无线电波传播理论

1、无线电波传播理论 学习目标 n学习完此课程，您将会： l了解电磁波的相关基本概念 l掌握无线电波的几种实际传播途径 l掌握无线电波的衰落特性 l了解常用的宏蜂窝及微蜂窝模型 目录 n电磁波基础电磁波基础 n无线电波的传播 n无线电波传播模型 电磁波基础电磁波基础 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 提纲 电磁波的产生 n麦克斯韦电磁理论 l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。 l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。 TEM波的传播形式 n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

2、的传播速 度 v 相关的单位 dB/dBm/dBuv/d Bi/dBd 电磁波的波长 电磁波的频率 f 电磁波的相关基本概念电磁波的相关基本概念 电磁波的相关基本概念 传播速度v n电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变 化 n电磁波在真空中的传播速度等于光速 n在其他媒质中的传播速度为： /sqrt() 为传播媒质的介电常数 波长 n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 l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，这种周期性用波长来描述。 l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 电磁波

3、基础 频率f n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 l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。 l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。 n波长、频率和传播速度的关系：=v/f 电磁波基础 几个相关单位 nW与dBm lP(dBm)=10lg（P(W)/10-3） ndBi与dBd ldBi-天线相对于理想电源的增益 ldBd-天线相对于单一对称半波振子的增益 ldBi=2.15+dBd ndB lG(dB)=10lgG （G为增益，倍数） l3dBm-1dBm=2dB

4、ndBuv ldBuv为电压特定的分贝单位，dBm为功率特定的分贝单位。 电磁波基础 波段波段频率范围频率范围波长范围波长范围 极长波（极长波（EFL，极低频），极低频）330Hz105104km 特长波（特长波（SLF，特低频），特低频）30300Hz104103km 超长波（超长波（ULF，超低频），超低频）3003000Hz103102km 甚长波（甚长波（VLF，甚低频），甚低频）330KHz10210km 长波（长波（LF，低频），低频）30300KHz101km 中波（中波（MF，中频），中频）3003000KHz103102m 短波（短波（HF，高频），高频）330MHz1021

5、0m 超短波（超短波（VHF，甚高频），甚高频）30300MHz101m 微波微波 分米波（分米波（UHF，超高频），超高频）3003000MHz10210cm 厘米波（厘米波（SHF，特高频），特高频）330GHz101cm 毫米波（毫米波（EHF，极高频），极高频）30300GHz101mm 亚毫米波（超级高频）亚毫米波（超级高频）3003000GHz10.1mm 电磁波的波段划分 电磁波基础 目录 n电磁波基础 n无线电波的传播无线电波的传播 n无线电波传播模型 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

6、和时间色散 无线电波的实际传播 途径 视距与非视距传播 提纲 自由空间中的电波传播 n自由空间中的电波传播公式为： lPL(dB)=32.44+20lgf（MHz）+20lgd（km） n其中，PL为自由空间的路损，单位是dB； nf为载波的频率，单位是MHz； nd为发射源与接收点的距离，单位是km。 n当f 和d扩大一倍时，损耗均增加6dB lGSM1800基站传播损耗在自由空间就比GSM900 基站大6dB。 视距传播 n视距传播的一般形式主要是直射波及地面反 射波的叠加，结果可能使信号加强，也可能 使信号减弱。 绕射波绕射波 对流层反射波对流层反射波 电离层反射波电离层反射波 非视距传

7、播 无线电波的实际传播途径 n直射 n反射 n绕射（衍射） n散射 n穿透 复杂性 开放性 波导效应 人为噪声严重 随机移动性 信号电平随机变化 陆地移动通信环境的特点陆地移动通信环境的特点 陆地移动通信环境的特点 中尺度中尺度- 阴影衰落阴影衰落 衰落特性衰落特性 大尺度大尺度 -中值信中值信 号号 小尺度小尺度- 快衰落快衰落 无线电波的衰落特性 中值，慢衰落，快衰落 慢衰落 n 慢衰落的产生原因 l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； l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。

8、n 慢衰落的统计规律 l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。 l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3050个测试信号。 快衰落 n快衰落的产生原因 l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 选择性衰落选择性衰落 特性特性 空间选择性 衰落 时间选择性 衰落 频率选择性 衰落 快衰落的选择性 快衰落恶化量储备 n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

9、件下的同样的话音质量所必需的接收 电平的增加量。 n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。 n步行条件下：2.0-5.0dB n高速移动条件下：0dB n在GSM系统中，语音和数据两种业务的快衰落量均取 3dB。 多普勒效应 n多普勒效应 l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。 l典型现象：火车由远及近开过，声调的变化 多普勒频移（Doppler Shift） n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。 n多

10、普勒频移符合下面的公式： f = f0-fdcos = f0-(v/) cos n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。 时间色散 n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。 n码间干扰 n采用自适应均衡技术可减少时间色散的影响。 目录 n电磁波基础 n无线电波的传播 n无线电波传播模型无线电波传播模型 常用常用 传播模型传播模型 lOkumura-HATA -宏蜂窝模型 -900M lCOST-231-HATA -宏蜂窝模型 -1800M l通用模型 -宏蜂窝模型 -900M、1800M lCOST231- Walfi

11、sh- Ikegami -微蜂窝模型 提纲 OKUMURA-HATA模型 nHATA的三点假设 l 作为两个全向天线之间的传播损耗处理； l 作为准平滑地形而不是不规则地形处理； l 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。 n 适用条件 l f为1501500MHz； l 基站天线有效高度为30200米； l 移动台天线高度为110米； l 通信距离为135km； OKUMURA-HATA模型 n传播损耗公式 l移动台天线高度修正因子 l远距离传播修正因子 )(lglg55. 69 .44()(lg82.13lg16.2655.69dhhahfL bmbb 城 mh

12、 MHzfh MHzfh fhf ha m m m m m 5 . 10 150040097. 4)75.11(lg2 . 3 2001501 . 1)54. 1(lg29. 8 )8 . 0lg56. 1 ()7 . 0lg1 . 1 ( )( 2 2 大城市 中小城市 20) 20 )(lg1007. 11087. 114. 0(1 201 8 . 034 d d hf d b r mr u sp im h s streetb Q Q K R K K K K aSKLL 0 0 0 )( OKUMURA-HATA模型 n各种修正因子的组合使用情况下的总体路损 COST-231-HATA模型

13、 nCOST-231模型 l 思想与Okumura-Hata模型一样，也是利用测试数据拟合 的结果； l 在1800频段比Okumura-Hata 模型更合适； l 修正因子同OKUMURA-HATA模型 n传播损耗公式 )(lglg55. 69 .44()(lg82.13lg9 .333 .46dhhahfL bmbb 城 通用模型 n适用条件 lGSM900/1800 l基站天线有效高度为30200米； l移动台天线高度为110米； l通信距离为135km； n基本思想 l统一Okumura-Hata模型和Cost-231模型的公式； l在城区和地形修正因子基础上，增加了地物的修正 因子； l各