[4G5G专题-64]：RF层 - 无线电磁波的基本原理与传输特性

第1章无线电磁波的基本概念

1.1 电磁波的基本概念

1.2 无线终端对电磁波的发送与接收过程概述

1.3 电磁感应的基本原理回顾

第2章无线电磁波的频谱与频率特性

2.1 电磁波频谱

2.2 4G & 5G的频谱资源

2.3 无线电磁波的频率特性

第3章无线电磁波的传输

3.1 无线电磁波的叠加特性

3.2 无线电磁的空间中的传播途径

3.3 无线电磁的传播环境

第4章无线电磁波的衰减特性

4.1 快衰落

4.2 慢衰落

4.3 无线电磁波的传输损耗

第5章常见的传播模型

5.1 常见的传播模型列表

5.2 自由空间的传播模型

5.3 Okumura模型（低频段宏蜂窝）

5.4 Cost231 - Hata（中频段宏蜂窝）

5.5 微蜂窝模型

5.6 室内模型

5.7 计算机辅助模型

第1章无线电磁波的基本概念

1.1 电磁波的基本概念

电磁波(Electromagnetic wave)是由同相 [1] 且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。

电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。

当其能阶跃迁过辐射临界点，便以光的形式向外辐射，此阶段波体为光子，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态。

电磁波不依靠介质传播。

1.2 无线终端对电磁波的发送与接收过程概述

任何一个无线射频设备，都离不开天线，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射，或者说电磁波。

在发送方向，天线能够把射频设备的产生的高频率的电流信号，转换电磁波，并发送到空气中进行传播。

在接收方向，天线能够捕捉空气中的电磁波，并把电磁波转换成射频设备内部的高频的电流信号。

无线通信，就是利用电磁波的振幅和相位来传递信息的，包括二进制数据！

发送测：

信号发送器：产生电流或电压强度随时间周期变化的正弦波的电信号，变化的频率就是电磁波的频率。

感应线圈：产生的周期性变化的电流信号，感应到天线回路中，天线回路中就产生了同周期变化的电信号。

天线：周期性变化的电信号，通过天线把电信号以电磁波的形式，发送到空口。

接收测：

天线：天线能够感应到空口中变化的电磁场，在天线回路中形成周期性变化的微弱电流。

感应线圈：感应到的周期新变化的微弱电流，通过共轭线圈，感应到信号恢复和放大电路。

信号恢复电路：信号恢复电路丢感应到的周期性变化的微弱电信号，进行放大，还原到原先的周期性变化的电信号。

1.3 电磁感应的基本原理回顾

在上图，磁场的方向垂直传过导线线圈

当磁场稳定不变时，导电线圈中，就产生不了电流。

当磁场发生稳定的线性变化时，导电线圈中就会生产电流强度不变的电流。

当磁场的强度发送周期性的变化的时候，在导电线圈中，会产生电流强度周期性变化的电流。电流流动的方向，就是电场的方向。

示意图如下：

在上图，磁场的方向垂直两个电极平面（电容）

当两个电极平面之间的电场稳定不变时，电极平面之间没有磁场，磁场强度为0

当两个电极平面之间的电场发生稳定的线性变化时，电极平面之间磁场强度保存稳定。

当两个电极平面之间的电场发生稳定的周期性变化时，电极平面之间也跟随发生周期性变化。

示意图如下：

3. 电磁场与电磁波传输

交流变化的电场与变化的磁场总是相生相伴，不可分离。

如果物理空间中，变化的电场，就会在周边产生变化的磁场，变化的磁场有在周边产生变化的电场。于是电磁场就在空间中不断的扩展和传播，每一次传播，都有能量的损耗。这个传播过程形成了电磁波：

无线电磁波是一种信号和能量的传播形式。

无线通信就是利用这种能量的传播，在接收端接收电磁波能量，被根据电磁波的振幅和相位，来识别传输的信息！！！

在传播过程中，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，并交替传播，在空间中电场和磁场相互垂直，且都垂直于传播方向。

