電波傳播基本知識(shí)

,電波傳播基本知識(shí),.,前言,電波傳播特性研究是任何無(wú)線通信系統(tǒng)所遇到的首要問(wèn)題。本文對(duì)電波的一些基本概念進(jìn)行了說(shuō)明，并試圖說(shuō)明了移動(dòng)通信信道的一些特點(diǎn)。,.,課程目標(biāo),了解無(wú)線通信的基本概念了解電波傳播中的基本概念了解移動(dòng)通信信道的一些基本特性,學(xué)習(xí)完本課程，您將能夠：,.,參考資料,無(wú)線通信技術(shù)，深圳市華為技術(shù)有限公司現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)電波傳播，HernryL.Bertoni移動(dòng)通信工程(理論與應(yīng)用)，williamC.Y.Lee網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)，深圳市華為技術(shù)有限公司,.,課程內(nèi)容,第一章無(wú)線通信基本概念第二章移動(dòng)通信電波傳播的幾個(gè)概念第三章移動(dòng)通信電波傳播特性第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),.,第一章無(wú)線通信的基本概念,第一節(jié)概述第二節(jié)無(wú)線通信中的大氣媒質(zhì)第三節(jié)無(wú)線通信中的電波傳播方式第四節(jié)無(wú)線通信的頻段劃分與傳播方式,.,概述,利用電磁波的輻射和傳播，經(jīng)過(guò)空間傳送信息的通信方式稱之為無(wú)線電通信（RadioCommunication），也稱之為無(wú)線通信。利用無(wú)線通信可以傳送電報(bào)、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(wù)。,.,第一章無(wú)線通信的基本概念,第一節(jié)概述第二節(jié)無(wú)線通信中的大氣媒質(zhì)第三節(jié)無(wú)線通信中的電波傳播方式第四節(jié)無(wú)線通信的頻段劃分與傳播方式,.,無(wú)線通信中的大氣媒質(zhì),電磁信號(hào)的媒質(zhì)效應(yīng)通常是電波傳播的支撐，無(wú)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(duì)流層，其厚度平均約1020公里。對(duì)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。在對(duì)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(duì)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(yáng)的輻射作用以及宇宙射線的影響下產(chǎn)生電離，形成相當(dāng)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,.,第一章無(wú)線通信的基本概念,第一節(jié)概述第二節(jié)無(wú)線通信中的大氣媒質(zhì)第三節(jié)無(wú)線通信中的電波傳播方式第四節(jié)無(wú)線通信的頻段劃分與傳播方式,.,電波傳播方式的分類(lèi),根據(jù)何種介質(zhì)或何種介質(zhì)分界面對(duì)電波傳播產(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(duì)流層電波視距傳播（電波傳播主要受對(duì)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)。為什么會(huì)為多種傳播方式：低頻時(shí)，電波也會(huì)被電離層反射，只是相比于表面波信號(hào)傳播衰減。頻率變高時(shí)，地面逐漸滿足瑞利準(zhǔn)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(dāng)于由離子體構(gòu)成的篩子，電波長(zhǎng)時(shí)會(huì)被反射，波長(zhǎng)短時(shí)會(huì)被透射。因此對(duì)于高頻信號(hào)，電離層不起作用。,.,電波傳播方式的說(shuō)明,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長(zhǎng)時(shí)，此傳播形式占主導(dǎo)作用。其特點(diǎn)是傳播距離遠(yuǎn)，易與水下建立通信，不受天氣與地面環(huán)境的阻擋。