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视距通信

通信名词

我们通常将无线通信系统的传播条件分成视距(LOS)和非视距(NLOS)两种环境。视距条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间直线传播，这要求在第一菲涅尔区(First Fresnel zone)内没有对无线电波造成遮挡的物体，如果条件不满足，信号强度就会明显下降。菲涅尔区的大小取决于无线电波的频率及收发信机间距离。利用以视距传播方式的无线电波进行信息传输的通信，即为视距通信。电波在以视距传播方式进行传播时，会受到地面和地面物对电波的绕射、反射和散射，大气层对电波的折射、反射、吸收和散射，以及由其引起的信号幅度衰落、多经延时、到达角起伏和去极化现象。

背景
1.视距和非视距
无线电波频率越高，波长越短，波的绕射能力越弱，遇到障碍物的时候就容易被阻隔，所以只能靠直线传播。
10GHz-66GHz是视距，2-11GHz是非视距。802.16d可支持10GHz-66GHz的视距传播频段以及11GHz以下的非视距传播频段。对于10GHz-66GHz的视距传播频段，由于其终端要有室外天线，其应用主要为中小企业提供Backhaul的无线传输，对于11GHz以下的非视距传播频段，由于能实现室内覆盖，其应用主要集中在为个人用户提供宽带数据业务。除此之外，802.16d还可以实现企业wi-fi热点区域的传输功能，以及局域网互联，数据专线、宽带业务和基站互联等。
视距传播是人们最早认识并利用的电波传播方式。第二次世界大战前，视距传播仅用于超短波以下频率。战时，厘米波雷达和地面微波中继通信得到发展，战后发展尤为迅速。利用视距传播的微波中继通信和卫星通信电路已遍世界各地，成为远距离大容量通信的主要方式。
视距传播原理
自由空间传播的菲涅尔区
理论和实践都已证明，可以把电波传播所经历的空间区域分成重要的空间区域和非重要的空间区域。前者是指对传播到接收点的能量起主要作用的部分空间，而后者是指其余的空间区域，它对电波传播的影响不明显。因此，只要前一种区域符合自由空间的条件，就可以认为电波是在自由空间内传播。
而工程实践中常常把第一菲涅尔区和最小菲涅尔区当作对电波传播最主要作用的空间区域，只要它们不被阻挡，就可获得近似自由空间传播的条件。
最小菲涅尔区的计算公式为
式中，d为收发两点的距离。
d1和d2分别为计算点到收发两点的距离。
视距距离
由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。视线所能达到的最远距离就称为视线距离d0。
式中，h1和h2分别为收发天线的高度。
实际上，直射电波传播所能达到的距离应考虑到大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响，求视距距离的公式应考虑到气象因子的影响，公式修正为
式中，k为气象因子。
视距通信应保证第一菲涅尔区0.6倍焦距内无障碍物。如下图1所示。
而在有障碍物的情况下，无线信号只能通过反射，散射和衍射方式到达接收端，我们称之为非视距通信。此时的无线信号通过多种途径被接收，而多径效应会带来时延不同步、信号衰减、极化改变、链路不稳定等一系列问题。如图2所示，为非视距通信。
视距传播的基本模型
按照第一菲涅尔区是否被地形、地物遮挡来考虑地形对电波的影响，可将视距传播模型划分为：
（1）第一菲涅尔区完全没有被遮挡
此时收发两点之间的距离一般满足d<0.7d0。即处于亮区当中。传播的衰减中值除了自由空间传播衰减外，主要考虑地面反射波的干涉衰减Ai。
（2）第一菲涅尔区部分被遮挡
此时收发两点之间的距离一般你满足0.7d0
（3）第一菲涅尔区完全被遮挡
此种情况一般是因为天线架设高度不够高，或通信距离较远，接收点落到了阴影区里。此时传播主要以绕射为主，具体计算很复杂，地形对其的影响还要根据具体的实际情况进行分析。
视距传播的研究内容
视距传播研究的主要内容有：地面和地物对电波的绕射、反射和散射；大气层，特别是近地对流层（包括层结）对电波的折射、反射、吸收和散射；大气层水汽凝结体（雨、雾、云、雪、雹等）和沙暴、尘埃、鸟群等悬浮物对电波的吸收和散射；以及由上述传播机理所引起的信号幅度衰落、多径时延、到达角起伏和去极化现象。
大气折射率梯度的随机变化引起电路空隙的随机变化,从而导致接收信号的随机变化,形成障碍衰落。克服障碍衰落的办法是保证在极端负折射的情况（一般相应于K=2/3或大气折射率梯度为78.5N单位/公里）下射线有足够的空隙。
大气折射是影响视距传播效果的主要因素。在10吉赫以上的频率上，大气、大气层中水汽凝结体和悬浮物的吸收和散射是重要的。
广义说来，地-空和空-空传播也属视距传播。在这些传播方式中，主要考虑大气和大气层中沉降物的影响，地面、地物和近地对流层的影响比地面视距传播的小，有时甚至可以忽略不计。
视距通信分类
按传播方式不同，视距传播可分为以下2类：
第一类是直射波传播，由发射天线辐射的电波，像光线一样按直线行进，直接传到接收点的传播方式。
第二类是大地反射波传播，由发射天线发射、经地面反射到达接收点的传播方式。
视距传播是上述两种传播方式的统称，在接收点接收的电波一般是直射波与大地反射波的合成。
按照收、发两端所处的空间位置不同，视距传播情况大体上可分为3类：
第一类是指地面上的视距传播，例如无线电中继通信、电视广播以及地面上移动通信等；
第二类是指地面与空中目标如飞机、通信卫星之间的视距传播；
第三类是指空间通信系统之间的视距通信，如飞机之间、宇宙飞行器之间等。
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