（电磁场与微波技术专业论文）60ghz+rof传输系统室内毫米波空间传输信道的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 如今，无线通信正在向通信速率更快、系统覆盖范围更广、传输带宽更宽、 可靠性更高、设备更精巧简便等诸多方向发展。同时，传输介质的开发、调制 一解调方法的更新、发送一接收模式的改良等新技术都预示着这种发展的可能 性。在无线领域。6 0 g h z 已经越来越成为研究的重点。不仅因为6 0 g h z 毫米波 系统器件的体积小巧、安全性高，更重要的是这种系统有着极大的传输带宽和 较高的传输速率，能够很好地解决带宽紧张、用户数量溢出等尖锐问题。这意 味着6 0 g h z 通信系统有着巨大的发展空间和潜力。 本文主要讨论的内容是通过对6 0 g h z 毫米波室内传输信道特性的研究，建 立时间一空间复杂度较小的可靠模型。该模型不仅需要模拟信道的冲激响应函 数，同时还必须分析信道典型的统计参量，以保证6 0 g h zr o f 系统在无线方面 的基本性能。 本课题所开发的6 0 g h z 毫米波室内信道模型由两部分组成：时域模型和空 域模型。前者采用传统四参数模型，并结合“来波成簇”现象，对其进行改良 使之适用于描述6 0 g h z 室内毫米波时延与信号功率之问的关系；后者通过分析 f r e s n d 反射区，创新地突破一阶反射的假设限制，开发一阶、二阶反射共存的 混合情况的空域模型，用来描述角度与功率的关系。本模型虽然采用传统理论 并且以广泛认可的模型为基础，但是本文根据6 0 g h z 室内毫米波的传输特性以 及模型本身的特点，对原有的经典原型进行修正与更新。不但给出了建模的完 整过程，而且以仿真结果为检验标准，通过与其他文献结果比较予以验证本模 型的准确性和可靠性。 。 文章首先对毫米波的三大传输机制进行简要阐述，并指出6 0 g h z 毫米波有 别于其他电磁波的根本原因和传输特点。其次，文章对建立模型前的基本理论 和必要的假设做出分析与说明。通过解释必要的技术和关键词，使得模型的构 造更方便。接着，相继描述时域和空域模型的建立与程序流程，同时给出信道 仿真和重要统计量的结果。最后，文章对6 0 g h z 毫米波模型进行了必要的评估 v 上海大学硕士学位论文 和展望。 关键词：6 0 g h zr o f 系统，室内毫米波冲激响应，时域四参数法，空域f r e s n e l 法 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni ss t i l lo np m g r 雌si nt h e d i r e c t i o n so ff a s t e rb i tr a t e , w i d e rr a d i a t i o n c o v e r a g e , b r o a d e rt r a n s m i s s i o n b a n d w i d t h , h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dm o r ec o n v e n i e n td e v i c e s m e a n w h i l et h e p o s s i b i l i t yo fp r o g r e s so ft h i st e c h n o l o g yi si m p l i e db yt h ed e v e l o p m e n to f t r a n s m i s s i o nm e d i a , t h eu p d a t i n go f m o d u l a t i o n d e - m o d u l a t i o nm e t h o d sa n da l s ot h e i m p r o v e m e n to ft r a n s m i t t i n ga n dt h er e c e i v i n gm o d e s i nt h ef i e l do fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s m o r ea n dm o f ep e o p l ep a ya t t e n t i o n0 1 16 0 g h zm i l l i m e t e rw a v e t h er a s o r