無線電波傳播基礎(chǔ)知識(shí)

無線電波傳播基礎(chǔ)

移動(dòng)研究所網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)部第一頁，共六十二頁。學(xué)習(xí)完本課程，你將能夠：了解電磁波的相關(guān)基本概念掌握無線電波的幾種實(shí)際傳播途徑掌握無線電波的衰落特性了解菲涅爾區(qū)和多普勒頻移現(xiàn)象了解常用的宏蜂窩及微蜂窩模型課程目的第二頁，共六十二頁。目錄電磁波基礎(chǔ)無線電波的傳播無線電波傳播模型第三頁，共六十二頁。電磁波基礎(chǔ)提綱電磁波基礎(chǔ)電磁波的產(chǎn)生電磁波的傳播相關(guān)基本概念電磁波波段劃分第四頁，共六十二頁。麥克斯韋電磁理論在時(shí)變電磁場中，變化的磁場激發(fā)旋渦電場；而變化的電場同樣可以激發(fā)渦旋磁場。電場與磁場的相互聯(lián)系，相互激發(fā)，時(shí)間上周而復(fù)始，空間上交鏈重復(fù)。電磁波的產(chǎn)生電磁波基礎(chǔ)第五頁，共六十二頁。

TEM波的傳播形式電場和磁場在空間是相互垂直的，同時(shí)這兩者又都垂直于傳播方向。電磁波的傳播電磁波基礎(chǔ)第六頁，共六十二頁。電磁波的相關(guān)基本概念電磁波的傳播速度v相關(guān)的單位dB/dBm/dBuv/dBi/dBd等電磁波的波長λ電磁波的頻率f電磁波的相關(guān)基本概念電磁波基礎(chǔ)第七頁，共六十二頁。電磁波的速度只隨介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)而變化電磁波在真空中的傳播速度等于光速在其他媒質(zhì)中的傳播速度為：Ｖε＝Ｃ/sqrt(ε)

ε為傳播媒質(zhì)的介電常數(shù)基本概念-傳播速度v電磁波基礎(chǔ)第八頁，共六十二頁。電磁波的傳播具有周期性，這又包括時(shí)間周期性和空間周期性在任意時(shí)刻，波長在空間的分布具有周期性，即物理量在空間周期分布，這種周期性用波長λ來描述。電磁波的波長是指電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，相鄰兩個(gè)波峰與波峰之間，或者波谷與波谷之間的距離，單位為米基本概念-波長λ電磁波基礎(chǔ)第九頁，共六十二頁。電磁波的傳播具有周期性，這又包括時(shí)間周期性和空間周期性在波場中任一位置（點(diǎn)），該點(diǎn)的物理量經(jīng)過一定的時(shí)間后又恢復(fù)原來的數(shù)值，具有時(shí)間周期性。這種周期性可以用振動(dòng)的周期T來描述，振動(dòng)的頻率為周期的倒數(shù)，表示為f=1/T，單位為Hz。波長、頻率和傳播速度的關(guān)系：λ=v/f基本概念-頻率f電磁波基礎(chǔ)第十頁，共六十二頁。W與dBmP(dBm)=10lg（P(W)/10^-3）dBi與dBddBi-天線相對(duì)于理想電源的增益dBd-天線相對(duì)于單一對(duì)稱半波振子的增益dBi=2.15+dBddBG(dB)=10lgG（G為增益，倍數(shù)）3dBm-1dBm=2dBdBuvdBuv為電壓特定的分貝單位，dBm為功率特定的分貝單位?；靖拍?幾個(gè)相關(guān)單位電磁波基礎(chǔ)第十一頁，共六十二頁。電磁波的波段劃分波段頻率范圍波長范圍極長波（EFL，極低頻）3～30Hz105～104km特長波（SLF，特低頻）30～300Hz104～103km超長波（ULF，超低頻）300～3000Hz103～102km甚長波（VLF，甚低頻）3～30KHz102～10km長波（LF，低頻）30～300KHz10～1km中波（MF，中頻）300～3000KHz103～102m短波（HF，高頻）3～30MHz102～10m超短波（VHF，甚高頻）30～300MHz10～1m微波分米波（UHF，超高頻）300～3000MHz102～10cm厘米波（SHF，特高頻）3～30GHz10～1cm毫米波（EHF，極高頻）30～300GHz10～1mm亞毫米波（超級(jí)高頻）300～3000GHz1～0.1mm電磁波基礎(chǔ)第十二頁，共六十二頁。目錄電磁波基礎(chǔ)無線電波的傳播無線電波傳播模型第十三頁，共六十二頁。電磁波的波段劃分無線電波的傳播無線電波的傳播自由空間中的無線電波傳播陸地移動(dòng)通信環(huán)境的特點(diǎn)無線電波的衰落特性菲涅爾區(qū)、多普勒頻移和時(shí)間色散無線電波的實(shí)際傳播途徑視距與非視距傳播第十四頁，共六十二頁。自由空間中的電波傳播公式為：PL(dB)=32.44+20lgf（MHz）+20lgd（km）其中，PL為自由空間的路損，單位是dB；f為載波的頻率，單位是MHz；d為發(fā)射源與接收點(diǎn)的距離，單位是km。當(dāng)f和d擴(kuò)大一倍時(shí)，Ls均增加6dBGSM1800基站傳播損耗在自由空間就比GSM900基站大6dB。