这里的关键词是“变化”，有规律的变化。而这里的规律的变化，用数学表示就是正弦函数（包括余弦：正弦90°相移）。

电磁波在传播过程中，其电场的方向按照一定的规律耳变化，这种现象称为极化。

如果电场的方向垂直于地面，这样的电磁波称为垂直极化波。

如果电场的方向平行于地表，这样的电磁波称为水平极化波。

备注：

电场的方向、磁场的方向、电磁波传播的方向，三种相互垂直。

第2章无线电磁波的频谱与频率特性

电磁波一个最重要的属性就是波长或称为频率。

波长：因为电磁波是通过波动以光速向前传播的，那么传输完一个完整的波形，所传输的物理空间的距离，称为波长，即电磁波向前奔跑的“步长”

频率f：1s钟内传输多少个完整的波形，即一秒钟内，电磁波跑了多少个步数。频率越高，小步快跑，频率越大，大步流星！

电磁速度：3*10^8m/s，也就是电磁波以匀速向前“奔跑”。

备注：

无线通信中，利用电磁波传输信息时，一个完整的电磁波才能承载信息。

因此频率越高，在相同的时间内，步数越多，完整的波形越多，可以承载的信息就越多，数据速率越高。

因此频率越低，在相同的时间内，步数越少，完整的波形越少，可以承载的信息就越少，数据速率越低。

2.1 电磁波频谱

2.2 4G & 5G的频谱资源

关于4G & 5G的频谱，请参见：

[4G&5G专题-25]：架构-4G&5G频谱资源大全与详解：

[4G&5G专题-25]：架构-4G&5G频谱资源大全与详解_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客

2.3 无线电磁波的频率特性

低频段用于无线广播电台，高频段用于无线通信
光波也是电磁波
频率越高，其带宽越大，可以承载的数据速率越高，但电磁波的“粒子”性越强，电磁波的绕过障碍物的能力越弱，传输的距离越近，主要用于“高速”数据传输。
频率越低，其带宽越小，可以承载的数据速率越小，但电磁波的“波”性越强，电磁波的绕过障碍物的能力越强，传输的越远，主要用于“广覆盖”

第3章无线电磁波的传输

3.1 无线电磁波的叠加特性

电磁波首先是波，在空间中传输时，符合波的波的特性。

（1）线性叠加性

这是波（确切地讲指线性波，见下）的一个很重要的属性。如果有两列以上的同类波在空间相遇，在共存的空间内，总的波是各个分波的矢量和（即相加时不仅考虑振幅，还考虑相位），而各个分波相互并不影响，分开后仍然保持各自的性质不变。叠加性的依据是，（线性）波的方程的几个解之和仍然是这个方程的解；这个原理称叠加原理