li sn o to n l yt h ec o m p a c td i m e n s i o na n dh i g ho p e r a t i o ns e c u r i t y , b u ta l s o t h eh u g et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t ha n du l t r a - h i g ht r a n s m i s s i o ns p e e dw h i c h6 0 g h z s y s t e m sc a np r o v i d et os o l v et h ec r i t i c a lp r o b l e m so f b a n d w i d t hs h o r t a g ea n db s e i s o v e r l o a d ，e t c t h i sm e a n s6 0 g h zc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a st h eh u g er o o ma n d p o t e n t i a lf o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h er e l i a b l em o d a lo f6 0 g h zm i l l i m e t e rw a v e i n d o o rc h a n n e lt h ed e t a i lr e s e a r c ho nt h i sk i n do fc h a n n e l t h i sm o d e lc a l ls i m u l a t e t h ei m p u l s er e s p o n s ea n df u r t h e r m o r ea n a l y z et h et y p i c a ls t a t i s t i c so ft h ec h a n n e li n o r d e ft oe n s u r et h eg 。o d p e r f o r m a n c eo f w i r e l e s ss e c t i o ni n6 0 g h zr o fs y s t e m s ， t h e r ea r et w op a r t si nt h i sm o d e l ，t h et e m p o r a lp a r ta n dt h es p a t i a lp a r t t h e f o r m e ro n ei sb a s e do nt h et r a d i t i o n a l4 - p a r a m e t e rm o d e la n do p t i m i z e st h em o d e lt o d e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c c e s sd e l a ya n dr e c e i v e dp o w e rb yc o m b i n gt h e “c l u s t e r p h e n o m e n o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h el a t e ro n eu s e sf r e s n e lz o n e st o d e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na r r i v a la n g l ea n dr e c e i v e dp o w e ri nt h es i t u a t i o n s o fm i x e dr e f l e c t i o n , c r e a t i v e l y a l t h o u g ht h i sm o d e lu s c sc l a s s i ct h e o r i e sa n d w i d e l y - a c c e p t e dm o d e l sa sp r o t o t y p e s ，t h i sp a p e ra l s om o d i f i e sa n dr e f r e s h e st h e t r