02 无线电波传播理论
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典型值 (µ Open < 0.2, Suburban = 0.5, Urban = 3 s): 解 决
均衡、RAKE技术
Doppler频移
Doppler效应的例子：火车经过你的身边
移动通信中的Doppler频移
f1 f3
V：移动台速度 ：信号到达角度
f2 V(km /h)
损耗
• 绕射损耗 T T R • 穿透损耗
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：
L fs 10 log(
Pr Pt
1 G t G r
) 20 log(
4 d
) (dB )
L fs 32 .45 20 log (d km ) 20 log (f MHz ) (dB )
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
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：
P fs
Prad 4 d
2
(W/m
2
)
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：
P fs
Pt G t 4 d
2
(W/m
2
)
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：
Ae
2
4
G r
(m )
2
因此在距离d处接收到的功率为：
Pr P fs来自百度文库 A e
Pt G t 4 d
2
Gr
2
4
2 2
(4 d)
P t G t G r (W )
无线传播的特点
陆地移动通信的电波传播机制 LOS和NLOS
实际环境的无线传 播
①建筑物反射波 ②绕射波 ③直射波 ④地面反射波
无线信道特征
无线信道随用户的位置 和时间而变化 -20 多径散射、阴影遮挡使 得接收功率发生剧烈变 -40 化 -60 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
Pr (dBm)
快衰落 慢衰落
10
20
30
d (m)
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
• 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-R P.1411-1，结合中国国情，分类如下
传播环境 密集城区 描述 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
ε 0μ 0
ε μ
E2
θ θ
WdBm
XdBm
E1
电磁波穿透墙体的反射和折射
穿透损耗=X-W=B dB
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
反射损耗
地面性质
水面
稻田
田野
城市、山地、森 林
等效地面反射系数
反射损耗（dB）
0.9～1
0～1
0.6～0.8
2～4
0.3～0.5
6～10
0.1～0.2
14～20
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
振 子 电场
磁场 电场 电波传输方向
磁场 电场
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
无线电波传播理论
WCDMA网络规划组制作
无线电波波段划分
波段 极长波（EFL，极低频） 特长波（SLF，特低频） 超长波（ULF，超低频） 甚长波（VLF，甚低频） 长波（LF，低频） 中波（MF，中频） 短波（HF，高频） 超短波（VHF，甚高频） 分米波（UHF，超高频） 厘米波（SHF，特高频） 微波 毫米波（EHF，极高频） 亚毫米波（超极高频） 30～300GHz 300～3000GHz 10～1 mm 1～0.1 mm 频率范围 3～30Hz 30～300Hz 300～3000Hz 3～30kHz 30～300kHz 300～3000kHz 3～30MHz 30～300MHz 300～3000MHz 3～30GHz
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…
－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(0.26µ s)才能被识别
5
波长范围 10 ～10 km 10 ～10 km 10 ～10 km 10 ～10 km 10～1 km 10 ～10 m 10 ～10 m 10～1 m 10 ～10 cm 10～1 cm
2 2 3 2 2 3 2 4 3 4
不同的频段内的频率具有不同的传播特性
注：上表摘自 潘仲英所著《电磁波、天线与电波传播》。
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。
R
• 地物损耗
绕射损耗
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
穿透损耗
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
d w1 D w2 ε 0μ 0
郊区
乡村 山区
建筑物较低矮，且较稀疏
建筑物低矮，稀疏，植被较多
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 >500 m 典型天线安装位置 天线安装于室外，高于周围屋顶平均高度
Macro-cell
Micro-cell
Pico-cell
100~500m
<100m
天线安装于室外，低于周围屋顶平均高度
均衡、RAKE技术
Doppler频移
Doppler效应的例子：火车经过你的身边
移动通信中的Doppler频移
f1 f3
V：移动台速度 ：信号到达角度
f2 V(km /h)
损耗
• 绕射损耗 T T R • 穿透损耗
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：
L fs 10 log(
Pr Pt
1 G t G r
) 20 log(
4 d
) (dB )
L fs 32 .45 20 log (d km ) 20 log (f MHz ) (dB )
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
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：
P fs
Prad 4 d
2
(W/m
2
)
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：
P fs
Pt G t 4 d
2
(W/m
2
)
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：
Ae
2
4
G r
(m )
2
因此在距离d处接收到的功率为：
Pr P fs来自百度文库 A e
Pt G t 4 d
2
Gr
2
4
2 2
(4 d)
P t G t G r (W )
无线传播的特点
陆地移动通信的电波传播机制 LOS和NLOS
实际环境的无线传 播
①建筑物反射波 ②绕射波 ③直射波 ④地面反射波
无线信道特征
无线信道随用户的位置 和时间而变化 -20 多径散射、阴影遮挡使 得接收功率发生剧烈变 -40 化 -60 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
Pr (dBm)
快衰落 慢衰落
10
20
30
d (m)
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
• 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-R P.1411-1，结合中国国情，分类如下
传播环境 密集城区 描述 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
ε 0μ 0
ε μ
E2
θ θ
WdBm
XdBm
E1
电磁波穿透墙体的反射和折射
穿透损耗=X-W=B dB
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
反射损耗
地面性质
水面
稻田
田野
城市、山地、森 林
等效地面反射系数
反射损耗（dB）
0.9～1
0～1
0.6～0.8
2～4
0.3～0.5
6～10
0.1～0.2
14～20
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
振 子 电场
磁场 电场 电波传输方向
磁场 电场
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
无线电波传播理论
WCDMA网络规划组制作
无线电波波段划分
波段 极长波（EFL，极低频） 特长波（SLF，特低频） 超长波（ULF，超低频） 甚长波（VLF，甚低频） 长波（LF，低频） 中波（MF，中频） 短波（HF，高频） 超短波（VHF，甚高频） 分米波（UHF，超高频） 厘米波（SHF，特高频） 微波 毫米波（EHF，极高频） 亚毫米波（超极高频） 30～300GHz 300～3000GHz 10～1 mm 1～0.1 mm 频率范围 3～30Hz 30～300Hz 300～3000Hz 3～30kHz 30～300kHz 300～3000kHz 3～30MHz 30～300MHz 300～3000MHz 3～30GHz
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…
－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(0.26µ s)才能被识别
5
波长范围 10 ～10 km 10 ～10 km 10 ～10 km 10 ～10 km 10～1 km 10 ～10 m 10 ～10 m 10～1 m 10 ～10 cm 10～1 cm
2 2 3 2 2 3 2 4 3 4
不同的频段内的频率具有不同的传播特性
注：上表摘自 潘仲英所著《电磁波、天线与电波传播》。
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。
R
• 地物损耗
绕射损耗
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
穿透损耗
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
d w1 D w2 ε 0μ 0
郊区
乡村 山区
建筑物较低矮，且较稀疏
建筑物低矮，稀疏，植被较多
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 >500 m 典型天线安装位置 天线安装于室外，高于周围屋顶平均高度
Macro-cell
Micro-cell
Pico-cell
100~500m
<100m
天线安装于室外，低于周围屋顶平均高度