《無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第02章 大尺度路徑損耗

大尺度路徑損耗第二章室內(nèi)路徑損耗模型05無線電傳播特性02大尺度路徑損耗模型03室外路徑損耗模型04目錄CONTENTS天線基礎(chǔ)知識01前言INTRODUCTION與有線通信系統(tǒng)不同，無線通信的信號傳播要復(fù)雜得多，電磁波從發(fā)射天線到接收天線，可能會經(jīng)歷樓宇、樹木、山峰等各種不同的傳播環(huán)境，無線信道的特性完全取決于傳播環(huán)境，無法控制，也無法改變，是典型的隨參信道。同樣的發(fā)射功率，即使發(fā)射機與接收機的距離固定，不同位置的接收功率也不一定相同，甚至相同位置在不同時刻的接收功率也不同。造成上述隨機性的最根本原因在于復(fù)雜的傳播環(huán)境，如果在很大的距離尺度上（例如10~1000米）觀察，將會發(fā)現(xiàn)隨著收發(fā)距離的增加，接收功率整體呈下降趨勢，這是由于電磁波輻射過程中的能量擴散，這種現(xiàn)象稱為路徑損耗，理想的傳播環(huán)境中，相同的距離應(yīng)該有相同的路徑損耗。但實際上即使是相同的收發(fā)距離，不同位置測得的接收功率也是隨機的，這種隨機性主要來源于不同位置對應(yīng)不同的傳播環(huán)境。與直視傳播相比，如果收發(fā)信機之間存在障礙物，接收功率自然會大幅下降，這種由具體傳播環(huán)境變化導(dǎo)致的接收功率隨機漲落稱為衰落（Fading），因為這種衰落主要是由障礙物的陰影效應(yīng)引起的，因此常常將其稱為陰影效應(yīng)或者陰影衰落。路徑損耗和陰影衰落都是在較大距離尺度上討論接收功率的變化，故統(tǒng)稱為大尺度傳播效應(yīng)，陰影衰落也常稱為大尺度衰落。電磁波可能會經(jīng)歷大量不同的傳播路徑到達接收機，進而在接收機處相互疊加干涉，由于不同的傳播路徑導(dǎo)致信號產(chǎn)生不同的衰減、頻移、相移和時延，這些信號可能在接收機處發(fā)生相長干涉，也可能發(fā)生相消干涉。且當發(fā)射機或者接收機的位置發(fā)生很小的（電磁波波長尺度上）變化時，合成信號的組成分量、以及它們的相長相消的關(guān)系都可能產(chǎn)生變化，從而造成合成信號幅度的快速隨機起伏，由于這種功率漲落現(xiàn)象發(fā)生在波長級別的距離尺度上，故稱為小尺度傳播效應(yīng)或小尺度衰落。當發(fā)生深衰落，即信號幅度極低的情況，就可能因為接收功率太低而無法正常通信。無線信道中，大尺度和小尺度傳播效應(yīng)同時存在，分別表現(xiàn)在不同的距離尺度上，從而使得無線信道尤為復(fù)雜。只有深刻了解無線信道的特性，了解其對信號造成的不利或者有利影響，才能有的放矢地設(shè)計更有效的無線通信系統(tǒng)。本章重點討論大尺度路徑損耗，學習無線電波功率隨距離增加而衰減的規(guī)律，從而幫助我們規(guī)劃站址選擇和功率預(yù)算。本章將討論小尺度多徑衰落。PART01天線基礎(chǔ)知識什么是天線？天線是輻射和接收無線電波的裝置，發(fā)射天線將傳輸線上的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為自由空間中傳播的電磁波，接收天線將空間輻射波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)行波。天線具有可逆性，一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線，且同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。天線區(qū)域劃分

分貝dB來表示信號功率的相對值或者倍數(shù)無線通信中還經(jīng)常利用dB表示，通過相對于某個單位信號的相對強度來描述信號幅度和功率的絕對強度。dBW和dBm兩個單位都用來表征功率絕對值，前者以W為基本單位，即1W為0dBW，后者以mW為基本單位，即1mW為0dBm。