a d i t i o n a lo l l e sb ya d d i n gt h e6 0 g h zu n i q u ee l e m e n t s t h i sp a p e rn o to n l ys h o w s t h ed e t a i lp r o c e s so fm o d e l i n g , b u tc o m p a r e st h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h o s ef r o m i 上海大学硕十学位论文 o t h e rp a p e r si no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t i o na sw e l l t h ep a p e rf i r s tg e n e r a l l yd i s c u s s e st h et h r e em e c h a n i s m so fe l e c t r o m a g n e t i c w a v ep r o p a g a t i o ni nt h eo p e nf i e l da n dt h e np o i n t so u tt h ec a u s e so fd i f f e r e n t p r o p a g a t i o nf e a t u r e sb e t w e e n6 0 g h zm i l l i m e t e rw a v ea n do t h e rw a v e s s e c o n d l y , t h eb a s i ct h e o r i e sa n dn e c e s s a r yh y p o t h e s e sa r ei n t r o d u c e dt op r e p a r ef o rt h em o d e l b u i l d i n g l a t e ro n , t h ec o n s t r u c t i o no f t e m p o r a la n ds p a t i a lp a r to f t h ec h a n n e lm o d e l i sa l s od e s c r i b e da n dt h ep r o g r a m m i n gf l o wc h a r t sa r eg i y e n a tl a s t ，t h en e c e s s a r y a s s e s s m e n ta n de x p e c t a t i o no nt h ec h a n n e lm o d e ld e v e l o p m e n ta r ea l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：6 0 g h zr o fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i m p u l s er e s p o n s eo fi n d o o r m i l l i m e t e rw a v e ，t e m p o r a l4 - v a r i a b l em e t h o d ，s p a t i a lf r e s n e lm e t h o d v i l l 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堑立e t 期：竺! 兰：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄立 导师签名：季鳓 日期：丝芝z 兰：z i l 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金、上海市科委自然科学基金。项目编号分别为： 6 0 3 7 7 0 2 4 、0 4 z r l 4 0 5 5 。 1 1 毫米波传播特性概述 在无线领域，6 0 g h z 已经越来越成为研究的重点。不仅因为6 0 g h z 毫米波系 统体积小巧、安全性高，更重要的是因为这种系统有着极大的传输带宽和较高的传 输速掣”。自2 0 0 0 年8 月起，5 9 6 6 g h z 的频段已开放给公共使用，只要发送功率 不超过1 0 m w 的各种通信系统都不需无线电执照。