（信息与通信工程专业论文）无线信道中电波衰落的研究.pdf

中文摘要 关键词：电波传播、阴影衰落、对数正态分布、室内电平损耗、相关性。 了解电渡镥播黪援德对于秃线通绩系统的设诗显鸯非常重要豹意义。虽然如 经存在许多可使用的模型，但囱于实际环境的簸杂性，没有一种具体的模型可以 篾善途又耱确遮反映佞砖遵方熬实器谨攘特淫。 本文所做的工作悬：利用一些现有的仪器设备，对北邮附近一带1 5 0 m h z 丈尺凄鼯径损糕特往逡行了实魏溅量。 ；i 量逢患包括豁泡大学枝篷、教学褛宿舍 楼的室外和室内、树村牡丹公豳、小月河、颐和园及紫竹院水西等多处，获得测 量数摇万三千多个。邂过对这些数据盼分析熬理，初步得到以下结论： 1 ) 涎论是在室内还怒室外环境，大尺度衰薄较好地s 鼹从对数正态分布，其标 准差分布参数与地域环境有关。校园室外环境衰落的标准差约为5 d b 左右，农 建筑浆摆对较少抟公圆建基衰藩躲振壤麓毙较小，戈3 d b 左右， 2 ) 校园内平均路径损耗的窳测值与h a t a 市区模型的预测傻误差为4 d b ，与 e g l i 接鍪静霰瓣整误蔻为5 d b ，茬霞霸嚣、紫嚣貔霸树幸孽桂嚣嚣簿实灞餐与毒灵 顿模型预测值的平均误差为1 0 d b ，而与h a t a 开阔地预测的平均误差为5 ，5 d b ； 溯量褥到的路径猿耗搔数约为3 1 4 ，而糟h a t a 模型计算的路径臻耗指数为3 0 6 。 3 ) 砖石结构建筑物的平均室内电平损耗( 相对于室外) 为7 + 0 d b ，标准差为 3 4 7 r i b ：钢筋混凝土建筑物的平均室内电平损耗为1 0 7 8 d b ，标准差为4 2 7 d b 。 随着楼爆的增热室内敷乎损耗攀调减小，兹者搂层每壤高一屡，损耗平均减，j 、 1 0 d b ，后者仅减小o 3 d b 。 毒) 程校嚣凌，霆平逸嚣土存在成捧建筑兹黪熬黄攒模鳖颈测塞岁 痿号，瑟测 结果和实验数据仅相茇o 5 d b ，而h a t a 模型的预测误差为4 d b 。光滑水丽上的传 播模登魄经验鼢h a t a 模鳖更接近于承鬣上静实际情况，蓊者的平均预灏误差小 于后者3 6 6 d b 。根据灾测数据，得到谯小月河的树林熙存在2 f i b 的附加植被损 耗。 本文还研究了阴影袋落的翱关模型以及这神媚关性对移动遴信系统中信遵 复用的蟛响。 a b s t r a c t k e y w o r d s ：r a d i op r o p a g a t i o n , s h a d o wf a d i n g , 1 0 9 n o r m a ld i s t r i b u t i n g ，p a t hl o s s i n d o o rr a l e t i v et oo u t d o o hc o r r e l a t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ep r i n c i p l eo i lr a d i op r o p a g a t i o nf o rd e s i g n i n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a m o n gm a n ya v a i l a n em o d e l s ，t h e r ei sn o ta n y o n e t h a tc a l lu n i v e r s e l ya n da c c u r a t e t yd e s c r i b er a d i op r o p a g a t i o np r o p e r t i e se v e r y w h e r e d u et ot h ea c t u a lm i x e ds i t u a t i o n s lh a v em e a s u r e d l a r g es c a l ep a t h l o s sa t1 5 0 鹾量 zi nt h eb u p t c a m p u sa n dp a r k s u s i n ga v a i l a b l ei n s t r u m e n t s n l 。m e a s u r e m e n ts i t e s i n c l u d e dt h eb u p tc a m p u s o u t d o o ra n di n d o o re n v i r o n m e n t so ft e a c h i n g b u i l d i n g s a n ds t u d e n t h o s t e l s ， s h u c u n p e o n yg a r d e n ，x i a o y u e h e ，o nt h ew a t e rs u r f a c eo f 也es u m m e rp a l a c ea n d z i z h u y u a n a n dm o r e 也a n t h i l t h e e n 也o u s a n dd a m a l t o g a t h e ra r ec o l l e c t e d ih a v ep r o g r a m m e dw i t hm a t l