自由空間中的電波傳播無線電波的傳播第十五頁，共六十二頁。視距傳播無線電波的傳播第十六頁，共六十二頁。受地球曲率半徑的影響,已知地球半徑為R=6370km，極限直視距離Rmax與HT和HR間的關(guān)系為：Rmax＝3.57（√HT(m)+√HR(m)）(km)考慮到大氣層的不均勻性對(duì)電波傳播的影響，等效為地球半徑R=8500km，極限直視距離應(yīng)修正為：

Rmax＝4.12{√HT(m)+√HR(m)}(km)

視距傳播無線電波的傳播第十七頁，共六十二頁。非視距傳播繞射波對(duì)流層反射波電離層反射波無線電波的傳播第十八頁，共六十二頁。直射反射繞射散射穿透無線電波的實(shí)際傳播途徑無線電波的傳播第十九頁，共六十二頁。直射在自由空間中,電波沿直線傳播而不被吸收,也不發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象而直接到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式。直射波傳播損耗可看成自由空間的電波傳播損耗，公式同自由空間中的路損公式，如下：PL(dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)無線電波的實(shí)際傳播途徑無線電波的傳播第二十頁，共六十二頁。反射和折射電磁波在不同介質(zhì)的交界處會(huì)發(fā)生反射和折射，這個(gè)介質(zhì)物體遠(yuǎn)大于電波波長；對(duì)于良導(dǎo)體而言，反射不帶來衰減；對(duì)于絕緣體而言，只反射入射波能量的一部分，剩下的被折射入新的介質(zhì)繼續(xù)傳播；對(duì)于非理想介質(zhì)，會(huì)吸收電磁波的能量，產(chǎn)生貫穿衰落無線電波的實(shí)際傳播途徑無線電波的傳播第二十一頁，共六十二頁。繞射在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間有邊緣光滑且不規(guī)則的阻擋物體，該物體的尺寸與電波波長接近，電波可以從該物體的邊緣繞射過去；當(dāng)波撞擊在障礙物邊緣時(shí)發(fā)生繞射，“次級(jí)球面波”傳播進(jìn)入陰影區(qū)。超出直射路徑的長度導(dǎo)致相移，費(fèi)涅爾區(qū)表達(dá)了相對(duì)于障礙物位置的相移。若無LOS，繞射可幫助覆蓋。無線電波的實(shí)際傳播途徑無線電波的傳播第二十二頁，共六十二頁。散射當(dāng)電磁波的傳播路由上存在小于波長的物體、并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時(shí)，發(fā)生散射。散射發(fā)生在粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體，如：樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等。無線電波的實(shí)際傳播途徑無線電波的傳播第二十三頁，共六十二頁。穿透電磁波在不同介質(zhì)的交界處會(huì)發(fā)生反射和折射，這個(gè)介質(zhì)物體遠(yuǎn)大于電波波長。對(duì)于非理想介質(zhì)，電波可能會(huì)貫穿介質(zhì)，產(chǎn)生貫穿損耗。穿透損耗大小不僅與電磁波頻率有關(guān)，而且與穿透物體的材料、尺寸有關(guān)。室內(nèi)的電波分量是穿透分量和繞射分量的疊加，而繞射分量占絕大部分，所以總的看來高頻信號(hào)（如1800M）室內(nèi)外電平差比低頻信號(hào)（如900M）室內(nèi)外電平差要大。無線電波的實(shí)際傳播途徑無線電波的傳播第二十四頁，共六十二頁。