这意味着6 0 g h z 通信系统有着 巨大的发展空间和潜力。 作为新一代毫米波通信系统，系统的性能深受传输介质的影响。因此，对6 0 g h z 毫米波的传播特性的研究就显得非常必要。许多文献( 【1 卜【5 】) 都表明描述无线电 磁波的基本物理量为反射、衍射和散射。 反射：当电磁波到达一物体表面，且该物体表面的几何尺寸大于入射波长时， 入射波将会被( 部分) 反射，从而形成反射波。反射波的强度主要由电磁波频率、 极化情况、反射面材料以及入射角度等情况所决定。在种种反射类型中，存在两种 极端情况：镜面反射和漫反射。通过分析这两种情况，可以较全面地讨论影响反射 波强度的因素。 当入射波波前遇到一无限大、表面光滑的平直反射面时，就会发生镜面反射。 入射波被分解成反射波及折射波，其波束强度可由费涅尔( f r e s n d ) 方程决定。为 方便起见，直接给出平行极化和垂直极化的反射系数： 一i = n = 差4 + x c ：等拿s i n t 2 c o s 口一 2 ( 1 - 2 ) 上海大学硕士学位论文 其中，q ，毛分别为介质1 、2 的介电常数( 入射波在介质1 中，入射至介质2 ) 。口 为入射角度。一般可用几何光学原理进行镜面反射的模拟。 如果反射面与波长相比显得粗糙，那么反射波不再遵循反射原理，反射角度和 强度相对分散。这种情况称为漫反射。为了定量衡量反射面的粗糙程度，引入反射 面瑞利( r a y l e i g h ) 准则【l 】。瑞利准则表明，当波长为五的入射波以角度瑾入射时， 若反射面最大起伏高度差h 满足式( 1 - 3 ) ，则可以认为反射面在电磁波环境下是理 想水平的。 j j i 辨率和窄问分辨率的影响。事实上，若考虑上述两种影响时。该模型又在原来 基础上有所改进。文末的模型的发展展望将对这两种凼素进行讨论。 1 2 上海大学硕士学位论文 波、毫米波的传输研究，仅仅考察p d p 是远远不够的。所以，现代无线信道模型逐 渐考虑将来波角度a o a 也加入到信道冲击响应函数中去，即模型的空间方向性扩 展。 基于式( 2 1 0 ) ，具有方向性的离散冲激响应函数为： l q t t ) h ( r ，口，f ) = 乏：屈( f ) - e x p ( j ( j k ( t ) ) t ，( r - - t ( f ) ) 艿( 护一e a t ) ) ( 2 - 1 1 ) - 1 式中，除了( 2 - 1 0 ) 式描述的参数外，还增加了只，用于表示第后个m p c 到达接收 端的方向角度。 具有来波角度a o a 的信道模型对将来的移动通信系统，诸如：u m t s 、 h i p e r l a n 等都有较深远的研究意义。 2 4 信道的统计特性 2 4 1 广义平稳非相关散射信道( w s s u s ) 正如前面所讨论的，一般认为信道具有时变特性，即使收、发端保持固定不动， 辐射环境也相对不变，接收信号也会随着观测时间的变化而产生统计规律上的变 化。在更为一般的测试环境中，除了收、发端相对移动，人体的移动、散射体的分 布变化都会使辐射环境发生改变。因此，在许多测量环境1 2 3 】，【1 4 1 下都假设信道在 一定程度上是静止的，即信道在极短的时间内( 在信道相干时间内) 被采样，该信 道会呈现出准静态或广义平稳的特性。在此基础上，对信道的研究就比较方便。考 虑到收、发端在室内的移动速度不显著，故上述假设更适用于室内环蝌1 5 l , 1 1 6 1 。 如果认为信道是广义平稳的，则信道冲击响应函数h ( r ，t ) 应满足以下两个约束 条件 1 l 】： 自相关静态：随机过程的自相关函数不依赖于观察时间，f 2 ，只和两者差值 a t = 一有关： 心( f 】，f 2 ， ，t 2 ) = r ( f l ，r 2 ，+ 出) = 毛( f 】，r 2 ，a t ) ( 2 1 2 ) 上海大学硕士学位论文 式中民为信道冲击响应函数h ( r ，t ) 的自相关函数： r h ( r , ，r 2 ，t 2 ) = 妻e ( q ，) ( 2 ，乞) ) 。 均值静态：随机过程的均值独立于时间参量t ： e h ( r ，f ) ) = 厂( f ) ( 2 1 3 ) 因此，综上所述，具有广义平稳的信道，具有如下性质： r a t , ，乞，a t ) = 妻e 伪( ，f ) j i l ( f 2 ，f + a f ) ( 2 - 1 4 ) 如果认为信道具有非相关散射特性，则认为通过不同传播路径的两条波束具有 非相关的衰减、相移和延时，即引起不同延时的散射体的分布是不相关的。