无线射频基础知识-无线传播原理与传播模型

在GSM移动通信中，采用跳频这种扩频方式来获得跳频增益； 在CDMA移动通信中，由于每个信道都工作在较宽频段，本身就是一种扩频通信。
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在研究传播时，特定收信机功率接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形 干扰，传播信号减小，这种信号强度减小称为传播损耗。
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P-14

穿透损耗代表信号穿透建筑物的能力，不同结构的建筑物对信号的影响非常大。同一建 筑物对长波长（低频）产生的穿透损耗大于短波长（高频）。

常见场景下的穿透损耗经验值如下：

隔墙阻挡：5~20dB 室外基站覆盖高层建筑室内，穿透损耗值是楼层高度的函数：-1.9dB/层 家具等室内障碍物的阻挡： 2~15dB 厚玻璃： 6~10dB 楼层阻挡：＞20dB 电梯的穿透损耗：30dB左右 茂密树叶损耗：10dB 火车车厢的穿透损耗为：15~30dB
慢衰落损耗是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影 效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而 产生的损耗，一般遵从对数正态分布。 快衰落损耗是由于多径传播而产生的损耗，它反映微观小范围内数十波长量级 接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从瑞利分布或莱斯分布。快衰落又 可以细分为以下3类：


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当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，无线电波绕过障碍物而传播的 现象称为绕射。

绕射时，波的路径会发生改变或弯曲，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻 挡体的背面。所以，绕射波是建筑物内部等阴影区域信号的主要电波来源。
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在一个典型的蜂窝移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑物或其 他物体所阻碍，所以，在蜂窝基站与移动台之间的通信往往不是通过直达路径，而是通 过许多其他路径完成的。在UHF频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散 射，即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射，如图所示。 所有的信号分量合成产生一个复合波，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波长的距离中会有20～30dB的变化，其最大值和最小值 发生的位置大约相差1/4波长。这种由于不同传播路径信号合成产生的信号波动，称为 多径效应或快衰落。
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P-1
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P-2
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P-3

无线传播原理是进行移动通信系统工程设计与研究、频谱有效利用、电磁兼容性等课题 所必须了解和掌握的基本理论。
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地形地物的种类千差万别，对移动通信电波传播损耗的影响也是错综复杂的。在实际应 用中是不可能存在绝对的平坦地形的。对于复杂的地形一般可分为两类，即“准平滑地 形”和“不规则地形”。 “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10～50公里处地形高度超过90%与超过10%的差。 除此以外的其它地形统称为“不规则地形”，按其状态可分为：丘陵地形、孤立山岳、 倾斜地形和水陆混合地形等。
-1.9dB -1.9dB
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自由空间指该区域是各向同性（沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）。

在地表附近，无线电波的传播主要表现为地波传播。地波传播可看作是直射波和地面反 射波的综合。
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直射波和反射波叠加的结果可能使信号加强，也可能使信号减弱，即所谓的多 径效应。 绕射波的强度受传播环境影响很大，且频率越高，绕射信号越弱。
绕射损耗不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关：频率越 高，建筑物越高、越近，绕射损耗越大；相反，频率越低，建筑物越矮、越远，绕射损 耗越小。因此，选择基站站址时，需要考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努 力加以避免。


预测路径损耗时，把这些障碍物看作尖形障碍，即“刃形”，可以用物理光学中常用的 方法计算损耗，不过，计算公式非常复杂。
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空间分集：采用主分集天线接收的办法来解决快衰落问题。基站的接收机对主分集通道 分别接收到的的信号进行处理（一般采取最大似然法），接收的效果由主分集天线接收 的不相关性所保证。

所谓不相关性是指：主集天线接收到的信号与分集天线的接收信号不具有同时 衰减的特性，这也就要求采用空间分集时主分集天线之间的间距大于10倍的无 线信号波长，或者采用极化分集的办法，保证主分集天线接收到的信号不具有 相同的衰减特性。
从公式可以推导出以下结论：


无线电波在地面传播时，在同样的传播距离上，其传播损耗比自由空间传播时 要大得多：当取值为4时，距离d加倍，传播损耗增加12dB，即：信号衰减16 倍； 增加天线高度，可以减少传播损耗。

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电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。 描述电磁场的基本理论，是大家耳熟能详的“麦克斯韦方程组”：Maxwell's equations


No.1 方程：描述了电场的性质。 No.2 方程：描述了磁场的性质。 No.3 方程：描述了变化的磁场激发电场的规律。 No.4 方程：描述了变化的电场激发磁场的规律。 λ（波长）＝Ｖ（速度）/ｆ（频率）

在不同的频段内的频率具有不同的传播特性：


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无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直射波或地面反射波、绕射波、 对流层反射波、电离层反射波。