1.1功率

天線增益是指在相同輸入功率時，天線在輻射最強方向上的功率密度與參考天線（通常采用理想輻射點源，這是一種理想的全向天線）輻射功率密度的比值，用來定量描述天線把輸入功率集中輻射的程度。通常使用方向圖來表述其在空間各個方向上所具有的發(fā)射和接收電磁波的能力，例如圖1-1給出了垂直放置的半波對稱振子天線及其在豎直方向上的方向圖，可以看出在振子的軸線方向（豎直方向）上輻射為零，最大輻射方向在水平面上，在水平面上各個方向上的輻射一樣大。1.2天線增益0.20.40.60.813021060240902701203001503301800垂直方向輻射為0水平方向輻射最強天線增益定義：圖1-1半波對稱振子天線及其方向圖天線是無源器件，并不產(chǎn)生能量，只能通過重新分配使某個方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則可能為負。因此，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，天線增益越高，如圖1-2所示。圖1-2天線增益與覆蓋范圍之間的關(guān)系天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由相互垂直的交變電場和磁場構(gòu)成，電磁波在空間傳播時，若電場矢量的方向保持固定或按一定規(guī)律旋轉(zhuǎn)，這種電磁波稱為極化波，規(guī)定電場的振動方向就是天線極化方向。通常的極化類型有線極化、圓極化和橢圓極化三種，如圖1-3所示。1.3極化圖1-3三種極化波PART02無線電傳播特性如圖

2-1所示，電磁波的傳播機制多種多樣，總體上可以歸結(jié)為直射、反射、折射、繞射、散射、透射。圖2-1電磁波傳播機制2.1自由空間傳播自由空間傳播是最簡單的情況，電磁波以光速c在真空中傳播，且在傳輸過程中沒有任何阻擋，沒有能量吸收，既沒有反射與散射，也沒有折射和繞射。

從而有

1-11-21-3定義自由空間的傳播損耗為：

為了方便計算，通常將傳播損耗（也稱為路徑損耗或路損）寫成對數(shù)形式，即：

1-41-51-6

1-7

圖2?2極限傳播距離的計算

2.2反射與透射

其中入射平面定義為包括入射波、反射波和透射波的平面。1-8

圖

2?3地面發(fā)射雙線模型

容易推得兩徑行程差為

1-91-10

(a)(b)圖2?4地面發(fā)射雙線模型接收功率與距離的關(guān)系

該值也稱為收發(fā)機之間的第一菲涅爾距離，該距離條件下反射徑長度正好比直射徑長度多出半個波長，加上反射導(dǎo)致的π相移，兩徑接收信號正好同相。

1-111-12

接下來討論透射。透射典型的情況是建筑物或其他障礙物穿透，除了從空氣進入障礙物產(chǎn)生的透射損耗，障礙物本身的厚度也會產(chǎn)生附加損耗，兩者合起來構(gòu)成穿透損耗。如果收發(fā)信機分別處于室外和室內(nèi)，就要考慮建筑物穿透損耗，測試表明，建筑物穿透損耗與頻率、高度和建筑物材料有關(guān)，對于900MHz~2GHz的頻率范圍，1層的建筑物穿透損耗典型值為8~20dB，穿透損耗隨頻率增加略有下降。此外，每增高1層，穿透損耗下降1.4dB，這是由于樓層高時存在LOS路徑的可能性變大，從而使外墻處具有更強的入射信號。建筑物內(nèi)窗戶的類型和數(shù)量對穿透損耗有重要的影響，窗戶后測得的穿透損耗比外墻后測得的值小6dB，平板玻璃的穿透損耗約為6dB。2.3散射在實際的移動無線環(huán)境中，接收信號比單獨反射模型預(yù)測的要強，這是因為當電磁波遇到粗造表面時，反射能量由于散射而散布于所有方向。像樹木、花草這樣的物體在所有方向上散射能量，因此接收機將會收到來自不同環(huán)境物體的額外散射能量。

