無線電波傳播基礎(chǔ)知識.ppt

1、無線電波傳播基礎(chǔ),移動研究所網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)部,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,目錄,電磁波基礎(chǔ) 無線電波的傳播 無線電波傳播模型,電磁波基礎(chǔ),提綱,麥克斯韋電磁理論 在時變電磁場中，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),TEM波的傳播形式 電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。,電磁波的傳播,電磁波基礎(chǔ),電磁波的相關(guān)基本概

2、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 ,電磁波的頻率 f,電磁波的相關(guān)基本概念,電磁波基礎(chǔ),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： /sqrt() 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),電磁波的傳播具有周期性，這又包括時間周期性和空間周期性 在任意時刻，波長在空間的分布具有周期性，即物理量在空間周期分布，這種周期性用波長來描述。 電磁波的波長是指電磁波在介質(zhì)中傳播時，相鄰兩個波峰與波峰之間，或者波谷與波谷之間的距離，單位為米,基本概念-波長,電磁波基礎(chǔ),電磁波

3、的傳播具有周期性，這又包括時間周期性和空間周期性 在波場中任一位置（點），該點的物理量經(jīng)過一定的時間后又恢復(fù)原來的數(shù)值，具有時間周期性。 這種周期性可以用振動的周期T來描述，振動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：=v/f,基本概念-頻率f,電磁波基礎(chǔ),W與dBm P(dBm)=10lg（P(W)/10-3） dBi與dBd dBi-天線相對于理想電源的增益 dBd-天線相對于單一對稱半波振子的增益 dBi=2.15+dBd dB G(dB)=10lgG （G為增益，倍數(shù)） 3dBm-1dBm=2dB dBuv dBuv為電壓特定的分貝單位，dBm為

4、功率特定的分貝單位。,基本概念-幾個相關(guān)單位,電磁波基礎(chǔ),電磁波的波段劃分,電磁波基礎(chǔ),目錄,電磁波基礎(chǔ) 無線電波的傳播 無線電波傳播模型,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,陸地移動通信環(huán)境的特點,無線電波的衰落特性,菲涅爾區(qū)、多普勒頻移和時間色散,無線電波的實際傳播途徑,視距與非視距傳播,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)射源與接收點的距離，單位是km。 當f 和d擴大一倍時，Ls均增加6dB GSM1800

5、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,視距傳播,無線電波的傳播,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,非視距傳播,繞射波,對流層反射波,電離層反射波,無線電波的傳播,直射 反射 繞射 散射 穿透,無線電波的實際傳播途徑,無線電波的傳

6、播,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)象而直接到達接收點的傳播方式。 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),無線電波的實際傳播途徑,無線電波的傳播,反射和折射 電磁波在不同介質(zhì)的交界處會發(fā)生反射和折射，這個介質(zhì)物體遠大于電波波長； 對于良導(dǎo)體而言，反射不帶來衰減； 對于絕緣體而言，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； 對于非理想介質(zhì)，會吸收電磁波的能量，產(chǎn)生貫穿衰落,無線電波的實際傳播途徑,無線電波的傳播,繞射 在發(fā)射機與

7、接收機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； 當波撞擊在障礙物邊緣時發(fā)生繞射，“次級球面波” 傳播進入陰影區(qū)。 超出直射路徑的長度導(dǎo)致相移，費涅爾區(qū)表達了相對于障礙物位置的相移。 若無LOS，繞射可幫助覆蓋。,無線電波的實際傳播途徑,無線電波的傳播,散射 當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，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、街道標志和燈柱等。,無線電波的實際傳播途徑,無線電波的傳播,穿透 電磁波在不同介質(zhì)的交界處會發(fā)生反射和折射，這個介質(zhì)物體遠大于電波波長。對

8、于非理想介質(zhì)，電波可能會貫穿介質(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（如1800M）室內(nèi)外電平差比低頻信號（如900M）室內(nèi)外電平差要大。,無線電波的實際傳播途徑,無線電波的傳播,陸地移動通信環(huán)境的特點,傳播環(huán)境的復(fù)雜性,傳播的開放性,波導(dǎo)效應(yīng),人為噪聲嚴重,移動臺的隨機移動性,信號電平隨機變化,陸地移動通信環(huán)境的特點,無線電波的傳播,無線電波的衰落特性,無線電波的傳播,無線電波的衰落特性,無線電波的傳播,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

9、阻擋，造成電磁場的陰影，致使接收信號強度下降； 大氣折射條件的變化（大氣介電常數(shù)變化）使多徑信號相對時延變化，造成同一地點場強中值隨時間的慢變化。 慢衰落的統(tǒng)計規(guī)律 慢衰落是信號在幾十個波長范圍里經(jīng)歷慢的隨機變化，其統(tǒng)計規(guī)律服從對數(shù)正態(tài)分布，可以理解成接收到的衰落信號的平均值。 在一個特定的長度L內(nèi)平均得到的信號電平值（或場強值、損耗值），L的取值一般是40個波長內(nèi)取3050個測試信號。,慢衰落,無線電波的傳播,慢衰落的對數(shù)正態(tài)分布,慢衰落,無線電波的傳播,慢衰落余量的定義 慢衰落值呈對數(shù)正態(tài)分布。 要達到指定的覆蓋概率，在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中必須給發(fā)射機（基站或終端）預(yù)留一定的功率用于克服衰落的影

