無線通信路徑損耗培訓

第三章通信路徑損耗2主要內(nèi)容概述自由空間的傳播模型接收機的場強和功率其它傳播方式及其對傳播損耗的影響路徑損耗模型及實際鏈路的預算設計室外模型室內(nèi)模型其它移動通信信道33.1概述研究信道模型的意義和方法信道特性的分類恒參信道隨參信道信道的傳播模型大尺度傳播模型小尺度衰減模型4移動信道的典型特征小尺度衰落：變化范圍：

30～40dB速率：

40次/s左右大尺度衰落：信號的局部中值；包括傳播損耗和大尺度衰落。5大尺度衰落與小尺度衰落6超短波、微波的傳播特性現(xiàn)代移動通信廣泛使用的波段1G：150MHz、450MHz、900MHz2G：900MHz、1.8GHz3G：2.0GHz和2.4GHzB3G：5.8GHz傳播方式直射波：視距傳輸（LOS）反射波：主要考慮地面的反射，會對直射波產(chǎn)生一定的干擾繞射和散射：高大障礙物阻擋情況下的主要傳播形式。衰落比較大，也會對直射波產(chǎn)生一定的影響。73.2自由空間傳播模型條件理想的均勻介質(zhì)；無阻擋、反射、折射、繞射，無吸收，能量無損耗。由于距離增加時，能量分布面積增大，接收場強仍然會衰減。直射波可近似按此模型進行計算。8接收場強和功率與距離的關系根據(jù)電磁場理論：dKm;fMHzdBm：dBm是一個考征功率絕對值的值，計算公式為：10lgP(功率值/1mw)。1mw=0dBm，1W=30dBm。dBi/dBd：dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個相對值，但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線，dBd的參考基準為偶極子。表示同一個增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2.15。如：GSM900天線增益可以為13dBd（15.15dBi），GSM1800天線增益可以為15dBd（17.15dBi）。1011路徑損耗——定義為有效發(fā)射功率與接收功率之間的差值，可以包括天線增益，也可以不包括，一般以dB計。包括天線增益時，自由空間路徑損耗為：以上僅在遠場適用選擇一個參考距離d0，則自由空間接收功率為：12大氣中的電波傳播在實際的移動信道中，電波是在低層大氣中傳播的，為非均勻介質(zhì)，因此會產(chǎn)生折射和吸收現(xiàn)象。對于超短波波段，折射現(xiàn)象尤為突出它會影響到視距的極限傳播距離。13大氣折射介質(zhì)的折射率：——在不考慮傳導電流和介質(zhì)磁化的情況下，14LOS的極限傳播距離但在實際情況下，最大的傳輸距離～發(fā)射功率、接收機靈敏度、干擾強度153.3接收機的場強和功率線天線的電磁強度：16其中：由于靜電場和感應場衰減很快，在d較大時，可忽略不計。這樣，就可以求出其能流密度Pd（w/m2）和感應電勢（遠場強度）17接收機輸入電壓的定義：Us－天線的感應電勢Rs－天線的等效內(nèi)阻Ri－接收機的阻抗顯然，U≠Us183.4其它傳播方式及其對傳播損耗的影響一、反射波反射的條件：當電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，如果界面的尺寸遠大于電波的波長時，產(chǎn)生反射。反射的表現(xiàn)：反射角＝入射角反射系數(shù)：19地面反射（雙線）模型反射波與直射波的路徑差：202122注：①該公式僅適用于遠距離時的傳播損耗計算；

②23繞射（衍射）定義：發(fā)射機與接收機之間存在障礙（無法直線傳輸），電波傳播到障礙物之后的現(xiàn)象。原理（波動理論）：電波撞擊障礙物的邊緣，形成新的振源，次級波進入陰影區(qū)域。接收機得到的能量為所有次級波能量的總合。