陸地移動(dòng)通信環(huán)境的特點(diǎn)傳播環(huán)境的復(fù)雜性傳播的開放性波導(dǎo)效應(yīng)人為噪聲嚴(yán)重移動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)移動(dòng)性信號(hào)電平隨機(jī)變化陸地移動(dòng)通信環(huán)境的特點(diǎn)無線電波的傳播第二十五頁，共六十二頁。無線電波的衰落特性中尺度---陰影衰落衰落特性大尺度---中值信號(hào)小尺度---快衰落無線電波的傳播第二十六頁，共六十二頁。無線電波的衰落特性無線電波的傳播第二十七頁，共六十二頁。慢衰落的產(chǎn)生原因高大建筑物、樹林和高低起伏的地勢地貌的阻擋，造成電磁場的陰影，致使接收信號(hào)強(qiáng)度下降；大氣折射條件的變化（大氣介電常數(shù)變化）使多徑信號(hào)相對(duì)時(shí)延變化，造成同一地點(diǎn)場強(qiáng)中值隨時(shí)間的慢變化。慢衰落的統(tǒng)計(jì)規(guī)律慢衰落是信號(hào)在幾十個(gè)波長范圍里經(jīng)歷慢的隨機(jī)變化，其統(tǒng)計(jì)規(guī)律服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，可以理解成接收到的衰落信號(hào)的平均值。在一個(gè)特定的長度L內(nèi)平均得到的信號(hào)電平值（或場強(qiáng)值、損耗值），L的取值一般是40個(gè)波長內(nèi)取30～50個(gè)測試信號(hào)。慢衰落無線電波的傳播第二十八頁，共六十二頁。慢衰落的對(duì)數(shù)正態(tài)分布慢衰落無線電波的傳播第二十九頁，共六十二頁。慢衰落余量的定義慢衰落值呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布。要達(dá)到指定的覆蓋概率，在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中必須給發(fā)射機(jī)（基站或終端）預(yù)留一定的功率用于克服衰落的影響，稱為慢衰落余量。慢衰落余量計(jì)算的要素慢衰落標(biāo)準(zhǔn)差路徑損耗指數(shù)邊緣覆蓋概率（或者面積覆蓋概率）慢衰落無線電波的傳播第三十頁，共六十二頁。慢衰落標(biāo)準(zhǔn)差慢衰落標(biāo)準(zhǔn)差與電磁傳播環(huán)境有關(guān)。一般在城市環(huán)境中取8～10dB；在郊區(qū)或者農(nóng)村環(huán)境中取6～8dB。路徑損耗指數(shù)路徑損耗指數(shù)用來衡量無線信道的衰落情況，表示平均接收信號(hào)功率隨距離的對(duì)數(shù)衰減。慢衰落環(huán)境路徑損耗指數(shù)n自由空間2市區(qū)蜂窩2.6～3.5市區(qū)蜂窩陰影3～5建筑物內(nèi)視距傳播1.6～1.8被建筑物阻擋4～6被工廠阻擋2～3無線電波的傳播第三十一頁，共六十二頁。覆蓋概率定義：覆蓋概率是指在無線覆蓋區(qū)邊緣（或區(qū)內(nèi)）終端與基站通信質(zhì)量達(dá)到規(guī)定要求（如BER要求）的概率。包括：位置概率和時(shí)間概率可分為：邊緣覆蓋概率和面積覆蓋概率慢衰落無線電波的傳播第三十二頁，共六十二頁。邊緣覆蓋概率整個(gè)圓周的覆蓋概率就是邊緣覆蓋概率。Px0(R)=1/2－1/2erf((Xthresh－X0)/(variable*sqrt(2)))面積覆蓋概率對(duì)于圓周內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)用同樣的方法可以得出其覆蓋概率，這樣最終可以得到整個(gè)區(qū)域的覆蓋概率慢衰落無線電波的傳播第三十三頁，共六十二頁。陰影衰落余量實(shí)線圓周上每個(gè)點(diǎn)的覆蓋概率都是50%，即圓周上每個(gè)點(diǎn)的X0=Xthresh虛線圓周上每個(gè)點(diǎn)的覆蓋概率都是75%，即圓周上每個(gè)點(diǎn)的X0>Xthresh。對(duì)應(yīng)于邊緣覆蓋概率為75％的陰影衰落余量慢衰落FadingMargin=X0－Xthresh(dB)無線電波的傳播第三十四頁，共六十二頁。邊緣覆蓋概率與面積覆蓋概率的轉(zhuǎn)換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)邊緣覆蓋概率；Fu為面積覆蓋概率；n為路徑損耗指數(shù)；Variable為陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)方差；慢衰落無線電波的傳播第三十五頁，共六十二頁。