電波傳播基本知識

1、電波傳播基本知識電波傳播基本知識前言前言l電波傳播特性研究是任何無線通信系統(tǒng)所遇到的首要問題。l本文對電波的一些基本概念進行了說明，并試圖說明了移動通信信道的一些特點。課程目標課程目標l了解無線通信的基本概念了解無線通信的基本概念l了解電波傳播中的基本概念了解電波傳播中的基本概念l了解移動通信信道的一些基本特性了解移動通信信道的一些基本特性學習完本課程，您將能夠：學習完本課程，您將能夠：參考資料參考資料l無線通信技術，深圳市華為技術有限公司l現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)電波傳播，Hernry L.Bertonil移動通信工程(理論與應用)，william C.Y.Leel網(wǎng)絡規(guī)劃設計，深圳市華為技術有限公

2、司課程內(nèi)容課程內(nèi)容第一章第一章 無線通信基本概念無線通信基本概念 第二章第二章 移動通信電波傳播的幾個概念移動通信電波傳播的幾個概念第三章第三章 移動通信電波傳播特性移動通信電波傳播特性第四章第四章 移動通信信道與預測移動通信信道與預測第一章第一章 無線通信的基本概念無線通信的基本概念l第二節(jié)第二節(jié) 無線通信中的大無線通信中的大氣媒質(zhì)氣媒質(zhì)l第三節(jié)第三節(jié) 無線通信中的電無線通信中的電波傳播方式波傳播方式l第四節(jié)第四節(jié) 無線通信的頻段無線通信的頻段劃分與傳播方式劃分與傳播方式概述概述l利用電磁波的輻射和傳播，經(jīng)過空間傳送信息的通信方式稱之為無線電通信（Radio Communication），也

3、稱之為無線通信。利用無線通信可以傳送電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)、圖像以及廣播和電視節(jié)目等通信業(yè)務。第一章第一章 無線通信的基本概念無線通信的基本概念l第二節(jié)第二節(jié) 無線通信中的大無線通信中的大氣媒質(zhì)氣媒質(zhì)l第三節(jié)第三節(jié) 無線通信中的電無線通信中的電波傳播方式波傳播方式l第四節(jié)第四節(jié) 無線通信的頻段無線通信的頻段劃分與傳播方式劃分與傳播方式無線通信中的大氣媒質(zhì)無線通信中的大氣媒質(zhì)l電磁信號的媒質(zhì)效應通常是電波傳播的支撐，無線通信中重要媒質(zhì)-大氣層的特性： 地球大氣層中最低的一層是對流層，其厚度平均約1020公里。對流層的平均高度隨地域變化而有所差異，溫帶地區(qū)為1012公里，赤道附近為1618公里。在

4、對流層集中了大氣中90%以上的水氣和3/4以上的大氣質(zhì)量。 在對流層的上面一層是平流層，又稱同溫層，距地面約2040公里。在平流層上面是電離層。 電離層大氣在太陽的輻射作用以及宇宙射線的影響下產(chǎn)生電離，形成相當多的離子和自由電子。電離層也是分層分布的。大氣媒質(zhì)的分層情況大氣媒質(zhì)的分層情況第一章第一章 無線通信的基本概念無線通信的基本概念l第二節(jié)第二節(jié) 無線通信中的大無線通信中的大氣媒質(zhì)氣媒質(zhì)l第三節(jié)第三節(jié) 無線通信中的電無線通信中的電波傳播方式波傳播方式l第四節(jié)第四節(jié) 無線通信的頻段無線通信的頻段劃分與傳播方式劃分與傳播方式電波傳播方式的分類電波傳播方式的分類l根據(jù)何種介質(zhì)或何種介質(zhì)分界面對電

