地球表面均勻大氣中的電波傳播

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1、73第3章地球表面均勻大氣中的電波傳播第三章地球表面均勻大氣中的電波傳播3.1引言無(wú)線信道的傳播模型可分為大尺度（Large-Scale）傳播模型和小尺度（Small-Scale）衰落兩種。大尺度衰落描述了長(zhǎng)距離（幾百米甚至更長(zhǎng)）內(nèi)接收信號(hào)的強(qiáng)度的緩慢變化，這些變化是由發(fā)射天線和接收天線之間的傳播路徑上的山坡或湖泊以及建筑物等造成的。一般來(lái)說，大尺度衰落與發(fā)送天線和接收天線之間的距離成反比，且在不同的地區(qū)（如海邊和內(nèi)陸地區(qū)、城市和鄉(xiāng)村）有不同的衰減因子。大尺度衰落可以由天線分集和功率控制得到補(bǔ)償，因此了解大尺度衰落對(duì)于

2、移動(dòng)通信中傳輸技術(shù)和接收設(shè)備的選擇有很大的意義。本章將介紹大尺度傳播中最基本的電波傳播方式，即地球表面均勻大氣中的電波傳播。無(wú)線電波從發(fā)射天線到接收天線的傳播方式有很多種，包括直達(dá)波（即自由空間波），地波（即表面波），對(duì)流層反射波，電離層波等。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間最簡(jiǎn)單的傳播方式就是自由空間傳播。在自由空間傳播中，介質(zhì)是各向同性而且均勻的。衛(wèi)星通信、空間通信和陸上視距通信都是自由空間傳播。另一種傳播方式是地波，地波傳輸可以看成是直達(dá)波、反射波和表面波的綜合。第三種方式產(chǎn)生于對(duì)流層，這里的異類介質(zhì)隨著天氣和季節(jié)的變化而變化

3、，而且其反射系數(shù)隨著高度的增加而減小。這種緩慢變化的反射系數(shù)使電波路徑呈弧狀彎曲。第四種方式是電離層反射。大氣中40英里到400英里高度是電離層。該電離層對(duì)于波長(zhǎng)小于1米的電磁波而言是一種反射體。這種反射傳播可用于長(zhǎng)距離傳播。除了反射，由于折射率的不同，電離層還可以產(chǎn)生電波散射。同對(duì)流層一樣，電離層也具有連續(xù)波動(dòng)性，這種波動(dòng)是隨機(jī)快速波動(dòng)。電波傳播環(huán)境的研究主要針對(duì)于以下三個(gè)問題：1．某個(gè)特定頻段和某種特定環(huán)境中，電波傳播和接收信號(hào)的物理機(jī)制是什么。2．從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)，信號(hào)功率的路徑損耗是多少。該路徑損耗預(yù)測(cè)對(duì)系統(tǒng)的

4、設(shè)計(jì)和規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。3．接收信號(hào)的幅度、相位、多徑分量到達(dá)的時(shí)間和功率是怎樣分布的，其概率分布統(tǒng)計(jì)特性如何。一旦確定了這樣可以針對(duì)信號(hào)衰落統(tǒng)計(jì)特性，就可以研究開發(fā)相應(yīng)的抗衰落技術(shù)。在研究移動(dòng)通信時(shí)，電波傳播環(huán)境的性能特性有著很重要的意義。它將導(dǎo)致兩個(gè)主要的應(yīng)用成果：1．建立傳播預(yù)測(cè)模型。根據(jù)理論分析或測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析或二者的結(jié)合，可以建立各種類型的傳播預(yù)測(cè)模型。在給定頻率、距離、收發(fā)信機(jī)天線高度和環(huán)境特性等參數(shù)時(shí)，可以預(yù)測(cè)出傳播路徑損耗失，該結(jié)果可用于個(gè)人通信中蜂窩小區(qū)的電路規(guī)劃設(shè)計(jì)。2．為實(shí)現(xiàn)信道仿真提供基礎(chǔ)。

5、根據(jù)對(duì)傳播特性的理論研究結(jié)果、測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)電波的傳播過程和傳播特性的仿真。應(yīng)用仿真器，可以進(jìn)行無(wú)線傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，更有效的進(jìn)行調(diào)制解調(diào)技術(shù)、各種抗衰落技術(shù)等無(wú)線傳輸技術(shù)的研究與開發(fā)。在對(duì)無(wú)線電波傳播環(huán)境進(jìn)行研究的過程中，基本研究方法是有：1．理論分析方法，即用電磁波傳播理論預(yù)測(cè)路徑損耗?？刹捎蒙渚€蹤跡跟蹤法，即用射線表示電磁波束的傳播，在確定收發(fā)天線位置及周圍建筑物等環(huán)境特征后，根據(jù)反射、繞射、散射等現(xiàn)象直接尋找出可能的主要傳播路線，并計(jì)算出路徑損耗及其他反映信道特性的參數(shù)。在分析中，往往忽

6、略次要因素，突出主要因素，以建立簡(jiǎn)化的信道傳輸模型。2．73第3章地球表面均勻大氣中的電波傳播現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，即在各種典型傳播環(huán)境中進(jìn)行發(fā)射和接收的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)記錄下接收信號(hào)的各種數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)后，用計(jì)算機(jī)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，尋找出反映傳輸特性的各種參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性。再根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，建立傳輸傳播信道的統(tǒng)計(jì)模型來(lái)進(jìn)行傳輸傳播預(yù)測(cè)。這種方法又稱為沖擊響應(yīng)法。理論分析方法是應(yīng)用電磁傳播的理論來(lái)建立預(yù)測(cè)模型，因而更有普遍性，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度取決于對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳播環(huán)境的描述詳細(xì)程度。在微小區(qū)環(huán)境中，由于基站覆蓋區(qū)域小于1km，因而

7、其傳播環(huán)境具有特定性，即能夠準(zhǔn)確知道樓的位置、高度、街道的走向或者和室內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)等環(huán)境參數(shù)。相比之下，由于宏小區(qū)環(huán)境中的多樣性和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的環(huán)境依賴性，在宏小區(qū)中較難建立具有一定普遍性的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)模型。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法對(duì)環(huán)境的依賴性大，對(duì)測(cè)試設(shè)備的要求高，同時(shí)測(cè)試工作量較大。但由于該方法建立的預(yù)測(cè)模型是從對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析中歸納出來(lái)的，因而在相類似的傳播環(huán)境中，其預(yù)測(cè)值和實(shí)際值較為一致。另外，對(duì)于覆蓋區(qū)域較大的小區(qū)和微小區(qū)而言，每個(gè)基站覆蓋區(qū)域的地域廣、地形地物復(fù)雜，很難用理論方法建立預(yù)測(cè)模型。相比之下，用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和大量

8、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，則能夠建立較好的統(tǒng)計(jì)模型。理論分析和實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)不是對(duì)立的，而是相互聯(lián)系、互為補(bǔ)充的。理論預(yù)測(cè)模型的正確性多用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的規(guī)劃、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)測(cè)結(jié)果分析則是在傳輸理論指導(dǎo)下進(jìn)行的。本章主要討論了地球表面均勻大氣中的電波傳播，其中第二節(jié)介紹了最基本、最理想的自由空間傳播方式；第三、四、五節(jié)分別介紹了反射、繞