从物理 上解释为，一个来波对另一个不同延迟的来波不能提供任何信息。因此： 兄( ，f 2 ，a t ) = 毛( ，a t ) 8 ( r i r 2 ) ( 2 1 5 ) 假如信道同时具有上述两条性质时，就称该信道具有广义平稳非相关散射 ( w s s u s ) 特性。 虽然上述假设仅讨论了信道的时域冲激响应函数，但对于具有空域参数的冲激 函数也同样适用，即： ( f l ，f 2 ，q ，0 2 ，a t ) 2 j 1e 矿( ，h ( r 2 ，0 2 , t + a t ) ( 2 1 6 ) = 焉( f 1 ，q ，a t ) j ( q r 2 ) 占( 鼠一0 2 ) w s s u s 假设的合理性一直在无线通信领域引起讨论。尽管如此，在对大多数 系统的计算中，还是普遍使用w s s u s 。此外，在室内等些复杂、特殊的环境中， 散射体自然也非相关。故有理由认为w s s u s 假设同样适用于室内无线环境。 2 4 2 信道的功率一时延谱( p d p ) 信道的功率一时延谱( p d p , p o w e rd e l a yp r o f i l e ) 曾被许多无线信道模型作为 重要的研究对象。不仅因为数据容易测量，而且所研究的对象能够较直接地反映信 道时域特性。 重新考察式( 2 1 4 ) ，当f = 0 时，自相关函数描述信道的时间扩展特性。由 ( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 得p d p 的定义为( 令f l = f ) ： 上海大学硕十学位论文 p = lr h 缸，f o d z t = f 焉( f ) 8 ( r r 2 ) d r 2 二 ( 2 1 7 ) = 了吾喇( m 啪) 以f - f 2 ) = 三e 日| j l ( 硝) 1 2 ) 式( 2 1 7 ) 就称为无线信道的功率一时延谱p d p 。p d p 表示在某时刻为参考时间点 的前提下，接收端的平均接收功率和相对时延f 的关系，即信道对冲激函数艿( ) 的 功率时间响应。 2 4 3 信道的功率一角度谱( p a p ) 随着方向性在无线通信中目益被重视，对来波角度和功率的关系也自然成为现 代无线信道模型应该考虑的范畴。 考虑角度因素后，信道的自相关函数如式( 2 1 6 ) 所示。与p d p 相似，运用 w s s u s 信道特性，功率一角度谱p a p 的定义为( 令垃= o ，_ = f ，岛= 口) ： 8 ( r f 2 ) a ( o 一岛) d 0 2 d r e d r ( 2 1 8 ) ) 1 2 ) d f 式( 2 1 8 ) 称为无线信道的功率一角度谱p a p 。p a p 描述的是接收端的平均接收功 率和来波角度口的关系，即信道对冲激函数艿( ) 的功率空问响应。 2 4 4 多普勒功率谱( d is ) p d p 体现了接收信号在时问上的扩展或拖尾。因此，考察信道在时域上的扩展 就应该观察p d p 的特性。相类似的，为了考察信道在频域上的拖尾情况，引入多普 上海大学硕士学位论文 勒功率谱( d p s d o p p l e rp o w e rs p e e m m a ) 。 采用与时域相类似的推导，首先引入信道时域冲激函数的傅立叶变换： 日( 厶f ) = ( f ，f ) e - 埘d t ( 2 1 9 ) 从而得到频域范围内，信道的自相关函别1 7 1 ： 1 如( 鲈，a t ) = 妄e 月u ，f ) h ( f + a f ，f + f ) ) ( 2 2 0 ) 二 因此，多普勒功率为【1 8 】： 6，=0+鼍 品( m ) = ( v ，0 3 ) = i ( v ，f ) e - j , “d a t ( 2 - 2 1 ) m 针对n l o s o l o s 的密集散射体环境，文献 1 9 1 、 2 0 、【2 1 等提出j a k e s 模 型来模拟该种环境下的频率扩展情况。 在早期的无线通信系统中，连续载波( c w ) 频率一般为9 0 0 m h z 、2 g h z 等， 模型所运用的场合也大多为室外。因此，由于室外物体的高速移动很容易产生较为 明显的多普勒频移，引起接收信号的频偏。然而，在室内环境下可以排除物体的高 速运动，并且由于6 0 g h z 传播的特殊性，因此，对于6 0 g h z 室内毫米波而言一般 忽略多普勒频移效应1 2 2 1 ，即认为室内散射体环境是静止且不随时间变化的。 