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當發(fā)射機與接收機之間有障礙物時，某些次級波被障礙物阻擋，產(chǎn)生附加損耗——繞射損耗。25繞射波與直射波的路徑差（附加路徑差）26繞射損耗是路徑差的函數(shù)27費涅爾區(qū)的幾何特性費涅爾區(qū)：從發(fā)射機到接收機次級波路徑長度比直線路徑長度大nλ/2的區(qū)域，稱為第n費涅爾區(qū)。28相鄰費涅爾區(qū)之間的相位差為180°一般來說，當障礙物不阻擋第一費涅爾區(qū)時，繞射損耗可以忽略不計。29刃形繞射模型實際環(huán)境：單個障礙物（如：山岳、高大建筑物刃形繞射的三種情況：30結(jié)論：31多重刃形繞射當傳播路徑上的障礙物不止一個時，所有障礙物的繞射損耗都必須計算1.雙峰引起的繞射損耗（布靈頓等效法）：2.多峰引起的繞射損耗：(計算復雜，可參考有關文獻）32散射在實際移動無線環(huán)境中，接收信號比單獨繞射和反射模型預測的要強，這是因為在實際環(huán)境中，當電波遇到粗糙表面時，反射能量由于散射而散布于所有方向，給接收機提供了額外的能量。表面粗糙度的定義33散射對反射系統(tǒng)的影響：對于粗糙表面反射系數(shù)需乘以一個散射系數(shù)（減弱反射場）34雷達有效截面模型：當較大的、遠距離的物體引起散射時，可用雷達有效截面模型對接收場強進行計算。雷達有效截面RCS：在接收方向上，散射信號的功率密度與入射信號的功率密度之比。（RCS可由散射體表面面積近似）雙靜態(tài)雷達公式模型：353.5路徑損耗模型及實際鏈路預算前面介紹的幾種傳播模型（自由空間傳播模型、地面反射雙線模型、繞射模型、散射模型）都是理想化的模型。實際應用環(huán)境非常復雜。實際應用的模型大多都是通過理論分析和實際測試相結(jié)合來獲得。理論分析——針對應用環(huán)境，找出主要的影響因素，建立模型，通過仿真或計算得出傳播模型。實際測量——根據(jù)大量實驗所得測量數(shù)據(jù)，繪出傳播損壞的曲線或擬合成解析式，再抽象出傳播模型。36一、對數(shù)距離路徑損耗模型自由空間損耗模型：地面反射雙線模型：引申——書中給出了幾種典型環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)。37二、對數(shù)正態(tài)陰影模型對數(shù)距離損耗模型未考慮環(huán)境變化的影響。T-R距離相同時，不同位置周圍環(huán)境差別非常大。如果考慮環(huán)境的影響，路徑損耗服從對數(shù)正態(tài)分布，即：

對數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同T-R距離時，不同的隨機陰影效應，——對數(shù)正態(tài)陰影。該模型可用于無線系統(tǒng)設計和分析過程中對任意位置的接收功率進行計算機仿真。38由于PL[d]為正態(tài)分布的隨機變量，對于接收場強常用Q函數(shù)（誤差函數(shù)）表示其超過特定值的概率。39確定覆蓋面積的百分率設：覆蓋區(qū)半徑為r，接收機門限為

則有效服務區(qū)域百分比：403.6室外模型在實際應用中，電波傳播的環(huán)境往往是不規(guī)則的，在計算傳播損耗時，不僅要考慮地形地貌的影響，還要考慮地物的影響?？梢娨苿有诺赖哪Ｐ褪欠浅碗s的。為了描述其信道特性，人們建立了大量的信道模型。這些模型一般都是根據(jù)測試數(shù)據(jù)總結(jié)得到的，旨在預測特定區(qū)域的信號場強。41一、基本概念1.地形的分類（分為兩大類）中等起伏地形——傳播基準地面起伏高度不超過20m，起伏緩慢，峰點與谷點之間的水平距離大于起伏高度。不規(guī)則地形，如：丘陵、孤立山岳、斜坡和水陸混合地形等統(tǒng)稱為不規(guī)則地形。422.地物（或地區(qū)）的分類按照地物的密集程度不同可以分為三類地區(qū)開闊地：在電波傳播的路徑上無高大樹木、建筑物等障礙物，呈開闊狀地面，如農(nóng)田、荒野、廣場、沙漠和戈壁灘等；郊區(qū)：在靠近移動臺近處有些障礙物但不稠密，如有少量的低層房屋或小樹林等市區(qū)：有較密集的建筑物和高層樓房上述三種地區(qū)之間都有過渡區(qū)，但在了解以上三類地區(qū)的傳播情況之后，對過渡區(qū)的傳播情況就可以大致地作出估計。433.天線的有效高度基站：移動臺：天線在當?shù)氐孛娴母叨取?4二、中等起伏地形傳播損耗的中值市區(qū)傳播損耗的中值在計算各種地形、地物上的傳播損耗時，均以中等起伏地形的市區(qū)的損耗中值或場強中值作為基準——基準中值或基本中值。傳播損耗取決于傳播距離d、工作頻率f、基站天線高度和移動臺天線高度等。在大量實驗、統(tǒng)計分析的基礎上，可作出傳播損耗基本中值的預測曲線。45三、Okumura（奧村）模型也稱電波傳播損耗的圖表預測法，是根據(jù)Okumura在東京地區(qū)進行大量實測的基礎上提出來的。它是通過大量的傳播實驗，利用統(tǒng)計的辦法找出各種地形地物條件下的傳播損耗（或接收場強）和距離、頻率、天線高度間的關系，繪制出電波傳播特性的計算圖表，根據(jù)這些圖表可以方便地對接收場強進行預測。應用環(huán)境：頻率150MHz～1920MHz（可擴展到3GHz）距離1km～100km天線高度：30～100046典型中等起伏地上市區(qū)的基本中值Am(f,d)與頻率、距離的關系曲線?；鶞侍炀€高度：基站為200m，移動臺天線高度為3m。曲線上讀出的是基本損耗中值大于自由空間傳播損耗的數(shù)值。隨著頻率升高和距離增大，市區(qū)傳播基本損耗中值都將增加。4748奧村模型確定路徑損耗的方法確定自由空間路徑損耗從曲線讀出Am(f,d)讀出基站天線高度增益因子讀出移動臺天線高度增益因子讀出代表地形地物的修正因子帶入模型進行計算49奧村模型50基站：基站天線高度不是200m，則損耗中值的差異用基站天線高度增益因子Hb(hb,d)

