无线传播基础理论.docx

第一章：无线传播基础理论1.1电磁波简介电磁波（Electromagnetic wave）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率（如图一所示），包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。 图一 电磁波图谱电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。传播方向波长磁场电场电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。根据不同的持播特性，不同的使用业务，对整个无线电频谱进行划分，共分9段：甚低频(VLF）、低频(LF)、中频(MF)，高频(HF)、甚高频(VHF)特高频(uHF)超高频(sHF)极高频(EHF)和至高频，对应的波段从甚(超)长波、长波、中波、短波、米波、分米波、厘米波、 毫米波和丝米波(后4种统称为微波)。GSM、WCDMA都属于微波,超高频。1.2 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。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。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（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（如图二)，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。1 地波2对流层反射波3、5 直达波4 电离层反射波图二、电磁波传播方式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。第三种方式即对流层反射波产生于对流层，对流层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。对流层方式应用于波长小于10米即频率大于30MHz。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，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。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，预测场强有两种方法，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，基于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响。1.3无线传播环境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，如图三所示1、建筑物反射波 2、绕射波 3、直达波 4、地面反射波图三 无线电波多径接受所有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20至30dB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（如图四所示）。在性质上多径衰落属于一种快速变化。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02 （2-1）；r0 （2-2）；其中r为标准偏差。（2-1）式和（2-2）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。图四 快衰落与慢衰落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（见图四），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。在陆地移动通信中，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。但是在定点通信中需要考虑慢衰落。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，也就是信号工作于快衰落与慢衰落叠加的状态下。1.3多普勒频移快速运动的移动台还会发生多普勒频移现象，这是因为在移动台高速运动时接收和发送信号，将导致信号频率发生偏移，而引起的干扰。当运动速度过高时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高频移越大。1.4分集接收多径衰落和阴影衰落产生的原因是不同的，随着移动台的移动，瑞利衰落随着信号的瞬时值快速变动，而对数正态衰落随着信号平均值变动，这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大恶化。虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际，而采用分集方法，即在若干支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路的信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。分集接收技术包括两个方面的内容：信号的分散传输；信号的组合。由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术包括空间分集、时间分集、频率分集、极化分集和角度分集等五种，目前在短波通信中最常用的是前三种分集以及它们的组合。一. 空间分集：若在空间设立两副接收天线独立接收同一信号，由于其传播环境及衰落各不相同，具有不相干或相干性很小的特点，采用分集合并技术，并使输出较强的有用信号，降低了传播因素的影响。在移动通信中，空间的间距越大多径传播的差异就越大，所收场强的相关性就越小。天线间隔可以是垂直间隔，也可以是水平间隔，但是垂直间隔的分集性能太差不主张用这种方式。为获得相同的相关系数，基站两分集天线之间的垂直距离应大于水平距离，这种方式在移动通信中是最有效的，也是应用最普遍的一种分集方式。二. 频率分集：频率分集采用衰落特性相互独立或不相关的多个载波频率分别传输同一信号，以增强系统抗衰落和多径的能力。频率分集可分为带外频率分集和带内频率分集两种方式。 带外频率分集。它需要两部调谐在不同射频频率上的发射机同时发送同一消息，并用两部独立的接收机进行接收。由于这种方式付出的代价较大，同时频谱利用率又比较低，因此在短波波段很少采用。 带内频率分集。它是指利用一部通信机的多个信道同时传送同一信号，以实现频率分集。它的优点是代价较小，只需要一副天线和一部接收机即可完成分集的目的。但系统存在着占用频带宽、功率分散、设备费用大等问题。这种分集技术在GSM中是通过跳频来实现的。三. 时间分集：快衰落除了具有空间和频率的独立性外，还具有时间上的独立性。也就是说，将同一信息在不同的时间段内多次重发，只要两次重发的时间间隔足够长，则两次接收的电平几乎无关，即出现的衰落是彼此独立的。根据这一特性，将同一信号分别在不同时间上(间隔足够长)多次重发，而接收端将先收到的信号存储起来，与后收到的信号在时间上取齐后组合起来，这种技术称为时间分集接收技术。四. 极化分集：在短波信道传输中，单一极化波由于传播媒介的作用而形成两个彼此正交的极化波，这两个不同极化的电波具有独立的衰落特性，接收端用不同极化方向的天线所接收的同一信号的衰落特性几乎无关。根据这一特性，可以利用位置很近但极化方向不同的天线分别接收信号然后汇总，达到分集的效果，这种方式称为极化分集。通常采用垂直电子天线、垂直磁性天线和环状天线来实现。信号的组合：信号合并方式有选择性、等增益合并和最大比合并三种。目前在短波通信中，选择性和等增益合并由于电路比较简单而被广泛应用，尤其是选择性和等增益合并的混合合并方式最流行。当各种信噪比都比较接近时，采用等增益合并；当某路信噪比很低时将该路自动切断，不参与合并。最大比值合并具有较好的性能，但是在每一个接收端都需要进行信噪比估计，实现起来比较复杂。1.5天线的基础知识天线分类: 按波束宽度60、90、120、全向。 按频段900，1800，双频天线。 按极化方式单极化、双极化。天线指标 增益和方向图频率范围下倾角回波损耗阻抗最大输入功率极化方式半功率角下倾角精度前后向比杂散1.5.1天线的输入阻抗天线方向图、增益、波瓣宽度是表征天线性能的主要参数。天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50。驻波比(VSWR)：它是行波系数的倒数，指无线电波传输过程中，最大电压与最小电压之比，是一个比值，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。回波损耗（Return Loss）：即反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。 1.5.2天线的极化方式所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和45极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是45极化方式。双极化天线组合了+45和-45两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于45为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。） 1.5.3天线的增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。1.5.4天线的波瓣宽度波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB（即半功率点）处所成夹角的宽度（如图五，天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。图五 天线