2 5 本章小结 本章主要讨论了研究6 0 g h z 室内毫米波信道的基本理论基础。2 1 、2 2 、2 3 节主要阐述信道的基本特性以及所研究信道的根本对象，即等效低通冲激响应函 数。接着，2 4 节对信道做出合理的限制，并将信道视为w s s u s 类型。同时，也将 根本研究对象划分成时域、空域及频域( 虽然频域方面经解释予以忽略) 进行讨论， 其中各个相关函数、功率谱函数等统计量间的关系详见图2 3 。本章为下面章节做 了重要的铺垫。 1 6 上海大学硕士学位论文 图2 - 3 自相关函数、功率谱函数等统计量之间的关系 1 7 上海大学硕士学位论文 第三章信道时域特性及模型研究 本章针对6 0 g h z 室内信道的时域特性进行研究和模型构造。主要从过量时延、 来波强度、来波相位以及有效m p c 数量等方面入手，运用“来波成簇”现象对四 参数模型进行改造，并逐一确定模型中所涉及的参变量。本章末还将给出仿真结果， 并进行详细的解释。 3 1 来波时间( t o a ) 的特性研究 来波时间( t o a ，t i m e - o f - a r r i v a l ) 是描述信道冲激响应函数的特征参数之一。 它在某种程度上表示了信道在时间上的延迟与扩展。对来波时间的研究主要包括平 均过量时延f 以及均方根时延扩展以，并将在以下一节中进行讨论。 3 1 1 最大过量时延与归一化时延 为了统一测试数据并排除测试与仿真时的干扰，对来波时间做如下规定； 用过量时延一( e x c 它s sd e l a y ) 来描述来波时间t o a ： t 表示第f 个来波时间与第1 个被检测到的来波时间之差。 这样所带来的好处有：所测得的或所模拟的延迟不依赖于第一个可检测m p c 的到 达时间。同时归一化f 0 = 0 ，保证o 的后续接收信号都有实际意义。 在实际接收系统中，接收机总有一个最低接收电平。一般称之为灵敏度或接收 阀值。它是区分接收信号与噪声的标准，同时也不同程度地影响用来描述信道的参 数。 基于上述介绍，给出最大过量时延。的定义：自接收电平第一次超过给定 阀值起到最后一次跌破该阀值的时间间隔。即： 肋= 甲t b 一呼勺k ( 3 - 1 ) 其中x d b 就是实际给出的阀值电平数。 1 8 上海大学硕士学位论文 一个典型的例子如图3 1 所示。该图用来波时间( t o i a ) 和过量时延f 为x 轴。 归一化功率为y 轴。 首先，作为接收机，很有可能将接收阀值设置为2 0 d b 。这样可以很好地区分接 收信号与各种热噪声或加性噪声。因此，在时间o 1 5 m 内都认为是无用信号。故 对于过量时延而言r o - - o l 。整个信号持续约至7 0 n s 处。在预设阀值x = 一l o d b 水平上的最大过量时延f 一一1 0 d b 如图所示。 。粗 苎、芦-11i i - - - - i 妙 。吣 ，一 、：广q iij ”d o1 52 5 7 0 来波* iiij d 1 5 q 讨量 图3 - 1过量时延的说明图 3 1 2 平均时延与时延的第n 阶矩 考虑一维情况，过量时延的第n 阶矩定义为2 3 1 ： 一了r 一，焉( r ) 打了r 一i h ( r ) j 2 打一窆百i ( ) 1 2 矿= 寻i 一= 予i 一 或 ，= 型矿一 ( 3 - 2 ) n ( r ) 打肛r ) 陬乏) | 2 上述两式分别适用于连续和离散情况。其中兄( ) 的含义见式( 2 - 1 6 ) 。 根据过量时延的第n 阶矩，容易得到平均过量时延为时延的第一阶矩： 1 9 上海大学硕士学位论文 了嘲f ) 陬兰弓懈) i ： f 2 蒜或f 3 萌 3 - 3 妒枷 驴一) 1 2 3 1 3 均方根时延扩展 有很多物理量可以描述信道的多径现象。在无线领域中，一般用均方根时延扩 展t ( r m sd e l a ys p r e a d ，r o o t - m e a n - s q u a r ed e l a ys p r e a d ) 来描述。采用均方根时 延扩展的目的在于确定信道属于平衰落( 所有频率分量在信道带宽内受到大致相同 的衰落) 还是频率选择性衰落( 在信道带宽内各种频率分量受到不同程度的衰落 【2 4 1 。 均方根时延扩展以的定义为过量时延的二阶中心矩： c = = g = f 2 - ( d 2 ( 3 - 4 ) f 2 ，f 的定义见式3 2 。