（2）干涉

干涉图样

由于叠加，两列具有相同频率、固定相位差的同类波在空间共存时，会形成振幅相互加强或相互减弱的现象，称为干涉。

相互加强时称为相长干涉，

相互减弱时称为相消干涉。

（3）衍射

波在传播中遇到有很大障碍物或遇到大障碍物中的孔隙时，会绕过障碍物的边缘或孔隙的边缘，呈现路径弯曲，在障碍物或孔隙边缘的背后展衍，这种现象称为波的衍射。

波长相对障碍物或孔隙越大，衍射效应越强。

上图中给出了光波遇到圆孔时所产生的衍射。

（4）反射

波的反射分为两种：自由端反射（反射端不受约束）和固定端反射（反射端受约束）。

波的固定端反射

自由端反射时，反射波与入射波同相（振动状态不变）；

波的自由端反射

固定端反射时，反射波与入射波异相（振动状态相反），反射角与入射角相等。

（5）全向波或圆形波

波以波源（产生波的位置）为中心呈圆形向外扩展，产生圆形波。

波前进的方向一定与波阵面（波峰或波谷间的连线）垂直。平行波可以认为是由圆形波重叠产生的。

波在发散传播的过程，也是能量逐渐发散的过程。

（6）波的折射

当波倾斜地射入不同介质时，速度发生改变，通过界面时的速度变化使得波改变了方向。

（7）驻波

当连续的波在两端不断被反射时，之间产生干涉，就会停止左右运动而产生驻波。

强烈振动的部分被称为波腹，

完全静止的部分被称为波节。

（8）合成与分解

几个波可以叠合成一个总的波，反之，一个波也可以分解为几个波之和。

根据傅里叶级数表示法，任何一个函数都可以表示为一系列不同频率正弦和余弦函数之和，所以任何波形的波都可以归结为一系列不同频率简谐波的叠加。

这种分析方法称频谱分析法，它为认识一些复杂的波动现象提供了一个有力的工具。

（9）衰减

波在传播过程中，除在真空中，是不可能维持它的振幅不变的，遇到任何障碍物，包括空气分子，能够都会被吸收或反弹，能量都会逐渐衰减。

在媒质中传播中，波所带的能量总会因某种机理或快或慢地转换成热能或其他形式的能量，从而不断衰弱，终至消失。

反过来，有时可以人为地把其他形式的能量连续供给传播中的波，如微波行波管中的慢电磁波或压电半导体内的超声波，使这些波不仅不减弱，而且还增强。

但是，如不补给能量，媒质中传播的波总会逐渐衰减的。

这里有以疑问：大量的电磁波在空间的传播，会不会导致大自然温度的微微提升？

不同种类的波在不同种类媒质中的衰减机理是很不一样的。

即使同一种波在同一种媒质里传播时，衰减的机理也可能随频率而异。波同媒质内部某些微观结构的相互作用，引起波的衰减，而这个相互作用也同时导致色散。在这种情况下，衰减和色散是相关联的。

还有的时候，波是分散了，而不是真正的衰弱，一个例是平面波被途中许多小障碍物所折射，一部分转了向，从平面波的原来运动方向看，波的能量变小了。

3.2 无线电磁在空间中的传播途径（奔跑路径）

（1）电磁感应的传播模型

变化的电场产生变化的磁场，变化的再磁场产生变化的电场，就这样，电磁波在交替中进行传播。

（2）无线电磁波在空间中的传输路径

直射
对流层反射
电离层反射
空间物理的反射
绕射

电磁波在传输的过程中，能量逐渐在传播方向上进行分散，减弱。

绕射：当电磁波遇到尖角或薄边的阻挡物会发生绕射。也就是说当电磁波躲不过这个障碍物但是也还不至于被反弹回来的时候，就从这个阻挡物旁边绕过去。这种行为称之为电磁波的绕射。

反射：当无线电磁波遇到远大于波长的障碍物表面的时候会发生反射，这种反射的现象跟我们拿着镜子把光线反射回去的原理是一样的，这种反射一般都是建筑物间的反射。

折射：当电磁波从一种介质斜射入另一种密度不同的介质时，它不会完全反射，而是传播方向发生变化，这时候就会发生电磁波的折射。在无线通信里，这种现象一般出现在电磁波的大气折射中，因为从地面到天空上的空气是越来越稀薄的，空气密度也会呈现一定的梯度变化，所以电磁波在空气中传播时会有大气折射现象的产生。

衍射：当电磁波波长大于或等于障碍物尺寸时会发生电磁波衍射现象，波长越大则衍射现象就越显著。在生活中能观察到最直观的衍射现象是灯光的衍射，我们在黑夜里用一张扎了孔的纸张挡在手电筒前面的时候就能观察到这种现象，它看起来就像是光通过小孔以后突然扩大了照射范围的样子。

全向电磁波发送导致的各种传播路径！！！

3.3 无线电磁的传播环境

（1）平滑地形

（2）不平滑地形

每次发散，都是电磁波能量的分散，能量的衰减。

第4章无线电磁波的衰减特性与应对措施

电磁波在传输过程中，有两大类型的衰落：快衰落和慢衰落

4.1 快衰落

（1）什么是快衰落

快衰落（Fast Fading）：移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象。主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，其变化率比慢衰落快。

快衰落主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，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，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落(short-term-fading）。