a bt o a n a l y s et h ed a t aa n dc o m et o t h em a i n f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s t h el a r g es c a l es h a d o wf a d i n ga tap a r t i c u l a rl o c a t i o ni sr a n d o ma n d d i s t r i b u t e dt o g - n o r m a l l y 穗o r m a li n 圆) a b o u tt h em e a nv a l u e ，w h e t h e ri no u t d o o ro r i n d o o rr a d i oc h a n n e l s t 酏s t a n d a r dd e v i a t i o no f t h es h a d o wf a d i n gi sa f f e c t e db yt h e c h a r a c t e r i z a t i o no f t e r r a l nc o n f i g u r a t i o n ss u c ha su r b a na r e a s ，r u r a la i e a s ，p a r k s ，l a k e s ， a n ds oo n a n di ti sa b o u t5 d bi nt h ec a m p u s w h i l ei ti sa b o u t3d b 撅斑e p a r k s 2 1i nt h ec a m p u s 也ee r r o rb e t w e e nt h em e a s u r e dm e a np a t hl o s s e sa n d p r e d i c t e d w i 氇h a t a ( u r b a n ) i s4 d b ，w h i l e i ti s6 d b 谢t h e 露im o d e l 。a n di nt h es u m m e rp a l a c e ， z i z h u y u a n a n ds h u c u n p e o n y g a r d e n t h em e a ne r r o rb e t w e e n 也em e a s u r e dm e a n p a t h l o s s c sa n dp r e d i c t e dw i t hb u l l i n g t o n sm o d e li s1 0 d b w h i l ei ti s5 5 d bw i t i l h a m ( o p e n ) m o d e l 硅ep a t hl o s se x p o n e n ti s3 1 4b a s e do nt h em e a s u r e dd a m , w h i l e i ti s3 0 6a c c o r d i n gt ot h eh a t am o d e l 3 ) 飘1 em e a np a t hl o s si n d o o rr e l a t i v et oo u t d o o ri nb r i c kb u i l d i n g si s7 d ba n d t h es t a n d a r dd e v i a t i o ni s3 。4 7 密；a n di td e c r e a s e sa tar a t eo f1 0 痰；p e rf l o o rf r o mt h e f w s tf l o o r ；t h em e a np a t hl o s si n d o o rr e l a t i v et oo u t d o o ri nc o n c r e t eb u i l d i n g si s l o ，7 8 d ba n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o ni s4 。2 7 d ba n di td e c r e a s e sm o r es l o w l ya l 丑r a t e o f 0 3 d bp e rf l o o rf r o mt h ef i r s tf l o o r 4 ) i nt h e c a m p u ss i t u a t i o n t h em o d e lo ft h eu r b a nr e g i o nw i t hr e g u l a r l y d i s 赶 i b u t e dr o w s o f b u i l d i n g sp l a c e do n 蠡越t e r r a i ni su s e d t op r e d i c tp a t hl o s so u t d o o r a n dt h er e s u l ta g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t h0 5 d bp r e d i c t i o ne r l o r ， w h