5、波傳播產(chǎn)生主要的影響，可將常遇到的電波傳播方式分為：（1）地表面波傳播（電波傳播主要受地球表面的影響）。（2）對流層電波視距傳播（電波傳播主要受對流層影響）。（3）電離層電波反射傳播（電波傳播主要受電離層影響)。l為什么會為多種傳播方式：低頻時，電波也會被電離層反射，只是相比于表面波信號傳播衰減。頻率變高時，地面逐漸滿足瑞利準則，地面衰減變大，所以地表面波傳播方式逐漸消失。電離層相當于由離子體構成的篩子，電波長時會被反射，波長短時會被透射。因此對于高頻信號，電離層不起作用。電波傳播方式的說明電波傳播方式的說明l地表面波是建立在地球表面的一種電波傳播形式，在頻率小于5MHz且天線高度小于地面半波

6、長時，此傳播形式占主導作用。其特點是傳播距離遠，易與水下建立通信，不受天氣與地面環(huán)境的阻擋。l對流層電波傳播是無線通信中占主導作用的傳播形式，頻率在30MHz以上時，視距傳播成為主要傳播方式，此時需注意對流層折射系數(shù)的影響(一般地，此種傳播又稱地面?zhèn)鞑?，傳播特點是視距傳播，易受地面環(huán)境的阻擋影響，傳播衰減較大。l電離層傳播是在地表面波頻率與對流層傳播頻率之間的頻率，利用電離層的反射作用的傳播方式。特點是：可超視距傳播，受電離層變化的影響較大，極化等通信參數(shù)難以控制。第一章第一章 無線通信的基本概念無線通信的基本概念l第一節(jié)第一節(jié) 概述概述l第二節(jié)第二節(jié) 無線通信中的大無線通信中的大氣媒質(zhì)氣媒

7、質(zhì)l第三節(jié)第三節(jié) 無線通信中的電無線通信中的電波傳播方式波傳播方式無線通信使用的頻段與傳播方式無線通信使用的頻段與傳播方式l目前無線通信使用的頻率從超長波波段到亞毫米波段（包括亞毫米波以下），以至光波。無線通信使用的頻率范圍和波段見下表1-1。無線通信使用的頻段與傳播方式無線通信使用的頻段與傳播方式l表1-1 無線通信使用的電磁波的頻率范圍與傳播方式無線通信使用的頻段與傳播方式無線通信使用的頻段與傳播方式l表1-1 無線通信使用的電磁波的頻率范圍和傳播方式思考題思考題l何謂無線通信？lWCDMA的電波傳播方式及其特點？解答解答l利用電磁波的輻射和傳播，經(jīng)過空間傳送信息的通信 方 式 稱 之 為

8、 無 線 電 通 信 （ R a d i o Communication），也稱之為無線通信。lWCDMA電磁波傳播方式為微波傳播，微波的傳播類似于光波的傳播，是一種視距傳播。本章小結本章小結l本章主要講述了無線通信的概念、無線通信的頻段和波動的劃分以及無線通信的電磁波傳播方式及其特點。課程內(nèi)容課程內(nèi)容第一章第一章 無線通信基本概念無線通信基本概念 第二章第二章 移動通信電波傳播的幾個概念移動通信電波傳播的幾個概念第三章第三章 移動通信電波傳播特性移動通信電波傳播特性第四章第四章 移動通信信道與預測移動通信信道與預測概述概述l在電波傳播中經(jīng)常遇到下面后些概念：菲涅爾區(qū)大氣折射等效地球半徑視距傳

9、播余隙.第二章第二章 移動通信電波傳播的幾個概念移動通信電波傳播的幾個概念菲涅爾區(qū)l第二節(jié)第二節(jié) 大氣折射l第三節(jié)第三節(jié) 視距 菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)l菲涅爾區(qū)是一個圍繞從發(fā)射體到接收機直連線的旋轉橢球體，且以發(fā)射機與接收點為橢圓焦點對第n個菲涅爾區(qū)，從發(fā)射機到橢圓體上任一點，再到接收機的距離比直線距離大n個半波長SdRsRrWfn發(fā)射點接收點菲涅爾距離與其意義菲涅爾距離與其意義l菲涅爾區(qū)距離：l菲涅爾區(qū)的意義1. 電波傳播模型的拐點由第一菲涅爾區(qū)決定。2. 電波傳播余隙設計與第一菲涅爾區(qū)息息相關， 如山區(qū)電波設計、超視距傳播的設計、微波傳播等。3. 隧道內(nèi)電波的模式轉換與第一菲涅爾區(qū)息息相關。4.