由式3 2 和3 4 可知：波束的时延越大、强度越强，均方根 时延扩展也将越大，造成的多径效应也就越明显。因此，均方根时延扩展是衡量多 径效应的很好的指标。 3 2 来波强度的研究 从发送端发射的波束经过不同路径后到达接收端，在接收端经矢量叠加后形成 接收信号。随着应用环境的变化、多径分量m p c 传播路径的改变等不稳定因素的 存在，接收信号与发送信号的差异也会发生不同的改变。这种因无线传播过程对接 收端信号引起的改变( 多数情况为衰落) 称之为多径衰落。因此，来波强度的研究 事实上就是研究各种情况下信道的多径衰落程度。以文献 2 5 】中的实测数据为例。 该实验在长度为l m 的范围内，设置1 9 个采样点，收发站间距为2 0 m 、无线频率为 1 3 g h z 的室内进行信道功率测量。结果参见图3 2 。 上海大学硕士学位论文 i m l 潮l mh l a # ， 图3 - 2 某典型室内无线功率测试数据 从图中可以看出较上端红色区域内的功率分布比较相似，同时较下端的蓝色区域也 较相似，但是这两块区域彼此之间的关联性较差，没有相似性。由于该实验沿着l m 的传动轨道进行测量，故这种彼此不相关性较为明显。 为进一步研究此现象，引入抽象数据类( a d c ，a b s t r a c td a t ac l a s s ) 置。( f = 1 ，2 ，l ；j = l ，2 ，m ；k = 1 ，2 ， ，) 。每一个具有实际意义的x 都表示在三 维空间内某个固定点的信道特征参数2 2 1 。例如：五。可能表示空自j 某点在某个时延 的来波强度；可能表示该点处的平均时延或时延扩展；也可能表示该点m p c 数量 的统计平均因此，抽象数据类x 是一组具有广泛意义的信道参量。 下标i ：表示具有不同收发距离的位置； ，：用于区分在相同收发距离的情况下，不同的接收位置； k ：表示特定位置附近的空间相邻散射体数。 j 么的表示以及下标的不同变化详见图3 - 4 。 2 1 上海大学硕士学位论文 图3 - 4抽象数据类的表示及下标意义 根据上述定义，总共有三类不同的衰减变化，分别为：小尺度衰落、中尺度衰 落和大尺度衰落。这些不同的衰落程度和收发距离、环境因素以及所处位置都有极 大的关系。以下分析各种衰落类型。 3 2 1 大尺度衰落及路径损耗 由于收发端间距发生显著变化，从而使得信道结构发生较大改变，其结果往往 体现在接收信号的幅度或功率均值发生明显改变。这种现象称为大尺度衰减。一般 当收发距离在十几个波长范围内，信号强度均值被视为稳定常量【2 6 1 。因此，对于 6 0 g h z 而言，这种“常量间距”为1 0 船2 0 厶m ，即5 1 0 c m 。可见该距离非 常短小，一般的室内移动都基本可视为大尺度衰落。 如图3 - 4 所示的情况，只有下标f 不同的信道参量才具有大尺度、差异大的特 点。而通常这些信道参数都是收发距离d 的函数。若规定乜( 。) 表示变量。，关 于m 的数学期望。则基于抽象数据类的描述，f ( d ) 皇e m ( 。k ) 。因此如果以。表示 上海大学磺士学位论文 接收幅度或功率，则函数，( d ) 表示以收发间距d 为变量的路径损耗砌，即等价于 移动环境下的距离一损耗变化。 考虑到室内6 0 g h z 的很多特殊性，诸如：高氧气吸收损耗、复杂传播路径等情 况，因此参考文献 2 7 】，做适当修改后，应包含以下几个方面： 自由空间路径损耗 空气损耗衰减三妇 建材因素衰减z 锄州 用d b 表示为： 上脚f 拈】；t f 州柚l + 厶州棚】+ 删酬 招】 ( 3 6 ) 以下分别介绍各个组成部分： 自由空间路进损耗 根据文献 7 6 的定义，自由空间必须满足以下3 个条件： 1 传播媒质中没有电流源或电荷的出现； 2 传播媒质是线性、各向同性且无损； 3 媒质的介电常数和磁导率参数等于真空状态下的参数。 因此，绝大多数的室内环境都可以认为是标准的自由空间。对于视距l o s 情况， 文献 2 7 】甚至对三。的计算做出了限制条件：在收发站之间的第一f r 髓n e l 区内 ( f r e s n e l 区的有关概念将在第四章中进行介绍) ，应保证6 0 的空间无阻挡物。这 样才能限制绕射及衍射所带来的损耗。 对于。的计算一般采用f f i i s 等式，结果为： 触( d ) ：( 掣) z ( 3 - 7 ) 式中d ，a 分别为收发站间距、载波波长。 为了便于工程应用，更为便捷的计算公式为： 删( d ) = 2 0 1 。g ( ) + 2 0 1 。