2.4繞射繞射（也稱衍射）指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。波長越長（大于障礙物尺寸），波動性越明顯，越容易發(fā)生繞射現(xiàn)象。繞射可使用惠更斯原理來解釋，如圖2-5所示，波前上的每一點都可看作是一個產(chǎn)生次級波的點源，次級波的速度與頻率等于原來的速度和頻率，這些次級波相互干涉共同構(gòu)成傳播方向上新的波前。當收發(fā)天線之間存在障礙物，則部分次級波傳播將受到阻擋，即使障礙物阻擋了收發(fā)天線之間的視距傳播，只要還有一部分次級波與接收機存在視距，就會有部分能量繞過障礙物到達接收機，接收能量為非阻擋區(qū)次級波所貢獻的能量總和。繞射由次級波傳播進入陰影區(qū)域而形成。圖

2?5惠更斯原理繞射將產(chǎn)生繞射損耗，如果繞射是由單個障礙物引起的，則可以使用如圖2-6所示的刃形繞射模型來估計繞射損耗。假定阻擋物寬度無限，由刃形繞射引起的繞射增益（該值等于負的繞射損耗，通常為負數(shù)）為：

圖

2?6刃形繞射模型圖2-7給出了繞射增益隨繞射參數(shù)v的變化曲線，其中F（v）是菲涅爾-基爾霍夫繞射參數(shù)v的菲涅爾積分，計算比較復(fù)雜，且無閉式解。定義如下：

圖

2?7繞射增益曲線由于菲涅爾積分難以計算，前人給出了如下近似式：

圖

2?8障礙物有效高度示意圖1-131-141-15

圖2?10菲涅爾區(qū)在很多情況下，特別是山區(qū)，傳播路徑上不只一個阻擋體，這種情況下，所有阻擋體引起的繞射損失都必須計算。可以用一個等效阻擋體代替一系列阻擋體，從而使用前面的單刃形繞射模型來計算繞射損耗，如圖2-11所示。這種方法極大地簡化了計算并能比較好地估計接收信號強度。圖

2?11多重刃形繞射模型2.5多普勒頻移

1-16圖2?12多普勒頻移的計算

如果是速度為300km/h的高鐵，則最大多普勒頻移也僅為500Hz。隨著第5代移動通信系統(tǒng)引入的毫米波，工作頻率可以高達80GHz，此時高鐵環(huán)境中最大多普勒頻移約為22KHz，必須考慮多普勒頻移對于信號的影響。

前面的分析假定接收機運動，實際上發(fā)射機運動或者信號經(jīng)由運動的環(huán)境物體反射/散射后到達接收機都會產(chǎn)生多普勒頻移。例如低軌道衛(wèi)星通信，由于衛(wèi)星繞地作高速運動，即使終端固定不動，也會存在較大的多普勒頻移。PART03大尺度路徑損耗模型3.1對數(shù)距離路徑損耗模型對數(shù)距離路徑損耗模型計算簡單，在對準確性要求不高的場合中應(yīng)用廣泛。非常適合做性能估算，在第10章計算多址容量時就使用了該模型。該模型認為，無論是室內(nèi)和室外信道，平均接收功率隨距離的變化呈對數(shù)衰減，即平均路徑損耗滿足以下公式：

1-17

環(huán)境n環(huán)境n城市宏小區(qū)3.7~6.5商店1.8~2.2城市微小區(qū)2.7~3.5工廠1.6~3.3寫字樓（同層）1.6~3.5家居3寫字樓（跨層）2~6

例3-1下表為某室內(nèi)系統(tǒng)的一組路徑損耗測量數(shù)據(jù)，計算路徑損耗指數(shù)n，使(1-17)式和實測數(shù)據(jù)之間以分貝度量的均方誤差最小，假設(shè)發(fā)射功率為0dBm，利用n計算100m處的接收功率。距離（米）路徑損耗1070dB02075dB35090dB7100110dB10300125dB14.77解：定義均方誤差