e r e a si ti s4 d bw i t hh a mm o d e l 曩1 em o d e lo fs m o o t hw a t e rs u r f a c eb e t t e rp r e d i c t s p a t h1 0 8 si nt h es i t u a t i o no nw a t e rs u r f a c et h a n 壬a t am o d e l t h ep r e d i t i o ne r r o rf r o m t h ef o r m e ri s3 6 6 d bl e s st h a l lf i o mt h el a t t e r a c c o r d h a gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a2 d b v e g e t a t i o n l o s sf r o m x i a o y u e h e f r e e si so b t a i n e d w ea l s od i s c u s s e dt h ec o r r e l a t i o na b o u ts h a d o wf a d i n gw h i c hi a f f u e n c e so n c h a n n e lr e u s ei 1 1m o b i l er a d i os y s t e m s 建未l l l | ；电宠学硬士学佼蛇支芰线售莲串啦滚衰蘑静醑究 引言 穆动遴信，作为2 0 世纪9 0 年代班来通信行妲最活跃、增长嫒侠、商、监前景磺 好的领域，得到突飞猛避的发展。在移动理论的硒究方丽各种颓成果屡出不穷，关 于电波传播的基本理论融经发戚戮了一个比较完管的阶段，人们对无线电波在各种 条 牛下的接播特性都进行了比较深入驰磷究，：并强褥出了姻应的分布和衰落模型。 这些衰落模型分为两种，一种是理想化的理论模裂，这些模型是谯理想的假设条件 下褥基鞠。另一释属于爨验或半经验搂型，是基予大量的实验数撰，丽这些实验数 据是在腆体的现实环境下测量得到的，所以这种模型又称为基于测量的模泌。那么， 这嚣秘模型是否缒够耪确遽该测程菱裴麓道孛繇蠢戆吴俸熬霞撩魏蒙? 答嫠是否毫 的，原豳如下： 1 ) 疆子实鼯情况静爱杂萑，疆论模型不可麓缝对精确逢符合实鞒蘑琵。特尉燕 电波在笼线信道中传播不像信号在有线倦道中传输那样固定并可预测，从发射机副 接收车a 电渡的传搔路径非常复杂，扶简单的视距传输，到遭受各罩串复杂的地形，始 建筑物、山脉鄹树叶等。在无线信道中电波的衰落强烈地壕赖于舆体的现实环境， 具有极大的随机性。因此理论模型在具体的现实环境下罴否正确? 具俸传播参数姐 傍? 毒终于进步研究骏涯。 ， 2 ) 经验或半经验模溅局限于具体的测量环境，每一种模型都是针对具体的地域 繇境，巍对夔溅鳖繇境耋鬟建襞麓翁密疫、大毒、麓疫、楚澎麴趁锬程度等影演簧缮 的因素是否与蘩研究的情况相同? 这些基于测量的模型或经验模烈能否用于研究所 箨豹其体现实繇壤? 捷矮这些禳澎预溺与实际值之闰存在多大静漩差? 研究在具体现实环境下电波的分布规律，精确地预测信号场强，是提高无线倍 道资源潮用率、傈证无线通信服务质重赦合理选撵基站位置的前撬条件，越来越受， 剃人们的重视。关于这方面的研究焦点主要集中谯实地测量的基础上，结台前人的 研究成梁，归纳总结出遇台于该地区地质地貌的麓于测量的电波袋落模型。目前焚 予丈尺度衰落基予测量的模型袁多融，绝大多数是在国外地域巧壤下测量 ! 譬出的模 型。 北京邮电大学硕士学位论文无线信道中屯波衰落的研究 e g l i ( 艾格里) 模型：1 9 5 7 年j j e g l i 发表了他的模型，是在平面地的理论 公式加入地形因子和频率因子 奥村模型：o k u m u r a 等人于1 9 6 8 年在日本东京进行了一系列广泛而有影响的测 量。应用频率在1 5 0 m n z 到1 9 2 0m h z ，距离为1 公里到1 0 0 公里之间。该模型完全 基于测量数据，不提供任何分析解释。由于其实用性，在日本己成为现代陆地移动 无线系统规划的标准。这种模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反应较慢。 预测和测试的路径损耗偏差为l o 到1 4 d b 。 h a t a 模型：是根据o k u m u r a 曲线图所做的经验公式。h a t a 模型以市区传播损耗 为标准，其它地区在此基础上修正。该模型适用于大区制移动系统，但不适用于小 区半径为l 公里左右的个人通信系统( p c s ) 。 h a t a 模型的p c s 扩展：科学和技术研究欧洲协会( e u r o c o s t ) 组成c o s t 一2 3 1 工作委员会来研究h a t a 模型的扩展版本。c o s t 一2 3 1 提出了将h a t a 模型扩展到2 g h z 。 e r i c s s o n 多重断点模型： 通过在美国费城( 于1 9 8 8 年) 测试多层办公室建筑，获得了e r i c s s o n 无线系 统模型，模型由四个断点并考虑了路径损耗的上下边界，该模型提供特定地形路径 损耗范围的确定限度。 