對(duì)流層電波傳播是無(wú)線通信中占主導(dǎo)作用的傳播形式，頻率在30MHz以上時(shí)，視距傳播成為主要傳播方式，此時(shí)需注意對(duì)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(diǎn)是視距傳播，易受地面環(huán)境的阻擋影響，傳播衰減較大。電離層傳播是在地表面波頻率與對(duì)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(diǎn)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。,.,第一章無(wú)線通信的基本概念,第一節(jié)概述第二節(jié)無(wú)線通信中的大氣媒質(zhì)第三節(jié)無(wú)線通信中的電波傳播方式第四節(jié)無(wú)線通信的頻段劃分與傳播方式,.,無(wú)線通信使用的頻段與傳播方式,目前無(wú)線通信使用的頻率從超長(zhǎng)波波段到亞毫米波段（包括亞毫米波以下），以至光波。無(wú)線通信使用的頻率范圍和波段見(jiàn)下表1-1。,.,無(wú)線通信使用的頻段與傳播方式,表1-1無(wú)線通信使用的電磁波的頻率范圍與傳播方式,.,無(wú)線通信使用的頻段與傳播方式,表1-1無(wú)線通信使用的電磁波的頻率范圍和傳播方式,.,思考題,何謂無(wú)線通信？WCDMA的電波傳播方式及其特點(diǎn)？,.,解答,利用電磁波的輻射和傳播，經(jīng)過(guò)空間傳送信息的通信方式稱之為無(wú)線電通信（RadioCommunication），也稱之為無(wú)線通信。WCDMA電磁波傳播方式為微波傳播，微波的傳播類(lèi)似于光波的傳播，是一種視距傳播。,.,本章小結(jié),本章主要講述了無(wú)線通信的概念、無(wú)線通信的頻段和波動(dòng)的劃分以及無(wú)線通信的電磁波傳播方式及其特點(diǎn)。,.,課程內(nèi)容,第一章無(wú)線通信基本概念第二章移動(dòng)通信電波傳播的幾個(gè)概念第三章移動(dòng)通信電波傳播特性第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),.,概述,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播余隙.,.,第二章移動(dòng)通信電波傳播的幾個(gè)概念,第一節(jié)菲涅爾區(qū)第二節(jié)大氣折射第三節(jié)視距,.,菲涅爾區(qū),菲涅爾區(qū)是一個(gè)圍繞從發(fā)射體到接收機(jī)直連線的旋轉(zhuǎn)橢球體，且以發(fā)射機(jī)與接收點(diǎn)為橢圓焦點(diǎn),對(duì)第n個(gè)菲涅爾區(qū)，從發(fā)射機(jī)到橢圓體上任一點(diǎn)，再到接收機(jī)的距離比直線距離大n個(gè)半波長(zhǎng),.,菲涅爾距離與其意義,菲涅爾區(qū)距離：,菲涅爾區(qū)的意義,1.電波傳播模型的拐點(diǎn)由第一菲涅爾區(qū)決定。2.電波傳播余隙設(shè)計(jì)與第一菲涅爾區(qū)息息相關(guān)，如山區(qū)電波設(shè)計(jì)、超視距傳播的設(shè)計(jì)、微波傳播等。3.隧道內(nèi)電波的模式轉(zhuǎn)換與第一菲涅爾區(qū)息息相關(guān)。4.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(guān)。5.微小區(qū)與室內(nèi)電波傳播與第一菲涅爾區(qū)相關(guān),.,第二章移動(dòng)通信電波傳播的幾個(gè)概念,第一節(jié)菲涅爾區(qū)第二節(jié)大氣折射第三節(jié)視距,.,大氣折射,大氣折射對(duì)電波傳播的影響,.,大氣折射的概況(一),為什么電波在空氣中會(huì)產(chǎn)生折射,大氣折射率與大氣的何種參數(shù)相關(guān),大氣折射率N是大氣壓強(qiáng)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?yàn)榈厍虮砻婵諝獾慕殡姵?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是直線方式傳播，產(chǎn)生了大氣折射。,.,大氣折射的概況(二),標(biāo)準(zhǔn)大氣層的基本特性？為何標(biāo)準(zhǔn)大氣等效地球半徑因子為4/3？,標(biāo)準(zhǔn)大氣的參數(shù)：氣壓1013毫巴、氣溫288K、水汽壓強(qiáng)為10毫巴,.,第二章移動(dòng)通信電波傳播的幾個(gè)概念,第一節(jié)菲涅爾區(qū)第二節(jié)大氣折射第三節(jié)視距,.,視距,視距是指收發(fā)天線間完全沒(méi)有阻擋的最遠(yuǎn)距離,球面上視距傳播距離的計(jì)算,實(shí)際地球上電波的可視最遠(yuǎn)距離：,.,思考題,地球表面各處的大氣折射率是否一致？