g ( 叱) + 9 2 ( 3 8 ) = 2 0 1 0 9 ( ，台) + 2 0 l o g ( d ) + 3 2 4 上海大学硕士学位论文 图3 - 5 列出了对于不同频率、不同间距的自由空间损耗。 部分频率下的自由空间损耗 富 已 羔 耀 辎 厘 剁 忸 皿 图3 - 5 不同频翠f 的自由空间损耗 空气损耗衰减上缸 l 。的严格表达式应包含水气、烟雾、氧气、雨衰及其他气体等衰耗。但是考 虑到课题的研究范围局限于室内，故将三镛简化为； 槲删( d ) = a o , 。d ( 3 - 9 ) 其中，a o ：( d b i m ) 为氧气的衰耗系数，其值约为1 5 1 d b l o , n ，即0 0 1 5 d b m 2 8 1 口9 1 。 建材因素衰减工栅利 该损耗完全取决于实测数据。因此，引用文献 3 0 1 d p 关于6 0 g h z 毫米波对各种 建材的透射损耗参照表。详见表3 一l 。必要时，可参照表格查询上。的值。 上海大学硕士学位论文 表3 - 1 6 0 g h z 毫米波对各种建材的透射损耗参照表 i n o n r l l s 4 k i 峨 ut h k 囊i i = r e 4 , p o l l l r o o k a v e r a g e a t t e n u 越t o n i c t t j i惜h 日翔街 f 删埘刚e m l v m 5 19 l u m l m u m $ 1 1 0 e t o j 3 2 一一 h o 止 4 王3 i u l 和u m s h 矗 0 3 25 7 65 3 一一 8 r i c k1 1 7 一一 担诎嘲1 2 ，2 0 一一 c h i o l ，o a 坩 一 一s - 2 c l i l ：如o a r d 蜊 一 舳 一一5 1 5 c l u l l e t 一 1 ，21 8一 c o m o o 。i l e l i , a l l 啪稍岫如撕o 獭 一 3 5 5一一 c o m o o s i 协w 酬嘲醚岫n o t 钢瓤d 确一8 8 一一 c o n c t 倒l e 一 7 15 一一 c o n e t e t o 1o6 7 一 8 7 c o h e r e 艳 5 0柚 3 0 一一 ( 2 0 n e | _ e 钯d l 簟3 0 m柏啪 一一 c o n 饼抛w a l l 一 6 0 一 & 6 7 c o n c r e t e w a l l 一 嚣一 c o n c t o t e 测l t 5 0 3 8d 一 2 c 沁n c 孵培吲l1w 晡a f t e rc o n c r e f l n o3 ，口5 7 ，57 3 6 一2 4 5 c o h e r e 糖w a l l1 4i t l o l 谢1 5o f t e re o n c l r e t t n o 3 o5 52 8 一 9 ，4 c 蚺啪艳w a l l 。2 w e e 卓( 皇酮斟n 啦 一 s 75 6 8 4一 c o n e r e t b w a l l ，5 w e e t o 剐 盯n 吖捌女 3 0s 7 s 4 6 5一1 5 5 c o r l e r e t e0 0 描黼d 1 - 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4 ，中尺度衰落发生在收发距离相同，但是接收位置不同的情况 下，即在图中具有相同下标i ，不同，的各个位置。使用3 2 1 节介绍的a d c 概念， 中尺度衰落表示为：z ，= 巨( j ) 。当在既定f 的条件下，z ，表现为一随机数。在 实际情况中，这种衰落就好比在收发距离相同的前提下，室内和走廊分别接收到的 两组强度数据。这两组数据可能会有很大差异。对于功率或强度衰落，中尺度衰落 就等效于移动环境下的阴影衰落。 从接收信号强度角度出发，阴影衰落体现在本地信号的均值强度呈现缓慢的变 化。当然，在固定室内环境下，虽然不会产生像上述走廊与室内的接收差异，但是 也同样会有机会产生中尺度衰落( 阴影衰落) 。例如，室内环境下人员的走动，会 造成收发之间新信道的生成与旧信道的消失。这时，考虑阴影衰落是有必要的。一 种对信道的这种再生和消失行为的有效模拟是采用生物学上的“出生一死亡”过程 3 q ，【3 2 】。通过该过程建立适当的随机模型，可以较好的模拟信道的这种变化。同时， 上海大学硕士学位论文 室内家具的放置、房间的格局等都会产生或大或小的阴影衰落