10、 電波傳播中天線與反射體的距離要求與第一菲涅爾區(qū)息息相關。5. 微小區(qū)與室內(nèi)電波傳播與第一菲涅爾區(qū)相關第二章第二章 移動通信電波傳播的幾個概念移動通信電波傳播的幾個概念菲涅爾區(qū)l第二節(jié)第二節(jié) 大氣折射大氣折射l第三節(jié) 視距 大氣折射大氣折射l大氣折射對電波傳播的影響大氣折射及其對電波的特性即所謂大氣波導效應電波在地面與臨界折射層間來回反射大氣drdh 2a超折射電波繞地球平行傳播等效地球半徑為無窮大氣drdh 2a臨界折射等效地球半徑為 實際半徑的4/3倍標準大氣(氣壓1013毫巴、氣溫288K、水汽壓強為10毫巴)標準折射電波發(fā)散，到達接收天線的能量減小，繞射設計時傳播余隙減小等效地球半徑小

11、于實際半徑高度變高時，大氣介電常數(shù)反而變大，電波的軌跡向上彎曲負折射電波的視距比正常短等效地球半徑等于實際半徑當大氣介電常數(shù)不隨高度變化時，電波不產(chǎn)生折射零折射備注對電波傳播的影響對地球等效半徑的影響大氣特點現(xiàn)象名稱大氣折射的概況大氣折射的概況(一一)l為什么電波在空氣中會產(chǎn)生折射l 大氣折射率與大氣的何種參數(shù)相關大氣折射率N是大氣壓強p、氣溫T和水汽壓e的函數(shù)，并由下式給出：p、T、e的單位分別是hPa(毫巴)、K、hPa。因為地球表面空氣的介電常數(shù)為1.0003，太空介電常數(shù)為1，大氣折射率n較小變化將造成電波反射值較大的變化。由于地球大氣的反射系數(shù)隨高度的增加而減小，電波將以曲線方式而不

12、是直線方式傳播，產(chǎn)生了大氣折射。大氣折射的概況大氣折射的概況(二二)l標準大氣層的基本特性？為何標準大氣等效地球半徑因子為4/3？標準大氣的參數(shù)：氣壓1013毫巴、氣溫288K、水汽壓強為10毫巴第二章第二章 移動通信電波傳播的幾個概念移動通信電波傳播的幾個概念菲涅爾區(qū)l第二節(jié) 大氣折射l第三節(jié) 視距 視距視距l(xiāng)視距是指收發(fā)天線間完全沒有阻擋的最遠距離l球面上視距傳播距離的計算l實際地球上電波的可視最遠距離：思考題思考題l地球表面各處的大氣折射率是否一致？l通信電波是否可以超視距傳播？解答解答l大氣折射主要與大氣高度的介電常數(shù)變化相關，因此不同的小區(qū)域有不同的折射率，另外緯度不同，大氣折射率也

13、不同，溫帶最高。l如果發(fā)生了臨界折射與超折射，電波的傳播距離可遠超過視距。本章小結本章小結l本章主要講述了無線電波傳播中的常用的幾個概念。課程內(nèi)容課程內(nèi)容第一章第一章 無線通信基本概念無線通信基本概念 第二章第二章 移動通信電波傳播的幾個概念移動通信電波傳播的幾個概念第三章第三章 移動通信電波傳播特性移動通信電波傳播特性第四章第四章 移動通信信道與預測移動通信信道與預測概述概述l什么是無線電傳播？發(fā)射天線或自然源輻射的無線電波，通過介質(zhì)或受到介質(zhì)分界面的影響，而到達接收天線的過程，稱為無線電波傳播。l無線電波傳播的基礎：電磁信號的媒質(zhì)效應是無線電波傳播的支撐無線電波在介質(zhì)或介質(zhì)分界面的影響下，