室内衰减因子模型： 由s e i d e l 等人于1 9 9 1 年通过对杂货店、零售店、办公室的不同楼层场强测试， 开发出在室内环境预测路径损耗模型，是发射机与接收机之间距离，经过的楼层数、 软分隔和混凝土墙的函数。这一模型的灵活性很强，预测路径损耗与测量值的标准 差为4 d b ，面对数距离模型的偏差达1 3 d 8 。 w a l k e r 建筑物穿透损耗模型： w a l k e r 等人于1 9 9 2 年在美国芝加哥测试了7 个外部发射机的无线信号进入1 4 个不同建筑物的情况。结果可以估算建筑物穿透损耗提供参考。 森林等植被损耗模型： 把森林的边缘作为衍射场的一个源来处理，这种方法是从l a g r o n e 等人在美国 得克萨斯州进行测量所得结果启发而来的，l a g r o n e 观测到对频率为8 2 m h z 到 2 9 5 g h z 范围内的水平极化电场信号，森林边缘充当衍射刃形边缘的作用。 北京邮电大学硕士学位论文无线信道中电波衰落白勺研究 在1 9 9 8 年，由4 3 个自愿者对新泽西州h o l m d e l 地区c r a w f o r d 山顶进行测量， 研究由于基站周围的树木引起的附加损耗。 在1 9 9 9 年，在中国山西省太原煤矿和晋城煤矿的矿井里，研究者将发射机和接 收机放在典型的煤矿操作间，对发射频率为9 0 0 m h z 的水平和垂直极化波测量路径损 耗随距离的变化程度及其标准差，测量结果表明，在矿井里实现微蜂窝无线通信系 统的可行性。 之字型和阶梯型路径模型，视距和非视距路径模型： 最近几年随着移动电话的增加，为了充分利用现有的频率资源和增加通信网的 容量，移动无线电覆盖常采用微蜂窝或微微蜂窝结构。在当前的高密度区域以及将 来当系统成熟时，小区半径也许是1 公里或更小，在1 到2 公里的城市范围内，街 道网络是相当有规则的，建筑物尺寸也相当地一致，且地形变化也很小。通过使用 低天线，在这种环境中的传播将主要地依赖于相对于街道网络的从基站到用户的方 向。为了研究街道网络对低基站天线的影响，美国和欧洲的各个研究团体对在公里 级长度路径上进行测量。由现为a i r t o u c h 通信公司工作的小组对在旧金山市中高层 建筑物的中心市区和两个居民区进行了大量的测量，得出微蜂窝路径损耗模型，分 l 为之字型和阶梯型路径模型，视距和非视距路径模型。可以看出，这些微蜂窝路径 损耗模型对地域环境的局限比宏蜂窝的更加严格。没有任何一种传播模型在世界各 地都适用，尤其对于微蜂窝结构，电波的分布受具体地域环境的影响非常大，而且 随着蜂窝半径的缩小，对模型的预测精度要求越来越高。这正是实地测量的重要性 所在，也是研究电波传播最基本的不可缺少的方法之一。 读者可能会问，以上的这些模型基本上都是在国外地域内测量得到的，是否适 合在中国应用? 在各种不同的现实环境下，如何选择具体的传播模型? 会引起多大 的误差? 比如奥村模型、h m a 模型是基于在日本东京的测量数据，而在中国的城市 如北京市，地形的起伏、建筑物的布局、建筑物的设计风格、建筑物的大小等与东 京当时的情况有差别，那么奥村模型、h a t a 模型是否适用于现在的北京? 据文献记 载在上个世纪八十年代，曾经有人在北京做过场强测试，可是北京的城市建设发展 非常快，尤其最近十几年北京市建起了许多高楼大厦，目前在北京电波的分布规律 如何? 只有靠大量的实验数据才能证明。然而在中国，很少人对具体现实环境下作 北京邮电大学硕士学位论文无线信道中电渡衰落的研究 大量的场强测试，提出适合该地区地质地貌的衰落模型。我们的工作正是针对这一 点，利用现有的设备条件，希望在实测的基础上研究比较各种特定环境中电波的特 点，一方面为小区基站的建设做一定的研究工作，另一方面验证理论和经验模型在 实际应用中的可靠性。 本次研究对象主要集中于无线电波在各种不同的现实环境下，在较小的范围内 ( 比如一个小区甚至一幢建筑物) 的分布情况和衰落规律。通过对电平的实测，来 检验相关的电渡传播理论和模型在实际应用中的可靠性，并且得出在实际环境下具 体分布参数，归纳总结出适合于该地区地质地貌的衰落模型。因为实地测量在研究 电波传播和小区基站建设中所起的重要作用，以及电波传播的随机性，所以在做课 题期间作了大量的实地场强测试。本课题拟利用现有的一些实验条件，对1 5 0 m h z 频段的衰落特性进行测量。具体步骤如下： 1 ) 作者在具有代表性的北京邮电大学校园里、教学楼及宿舍楼的室内和室外环 境、树村牡丹园、小月河沿岸、紫竹院及颐和园水面上，对发射台位于海淀区灶君 庙频点为1 5 2 7 0 0 1 虹- i z 的寻呼信号，进行场强测试。 2 ) 将数据按照测量地点阻及室内室外分类，用m a t l t , b 对大量的数据进行编程 处理和统计分析。 f 3 ) 根据测量和分析结果，获得在以上备测量点电波的传播规律和具体的传播参 数，以及与已知模型的吻台程度。 第一、二章简单介绍了无线信道中电波传播、路径损耗和常用的大尺度衰落模 型。第三章详细讨论了在各测量点大尺度衰落的统计特性、传播参数、与己知模型 的吻合程度咀及路径损耗指数的计算。第四章根据测量数据，具体分析了在北邮校 园内建筑物的室内电平损耗，包括砖石结构、钢筋混凝土结构的室内电平损耗和建 筑物内部不同分隔空间的室内电平损耗。第五、六章研究了校园内室外环境、水面 上电波的传播模型及树丛效应。