电波传播基本知识

,电波传播基本知识,前言,电波传播特性研究是任何无线通信系统所遇到的首要问题。本文对电波的一些基本概念进行了说明，并试图说明了移动通信信道的一些特点。,课程目标,了解无线通信的基本概念了解电波传播中的基本概念了解移动通信信道的一些基本特性,学习完本课程，您将能够：,参考资料,无线通信技术，深圳市华为技术有限公司现代无线通信系统电波传播，HernryL.Bertoni移动通信工程(理论与应用)，williamC.Y.Lee网络规划设计，深圳市华为技术有限公司,课程内容,第一章无线通信基本概念第二章移动通信电波传播的几个概念第三章移动通信电波传播特性第四章移动通信信道与预测,第一章无线通信的基本概念,第一节概述第二节无线通信中的大气媒质第三节无线通信中的电波传播方式第四节无线通信的频段划分与传播方式,概述,利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式称之为无线电通信（RadioCommunication），也称之为无线通信。利用无线通信可以传送电报、电话、传真、数据、图像以及广播和电视节目等通信业务。,第一章无线通信的基本概念,第一节概述第二节无线通信中的大气媒质第三节无线通信中的电波传播方式第四节无线通信的频段划分与传播方式,无线通信中的大气媒质,电磁信号的媒质效应通常是电波传播的支撑，无线通信中重要媒质-大气层的特性：地球大气层中最低的一层是对流层，其厚度平均约1020公里。对流层的平均高度随地域变化而有所差异，温带地区为1012公里，赤道附近为1618公里。在对流层集中了大气中90%以上的水气和3/4以上的大气质量。在对流层的上面一层是平流层，又称同温层，距地面约2040公里。在平流层上面是电离层。电离层大气在太阳的辐射作用以及宇宙射线的影响下产生电离，形成相当多的离子和自由电子。电离层也是分层分布的。,大气媒质的分层情况,第一章无线通信的基本概念,第一节概述第二节无线通信中的大气媒质第三节无线通信中的电波传播方式第四节无线通信的频段划分与传播方式,电波传播方式的分类,根据何种介质或何种介质分界面对电波传播产生主要的影响，可将常遇到的电波传播方式分为：（1）地表面波传播（电波传播主要受地球表面的影响）。（2）对流层电波视距传播（电波传播主要受对流层影响）。（3）电离层电波反射传播（电波传播主要受电离层影响)。为什么会为多种传播方式：低频时，电波也会被电离层反射，只是相比于表面波信号传播衰减。频率变高时，地面逐渐满足瑞利准则，地面衰减变大，所以地表面波传播方式逐渐消失。电离层相当于由离子体构成的筛子，电波长时会被反射，波长短时会被透射。因此对于高频信号，电离层不起作用。,电波传播方式的说明,地表面波是建立在地球表面的一种电波传播形式，在频率小于5MHz且天线高度小于地面半波长时，此传播形式占主导作用。其特点是传播距离远，易与水下建立通信，不受天气与地面环境的阻挡。对流层电波传播是无线通信中占主导作用的传播形式，频率在30MHz以上时，视距传播成为主要传播方式，此时需注意对流层折射系数的影响(一般地，此种传播又称地面传播)，传播特点是视距传播，易受地面环境的阻挡影响，传播衰减较大。电离层传播是在地表面波频率与对流层传播频率之间的频率，利用电离层的反射作用的传播方式。特点是：可超视距传播，受电离层变化的影响较大，极化等通信参数难以控制。,第一章无线通信的基本概念,第一节概述第二节无线通信中的大气媒质第三节无线通信中的电波传播方式第四节无线通信的频段划分与传播方式,无线通信使用的频段与传播方式,目前无线通信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段（包括亚毫米波以下），以至光波。无线通信使用的频率范围和波段见下表1-1。