通信電波是否可以超視距傳播？,.,解答,大氣折射主要與大氣高度的介電常數(shù)變化相關(guān)，因此不同的小區(qū)域有不同的折射率，另外緯度不同，大氣折射率也不同，溫帶最高。如果發(fā)生了臨界折射與超折射，電波的傳播距離可遠(yuǎn)超過(guò)視距。,.,本章小結(jié),本章主要講述了無(wú)線電波傳播中的常用的幾個(gè)概念。,.,課程內(nèi)容,第一章無(wú)線通信基本概念第二章移動(dòng)通信電波傳播的幾個(gè)概念第三章移動(dòng)通信電波傳播特性第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),.,概述,什么是無(wú)線電傳播？發(fā)射天線或自然源輻射的無(wú)線電波，通過(guò)介質(zhì)或受到介質(zhì)分界面的影響，而到達(dá)接收天線的過(guò)程，稱為無(wú)線電波傳播。無(wú)線電波傳播的基礎(chǔ)：電磁信號(hào)的媒質(zhì)效應(yīng)是無(wú)線電波傳播的支撐無(wú)線電波在介質(zhì)或介質(zhì)分界面的影響下，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(duì)象,.,第三章移動(dòng)通信電波傳播特性,第一節(jié)電波反射第二節(jié)電波散射第三節(jié)電波繞射,.,無(wú)線電波的反射特性,地面反射率與極化、電波入射角、地面介電常數(shù)的關(guān)系,.,無(wú)線電波反射與極化的關(guān)系,.,無(wú)線電波反射特性說(shuō)明,問(wèn)題1：水平極化能否發(fā)生全透射？不可能(除非反射面兩側(cè)的介質(zhì)具有不同磁常數(shù))。問(wèn)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(dǎo)存在的物理基礎(chǔ)。但其只存在于從光密媒質(zhì)到光疏媒質(zhì)中。移動(dòng)通信中只有當(dāng)入射角等于90度存在。,.,無(wú)線電波反射與材料特性的關(guān)系,.,幾種常見(jiàn)介質(zhì)的特性,.,圓極化波在無(wú)耗地面的反射特性,電波在地面發(fā)生反射時(shí)，圓極化波的旋向反轉(zhuǎn)，且因其垂直和水平兩個(gè)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(qiáng)。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(huì)使到達(dá)接收天線的電波的極化狀態(tài)顯著偏離發(fā)射時(shí)的極化狀態(tài)。因此，城市中的移動(dòng)通信接收天線處的電波極化狀態(tài)常是不可預(yù)測(cè)的。在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)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(shí)庇嗔俊,.,電波反射的退極化作用,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(biāo)也是造成電波去極化的原因之一。移動(dòng)信道中的各種物體目標(biāo)對(duì)電波的反射過(guò)程，是目標(biāo)表面上每一部分對(duì)電波的散射的綜合。其中還包含某些表面結(jié)構(gòu)的二次甚至更多次反射。目標(biāo)上的每一部分，相對(duì)電波發(fā)射天線的取向和形態(tài)是各異的。所以復(fù)雜形狀的目標(biāo)具有極強(qiáng)的、多樣的退極化作用。一般地，線狀目標(biāo)反射的電波中平行線極化分量占優(yōu)勢(shì)；具有大的反射平面的目標(biāo)的反射波中，與入射電波極化相同的分量占優(yōu)勢(shì)。,.,有耗表面反射波特性,對(duì)于有耗地表面，其介電常數(shù)為復(fù)數(shù)。表征地表面的有耗表面。有耗表面對(duì)電波的影響主要有兩點(diǎn)：1.反射波幅度減小，2.反射波產(chǎn)生去極化效應(yīng)。反射波的極化相對(duì)入射極化的變化，一般稱為“去極化效應(yīng)”。對(duì)于有耗媒質(zhì)，其去極化效應(yīng)不僅與目標(biāo)形狀有關(guān)，而且與有耗媒質(zhì)參數(shù)有關(guān),.,第三章移動(dòng)通信電波傳播特性,第一節(jié)電波反射第二節(jié)電波散射第三節(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(續(xù)),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(chǎng)強(qiáng)應(yīng)服從萊斯分布，其關(guān)鍵特征是常矢量與瑞利矢量的平均功率比。