來修正。51移動臺：移動臺天線高度不是3m，則損耗中值的差異用移動臺天線高度增益因子Hm(hm,f)來修正。當移動臺天線較高時，其高度增益還與環(huán)境條件有關。52街道走向修正因子縱向街道的損耗中值明顯小于橫行街道的損耗中值。沿建筑物的“溝道效應”有利于電波的傳播。53郊區(qū)的修正因子郊區(qū)的建筑物一般是分散的、低矮的，故電波傳播條件優(yōu)于市區(qū)。郊區(qū)場強中值與基準場強中值之差稱為郊區(qū)修正因子。郊區(qū)場強中值大于市區(qū)場強中值。54開闊地、準開闊地修正因子開闊地、準開闊地（開闊地與郊區(qū)間的過渡區(qū)）傳播條件優(yōu)于市區(qū)為了求出郊區(qū)、開闊區(qū)及準開闊區(qū)的損耗中值，應先求出相應的市區(qū)傳播損耗中值，再減去由圖查得的修正因子。55丘陵地的修正因子丘陵地的地形參數(shù)用地形起伏高度△h表示。定義：自接收點向發(fā)射點延伸10km的范圍內(nèi)，地形起伏的90％與10％的高度差為△h。56孤立山岳修正因子57斜波地形修正因子58水陸混合路徑修正因子59Okumura模型的特點與不足：Okumura模型對地形、地物進行分類，使用完全客觀的實驗數(shù)據(jù)使其能在相應的環(huán)境下獲得較準確的預測，因此得到廣泛的應用。完全基于測試數(shù)據(jù)，不提供任何分析解釋。許多情況通過外推曲線來獲得測試范圍以外的值，盡管這種外推法的正確性依賴于環(huán)境和曲線的平滑性。模型本身也有不足，如對地形的定性劃分不可避免地導致對通信環(huán)境的主觀判斷。對城區(qū)和郊區(qū)快速變化的反應較慢。60例題某一移動信道，工作頻段為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動臺天線高度為3m，天線增益為0dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為中等起伏地，通信距離為10km。試求：(1)傳播路徑損耗中值；(2)若基站發(fā)射機送至天線的信號功率為10W，求移動臺天線得到的信號功率中值。61解答(1)根據(jù)已知條件，可得自由空間傳播損耗：Lfs

=

99.5dB查得市區(qū)基本損耗中值

Am(f,d)=27dB基站天線高度增益因子

Hb(hb,d)=-12dB移動臺天線高度增益因子Hm(hm,f)=0dB得傳播路徑損耗中值為LT=99.5+27-（-12）=138.5dB62（2）PT=10lg(10)=10dBWPr=PT-LT=10-138.5=-128.5dBW=-98.5dBm若上題改為郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，郊區(qū)修正因子Kmr=12.5dB，斜坡修正因子Ksp=3dB傳播路徑損耗中值為LA=LT-KT=LT-(Kmr+Ksp)=138.5-15.5=123dBPr=PT-LT=10-123=-113dBW=-83dBm63四、Hata模型根據(jù)Okumura模型所作的經(jīng)驗公式，將市區(qū)的傳播損耗表示為一個標準的公式和一個應用于其他不同環(huán)境的附加校正公式。