14、產(chǎn)生的反射、折射、散射、繞射和吸收現(xiàn)象是電波傳播中的主要研究對象第三章第三章 移動通信電波傳播特性移動通信電波傳播特性l第二節(jié)第二節(jié) 電波散射l第三節(jié) 電波繞射無線電波的反射特性無線電波的反射特性l地面反射率與極化、電波入射角、地面介電常數(shù)的關系無線電波反射與極化的關系無線電波反射與極化的關系無線電波反射特性說明無線電波反射特性說明l問題1：水平極化能否發(fā)生全透射？不可能(除非反射面兩側的介質(zhì)具有不同磁常數(shù))。l問題2：有全透射是否存在全反射？全反射是存在的。其是光纖與介質(zhì)波導存在的物理基礎。但其只存在于從光密媒質(zhì)到光疏媒質(zhì)中。移動通信中只有當入射角等于90度存在。無線電波反射與材料特性的關系

15、無線電波反射與材料特性的關系幾種常見介質(zhì)的特性幾種常見介質(zhì)的特性圓極化波在無耗地面的反射特性圓極化波在無耗地面的反射特性l電波在地面發(fā)生反射時，圓極化波的旋向反轉，且因其垂直和水平兩個分量的反射系數(shù)不同，反射后的幅度比和相位差改變，合成的波變?yōu)闄E圓極化波。此種現(xiàn)象隨著頻率的升高而加強。l在發(fā)生多徑傳播的情況下，包括城市中地面反射、建筑物的一次及多次反射和邊緣繞射，會使到達接收天線的電波的極化狀態(tài)顯著偏離發(fā)射時的極化狀態(tài)。因此，城市中的移動通信接收天線處的電波極化狀態(tài)常是不可預測的。在其系統(tǒng)設計中，對極化狀態(tài)及匹配情況一般不予考慮，而是在涔噬狹舫鍪實庇嗔俊電波反射的退極化作用電波反射的退極化作用

16、l電波反射的退極化作用除了有耗地面的反射以外，不規(guī)則的反射目標也是造成電波去極化的原因之一。l移動信道中的各種物體目標對電波的反射過程，是目標表面上每一部分對電波的散射的綜合。其中還包含某些表面結構的二次甚至更多次反射。目標上的每一部分，相對電波發(fā)射天線的取向和形態(tài)是各異的。所以復雜形狀的目標具有極強的、多樣的退極化作用。l一般地，線狀目標反射的電波中平行線極化分量占優(yōu)勢；具有大的反射平面的目標的反射波中，與入射電波極化相同的分量占優(yōu)勢。有耗表面反射波特性有耗表面反射波特性l對于有耗地表面，其介電常數(shù)為復數(shù)。表征地表面的有耗表面。l有耗表面對電波的影響主要有兩點：1. 反射波幅度減小，2. 反

17、射波產(chǎn)生去極化效應。l反射波的極化相對入射極化的變化，一般稱為“去極化效應”。l對于有耗媒質(zhì)，其去極化效應不僅與目標形狀有關，而且與有耗媒質(zhì)參數(shù)有關第三章第三章 移動通信電波傳播特性移動通信電波傳播特性l第一節(jié)第一節(jié) 電波反射電波反射l第三節(jié) 電波繞射不規(guī)則表面的散射特性不規(guī)則表面的散射特性不規(guī)則表面的散射特性不規(guī)則表面的散射特性(續(xù)續(xù))l不規(guī)則地面的電波通常包括直接波、鏡反射波和大量不規(guī)則的漫反射波。直接波和鏡反射波是相干分量，漫反射波是非相干分量。電波總的場強應服從萊斯分布，其關鍵特征是常矢量與瑞利矢量的平均功率比。l只要滿足瑞利條件，鏡反射分量迅即消失。此時關鍵特征主要決定于直接波與漫反