無線電波的衰落特性中尺度---陰影衰落衰落特性大尺度---中值信號(hào)小尺度---快衰落無線電波的傳播第三十六頁，共六十二頁。快衰落的產(chǎn)生原因由于信號(hào)的多徑傳播而產(chǎn)生的衰落，反映了小范圍波長量級(jí)（短時(shí)間）的接收電平變化快衰落無線電波的傳播第三十七頁，共六十二頁。多徑干擾的構(gòu)成快衰落無線電波的傳播第三十八頁，共六十二頁。快衰落的選擇性衰落特性選擇性衰落特性空間選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落頻率選擇性衰落快衰落無線電波的傳播第三十九頁，共六十二頁。頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落，即在不同的頻率衰落特性不一樣。由于時(shí)延擴(kuò)散引起了頻率選擇性衰落，頻率衰落周期F=1/L。時(shí)延展寬是決定相干帶寬的唯一因素，RAKE多徑接收機(jī)的頻率區(qū)間>F?？焖ヂ錈o線電波的傳播第四十頁，共六十二頁。時(shí)間選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落，即在不同時(shí)間衰落特性不一樣。由于高速移動(dòng)引起的頻率擴(kuò)散，時(shí)間選擇性衰落周期T=π/B，信道編碼交織區(qū)間>T?？焖ヂ錈o線電波的傳播第四十一頁，共六十二頁?？臻g選擇性衰落空間選擇性衰落，即在不同地點(diǎn)（空間）衰落特性不一樣?？焖ヂ浜涂臻g相關(guān)，因此可以采用分集接收技術(shù)來補(bǔ)償快衰落，使信號(hào)包絡(luò)更接近與均值?？焖ヂ錈o線電波的傳播第四十二頁，共六十二頁?？焖ヂ涞娜鹄植既鹄植迹褐冈跓o直射波的N個(gè)路徑中，若每條路徑的信號(hào)幅度均為高斯分布、相位均為0~2π均勻分布，則合成信號(hào)包絡(luò)分布為瑞利分布標(biāo)準(zhǔn)偏差σ取決于不同的應(yīng)用環(huán)境。快衰落無線電波的傳播第四十三頁，共六十二頁?？焖ヂ鋹夯績?chǔ)備快衰落惡化量儲(chǔ)備是指存在多徑傳播效應(yīng)及人為噪聲（主要是汽車火花干擾）的情況下，為了達(dá)到只有接收機(jī)內(nèi)部噪聲條件下的同樣的話音質(zhì)量所必需的接收電平的增加量。多徑傳播效應(yīng)對(duì)于進(jìn)行中的車載臺(tái)和對(duì)于停著的車載臺(tái)及手持機(jī)所造成的惡化量是不同的。步行條件下：2.0--5.0dB高速移動(dòng)條件下：0dB在GSM系統(tǒng)中，語音和數(shù)據(jù)兩種業(yè)務(wù)的快衰落量均取3dB?？焖ヂ錈o線電波的傳播第四十四頁，共六十二頁。菲涅爾區(qū)電波在空中傳播的波面是以收發(fā)二點(diǎn)為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球面，橢球面所包含的空間叫菲涅爾區(qū)。菲涅爾區(qū)表示從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)次級(jí)波路徑比LOS路徑長nλ/2的連續(xù)區(qū)域。相鄰菲涅爾區(qū)之間的相位差為180度。菲涅爾區(qū)與菲涅爾余隙無線電波的傳播第四十五頁，共六十二頁。菲涅爾區(qū)假設(shè)h<<d1、d2，并且h>>λ，和很小，則菲涅爾區(qū)同心圓半徑Rn為：菲涅爾區(qū)與菲涅爾余隙無線電波的傳播第四十六頁，共六十二頁。多普勒效應(yīng)由于波源和接收者之間存在著相互運(yùn)動(dòng)而造成接收者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率之間發(fā)生變化。典型現(xiàn)象：火車由遠(yuǎn)及近開過，聲調(diào)的變化多普勒頻移無線電波的傳播第四十七頁，共六十二頁。多普勒頻移（DopplerShift）多普勒頻移是多普勒效應(yīng)在無線電領(lǐng)域的一種體現(xiàn)。定義：由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率將與發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)頻率之間產(chǎn)生一個(gè)差值，該差值就是多普勒頻移。