市區(qū)路徑損耗公式：64移動臺天線修正因子：郊區(qū)路徑損耗：農(nóng)村路徑損耗：65Hata模型的PCS擴展科學和技術(shù)研究歐洲協(xié)會(EURO-COST)開發(fā)Hata模型的PCS擴展版本。應用環(huán)境：66五、Longley-Rice模型應用范圍：頻率：40MHz～100GHz；各種地形；點對點通信。應用理論：幾何光學理論（地面反射雙線模型、刃形繞射模型）對流層散射理論（長距離對流層散射預測）雙地平線路徑對遠地繞射損耗預測。67應用方式：有詳細的地形地貌數(shù)據(jù)時：確定特定的路徑參數(shù)，實現(xiàn)點對點的預測；無詳細的地形地貌數(shù)據(jù)時：估計特定路徑的參數(shù)（區(qū)域預測）缺點：沒有考慮接收機附近環(huán)境雜波的影響；沒有考慮多徑傳播。改進：增加“城區(qū)因子”，補償在城區(qū)時接收機附近的雜波引起的額外衰落。68六、Durkin模型類似于Longley-Rice模型的典型傳播預測。應用環(huán)境：預測大尺度路徑損耗；研究不規(guī)則地區(qū)的電波傳播損耗。仿真過程：訪問地形數(shù)據(jù)庫（二維陣列），并沿著發(fā)射機到接收機的路徑重構(gòu)地形地貌信息；計算沿徑向路徑的損耗重復執(zhí)行，可構(gòu)造服務區(qū)不同位置信號場強的輪廓69損耗的計算計算路徑上所有點的繞射損耗的計算：1）視距：2）非視距：a.單繞射邊；b.雙繞射邊；c.三繞射邊；d.多繞射邊；70七、寬帶PCS微蜂窩模型Fwuwestein等人在1900MHz頻段上測試了典型微蜂窩系統(tǒng)的傳播參數(shù)，證實：對于LOS環(huán)境，地面反射雙線模型最佳71發(fā)射機天線高度1900MHzLOS1900MHzOBSn1n2σnσ低(3.7m)2.183.298.762.589.31中(8.5m)2.173.367.882.567.67高(13.3m)2.074.168.772.697.94對于OBS環(huán)境，簡化的對數(shù)距離路徑損耗模型最佳。72八、其它室外模型Walfish和Bertoni模型考慮了屋頂和建筑物高度的影響。路徑損耗：733.7室內(nèi)傳播模型隨著PCS系統(tǒng)的使用，室內(nèi)無線傳播情況受到人們的重視。主要特點：(機理同室外：直射、反射、繞射和散射）覆蓋距離小，遠場條件難以滿足；環(huán)境變動大，如：開關門、物品布局、人員走動等?？紤]因素：同樓層分隔損耗：隔墻材料、類型。建筑物外部面積/材料、建筑物類型、窗口大小/數(shù)量。74對數(shù)距離路徑損耗模型：75Ericcson多重斷點模型適用于多層辦公室建筑。模型假定參考距離處的衰減為30dB，頻率為900Mhz。76衰減因子模型773.8其它移動通信信道背景隨著移動通信業(yè)務的發(fā)展，移動通信的服務范圍也日益擴大。在陸地、海上和空中都獲得了廣泛應用，正逐步由室外擴展到室內(nèi)(如辦分室、住宅、車間、商場等)從地上擴展到地下（如地鐵、坑道、隧道、礦井等）從中小城市擴展到邊遠地區(qū)（如礦山、林區(qū)、沙漠、草原等）要在不同環(huán)境中實現(xiàn)移動通信，首先必須了解無線電波在該環(huán)境中的傳播方式和傳播特性。78一、建筑物的穿透損耗無論哪種通信系統(tǒng)只要無線電波要穿過墻壁或樓板才能通信時，就必須存在電波的穿透損耗，即建筑物的穿透損耗。人們對電波由建筑物外部進入室內(nèi)的穿透損耗進行了大量的測試和研究。通常規(guī)定，用建筑物附近道路中央的場強與在室內(nèi)不同樓層中測得的場強之差表示此穿透損耗。影響因素：建筑物高度工作頻率基站天線高度79結(jié)論f↑→損耗↓層高的影響：Walk