18、射波的平均功率比。l漫反射波平均功率可利用粗糙面電磁散射理論進行嚴格計算得到的。l其計算的核心是得到萊斯衰落的萊斯因子。其基本計算步驟是：1. 確定接收天線在相應方向的增益。2. 查圖表以得到歸一化萊斯漫反射系數(shù)3. 根據(jù)距離、增益與歸一化反射系數(shù)得出萊斯因子。第三章第三章 移動通信電波傳播特性移動通信電波傳播特性l第一節(jié)第一節(jié) 電波反射電波反射l第二節(jié)第二節(jié) 電波散射無線電波的繞射的特點無線電波的繞射的特點l基于的理論模型多用于預測高山或建筑物后陰影部分的場強分布和傳輸路徑損耗。l幾何繞射理論(GTD)基于高頻繞射問題的局部性原理 ：在高頻繞射時，繞射現(xiàn)象和反射現(xiàn)象一樣 ，只取決于繞射點附近

19、的幾何形狀、物理性質(zhì)和入射場性質(zhì) ，而和距繞射點較遠的物體的性質(zhì)無關 ，在一般情況下反射點周圍的第一菲涅爾區(qū)的性質(zhì)對反射場的結構起主要作用。單刃繞射示意圖單刃繞射示意圖繞射系數(shù)與繞射損耗繞射系數(shù)與繞射損耗繞射損耗與繞射系數(shù)對應關系圖繞射損耗與繞射系數(shù)對應關系圖l下圖是計算出的繞射損耗與繞射系數(shù)的對應關系繞射損耗的一般規(guī)律繞射損耗的一般規(guī)律思考題思考題l電波反射相關的因素有哪些？l電波散射的產(chǎn)生條件？l電波繞射損耗的主要影響因素？解答解答l電波反射與反射面特性、電波入射角、電波極化等因素相關。l當反射面滿足瑞利條件時電波將產(chǎn)生散射。l繞射損耗的大小主要與基爾霍夫繞射系數(shù)相關，即與收發(fā)天線間的傳播

20、余隙相關。本章小結本章小結l本章主要講述了無線電波傳播的反射、折射和散射特性，同時說明了兩種去極化效應。課程內(nèi)容課程內(nèi)容第一章第一章 無線通信基本概念無線通信基本概念 第二章第二章 移動通信電波傳播的幾個概念移動通信電波傳播的幾個概念第三章第三章 移動通信電波傳播特性移動通信電波傳播特性第四章第四章 移動通信信道與預測移動通信信道與預測概述概述l移動信道的基本特性是多種衰落的組合。l對于移動通信信道分析的主要理論模型有：自由空間模型、地面 反射線模型l對于移動通信信道的統(tǒng)計模型有許多種，山區(qū)的電波預測可建立在電波繞射與HALTA模型基礎上第四章第四章 移動通信信道與預測移動通信信道與預測l第二

21、節(jié)第二節(jié) 移動通信各損耗區(qū)移動通信各損耗區(qū)域分類域分類l第三節(jié) 自由空間傳播l第四節(jié) 地面反射傳播l第五節(jié) 電波傳播模型 移動通信信道的概述移動通信信道的概述l移動通信信道是一種隨參信道。l在移動通信系統(tǒng)中，主要要解決無線電信號在移動信道中可能發(fā)生的變化以及發(fā)生變化的原因，這些變化對傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能的影響，并明白利用何種技術來克服這些影響。l電波傳播特性研究是任何無線通信系統(tǒng)所遇到的首要問題。 傳播環(huán)境對移動信道起關鍵作用，無線通信的工作頻率與移動臺的運動狀態(tài)也影響著無線信道的特性。移動通信的傳播環(huán)境特點移動通信的傳播環(huán)境特點l 傳播環(huán)境的特點：1.對信號的衰減隨時間的變化而變，2.傳輸?shù)臅r