只要滿足瑞利條件，鏡反射分量迅即消失。此時(shí)關(guān)鍵特征主要決定于直接波與漫反射波的平均功率比。漫反射波平均功率可利用粗糙面電磁散射理論進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算得到的。其計(jì)算的核心是得到萊斯衰落的萊斯因子。其基本計(jì)算步驟是：1.確定接收天線在相應(yīng)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。,.,第三章移動(dòng)通信電波傳播特性,第一節(jié)電波反射第二節(jié)電波散射第三節(jié)電波繞射,.,無(wú)線電波的繞射的特點(diǎn),基于的理論模型多用于預(yù)測(cè)高山或建筑物后陰影部分的場(chǎng)強(qiáng)分布和傳輸路徑損耗。幾何繞射理論(GTD)基于高頻繞射問(wèn)題的局部性原理：在高頻繞射時(shí)，繞射現(xiàn)象和反射現(xiàn)象一樣，只取決于繞射點(diǎn)附近的幾何形狀、物理性質(zhì)和入射場(chǎng)性質(zhì)，而和距繞射點(diǎn)較遠(yuǎn)的物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，在一般情況下反射點(diǎn)周?chē)牡谝环颇鶢枀^(qū)的性質(zhì)對(duì)反射場(chǎng)的結(jié)構(gòu)起主要作用。,.,單刃繞射示意圖,.,繞射系數(shù)與繞射損耗,.,繞射損耗與繞射系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖,下圖是計(jì)算出的繞射損耗與繞射系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,.,繞射損耗的一般規(guī)律,.,思考題,電波反射相關(guān)的因素有哪些？電波散射的產(chǎn)生條件？電波繞射損耗的主要影響因素？,.,解答,電波反射與反射面特性、電波入射角、電波極化等因素相關(guān)。當(dāng)反射面滿足瑞利條件時(shí)電波將產(chǎn)生散射。繞射損耗的大小主要與基爾霍夫繞射系數(shù)相關(guān)，即與收發(fā)天線間的傳播余隙相關(guān)。,.,本章小結(jié),本章主要講述了無(wú)線電波傳播的反射、折射和散射特性，同時(shí)說(shuō)明了兩種去極化效應(yīng)。,.,課程內(nèi)容,第一章無(wú)線通信基本概念第二章移動(dòng)通信電波傳播的幾個(gè)概念第三章移動(dòng)通信電波傳播特性第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),.,概述,移動(dòng)信道的基本特性是多種衰落的組合。對(duì)于移動(dòng)通信信道分析的主要理論模型有：自由空間模型、地面反射線模型對(duì)于移動(dòng)通信信道的統(tǒng)計(jì)模型有許多種，山區(qū)的電波預(yù)測(cè)可建立在電波繞射與HALTA模型基礎(chǔ)上,.,第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),第一節(jié)移動(dòng)通信信道特性第二節(jié)移動(dòng)通信各損耗區(qū)域分類(lèi)第三節(jié)自由空間傳播第四節(jié)地面反射傳播第五節(jié)電波傳播模型,.,移動(dòng)通信信道的概述,移動(dòng)通信信道是一種隨參信道。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，主要要解決無(wú)線電信號(hào)在移動(dòng)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(duì)傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能的影響，并明白利用何種技術(shù)來(lái)克服這些影響。電波傳播特性研究是任何無(wú)線通信系統(tǒng)所遇到的首要問(wèn)題。傳播環(huán)境對(duì)移動(dòng)信道起關(guān)鍵作用，無(wú)線通信的工作頻率與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也影響著無(wú)線信道的特性。,.,移動(dòng)通信的傳播環(huán)境特點(diǎn),傳播環(huán)境的特點(diǎn)：1.對(duì)信號(hào)的衰減隨時(shí)間的變化而變，2.傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間的不同而變，3.多徑傳播。影響無(wú)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(wú)線信號(hào)的概率分布,.,實(shí)際無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)囊?guī)律,.,移動(dòng)通信傳播中的快衰落,所有的信號(hào)分量合成產(chǎn)生一個(gè)復(fù)駐波，它的信號(hào)的強(qiáng)度根據(jù)各分量的相對(duì)變化而增加或減小。其合成場(chǎng)強(qiáng)在移動(dòng)幾個(gè)車(chē)身長(zhǎng)的距離中會(huì)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(zhǎng)。通常把這種現(xiàn)象稱為多徑衰落或快衰落，,.,第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),第一節(jié)移動(dòng)通信信道特性第二節(jié)移動(dòng)通信各損耗區(qū)域分類(lèi)第三節(jié)自由空間傳播第四節(jié)地面反射傳播第五節(jié)電波傳播模型,.,移動(dòng)通信路徑損耗區(qū)域分類(lèi),移動(dòng)通信路徑損耗區(qū)域由近及遠(yuǎn)依次分為：,.,第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),第一節(jié)移動(dòng)通信信道特性第二節(jié)移動(dòng)通信各損耗區(qū)域分類(lèi)第三節(jié)自由空間傳播第四節(jié)地面反射傳播第五節(jié)電波傳播模型,.,無(wú)線通信中自由空間傳播,.,第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),第一節(jié)移動(dòng)通信信道特性第二節(jié)移動(dòng)通信各損耗區(qū)域分類(lèi)第三節(jié)自由空間傳播第四節(jié)地面反射傳播第五節(jié)電波傳播模型,.,地面反射模型的概念(雙線),地面反射模型是指當(dāng)收、發(fā)天線間的第一菲涅爾區(qū)落到地面上時(shí)，使得接收天線收到地面反射波的模型。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(hào)的衰落速度遠(yuǎn)大于自由空間損耗。一般的認(rèn)為：距離增大一倍，信號(hào)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6dB。但這是建立在地面反射為1的基礎(chǔ)上的。事實(shí)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(duì)值與距離的關(guān)系,.,雙線模型與自由空間相對(duì)值與高度、距離的關(guān)系,.,雙線模型的成立條件(地形),問(wèn)題1：此模型是否在任何地形下均成立？不是！上式只適用于存在鏡面反射的情況下。對(duì)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(zhǔn)平滑地形”?！皽?zhǔn)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(dòng)臺(tái)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(jī)前方1050公里處地形高度超過(guò)90%與超過(guò)10%的差。,.,雙線模型的使用條件,問(wèn)題2：計(jì)算式是否在任何情況下成立？上式只在地面反射系數(shù)絕對(duì)值為1時(shí)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(guān)。因此對(duì)于一般的地面，曲線斜率一般為小于4。問(wèn)題3：自由空間與地面反射模型是否是分離的？不是!在靠近基站天線的地方，是不可能形成地面反射的。因?yàn)榇藭r(shí)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(yuǎn)，電波傳輸服從地面反射模型。,.,第四章移動(dòng)通信信道與預(yù)測(cè),第一節(jié)移動(dòng)通信信道特性第二節(jié)移動(dòng)通信各損耗區(qū)域分類(lèi)第三節(jié)自由空間傳播第四節(jié)地面反射傳播第五節(jié)電波傳播模型,.,無(wú)線通信常用的傳播模型,這些傳播模型已應(yīng)