02 无线电波传播理论

无线电波传播理论WCDMA网络规划组制作无线电波波段划分不同的频段内的频率具有不同的传播特性波段频率范围波长范围极长波（EFL，极低频）3～30Hz105～104km特长波（SLF，特低频）30～300Hz104～103km超长波（ULF，超低频）300～3000Hz103～102km甚长波（VLF，甚低频）3～30kHz102～10km长波（LF，低频）30～300kHz10～1km中波（MF，中频）300～3000kHz103～102m短波（HF，高频）3～30MHz102～10m超短波（VHF，甚高频）30～300MHz10～1m分米波（UHF，超高频）300～3000MHz102～10cm厘米波（SHF，特高频）3～30GHz10～1cm毫米波（EHF，极高频）30～300GHz10～1mm微波亚毫米波（超极高频）300～3000GHz1～0.1mm注：上表摘自潘仲英所著《电磁波、天线与电波传播》。电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场电磁波的产生根据Maxwell方程组：空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，电微波在真空中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。光和电磁波在本质上是相同的，光是一定波长的电磁波。电磁波的传播池塘中的波纹：能量从源点向四周传播，并逐渐减弱电磁波的传播与此类似，不同之处（当辐射源是各向同性的理想点源时）：在三维空间以球面波的形式传播传播介质不同，空气、障碍物、反射物无线传播的理论基础在自由空间中，由点源发射的正弦波向各个方向辐射球面波，此时该点源称为各向同性辐射源假设点源发射功率为Prad(W)，在距离d(m)处的单位面积功率（即Poynting矢量）为：对于实际天线，若辐射功率为Pt(W)，天线增益为Gt(dBi)，则Poynting矢量为：)(W/m422dPPradfs)(W/m422dGPPttfs无线传播的理论基础若接收天线有效接收面积为Ae(m2)，增益为Gr(dBi)，则两者关系：)(mG42r2eA因此在距离d处接收到的功率为：)(WGGPd)(444rtt2222rttefsrGdGPAPP无线网络规划、设计的理论基础是传播损耗，自由空间传播损耗为：)(dB)d4log(20)GG1log(10rttrfsPPL)(dBlog20log204532)(f)(d.LMHzkmfs其它传播模型都是以自由空间传播模型为理论基础发展起来的①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波无线传播的特点陆地移动通信的电波传播机制实际环境的无线传播LOS和NLOS无线信道特征d(m)Pr(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落无线信道随用户的位置和时间而变化多径散射、阴影遮挡使得接收功率发生剧烈变化慢衰落•衰减：Pr正比于1/dn•阴影：障碍物遮挡快衰落•多径效应在很小的距离间隔和时间间隔上，信号强度快速变化产生Doppler频移产生时延扩展分集技术抗快衰落措施－分集技术－显分集•空间分集•极化分集•频率分集：GSM--跳频，WCDMA--扩频技术•其它：方向性分集、场分集、发射分集－隐分集•隐分集即是利用信号处理技术将分集作用隐含在被传输信号之中，如RAKE接收技术、信道交织、纠错编码等•可看作时间分集时延扩展多径传播：不同路径的信号到达接收机的时间不同当多径信号不能被接收机区分时就产生同信道干扰（CCI），对于WCDMA系统，多径时延必须大于一个码片周期(0.26µs)才能被识别典型值(µs):Open0.2,Suburban=0.5,Urban=3解决均衡、RAKE技术Doppler频移Doppler效应的例子：火车经过你的身边f1f2f3V(km/h)移动通信中的Doppler频移V：移动台速度：信号到达角度TRTR•绕射损耗•穿透损耗•地物损耗损耗特点电磁波在绕射点四处扩散绕射波覆盖除障碍物外的所有方向扩散损耗最为严重计算公式复杂，随不同绕射常数变化绕射损耗θθε0μ0εμε0μ0dDw1w2E1E2XdBmWdBm穿透损耗=X-W=BdB电磁波穿透墙体的反射和折射室内信号取决于建筑物的穿透损耗室内窗口处与室内中部信号差别较大建筑物材质对穿透损耗影响较大电磁波的入射角对穿透损耗影响较大穿透损耗•物体阻挡/穿透损耗为：隔墙阻挡：5～20dB楼层阻挡：＞20dB，室内损耗值是楼层高度的函数，-1.9dB/层家具和其它障碍物的阻挡：2～15dB厚玻璃：6～10dB火车车厢的穿透损耗为：15～30dB电梯的穿透损耗：30dB左右茂密树叶损耗：10dB穿透损耗地面性质水面稻田田野城市、山地、森林等效地面反射系数0.9～10.6～0.80.3～0.50.1～0.2反射损耗（dB）0～12～46～1014～20反射损耗无线传播环境电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定传播模型的选取。影响传播环境的主要因素：•地貌：高山、丘陵、平原、水域、植被•地物：建筑物、道路、桥梁•噪声：自然噪声、人为噪声•气候：雨、雪、冰（对UHF频段影响微小）无线传播环境传播环境分类参照ITU-RP.1411-1，结合中国国情，分类如下传播环境描述密集城区高楼林立，信号几乎不可能从建筑物屋顶绕射传播普通城区街道较宽，建筑物较低，信号可以从屋顶绕射郊区建筑物较低矮，且较稀疏乡村建筑物低矮，稀疏，植被较多山区公路室内无线传播环境传播环境分类对应的小区类型小区类型小区半径典型天线安装位置Macro-cell500m天线安装于室外，高于周围屋顶平均高度Micro-cell100~500m天线安装于室外，低于周围屋顶平均高度Pico-cell100m天线安装于室内或室外，低于周围所有屋顶高度其它新的小区分类，如Mini-cell…