同介质的交界处会发生反射和折射，这个介质物体远大于电波波长。对于非理想介质，电波可能会贯穿介质，产生贯穿损耗。穿透损耗大小不仅与电磁波频率有关，而且与穿透物体的材料、尺寸有关。室内的电波分量是穿透分量和绕射分量的叠加，而绕射分量占绝大部分，所以总的看来高频信号（如1800M）室内外电平差比低频信号（如900M）室内外电平差要大。无线电波的实际传播途径无线电波的传播第二十四页，共六十二页。陆地移动通信环境的特点传播环境的复杂性传播的开放性波导效应人为噪声严重移动台的随机移动性信号电平随机变化陆地移动通信环境的特点无线电波的传播第二十五页，共六十二页。无线电波的衰落特性中尺度---阴影衰落衰落特性大尺度---中值信号小尺度---快衰落无线电波的传播第二十六页，共六十二页。无线电波的衰落特性无线电波的传播第二十七页，共六十二页。慢衰落的产生原因高大建筑物、树林和高低起伏的地势地貌的阻挡，造成电磁场的阴影，致使接收信号强度下降；大气折射条件的变化（大气介电常数变化）使多径信号相对时延变化，造成同一地点场强中值随时间的慢变化。慢衰落的统计规律慢衰落是信号在几十个波长范围里经历慢的随机变化，其统计规律服从对数正态分布，可以理解成接收到的衰落信号的平均值。在一个特定的长度L内平均得到的信号电平值（或场强值、损耗值），L的取值一般是40个波长内取30～50个测试信号。慢衰落无线电波的传播第二十八页，共六十二页。慢衰落的对数正态分布慢衰落无线电波的传播第二十九页，共六十二页。慢衰落余量的定义慢衰落值呈对数正态分布。要达到指定的覆盖概率，在无线网络规划中必须给发射机（基站或终端）预留一定的功率用于克服衰落的影响，称为慢衰落余量。慢衰落余量计算的要素慢衰落标准差路径损耗指数边缘覆盖概率（或者面积覆盖概率）慢衰落无线电波的传播第三十页，共六十二页。慢衰落标准差慢衰落标准差与电磁传播环境有关。一般在城市环境中取8～10dB；在郊区或者农村环境中取6～8dB。路径损耗指数路径损耗指数用来衡量无线信道的衰落情况，表示平均接收信号功率随距离的对数衰减。慢衰落环境路径损耗指数n自由空间2市区蜂窝2.6～3.5市区蜂窝阴影3～5建筑物内视距传播1.6～1.8被建筑物阻挡4～6被工厂阻挡2～3无线电波的传播第三十一页，共六十二页。覆盖概率定义：覆盖概率是指在无线覆盖区边缘（或区内）终端与基站通信质量达到规定要求（如BER要求）的概率。包括：位置概率和时间概率可分为：边缘覆盖概率和面积覆盖概率慢衰落无线电波的传播第三十二页，共六十二页。边缘覆盖概率整个圆周的覆盖概率就是边缘覆盖概率。Px0(R)=1/2－1/2erf((Xthresh－X0)/(variable*sqrt(2)))面积覆盖概率对于圆周内的每个点用同样的方法可以得出其覆盖概率，这样最终可以得到整个区域的覆盖概率慢衰落无线电波的传播第三十三页，共六十二页。阴影衰落余量实线圆周上每个点的覆盖概率都是50%，即圆周上每个点的X0=Xthresh虚线圆周上每个点的覆盖概率都是75%，即圆周上每个点的X0>Xthresh。对应于边缘覆盖概率为75％的阴影衰落余量慢衰落FadingMargin=X0－Xthresh(dB)无线电波的传播第三十四页，共六十二页。边缘覆盖概率与面积覆盖概率的转换Px0(r)=1/2-1/2erf(a)Fu=Px0(r)+1/2exp((1-2ab)/b^2)*[1+erf(ab-1)/b]其中，a=(Xthresh－X0)/(Variable*sqrt(2))b=10nLog(e)/(Variable*sqrt(2))Px0(r)边缘覆盖概率；Fu为面积覆盖概率；n为路径损耗指数；Variable为阴影衰落标准方差；慢衰落无线电波的传播第三十五页，共六十二页。无线电波的衰落特性中尺度---阴影衰落衰落特性大尺度---中值信号小尺度---快衰落无线电波的传播第三十六页，共六十二页。快衰落的产生原因由于信号的多径传播而产生的衰落，反映了小范围波长量级（短时间）的接收电平变化快衰落无线电波的传播第三十七页，共六十二页。多径干扰的构成快衰落无线电波的传播第三十八页，共六十二页。快衰落的选择性衰落特性选择性衰落特性空间选择性衰落时间选择性衰落频率选择性衰落快衰落无线电波的传播第三十九页，共六十二页。频率选择性衰落频率选择性衰落，即在不同的频率衰落特性不一样。由于时延扩散引起了频率选择性衰落，频率衰落周期F=1/L。时延展宽是决定相干带宽的唯一因素，RAKE多径接收机的频率区间>F。快衰落无线电波的传播第四十页，共六十二页。时间选择性衰落时间选择性衰落，即在不同时间衰落特性不一样。由于高速移动引起的频率扩散，时间选择性衰落周期T=π/B，信道编码交织区间>T。快衰落无线电波的传播第四十一页，共六十二页。空间选择性衰落空间选择性衰落，即在不同地点（空间）衰落特性不一样。快衰落和空间相关，因此可以采用分集接收技术来补偿快衰落，使信号包络更接近与均值。快衰落无线电波的传播第四十二页，共六十二页。