第七章研究了大尺度阴影衰落的相关性，及其对移。 动通信系统中信道复用的影响。 6 北京邮电大学硕士学位论文无线信道中电波衰落的研究 第一章无线信道中的电波传播 1 1 无线信道、电波传播及信号衰落的概念 1 1 1 无线信道的定义 在本文中，无线信道指无线通信中发射天线到接收天线之间的电波通路。对于 无线电波而言，从发送端到接收端并没有一个有形的连接，电波的传播路径也有可 能不只一条( 多径传播、反射等) 。为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我 们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。信道有一定 的频带宽度，正如公路有一定的宽度一样。 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。无线信道不像有线信道那 样固定并可预见，而是具有很大的随机性，通常难于分析。甚至移动台的速度都会 对信号电平的衰落产生影响。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的一个关 键问题，也是一个难点。 1 1 2 无线电波的传播方式 无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有空间波，对流层反 射波，电离层波和地波。 表面波传播，就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式。电波在地球表面 上传播，以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用，吸收的强 弱与电波的频率，地面的性质等因素有关。 天波传播，就是自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收 点的传播方式。电离层对电磁波除了具有反射作用咀外，还有吸收能量与引起信号 畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。 散射传播，就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波，使电波到 达视线以外的地方。对流层在地球上方约l o 1 8 公里处，是异类介质，反射指数随 北京邮电大学醺学使论文 光线信道书电技衰落的研究 潜高度的增加丽减小。 外艨空间传播，就怒无线电在对流屡，电离膳阻外的外层空间中的传播方式。 这种传播方式主鬻用于卫星或以星际为对魏的通信中，以及用于空间飞行器的搜索、 定位、躐踪等。 空闼波传援，裁是暾渡然发射天线煮接传播到接收天线或经过地亟反射之后到 达接收点的传播方式。陆地移动通信、个人通信以及寻h 乎通信等都是以这种方式憾 撂，因此瑷下讨论夔电液是指空润渡。 1 1 。3 移动环境中电波的衰落 移动通信与鼢定通惯的不同在于通信时电台所处的环境是移动的，这h 寸移动天 线所收到的电波场强存在严重的衰落现象。通过实际测蠹，发现所收到的信号大小 髓着移动台移动到不同的位置照搬地变化，圈1 i i 绘出了在9 1 0 m h z 处泌量到接 收电压幅值空间变化的一个例子，在图中可以看出，接收到的电服幅值最移动台能 鐾的函数，其特点是在小鞭褰蕊灏内( 小只度) 约恢速渡韵翻大藏篷蠹( 大足度) 慢速变化，在几张的距离范围内情号可以变化3 0 d b ，这种小尺度的变化最因为到达 增户赘臻号是壹被建筑耪、汽辜謦羹其它蠲户辩逐物钵夏袋、掰菇及敬骞季凝产生豹多 ? 个射线路径引起的，称为快衰落绒多径衰落。随着接收机的移动，信号的振幅除了 ， 侠衰落以岁 ，矮霄释较缓馒的超茯变亿。郎浃裳落叠翻于这一缓幢酶交仡之上， 这种慢越伏变化称为慢袋落或阴影衰落，如图所示除了在其平均德附近地方产生 个变化穰快的液渤补，偻号在其中间麦纛上随距离变化较懂，变化量级为建筑物的 尺度。最后信号总平均德随着离藻站距离或范围r 有趣德地衰减，这就是犬尺度平 均路径损耗。快寝落和馒衰落是出相互葶虫立的原因产生，随着移动台的移动，这二 密构成了移动通偿孛接i | 蹙信号不稳定的因素。 北京邮屯太学预士学位论文 无线信道中电波衰落的研究 言 曼 蜊 霉 位置( m ) 图1 1 1 移动台天线接收到的信号幅度与移动台所在位置的关系 一、陕衰落 快衰落是由于接收天线收到来自同一个发射源，但经过周围地形地物( 如障碍 物、建筑物、汽车等) 的反射或散射而从各方向来的不同路径的电波，如图1 1 2 所示。当天线在波长范围内移动时，不同径电波的相位在3 6 0 度的范围内变化，它 们之间的相对相位( 即相位差) 也要发生变化，因而总合成的振幅就发生了起伏， 所以也称为多径衰落。 图1 1 2 移动天线接收到的多径信号分量 北京邮电太学硕士掌垃论文 光线信道中嗡被衰落的研究 ( 一) 影响挟衰落的物理因素 侠衰落的本璇是多裰传播信道中发射及反射物的存在，构成一个不断消耗 信号能裁的环境，导致信号幅度、相位及时间的变化。这些因素使发射波剿达接收 机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位 辩辐疫引起信号强度波动，导致快衰落。 从多径时延关系来看，如果径间相对时延大于基带信号的符号周期，那么多裰 传搔豹爱豢零豢技基荣躲律兹持续对闻鼓嶷宽，遨一现象又列墩多经对延扩展。