電波傳播基本知識

,電波傳播基本知識,.,前言,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。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(biāo),了解無線通信的基本概念了解電波傳播中的基本概念了解移動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,無線通信技術(shù)，深圳市華為技術(shù)有限公司現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)電波傳播，HernryL.Bertoni移動通信工程(理論與應(yīng)用)，williamC.Y.Lee網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計，深圳市華為技術(shù)有限公司,.,課程內(nèi)容,第一章無線通信基本概念第二章移動通信電波傳播的幾個概念第三章移動通信電波傳播特性第四章移動通信信道與預(yù)測,.,第一章無線通信的基本概念,第一節(jié)概述第二節(jié)無線通信中的大氣媒質(zhì)第三節(jié)無線通信中的電波傳播方式第四節(jié)無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)過空間傳送信息的通信方式稱之為無線電通信（RadioCommunication），也稱之為無線通信。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(wù)。,.,第一章無線通信的基本概念,第一節(jié)概述第二節(jié)無線通信中的大氣媒質(zhì)第三節(jié)無線通信中的電波傳播方式第四節(jié)無線通信的頻段劃分與傳播方式,.,無線通信中的大氣媒質(zhì),電磁信號的媒質(zhì)效應(yīng)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(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,.,第一章無線通信的基本概念,第一節(jié)概述第二節(jié)無線通信中的大氣媒質(zhì)第三節(jié)無線通信中的電波傳播方式第四節(jié)無線通信的頻段劃分與傳播方式,.,電波傳播方式的分類,根據(jù)何種介質(zhì)或何種介質(zhì)分界面對電波傳播產(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)。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(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,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時，此傳播形式占主導(dǎo)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。對流層電波傳播是無線通信中占主導(dǎo)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。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。,.,第一章無線通信的基本概念,第一節(jié)概述第二節(jié)無線通信中的大氣媒質(zhì)第三節(jié)無線通信中的電波傳播方式第四節(jié)無線通信的頻段劃分與傳播方式,.,無線通信使用的頻段與傳播方式,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,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,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,何謂無線通信？WCDMA的電波傳播方式及其特點？,.,解答,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（RadioCommunication），也稱之為無線通信。WCDMA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(jié),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,第一章無線通信基本概念第二章移動通信電波傳播的幾個概念第三章移動通信電波傳播特性第四章移動通信信道與預(yù)測,.,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.,.,第二章移動通信電波傳播的幾個概念,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)是一個圍繞從發(fā)射體到接收機直連線的旋轉(zhuǎn)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,.,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由第一菲涅爾區(qū)決定。2.電波傳播余隙設(shè)計與第一菲涅爾區(qū)息息相關(guān)，如山區(qū)電波設(shè)計、超視距傳播的設(shè)計、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),.,第二章移動通信電波傳播的幾個概念,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、水汽壓強為10毫巴,.,第二章移動通信電波傳播的幾個概念,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)天線間完全沒有阻擋的最遠距離,球面上視距傳播距離的計算,實際地球上電波的可視最遠距離：,.,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超過視距。,.,本章小結(jié),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,第一章無線通信基本概念第二章移動通信電波傳播的幾個概念第三章移動通信電波傳播特性第四章移動通信信道與預(yù)測,.,概述,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。無線電波傳播的基礎(chǔ)：電磁信號的媒質(zhì)效應(yīng)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，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,.,第三章移動通信電波傳播特性,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,.,無線電波反射與極化的關(guān)系,.,無線電波反射特性說明,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(cè)的介質(zhì)具有不同磁常數(shù))。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(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。移動通信中只有當(dāng)入射角等于90度存在。,.,無線電波反射與材料特性的關(guān)系,.,幾種常見介質(zhì)的特性,.,圓極化波在無耗地面的反射特性,電波在地面發(fā)生反射時，圓極化波的旋向反轉(zhuǎn)，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。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(yù)測的。在其系統(tǒng)設(shè)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。移動信道中的各種物體目標(biāo)對電波的反射過程，是目標(biāo)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(jié)構(gòu)的二次甚至更多次反射。目標(biāo)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(fù)雜形狀的目標(biāo)具有極強的、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；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。,.,有耗表面反射波特性,對于有耗地表面，其介電常數(shù)為復(fù)數(shù)。表征地表面的有耗表面。有耗表面對電波的影響主要有兩點：1.反射波幅度減小，2.反射波產(chǎn)生去極化效應(yīng)。反射波的極化相對入射極化的變化，一般稱為“去極化效應(yīng)”。對于有耗媒質(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。電波總的場強應(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行嚴(yán)格計算得到的。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(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,.,無線電波的繞射的特點,基于的理論模型多用于預(yù)測高山或建筑物后陰影部分的場強分布和傳輸路徑損耗。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(guān)，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(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)對應(yīng)關(guān)系圖,下圖是計算出的繞射損耗與繞射系數(shù)的對應(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(yīng)。,.,課程內(nèi)容,第一章無線通信基本概念第二章移動通信電波傳播的幾個概念第三章移動通信電波傳播特性第四章移動通信信道與預(yù)測,.,概述,移動信道的基本特性是多種衰落的組合。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(yù)測可建立在電波繞射與HALTA模型基礎(chǔ)上,.,第四章移動通信信道與預(yù)測,第一節(jié)移動通信信道特性第二節(jié)移動通信各損耗區(qū)域分類第三節(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,.,移動通信信道的概述,移動通信信道是一種隨參信道。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(shù)來克服這些影響。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(guān)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,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延隨時間的不同而變，3.多徑傳播。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,.,實際無線信號傳輸?shù)囊?guī)律,.,移動通信傳播中的快衰落,所有的信號分量合成產(chǎn)生一個復(fù)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，,.,第四章移動通信信道與預(yù)測,第一節(jié)移動通信信道特性第二節(jié)移動通信各損耗區(qū)域分類第三節(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,.,移動通信路徑損耗區(qū)域分類,移動通信路徑損耗區(qū)域由近及遠依次分為：,.,第四章移動通信信道與預(yù)測,第一節(jié)移動通信信道特性第二節(jié)移動通信各損耗區(qū)域分類第三節(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,.,無線通信中自由空間傳播,.,第四章移動通信信道與預(yù)測,第一節(jié)移動通信信道特性第二節(jié)移動通信各損耗區(qū)域分類第三節(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，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的衰落速度遠大于自由空間損耗。一般的認(rèn)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6dB。但這是建立在地面反射為1的基礎(chǔ)上的。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(guān)系,.,雙線模型與自由空間相對值與高度、距離的關(guān)系,.,雙線模型的成立條件(地形),問題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,問題2：計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(guān)。因此對于一般的地面，曲線斜率一般為小于4。問題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，電波傳輸服從地面反射模型。,.,第四章移動通信信道與預(yù)測,第一節(jié)移動通信信道特性第二節(jié)移動通信各損耗區(qū)域分類第三節(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,.,無線通信常用的傳播模型,這些傳播模型已應(yīng)