,无线通信使用的频段与传播方式,表1-1无线通信使用的电磁波的频率范围与传播方式,无线通信使用的频段与传播方式,表1-1无线通信使用的电磁波的频率范围和传播方式,思考题,何谓无线通信？WCDMA的电波传播方式及其特点？,解答,利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式称之为无线电通信（RadioCommunication），也称之为无线通信。WCDMA电磁波传播方式为微波传播，微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播。,本章小结,本章主要讲述了无线通信的概念、无线通信的频段和波动的划分以及无线通信的电磁波传播方式及其特点。,课程内容,第一章无线通信基本概念第二章移动通信电波传播的几个概念第三章移动通信电波传播特性第四章移动通信信道与预测,概述,在电波传播中经常遇到下面后些概念：菲涅尔区大气折射等效地球半径视距传播余隙.,第二章移动通信电波传播的几个概念,第一节菲涅尔区第二节大气折射第三节视距,菲涅尔区,菲涅尔区是一个围绕从发射体到接收机直连线的旋转椭球体，且以发射机与接收点为椭圆焦点,对第n个菲涅尔区，从发射机到椭圆体上任一点，再到接收机的距离比直线距离大n个半波长,菲涅尔距离与其意义,菲涅尔区距离：,菲涅尔区的意义,1.电波传播模型的拐点由第一菲涅尔区决定。2.电波传播余隙设计与第一菲涅尔区息息相关，如山区电波设计、超视距传播的设计、微波传播等。3.隧道内电波的模式转换与第一菲涅尔区息息相关。4.电波传播中天线与反射体的距离要求与第一菲涅尔区息息相关。5.微小区与室内电波传播与第一菲涅尔区相关,第二章移动通信电波传播的几个概念,第一节菲涅尔区第二节大气折射第三节视距,大气折射,大气折射对电波传播的影响,大气折射的概况(一),为什么电波在空气中会产生折射,大气折射率与大气的何种参数相关,大气折射率N是大气压强p、气温T和水汽压e的函数，并由下式给出：p、T、e的单位分别是hPa(毫巴)、K、hPa。,因为地球表面空气的介电常数为1.0003，太空介电常数为1，大气折射率n较小变化将造成电波反射值较大的变化。由于地球大气的反射系数随高度的增加而减小，电波将以曲线方式而不是直线方式传播，产生了大气折射。,大气折射的概况(二),标准大气层的基本特性？为何标准大气等效地球半径因子为4/3？,标准大气的参数：气压1013毫巴、气温288K、水汽压强为10毫巴,第二章移动通信电波传播的几个概念,第一节菲涅尔区第二节大气折射第三节视距,视距,视距是指收发天线间完全没有阻挡的最远距离,球面上视距传播距离的计算,实际地球上电波的可视最远距离：,思考题,地球表面各处的大气折射率是否一致？通信电波是否可以超视距传播？,解答,大气折射主要与大气高度的介电常数变化相关，因此不同的小区域有不同的折射率，另外纬度不同，大气折射率也不同，温带最高。如果发生了临界折射与超折射，电波的传播距离可远超过视距。,本章小结,本章主要讲述了无线电波传播中的常用的几个概念。,课程内容,第一章无线通信基本概念第二章移动通信电波传播的几个概念第三章移动通信电波传播特性第四章移动通信信道与预测,概述,什么是无线电传播？发射天线或自然源辐射的无线电波，通过介质或受到介质分界面的影响，而到达接收天线的过程，称为无线电波传播。无线电波传播的基础：电磁信号的媒质效应是无线电波传播的支撑无线电波在介质或介质分界面的影响下，产生的反射、折射、散射、绕射和吸收现象是电波传播中的主要研究对象,第三章移动通信电波传播特性,第一节电波反射第二节电波散射第三节电波绕射,无线电波的反射特性,地面反射率与极化、电波入射角、地面介电常数的关系,无线电波反射与极化的关系,无线电波反射特性说明,问题1：水平极化能否发生全透射？