此 时，如果我们来观察信道的频域特性，则会发现倍道衰减攫呈现出频率选择性特点 郯傣道夔黉遂嚣数菸 霉数。因瑟这襻戆抉袭落又l l 锻壤率遗撵淫衰藩。频率 选择性袭落会造成严重的码间干扰。 如暴径闻籀辩辩延小于基带信号静符等属鬻，褥不存程频率遗撵懂衰落的闻瑟， 也不存农对延扩展的问题。这时，我们称信道为平坦衰落信道。 胰频域角度稽，信号的传输带宽也是决定衰落特性静阁素之一。如果麓带信譬 的传输带宽比多径信道的相关带宽大得多，在信号频谱内必然会发生频率选择性失 粪。相兼带宽就魑多径惰道时延扩展的倒数。 衰落豹变化遮率与移动台豹遮动速度紧密摆荚。基站慧移动念阉的楣对运动会 引起随机频率调制，这是由于多往分量存在的多蒋勒频移现象。多普勒频移的大小 琴羹蓼魂套豹运珐速塞、移凌台运凌方囱与无线电渡入射方淘之闻鹊夹是良及凡袈渡 的波长商关，即移普勒频移：兀= c o s 联。其中v 是移动台运动速度， 为八射波 波长，n 为移动台运动方向与入射方向的夹角。 嚣镬移动套不移动，售逮选楚薅交戆，这是溺为嚣凌孛总套物咎在移动。蜇暴 无线信i 煎中的物体处于运动状态，一样会引起时变的多普勒频移。若环境物体以大 子移动务豹运凌速度，那么这静逡动籍对浃衰落越决定终爝。否刘，霹饺考虑移动 台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。 ( 二) 茯衰落的典鳖分布 由予快衰落璺现不规则变化，因此我们用其统计特性采描述快衰落。对于移动 台不能赢视基站天线，并且周围脊丰富的散射体时，即接收到的多径成分中没有一 北京邮电大学硕士学位论文无线信道中电波裹落的研究 个对总合成信号起主要作用，此时合成信号包络服从r a y l e i g h 分布，因此又称为瑞 利衰落。对于存在一条对接收总信号有突出贡献路径的情况，例如存在视距传播的 情况，即多径成分中存在一个起主导作用的分量，合成总接收信号包络服从r i c i a n 分布。 二、慢衰落 慢衰落即阴影衰落，如前所述，当移动台行进时，信号场强的均值也在缓慢地 起伏，它是由于建筑物或地形的阴影效应，或由某一较强反射波的逐渐加入或消失 所造成，因而它是随位置较大变化而造成的缓巨衰落( 此位置的变化是指数十个或 数百个波长以上的变化，而不是指数个波长内的位置变化) ，又叫大尺度阴影衰落。 影响慢衰落的物理因素是电波在传播过程中经历的地形地物的变化( 山脉、丘陵起 伏、平坦地、水面等，建筑物及树木的高度、密度、形状等) ，另外一个因素是大气 参数变化引起折射系数的缓慢变化，后一个因素在陆地移动通信中的影响较小，可 以不考虑。阴影衰落的典型分布为对数正态分布，详细讨论见第二章的2 3 节，这 里就不再累赘。 1 2 三种基本的传播机制 在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为反射、绕射和散射，路径 ， 损耗( 或接收功率) 是基于反射、散射和绕射的大尺度传播模型预测的最重要的参 数。这三种机制也描述了小尺度衰落和多径传播。 当电磁波传播遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建 筑物和墙壁表面。 当接收机和发射机之间的无线路径被失利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面 产生的二次波散射于空间，甚至于阻挡体的背面，当发射机和接收机之间不存在视 距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。在高频波段，绕射和反射一样，依赖于物体 的形状，以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。 当波穿行的介质中存在小于波长的物体，并且单位体积内阻挡体的个数非常巨 大时，发生散射。散射波产生于租糙表面、小物体或其他的不规则物体。在实际的 北京邮电大学硕士学位论文 嚣线信道中电波裹落的研究 通信中，树叶、街道、标志和灯柱等会引起散射。以下主要研究大尺度传播模型， 包括路径损耗、阴影衰落等。 1 2 1 爱莉 嚣鸯我翻蘸宠远区场，繇戳缀设波舞平瑟渡，善宠讨沦平瑟波爨任意角度授越 副理想介质表面和理想导体表面的反射情况，然后将模型适用于般介质非理想情 琵下。 一、平面波投射到理想介质分界面上引起的殿射 当平面渡煞弼理想介质分界谣时，液的一部分要反瓣，丽另部分刘簧透射别 第二种介质中去。但是遴射过去的波改变了它原来的前进方向，我们称它为折射波 或传输波。图1 2 1 示出了波的入射、反射、折射的情况。圈中e 。、e ，、o 。分别为 a 射角、反射兔及折射熊，、。；、p ；秘：、0 ：、“。分别第一、第二葶申介质介 电系数、导电率、导磁率。e ”b 墉口r 一、r - 分别为平行( 电场e 平行于入射平面) 、 囊直( 瓷场e 垂嶷于天瓣平嚣) 援纯波斡逛场帮及英反爨系数，上檬i 分嬲戴表反 射和入射。 图1 2 1 平面波的入射、反射和折射 根掇反射及摄射定律，入射角等于反射角 ( 1 2 i ) 北京邮屯大学砸士学披论文光线辖道中魄波衰落的骈究 入射角与折射角的关系，反射系数r 。、r - 分别为 s i n o t s i n 8 , = 压压 ( 1 2 2 ) r ：立嫂堡二热竺生r 1 ，：塑! ! 