10、響，稱為慢衰落余量。 慢衰落余量計算的要素 慢衰落標準差 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,慢衰落標準差 慢衰落標準差與電磁傳播環(huán)境有關(guān)。 一般在城市環(huán)境中取810dB；在郊區(qū)或者農(nóng)村環(huán)境中取68dB。 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，表示平均接收信號功率隨距離的對數(shù)衰減。,慢衰落,無線電波的傳播,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)量達到規(guī)定要求（如BER要求）的概率。 包括：位置概率和時間概率 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,邊緣覆蓋概率 整個圓周的覆蓋概率就是邊緣覆蓋

11、概率。 Px0(R)=1/21/2erf(XthreshX0)/(variable*sqrt(2) 面積覆蓋概率 對于圓周內(nèi)的每個點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區(qū)域的覆蓋概率,慢衰落,無線電波的傳播,陰影衰落余量 實線圓周上每個點的覆蓋概率都是50%，即圓周上每個點的X0=Xthresh 虛線圓周上每個點的覆蓋概率都是75%，即圓周上每個點的X0Xthresh。 對應(yīng)于邊緣覆蓋概率為75的陰影衰落余量,慢衰落,Fading Margin=X0Xthresh(dB),無線電波的傳播,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(

12、r)+1/2exp(1-2ab)/b2)*1+erf(ab-1)/b 其中，a=(XthreshX0)/(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為陰影衰落標準方差；,慢衰落,無線電波的傳播,無線電波的衰落特性,無線電波的傳播,快衰落的產(chǎn)生原因 由于信號的多徑傳播而產(chǎn)生的衰落，反映了小范圍波長量級（短時間）的接收電平變化,快衰落,無線電波的傳播,多徑干擾的構(gòu)成,快衰落,無線電波的傳播,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,時間選擇性衰落,

13、頻率選擇性衰落,快衰落,無線電波的傳播,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。 由于時延擴散引起了頻率選擇性衰落，頻率衰落周期F=1/L。時延展寬是決定相干帶寬的唯一因素，RAKE多徑接收機的頻率區(qū)間F。,快衰落,無線電波的傳播,時間選擇性衰落 時間選擇性衰落，即在不同時間衰落特性不一樣。 由于高速移動引起的頻率擴散，時間選擇性衰落周期T=/ B，信道編碼交織區(qū)間T。,快衰落,無線電波的傳播,空間選擇性衰落 空間選擇性衰落，即在不同地點（空間）衰落特性不一樣。 快衰落和空間相關(guān)，因此可以采用分集接收技術(shù)來補償快衰落，使信號包絡(luò)更接近與均值。,快衰落,無線電波的傳播,快衰

14、落的瑞利分布 瑞利分布：指在無直射波的N 個路徑中，若每條路徑的信號幅度均為高斯分布、相位均為02均勻分布，則合成信號包絡(luò)分布為瑞利分布 標準偏差取決于不同的應(yīng)用環(huán)境。,快衰落,無線電波的傳播,快衰落惡化量儲備 快衰落惡化量儲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，為了達到只有接收機內(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)對于進行中的車載臺和對于停著的車載臺及手持機所造成的惡化量是不同的。 步行條件下：2.0-5.0dB 高速移動條件下：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。,快衰落,無線電波的傳播,菲涅爾區(qū) 電波

15、在空中傳播的波面是以收發(fā)二點為焦點的旋轉(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)射機到接收機次級波路徑比LOS路徑長n /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,菲涅爾區(qū) 假設(shè)h， 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,多普勒效應(yīng) 由于波源和接收者之間存在著相互運動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：火車由遠及近開過，聲調(diào)的變化,多普勒頻移,無線電波的傳播,多普勒頻移（Doppler Shift） 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)

16、射機和接收機間的相對運動，接收機接收到的信號頻率將與發(fā)射機發(fā)出的信號頻率之間產(chǎn)生一個差值，該差值就是多普勒頻移。 多普勒頻移符合下面的公式： f = f0-fdcos = f0-(v/) cos 當移動臺快速遠離基站時為f=f0-fd；當移動臺快速靠近基站時為f=f0+fd。,多普勒頻移,無線電波的傳播,時間色散 時間色散起源于反射，其反射信號來自遠離接收天線的物體約在幾千米遠處。 碼間干擾 采用自適應(yīng)均衡技術(shù)可減少時間色散的影響。,時間色散和均衡,無線電波的傳播,均衡的兩個基本途徑 頻域均衡： 它使包括均衡器在內(nèi)的整個系統(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延特性

17、，序列均衡通常采用這種頻域均衡法。 時域均衡： 直接從時間響應(yīng)考慮，使包括均衡器在內(nèi)的整個系統(tǒng)的沖激響應(yīng)滿足無碼間串擾的條件。 目前我們面臨的信號是時變信號，因此需要采用時域均衡來達到整個系統(tǒng)無碼間串擾。,時間色散和均衡,無線電波的傳播,目錄,電磁波基礎(chǔ) 無線電波的傳播 無線電波傳播模型,無線電波傳播模型,提綱,常用 傳播模型,Okumura-HATA -宏蜂窩模型 -900M,COST-231-HATA -宏蜂窩模型 -1800M,通用模型 -宏蜂窩模型 -900M、1800M,COST231-Walfish-Ikegami -微蜂窩模型,HATA的三點假設(shè) 作為兩個全向天線之間的傳播損耗處

18、理； 作為準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準，其他地區(qū)采用校正公式進行修正。 適用條件 f為1501500MHz； 基站天線有效高度為30200米； 移動臺天線高度為110米； 通信距離為135km；,OKUMURA-HATA模型,無線電波傳播模型,傳播損耗公式,移動臺天線高度修正因子 遠距離傳播修正因子,OKUMURA-HATA模型,無線電波傳播模型,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,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