发射机与接收机间最简单的传播方式是自由空间传播，即所谓的直达波或视距波，可用 于卫星和外部空间通信，或者用于陆上视距传播（两个微波塔之间）。

随机

空间选择性衰落：不同的地点，不同的传输路径衰落特性不一样。
时间选择性衰落：用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率 扩散，从而引起时间选择性衰落。 频率选择性衰落：不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散，从而引 起频率选择性衰落。


衰落会降低通信系统的性能，为了对抗衰落，可以采用多种措施，常用方法有空间分集， 频率分集，时间分集等。

对于移动台（手机）而言，因为只有一根天线，因而不具有空间分集功能。 基站接收机对一定时间范围（时间窗）内不同时延信号的均衡能力也是一种空 间分集的形式。 CDMA通信中软切换时，移动台与多个基站同时联系，从中选取最好的信号送给

交换机，同样是一种空间分集的形式。

时间分集：采用符号交织、检错和纠错编码等方法。不同编码所具备的抗衰落特性不一 样，这也是当今移动通信研究的前沿课题。 频率分集：采取扩频方式来解决快衰落。频率分集理论的基础是相关带宽，即当两个频 率相隔一定间隔后，就认为他们的空间衰落特性是不相关的。移动通信频段，大量数据 表明，两个频率间隔大于200KHz，就可获得这种不相关性。
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UHF频段与其他频段相比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好，因此被广泛应用于移 动通信领域。当然，随着人们对移动通信的需求越来越多，需要的容量越来越大，移动 通信系统必然要向高频段发展。 除了以上的频带划分方法外，对于UHF以上频段，还有一种按照“雷达波段”的划分方 法，使用也比较普遍：


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无线信道是随机时变信道，信号在无线信道中传播，会产生传播损耗（路径损耗），慢 衰落（阴影衰落），快衰落。

可预知

传播损耗是指在空间传播所产生的损耗，它描述了由于移动用户与基站之间相 对距离产生变化而引起的损耗的变化，主要与无线电波频率以及移动用户与基 站之间的距离有关。

P波段：230~1000MHz； L波段：1000MHz~2000MHz；

大家熟知的GPS系统，其工作频率就在此波段（1575MHz左右）；

S波段：2000MHz~4000MHz； C波段：4000MHz~8000MHz；目前主要用于卫星电视转播； X波段：8000MHz~12.5GHz；目前主要用于微波中继； Ku波段：12.5GHz~18GHz；目前主要用于微波中继和卫星电视转播； K波段：18GHz~26.5GHz； Ka波段：26.5GHz~40GHz； 频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力越强。但是，低频段频率 资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、电视、寻呼等系统。 高频段频率资源丰富，系统容量大；但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离 越近，绕射能力越弱。另外频率越高，技术难度越大，系统的成本也相应提高。

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁 场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场。

在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有 能量辐射出去；在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路， 于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介 质也能向外传递能量，这就是一种辐射。

在研究电波传播时，首先要研究两个天线在自由空间（各向同性，无吸收，电导率为零 的均匀介质）条件下的特性，即：自由空间的传播损耗。
从公式中可以推导出以下结论：


6/3dB=2
2^2=4
当距离d加倍时，自由空间传播损耗增加6dB，即：信号衰减4倍； 当频率f加倍时，自由空间传播损耗增加6dB，即：信号衰减4倍；

在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计 算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传 播特性的研究、了解和据此得到的传播模型进行场强预测。
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无线电波的波长、频率和传播速度的关系，可以用以下公式表示： 无线电波在真空中的传播速度为光速c（3E+8米 / 秒）；在介质中的传播速度小 于光速。不过，实际计算波长时，为了方便起见，通常忽略介质的影响，以光 速计算。

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有了自由空间的传播损耗公式后，考虑在平坦的，但不理想的表面上2个天线之间的实 际传播情况，得到以上公式。

当已知工作频率时，可以以L0来表示与频率相关的损耗； 称为路径损耗斜率，在实际的 蜂窝系统中，根据测量结果显示， 的取值范围一般在3～5之间。

绕射波是建筑物内部等阴影区域信号的主要电波来源。


对流层反射波产生于对流层，主要应用于波长小于10米（即频率大于30MHz）的无线 通信中。

对流层是异类介质，会根据天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加 而减少，这种缓慢变化的反射系数会使电波弯曲，而且在传播时具有较大的随 机性。

当电波波长小于1米（频率大于300MHz）时，电离层是反射体，从电离层反射的电波 可能有一个或多个跳跃，因此这种传播用于长距离通信。同对流层一样，电离层也具有 连续波动的特性。