璺：翌! ! ! 璺 o - z 3 ) 。鼙2c o s o , + 零 c o s o l“r 2c o s o f + r t lc o s o r t 。、q 。分别第一、二两罩巾介质的波阻抗 铲倍铲攒 ( 1 。2 4 ) 遴常理想分震静介毫露数e = e 。e ，。为叁崮空瓣的奔宅零数，。，为奔覆静穗 对介电常数，为大于1 的实数。对于非磁性材料： 耻【_ 魄搿( 】2 5 ) 心为自由空间的相对导磁率。将式( 1 2 。1 ) 、( 1 2 2 ) 、( 1 2 4 ) 代入式( 1 2 3 ) 得： ( 1 2 6 ) + r ；。竺! 二些墅三墼!k 一1 2 - 7 ) + l ；蒜；：= = = = ；= = = ：= = = = 黼。z ， c o s o + 0 ( 5 2 s j ) 一s i n 2 乎 ( ) 理想介质分界面上波的全反射 平面波斜投射到理想介质分界面上将g f 起渡的反射和折射。德在菜种祭件下就 只有反射蠢无折射，及出现了波豹全爱射现象。攫据折射定搏的袋示式( 1 2 。2 ) ： 如果e 】e2 ，当0 t = 9 0 0 时，则焉折射波往第二种介质中传播。此时的入射角ej 我 们月8 。浆表示，猿为瞧爨角。予是毒 s i n e ：= 遗屯 ( 1 2 。8 ) 恕式( 1 2 8 ) 代入式( 1 ，2 ，6 ) 、( 1 2 7 ) 所表示的及射系数中，发觋不论是平行极化 波还是瓣直极化波，其反射系数的绝对镄都等于1 ，即在分界面上产生了波的全殷 北京邮电大学硕士学位论文 戈线信道中电渡衰落8 研究 射。 当e ， o 。时，则s i 舱 捣偶，这时式( 1 2 6 ) 、( 1 2 7 ) 所表示的反 射系数郝呈现复数形式，但是其摸擅仍等于1 ，龄全爱鞑。此外及射波还器产生攘 位的跃变。 缝论：当。 。2 ，8p = 8 。辩，即波麸光塞擞蔟菇蠢毙藏媒溪虽入射受不，l 、子 临界角时，无论是平行极化波还是垂直极化波，税分界诫上都将产生波的全反射。 ( 二) 联想赍震努弄瑟上渡豹全辑射( 秃轰装) 电磁波投射到介质分界面上，不产生反射波，全部斩射到第二神媒质，称为波 盼全折射现象，遽时对寂静入鸯章麓称为稚儒巍祷角eb ，途对只甏令反鸯拿系数r = 0 ， 我们分平行和垂童极化极化两种情况讨论。 对予垂直极化渡，令式( 1 。2 7 ) 的反射系数r ，o ，剿有： c o s 0 = ( s 2 ，) 一s i n 2 毋 ( 1 2 多) 此式只荫 e l ；82 对方成立。因既对于羲直援纯渡，不存在全折瓣，也不存在布懵 斯特角。 对于平行极化波情糯就不同了，由于平行极化波的反辩系数栽示式( 1 2 6 ) ，令 其分子为零郅f 。= 0 ，则囊： ， c o s 吼= l ( 2 c 】) 一s i n 2 氏 d 2 其中铅= a r c s i n s 2 ，( q 十s 2 ) ( 1 2 1 0 ) 二、平瑟波羧袈裂璇憋导嚣袭嚣土弓l 超豹羡艇 因为电磁波不能穿过理想导体，平面波入射到理想导体时，蕊全部能量被反射 弱来。穰据麦壳新韦方禚，要霞簿俸表磷静韬囱滗垢处簸秀零，入射滚毫场的辐霾 等于反射波电场的幅度，入射角簿于反射角即： 我们得到对于理想露体，不论入射角为多大，电磁波段射到篡表面都将发生全 反射，照满足下猁条件： i f l = n l = 1 ( 1 2 1 1 ) 1 2 未龊电：学硕士学位论文 光线信道中电渡襄落曲研究 只= 占，l ；l = 扛0 ( 1 ，2 1 2 ) 三、平面波投射到援慧介质裳蘑上引起的反射 对于任意介质( 仅讨论非铁磁性介质) ，其p 值通常仍为实数，但是介电常数却 戏秀复数s 。： 8 一jo = 。：一j 。( 2 f )( 1 2 1 3 ) 其实都为奔囊我套恕霉数，嚣崖邦剩建导电零。瑟 凄匏，宅逑痰了奔曩的损 耗，并风随电磁波的频率变化。f 为电磁波的频率。o 为介质的导电率，单位s m 。 露子有镄耗电奔蒺，e 。不涟奄磁渡豹壤攀交纯，邋常奔震檬释应绘警损耗建正讶参 量，以评价介质的优劣，其定义为： t g6 。= o ( ) = o ( 2 f b ，) ( 1 + 2 1 4 ) 但是。与频率有关。下表】2 ，】给出了不周介质材料随大范围频率变化的特性。 浅1 2 。l不阅频率下糕越的，和o ： 材料相对介电系数导电率o ( s m )损耗角正频率( 删z ) l 切t gs 。 f 粗糙地面 40 o o l0 0 4 51 0 0 普道圭| 垂蔷 】50 0 0 50 。0 61 0 0 i 良好地面 2 50 0 0 2 0 0 1 41 0 0 l海永8 15 01 1 1 l1 0 0 ，淡水 8 lo o o l 0 。0 0 21 0 0 f砖4 4 4o _ 0 0 10 0 0 14 0 0 0 1蠢获石 7 + 5 10 。0 2 80 ，0 1 6 84 0 0 0 1 玻璃1 40 ，0 0 0 0 0 0 1 8 0 0 0 0 8l |瑗璃2 40 0 0 0 0 2 70 0 0 1 21 0 0 | 玻璃3 40 0 0 50 0 0 2 31 0 0 0 0 北京邮电大学硕士学位论文无线信道中电波衰落的研究 因此，任意介质的波阻抗仇= 而，为一复数，与介质材料的特性和频率 有关。