1-183.2陰影衰落如前所述，為了測試特定環(huán)境（如城區(qū)、郊區(qū)或辦公室等）下特定距離的經(jīng)驗路徑損耗，要對測量結(jié)果進行大量的平均。實際上即使距離相等，不同位置的周邊環(huán)境差別也是非常大的，由于地形起伏、建筑物及其他障礙物對電波傳播路徑的阻擋，信號在傳播過程中遇到的障礙物將使信號發(fā)生隨機變化，從而造成給定距離處接收功率的隨機變化，進而導(dǎo)致測試結(jié)果與經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測值之間存在著較大差異。由于造成信號起伏（也稱信號衰落）的因素，包括障礙物的位置、大小等要素都是未知的，因此只能用統(tǒng)計模型來表征這種隨機起伏。最常用的模型為對數(shù)正態(tài)陰影模型，測試表明，對數(shù)正態(tài)陰影模型可以準確建模室外和室內(nèi)無線傳播環(huán)境中接收功率的變化，具體來說，特定位置的路徑損耗是一個隨機變量，可以表示為：

1-19

基于(1-19)式，我們可以得到能夠同時反映路徑損耗和陰影衰落的混合模型，如圖3-1所示。其中平均路徑損耗隨著距離的對數(shù)呈線性下降，表現(xiàn)為圖中的虛線，由于傳播環(huán)境的隨機性，實際測量得到的路徑損耗為平均路徑損耗疊加服從對數(shù)正態(tài)分布的隨機變量，表現(xiàn)為圖中的實線。理論上，針對每個特定的收發(fā)信機距離，對各種傳播環(huán)境下的大量路徑損耗測量值取平均，就可以得到圖中虛線描述的路徑損耗模型。

1-20

1-21

例題見書2.4&2.5PART04室外路徑損耗模型4.1奧村模型奧村模型是城市宏小區(qū)信號預(yù)測最常用的模型，適用的距離范圍是1~100km，頻率范圍是150MHz~1920MHz（可擴展到3000MHz），基站天線高度30m~100m。奧村在東京地區(qū)對基站到移動臺的信號傳播損耗做了大量測量，用一系列曲線的形式給出了不規(guī)則地形條件下相對于自由空間傳播的損耗中值。具體來說，奧村模型的經(jīng)驗路徑損耗公式如下：

針對不同地形地物，可以使用不同的修正因子對奧村模型加以修正，以提高模型精度。奧村模型完全基于測量數(shù)據(jù)，不提供任何理論解釋，該模型的主要缺點是對地形的反應(yīng)較慢，奧村模型預(yù)測的路損和實測數(shù)據(jù)相比，誤差的標準差約為10~14dB。根據(jù)奧村模型適用的距離和頻率范圍，奧村模型無法用于建模大量存在的微小區(qū)（半徑為百米的數(shù)量級）。4.2哈塔模型Hata模型是把奧村用曲線圖表示的路徑損耗擬合為經(jīng)驗公式，利用公式簡化了計算，避免通過查經(jīng)驗曲線來確定相關(guān)參數(shù)，該模型的適用頻率范圍150MHz~1500MHz。市區(qū)哈塔模型的經(jīng)驗路徑損耗公式為：

城市哈塔模型經(jīng)修正后也可用于郊區(qū)和鄉(xiāng)村，公式分別為：

4.3哈塔模型的COST231擴展

圖4?1COST-WI模型適用場景及參數(shù)定義4.4COST231-Walfish-Ikegami模型如果收發(fā)天線正好位于街道兩端，則存在視距傳輸，適用街道峽谷LOS模型，其路徑損耗預(yù)測公式為：