快衰落的瑞利分布瑞利分布：指在无直射波的N个路径中，若每条路径的信号幅度均为高斯分布、相位均为0~2π均匀分布，则合成信号包络分布为瑞利分布标准偏差σ取决于不同的应用环境。快衰落无线电波的传播第四十三页，共六十二页。快衰落恶化量储备快衰落恶化量储备是指存在多径传播效应及人为噪声（主要是汽车火花干扰）的情况下，为了达到只有接收机内部噪声条件下的同样的话音质量所必需的接收电平的增加量。多径传播效应对于进行中的车载台和对于停着的车载台及手持机所造成的恶化量是不同的。步行条件下：2.0--5.0dB高速移动条件下：0dB在GSM系统中，语音和数据两种业务的快衰落量均取3dB。快衰落无线电波的传播第四十四页，共六十二页。菲涅尔区电波在空中传播的波面是以收发二点为焦点的旋转椭球面，椭球面所包含的空间叫菲涅尔区。菲涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径比LOS路径长nλ/2的连续区域。相邻菲涅尔区之间的相位差为180度。菲涅尔区与菲涅尔余隙无线电波的传播第四十五页，共六十二页。菲涅尔区假设h<<d1、d2，并且h>>λ，和很小，则菲涅尔区同心圆半径Rn为：菲涅尔区与菲涅尔余隙无线电波的传播第四十六页，共六十二页。多普勒效应由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率与波源发出的频率之间发生变化。典型现象：火车由远及近开过，声调的变化多普勒频移无线电波的传播第四十七页，共六十二页。多普勒频移（DopplerShift）多普勒频移是多普勒效应在无线电领域的一种体现。定义：由于发射机和接收机间的相对运动，接收机接收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值，该差值就是多普勒频移。多普勒频移符合下面的公式：f=f0-fdcosθ=f0-(v/λ)cosθ当移动台快速远离基站时为f=f0-fd；当移动台快速靠近基站时为f=f0+fd。多普勒频移无线电波的传播第四十八页，共六十二页。时间色散时间色散起源于反射，其反射信号来自远离接收天线的物体约在几千米远处。码间干扰采用自适应均衡技术可减少时间色散的影响。时间色散和均衡无线电波的传播第四十九页，共六十二页。均衡的两个基本途径频域均衡：它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件。它往往是分别校正幅频特性和群时延特性，序列均衡通常采用这种频域均衡法。时域均衡：直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。目前我们面临的信号是时变信号，因此需要采用时域均衡来达到整个系统无码间串扰。时间色散和均衡无线电波的传播第五十页，共六十二页。目录电磁波基础无线电波的传播无线电波传播模型第五十一页，共六十二页。无线电波传播模型提纲常用传播模型Okumura-HATA-宏蜂窝模型-900MCOST-231-HATA-宏蜂窝模型-1800M通用模型-宏蜂窝模型-900M、1800MCOST231-Walfish-Ikegami-微蜂窝模型第五十二页，共六十二页。HATA的三点假设作为两个全向天线之间的传播损耗处理；作为准平滑地形而不是不规则地形处理；以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。适用条件f为150~1500MHz；基站天线有效高度为30~200米；移动台天线高度为1~10米；通信距离为1~35km；OKUMURA-HATA模型无线电波传播模型第五十三页，共六十二页。传播损耗公式移动台天线高度修正因子远距离传播修正因子OKUMURA-HATA模型无线电波传播模型第五十四页，共六十二页。各种修正因子的组合使用情况下的总体路损OKUMURA-HATA模型无线电波传播模型第五十五页，共六十二页。COST-231模型思想与Okumura-Hata模型一样，也是利用测试数据拟合的结果；在1800频段比Okumura-Hata模型更合适；修正因子同OKUMURA-HATA模型COST-231-HATA模型传播损耗公式无线电波传播模型第五十六页，共六十二页。适用条件GSM900/1800基站天线有效高度为30~200米；移动台天线高度为1~10米；通信距离为1~35km；基本思想统一Okumura-Hata模型和Cost-231模型的公式；在城区和地形修正因子基础上，增加了地物的修正因子；各个参数K都是可以利用测试数据进行修正。通用模型无线电波传播模型第五十七页，共六十二页。传播损耗公式一段式：两段式：通用模型无线电波传播模型第五十八页，共六十二页。Pathloss=k1+k2log(d)+k3Hms+k4log(Hms)+k5log(Heff)+ k6log(Heff)log(d)+k7Diff+ClutterLossK1 衰减常数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Diff绕射损耗值ClutterLoss