不可能(除非反射面两侧的介质具有不同磁常数)。问题2：有全透射是否存在全反射？全反射是存在的。其是光纤与介质波导存在的物理基础。但其只存在于从光密媒质到光疏媒质中。移动通信中只有当入射角等于90度存在。,无线电波反射与材料特性的关系,几种常见介质的特性,圆极化波在无耗地面的反射特性,电波在地面发生反射时，圆极化波的旋向反转，且因其垂直和水平两个分量的反射系数不同，反射后的幅度比和相位差改变，合成的波变为椭圆极化波。此种现象随着频率的升高而加强。在发生多径传播的情况下，包括城市中地面反射、建筑物的一次及多次反射和边缘绕射，会使到达接收天线的电波的极化状态显著偏离发射时的极化状态。因此，城市中的移动通信接收天线处的电波极化状态常是不可预测的。在其系统设计中，对极化状态及匹配情况一般不予考虑，而是在涔噬狭舫鍪实庇嗔俊,电波反射的退极化作用,电波反射的退极化作用除了有耗地面的反射以外，不规则的反射目标也是造成电波去极化的原因之一。移动信道中的各种物体目标对电波的反射过程，是目标表面上每一部分对电波的散射的综合。其中还包含某些表面结构的二次甚至更多次反射。目标上的每一部分，相对电波发射天线的取向和形态是各异的。所以复杂形状的目标具有极强的、多样的退极化作用。一般地，线状目标反射的电波中平行线极化分量占优势；具有大的反射平面的目标的反射波中，与入射电波极化相同的分量占优势。,有耗表面反射波特性,对于有耗地表面，其介电常数为复数。表征地表面的有耗表面。有耗表面对电波的影响主要有两点：1.反射波幅度减小，2.反射波产生去极化效应。反射波的极化相对入射极化的变化，一般称为“去极化效应”。对于有耗媒质，其去极化效应不仅与目标形状有关，而且与有耗媒质参数有关,第三章移动通信电波传播特性,第一节电波反射第二节电波散射第三节电波绕射,不规则表面的散射特性,不规则表面的散射特性(续),不规则地面的电波通常包括直接波、镜反射波和大量不规则的漫反射波。直接波和镜反射波是相干分量，漫反射波是非相干分量。电波总的场强应服从莱斯分布，其关键特征是常矢量与瑞利矢量的平均功率比。只要满足瑞利条件，镜反射分量迅即消失。此时关键特征主要决定于直接波与漫反射波的平均功率比。漫反射波平均功率可利用粗糙面电磁散射理论进行严格计算得到的。其计算的核心是得到莱斯衰落的莱斯因子。其基本计算步骤是：1.确定接收天线在相应方向的增益。2.查图表以得到归一化莱斯漫反射系数3.根据距离、增益与归一化反射系数得出莱斯因子。,第三章移动通信电波传播特性,第一节电波反射第二节电波散射第三节电波绕射,无线电波的绕射的特点,基于的理论模型多用于预测高山或建筑物后阴影部分的场强分布和传输路径损耗。几何绕射理论(GTD)基于高频绕射问题的局部性原理：在高频绕射时，绕射现象和反射现象一样，只取决于绕射点附近的几何形状、物理性质和入射场性质，而和距绕射点较远的物体的性质无关，在一般情况下反射点周围的第一菲涅尔区的性质对反射场的结构起主要作用。,单刃绕射示意图,绕射系数与绕射损耗,绕射损耗与绕射系数对应关系图,下图是计算出的绕射损耗与绕射系数的对应关系,绕射损耗的一般规律,思考题,电波反射相关的因素有哪些？电波散射的产生条件？电波绕射损耗的主要影响因素？,解答,电波反射与反射面特性、电波入射角、电波极化等因素相关。当反射面满足瑞利条件时电波将产生散射。绕射损耗的大小主要与基尔霍夫绕射系数相关，即与收发天线间的传播余隙相关。,本章小结,本章主要讲述了无线电波传播的反射、折射和散射特性，同时说明了两种去极化效应。,课程内容,第一章无线通信基本概念第二章移动通信电波传播的几个概念第三章移动通信电波传播特性第四章移动通信信道与预测,概述,移动信道的基本特性是多种衰落的组合。