否則，適用NLOS模型，其路徑損耗預(yù)測公式如下：

PART05室內(nèi)路徑損耗模型由于有相當大一部分的數(shù)據(jù)流量發(fā)生在室內(nèi)，如無線局域網(wǎng)WLAN，為了滿足持續(xù)增長的需求，對室內(nèi)傳播特性的研究也極為重要。與室外環(huán)境相比，室內(nèi)傳播環(huán)境的主要特點是收發(fā)天線距離短、發(fā)射功率低、大量的無線電波往往需要穿透許多墻壁和樓層才能到達接收機，并且信道時變性較低。除了頻率、墻面、地板等因素，建筑格局的多樣性，甚至人口密度及人體都會在一定程度上對接收信號有所影響，所有這些因素對室內(nèi)場景的分類、定義以及準確描述室內(nèi)傳播特性帶來了極大的困難。模型適用頻率場景考慮因素ITU-RM.21352~6GHz室內(nèi)熱點收發(fā)距離、頻率3GPPTR36.814家用基站收發(fā)距離、頻率IEEE802.11n2GHz/5GHz家居、小型辦公室、典型辦公室和室內(nèi)熱點收發(fā)距離、頻率WINNERII2~6GHz辦公室和室內(nèi)熱點收發(fā)距離、頻率、墻壁和樓層COST231Hata0.9GHz/1.8GHz密集環(huán)境、開放空間、大房間和走廊收發(fā)距離、頻率、墻壁和樓層5.1基礎(chǔ)模型幾乎所有室內(nèi)模型都是以某個數(shù)學模型為基礎(chǔ)，按照不同的實際環(huán)境對其進行修正后得到的。以下首先說明通常使用的基礎(chǔ)模型。1)單斜率模型

2)多斜率模型室外微小區(qū)和室內(nèi)信道中常用多斜率（折線）模型來近似表示經(jīng)驗路徑損耗分貝值與距離對數(shù)之間的關(guān)系。具體如下：

3)線性距離模型線性距離模型的數(shù)學表達式為：

5.2衰減因子模型衰減因子模型可表示為：

5.3ITU-RM.2135/3GPPTR36.814的室內(nèi)信道模型ITU-RM.2135標準是針對4G系統(tǒng)候選空口技術(shù)進行評估的綱領(lǐng)性文檔，為候選無線空口技術(shù)定義了一系列的測試環(huán)境和部署場景。針對室內(nèi)熱點場景的路徑損耗模型如下：室內(nèi)熱點場景陰影衰落（dB）適用距離范圍LOSNLOS對應(yīng)的仿真場景平面圖如圖5-1所示。樓層高度為6m，由16個15m×15m的房間以及120m×20m的大廳組成。兩個基站分別位于大廳中部，放置于距左墻30m和90m處。基站天線高度3~6m，移動臺天線高度1~2.5m圖5-1ITU-RM.2135/3GPPTR36.814室內(nèi)家用基站仿真場景圖5.4IEEE802.11nIEEE802.11n針對六類不同的室內(nèi)環(huán)境分別定義了基于雙斜率模型的路損模型，分別用A-F六個字母標識，包括居住環(huán)境、小辦公室、典型辦公室和空曠空間等。針對每個室內(nèi)場景分別對視距和非視距傳播條件進行區(qū)分建模。表5-1給出了不同場景下的路損模型參數(shù)。表

5?1IEEE802.11n路損模型參數(shù)場景時延擴展（ns）A523.5340B523.53415C523.53530D1023.53550E2023.536100F3023.5361505.5WINNERII模型 WINNERII模型于2007年發(fā)布，支持的場景包括宏小區(qū)、微小區(qū)、室內(nèi)到室外、室外到室內(nèi)以及室內(nèi)等多種傳播環(huán)境，頻率適用范圍是2~6GHz，支持信號帶寬高達100MHz。除此之外，該模型還支持多天線技術(shù)、不同天線極化、多用戶、多小區(qū)以及多跳網(wǎng)絡(luò)等場景，適用范圍極其廣泛。其中的室內(nèi)信道模型主要包括室內(nèi)辦公室和室內(nèi)熱點兩個場景。

針對室內(nèi)辦公室場景，建議仿真的場景如圖5-2所示。該模型對視距和非視距場景均進行了建模，在圖5-2中，基站（無線接入點AP）位于走廊，走廊到走廊的傳播屬于視距傳播，而房間內(nèi)