快衰落一般服从瑞利（Rayleigh）分布、莱斯（Rice）分布或纳卡迦米（Nakagami）分布。

此外，在很多场景下，快衰落在不同的时间、不同的频率和不同的空间上表现出不同的特性，因此又可细分为时间选择性快衰落、频率选择性快衰落和空间选择性快衰落。

（2）快衰落的种类

（3）对应快衰落的方法：分集

发射端将同一消息的一个或多个信号传递出去，在接收端将该消息的两个或多个受扰不同的信号(或称复制品)利用选择或合并电路恢复传递消息，以获得比任何单个信号所得到的消息质量更好的技术，称为分集。

分集一般分为：频率分集、空间分集、极化分集、角度分集、编码分集、调制分集等。

若按接收机对受扰不同的信号进行选择或合并的方式分类，有最佳选择合并、最大比值合并、等增益合并、开关合并、检波前合并、检波后合并等等

分集技术(Diversity Techniques)就是利用多条传输相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当合并，以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。简单地说，如果一条无线传播路径中经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号，因此可以在多个信号中选择两个或更多的信号进行合并，这样可以同时提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，一般可提高20dB到30dB。

分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选柽与组合)以隆低衰落的影响．

分集的分类

空间分集

也称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集形式之一。要想从不同的天线上获得非相关的接收信号，就要求天线间的间隔距离等于或大于半个波长。在基站的设计中，为了进行分集接收，在每个小区的中心，都装备了多个基站接收天线。但是由于移动台接近地面，容易产生严重的信号散射现象，因此基站处的分集天线之间必须相隔很远(通常是波长的几十倍)，才能实现信号的非相关。空间分集既可用于基站，也可用于移动台，还可同时用于两者。

多个物理天线的发送与接收，且汇聚点在RF端，称为分集，这种分集通常在RF端实现，直接实现高频已调制信号的分与合。

频率分集

在多于一个的载频上传送信号。其工作原理是，在信道相干带宽之外的频率是不相关的，并且不会出现同样的衰落。在理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生衰落概率的乘积。

这种频率分集，通常的汇聚点在基带测，因为RF端通常只接收一定带宽的频率，不同频率上的数据是有基带处理的。

时间分集

是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。时间分集技术已经大量地用于扩频CDMA的RAKE接收机中，由多径信道提供传输冗余信息。

这种时间分集，是在基带物理层实现的，而不是RF端。

极化分集

这种极化分集，通常在RF端实现。

接收分集的合并技术：

分集就对相同的数据实现分与合。

分很容易，直接等量复制就行了，而合在一起，就需要有一定的算法：

4.2 慢衰落

（1）慢衰落概述

慢衰落（Slow Fading）：由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的．这种变化所造成的衰落比多径效应引起的快衰落要慢得多，称为慢衰落。慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大气条件的变化而引起的，通常与频率的关系不大，而主要与气象条件、电路长度、地形等因素有关。慢衰落一般服从对数正态分布。

随着距离的增加，信号的强度在减弱。

（2）应对慢衰落的方法：功率控制

功率控制是在对接收机端的接收信号强度或信噪比等指标进行评估的基础上，适时改变发射功率来补偿无线信道中的路径损耗和衰落，从而既维持了通信质量，又不会对同一无线资源中其他用户产生额外干扰。另外，功率控制使得发射机功率减小，从而延长电池使用时间。

4.3 无线电磁波的传输损耗

（1）散发损耗

电磁在传输过程中，会向越来越大的空间传播，表现在某个方向上，电磁波的能量越来越小。

（2）绕射损耗

绕射损坏的根源是，信号在绕射点，由于有遮挡物，会在绕射点四处扩散，传输到手机端的信号就很弱。

（3）穿透损耗

WdBm：是室内

XdBm：是室外

XdBm - WdBm就是穿透损耗，与信号入射角、障碍物材质、信号的频率等都有关。

常见障碍物的穿透损耗如下：

上图可以看出，电梯的穿透损耗是比较大的，达到30dB左右。