22、延隨時間的不同而變，3.多徑傳播。l影響無線信道傳播環(huán)境的主要因素為：1. 自然地形，2. 人工建筑物的數(shù)量、高度、分布和材料，3. 該地區(qū)的植被特征，4. 天氣情況，5. 自然和人為的電磁噪聲狀況。無線信號的概率分布無線信號的概率分布實際無線信號傳輸?shù)囊?guī)律實際無線信號傳輸?shù)囊?guī)律移動通信傳播中的快衰落移動通信傳播中的快衰落l所有的信號分量合成產(chǎn)生一個復駐波，它的信號的強度根據(jù)各分量的相對變化而增加或減小。其合成場強在移動幾個車身長的距離中會有2030dB的衰落，其最大值和最小值發(fā)生的位置大約相差1/4波長。通常把這種現(xiàn)象稱為多徑衰落或快衰落，第四章第四章 移動通信信道與預測移動通信信道與預測l

23、第二節(jié)第二節(jié) 移動通信各損耗區(qū)移動通信各損耗區(qū)域分類域分類l第三節(jié) 自由空間傳播l第四節(jié) 地面反射傳播l第五節(jié) 電波傳播模型 移動通信路徑損耗區(qū)域分類移動通信路徑損耗區(qū)域分類l 移動通信路徑損耗區(qū)域由近及遠依次分為：第四章第四章 移動通信信道與預測移動通信信道與預測l第二節(jié)第二節(jié) 移動通信各損耗區(qū)移動通信各損耗區(qū)域分類域分類l第四節(jié) 地面反射傳播l第五節(jié) 電波傳播模型 無線通信中自由空間傳播無線通信中自由空間傳播第四章第四章 移動通信信道與預測移動通信信道與預測l第二節(jié)第二節(jié) 移動通信各損耗區(qū)移動通信各損耗區(qū)域分類域分類l第三節(jié) 自由空間傳播l第五節(jié) 電波傳播模型 地面反射模型的概念地面反射模

24、型的概念(雙線雙線)l地面反射模型是指當收、發(fā)天線間的第一菲涅爾區(qū)落到地面上時，使得接收天線收到地面反射波的模型。l在直射波與反射波的共同作用下，隨著傳播距離的增加信號的衰落速度遠大于自由空間損耗。l一般的認為：距離增大一倍，信號衰減增加12dB，天線高度每增加一倍傳播損耗在相同的距離上即減小6 dB。但這是建立在地面反射為1的基礎上的。l事實上根據(jù)收發(fā)天線間距離的不同和地面介電常數(shù)的不同，雙線模型的衰減量也不同。雙線模型與自由空間相對值與距離的關系雙線模型與自由空間相對值與距離的關系雙線模型與自由空間相對值與高度、距離的關系雙線模型與自由空間相對值與高度、距離的關系雙線模型的成立條件雙線模型

25、的成立條件(地形地形)l問題1：此模型是否在任何地形下均成立？l不是！上式只適用于存在鏡面反射的情況下。對于不規(guī)則地面，由于鏡面反射不存在而只存在漫反射，上式不成立。上式適用于“準平滑地形”。 “準平滑地形”指表面起伏平緩，起伏高度小于或等于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(nèi)地形起伏10%與90%的差。CCIR定義為收信機前方1050公里處地形高度超過90%與超過10%的差。雙線模型的使用條件雙線模型的使用條件l問題2：計算式是否在任何情況下成立？l上式只在地面反射系數(shù)絕對值為1時才成立。地面反射系數(shù)與地面特性以及電波的入射角相關。因此對于一般的地面，曲線斜率一般為小于4。l問題3：自由空間與地面反射模型是否是分離的？l不是!在靠近基站天線的地方，是不可能形成地面反射的。因為此時兩天線間的第一菲涅爾區(qū)根本不與地面相交。因此在以內(nèi)的距離內(nèi)，電波服從自由空間傳輸分布。在此距離以遠，電波傳輸服