对于移动通信信道分析的主要理论模型有：自由空间模型、地面反射线模型对于移动通信信道的统计模型有许多种，山区的电波预测可建立在电波绕射与HALTA模型基础上,第四章移动通信信道与预测,第一节移动通信信道特性第二节移动通信各损耗区域分类第三节自由空间传播第四节地面反射传播第五节电波传播模型,移动通信信道的概述,移动通信信道是一种随参信道。在移动通信系统中，主要要解决无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生变化的原因，这些变化对传输质量和系统性能的影响，并明白利用何种技术来克服这些影响。电波传播特性研究是任何无线通信系统所遇到的首要问题。传播环境对移动信道起关键作用，无线通信的工作频率与移动台的运动状态也影响着无线信道的特性。,移动通信的传播环境特点,传播环境的特点：1.对信号的衰减随时间的变化而变，2.传输的时延随时间的不同而变，3.多径传播。影响无线信道传播环境的主要因素为：1.自然地形，2.人工建筑物的数量、高度、分布和材料，3.该地区的植被特征，4.天气情况，5.自然和人为的电磁噪声状况。,无线信号的概率分布,实际无线信号传输的规律,移动通信传播中的快衰落,所有的信号分量合成产生一个复驻波，它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小。其合成场强在移动几个车身长的距离中会有2030dB的衰落，其最大值和最小值发生的位置大约相差1/4波长。通常把这种现象称为多径衰落或快衰落，,第四章移动通信信道与预测,第一节移动通信信道特性第二节移动通信各损耗区域分类第三节自由空间传播第四节地面反射传播第五节电波传播模型,移动通信路径损耗区域分类,移动通信路径损耗区域由近及远依次分为：,第四章移动通信信道与预测,第一节移动通信信道特性第二节移动通信各损耗区域分类第三节自由空间传播第四节地面反射传播第五节电波传播模型,无线通信中自由空间传播,第四章移动通信信道与预测,第一节移动通信信道特性第二节移动通信各损耗区域分类第三节自由空间传播第四节地面反射传播第五节电波传播模型,地面反射模型的概念(双线),地面反射模型是指当收、发天线间的第一菲涅尔区落到地面上时，使得接收天线收到地面反射波的模型。在直射波与反射波的共同作用下，随着传播距离的增加信号的衰落速度远大于自由空间损耗。一般的认为：距离增大一倍，信号衰减增加12dB，天线高度每增加一倍传播损耗在相同的距离上即减小6dB。但这是建立在地面反射为1的基础上的。事实上根据收发天线间距离的不同和地面介电常数的不同，双线模型的衰减量也不同。,双线模型与自由空间相对值与距离的关系,双线模型与自由空间相对值与高度、距离的关系,双线模型的成立条件(地形),问题1：此模型是否在任何地形下均成立？不是！上式只适用于存在镜面反射的情况下。对于不规则地面，由于镜面反射不存在而只存在漫反射，上式不成立。上式适用于“准平滑地形”。“准平滑地形”指表面起伏平缓，起伏高度小于或等于20米的地形，平均表面高度差别不大。Okumura将起伏高度定义为距离移动台天线前方10公里内地形起伏10%与90%的差。CCIR定义为收信机前方1050公里处地形高度超过90%与超过10%的差。,双线模型的使用条件,问题2：计算式是否在任何情况下成立？上式只在地面反射系数绝对值为1时才成立。地面反射系数与地面特性以及电波的入射角相关。因此对于一般的地面，曲线斜率一般为小于4。问题3：自由空间与地面反射模型是否是分离的？不是!在靠近基站天线的地方，是不可能形成地面反射的。因为此时两天线间的第一菲涅尔区根本不与地面相交。因此在以内的距离内，电波服从自由空间传输分布。在此距离以远，电波传输服从地面反射模型。,第四章移动通信信道与预测,第一节移动通信信道特性第二节移动通信各损耗区域分类第三节自由空间传播第四节地面反射传播第五节电波传播模型,无线通信常用的传播模型,这些传播模型已