反射系数r 。r 也是复数，与介质材料的特性、频率及入射角有关。可是 上述几种材判在所列的频率范围内，除了海水以外，其损耗角正切远小于l ，属于 塑好介质，计算利按理想介质近似。 实际移动无线五| ：境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强。这是因为 当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有的方向，像灯柱和树这撑 ：；j 物垲在所有的方向上散射能量这就给接收机提供了额外的能量。远大于波长，。 的置滑表面可建模成反射面，用前面所述的反射系数公式计算。然而当表面粗糙i 辟 入剜能量除了治着反射角方向外，会向所有的方向散射使用瑞利( r a y l e i g h ) 原 | 驯测试表面粗糙程度，其中定义了给定八射角0i f i 勺表面平整度的参考高度h 。为： h c = ( 8 s i n0 ) 【i2 15 ) 如果平面上最丈的突起高度h 小于h 。，则认为表面是光滑咱，反之则为粗糙的。列 于韫糙表面，反射系数需乘以一个散射损耗系数p 。，虬代表减弱的反射场。a m c n 【 提出了表面高度j 1 为具有局部平均值的高斯( g a u s s i a n ) 分布随机变量，p ：为 ) ，= e j 1 一8 ( a - o r s i n p i 门 ( 】2i 6 ) 其中n 为表面高度的标准万差，方程( t 2 】6 ) 假定表面高度为高斯分布，忽略 哭锐的边缘及明影效应，用p ；修正的反射系数称为高斯粗糙表面散射模型，写为： ( ri i ) r o u g h = ps ri ( r 1 ) r o u g h = ps f 上 ( 1 2 1 7 ) b o i t h i a s 对a i l l e l l 的模型修正【2 6 】，获得了与测量结果更好的一致。 p 。：e x p 一8 ( a o - s i n 只t 2 ) 2 i s 【 8 ( 玎仃 c o s 0 , 五) 2 ( 1 2 18 ) 其中 o ( x j 为修正的零阶贝塞耳函数，当贝塞耳函数的变量较小时，i o ( x ) 近似。 为1 ，方程( 1 2 】6 ) 与( 1 ，2 18 ) 一致。 1 2 3 绕射 绕射使得无线电信号绕地球曲线表面传播，能够传播到阻挡物后面。尽管接收 北京邮屯大学硕士学位论文 无线信道中电波衰落的研究 机移动到阻挡物的阴影区时，接收场强衰减非常迅速，但绕射场依然存在并具有足 够的强度。 绕射现象可由h u y g e n 原理解释，它说明波前上的所有点可作为产生次级波的 点源。阴影区绕射波场强是围绕阻挡物所有次级波的矢量和。图1 2 2 为刃形绕射的 几何图，接收点r 位于阴影区，t 为发射机。具有无限宽度，有效高度为h 的阻挡 物位于距发射机d l 处，距接收机d 2 处。显然波从发射机经过阻挡物的顶部到接收机 传播的距离比直接视距传播距离( 若存在的话) 要长。假设h ( 为波长) ，则直射和绕射路径差，称为附加路径长度，由图可得： 。生! 望! 垫! ( 1 2 1 9 ) 2 d ，d ， 相应的相位差为： 口：丝。塾堡垫型 7 丑2 d i d 图1 2 2 刃形绕射几何图。接收点r 位于阴影区 ( 1 2 2 0 ) 北京邮电大学硕士学位论文 无线信道中电渡衰落的研究 定义f r e s n e l - k i r c h o f f 归一化绕射参数v ： 。： ! 竖型 碱如 ( i 2 2 1 ) 由上述公式可见，直接视距路径和绕射路径的相位差，为阻挡物高度和位置函 数，也是发射机和接收机位置的函数。 作为路径差函数的绕射损耗可用费涅尔区解释。费涅尔区表示从发射机到接收 机次级波路径长度比总的视距路径长度大i 1 2 的连续区域。图1 2 3 是一个位于 发射机和接收机之间的透明平面，其上的同心圆环叫做费涅尔区。从连续的费涅尔 区传播出去的次级波对总的接收信号的作用是依次增加或减少。 图1 2 3 同心圆定义了连续费涅尔区的边界 第n 个费涅尔区同心圆的半径r n 可用n 、九、d 】和d 2 表示为： k =吐，d 2 0( 1 2 2 2 ) 通过每一个圆的射线附加路径长度为婴，其中n 为整数。对应图1 2 3 通过n = 1 的最小圆，附加路径长度为, v 2 ，对于n = 2 、3 等圆，附加路径长度为 ，3 纠2 等。 同心圆的半径依赖于平板的位置。如果平板在发射机和接收机中间，费涅尔区有最 晤 北京邮电大学硕士学位论文无线信道中电渡衰落的研究 大半径当平板移向发射机或接收机时，费涅尔区半径减小。这说明遮掩效应不仅 对频率敏感，而且对阻挡物的位置敏感。在实际应用中对于障碍物阻挡传输路径， 在发劓机和接收机之间的附加路径延迟为半波长的整数倍的所有点构成一族椭球 椭球代表费涅尔区，即费涅尔区是以发射机和接q 芟t j l 为焦点的椭球。在移动逦信系 统中，对次级波的阻挡产生了绕射损耗，即仅有一部分能量能绕过阻挡体。一般来 说，当阻挡体不阻挡第费涅尔区时，绕射损耗昆小。 在己知服务区内，估计电波经过山或建筑物绕射引起的信号衰减是预测场强的 关键，一般来说精确估计绕射损耗是不可能的，实际预测为理论近似加上必要的经 验修正。为了简化，通常把阻挡体看作绕射刃形边缘来估计绕射损耗，可用经典| ；| 勺 费涅尔方