多普勒頻移符合下面的公式：f=f0-fdcosθ=f0-(v/λ)cosθ當(dāng)移動(dòng)臺(tái)快速遠(yuǎn)離基站時(shí)為f=f0-fd；當(dāng)移動(dòng)臺(tái)快速靠近基站時(shí)為f=f0+fd。多普勒頻移無線電波的傳播第四十八頁，共六十二頁。時(shí)間色散時(shí)間色散起源于反射，其反射信號(hào)來自遠(yuǎn)離接收天線的物體約在幾千米遠(yuǎn)處。碼間干擾采用自適應(yīng)均衡技術(shù)可減少時(shí)間色散的影響。時(shí)間色散和均衡無線電波的傳播第四十九頁，共六十二頁。均衡的兩個(gè)基本途徑頻域均衡：它使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件。它往往是分別校正幅頻特性和群時(shí)延特性，序列均衡通常采用這種頻域均衡法。時(shí)域均衡：直接從時(shí)間響應(yīng)考慮，使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)滿足無碼間串?dāng)_的條件。目前我們面臨的信號(hào)是時(shí)變信號(hào)，因此需要采用時(shí)域均衡來達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)無碼間串?dāng)_。時(shí)間色散和均衡無線電波的傳播第五十頁，共六十二頁。目錄電磁波基礎(chǔ)無線電波的傳播無線電波傳播模型第五十一頁，共六十二頁。無線電波傳播模型提綱常用傳播模型Okumura-HATA-宏蜂窩模型-900MCOST-231-HATA-宏蜂窩模型-1800M通用模型-宏蜂窩模型-900M、1800MCOST231-Walfish-Ikegami-微蜂窩模型第五十二頁，共六十二頁。HATA的三點(diǎn)假設(shè)作為兩個(gè)全向天線之間的傳播損耗處理；作為準(zhǔn)平滑地形而不是不規(guī)則地形處理；以城市市區(qū)的傳播損耗公式作為標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)采用校正公式進(jìn)行修正。適用條件f為150~1500MHz；基站天線有效高度為30~200米；移動(dòng)臺(tái)天線高度為1~10米；通信距離為1~35km；OKUMURA-HATA模型無線電波傳播模型第五十三頁，共六十二頁。傳播損耗公式移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子遠(yuǎn)距離傳播修正因子OKUMURA-HATA模型無線電波傳播模型第五十四頁，共六十二頁。各種修正因子的組合使用情況下的總體路損OKUMURA-HATA模型無線電波傳播模型第五十五頁，共六十二頁。COST-231模型思想與Okumura-Hata模型一樣，也是利用測試數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果；在1800頻段比Okumura-Hata模型更合適；修正因子同OKUMURA-HATA模型COST-231-HATA模型傳播損耗公式無線電波傳播模型第五十六頁，共六十二頁。適用條件GSM900/1800基站天線有效高度為30~200米；移動(dòng)臺(tái)天線高度為1~10米；通信距離為1~35km；基本思想統(tǒng)一Okumura-Hata模型和Cost-231模型的公式；在城區(qū)和地形修正因子基礎(chǔ)上，增加了地物的修正因子；各個(gè)參數(shù)K都是可以利用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。通用模型無線電波傳播模型第五十七頁，共六十二頁。傳播損耗公式一段式：兩段式：通用模型無線電波傳播模型第五十八頁，共六十二頁。Pathloss=k1+k2log(d)+k3Hms+k4log(Hms)+k5log(Heff)+ k6log(Heff)log(d)+k7Diff+ClutterLossK1 衰減常數(shù)K2 距離衰減常數(shù)K3，K4 移動(dòng)臺(tái)天線高度修正系數(shù)K5，K6 基站天線高度修正系數(shù)K7 繞射修正系數(shù)Diff繞射損耗值ClutterLoss