无线通信3_modified.ppt

第三章,大尺度路径损耗,主要内容,第一节概述第二节自由空间的传播模型第三节接收机的场强和功率第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计第六节室外模型第七节室内模型第八节其它移动通信信道,第一节概述,信道特性的分类恒参信道随参信道无线信道是影响无线通信系统性能的主要因素。无线信号的传播路径及其复杂，具有极度的随机性。研究无线信道的方法：以恰当的信道传播模型（以波长或时间作为参考值）为基础，再结合实测，加以修正。,第一节概述,一般来说，无线信道的传播特征可以从大尺度衰落和小尺度衰落两个层面加以描述。大尺度衰落：反映信号的平均功率随距离和位置的慢变化，包括路径损耗和阴影衰落，主要影响通信距离或覆盖范围。小尺度衰落：主要表现为多径衰落，反映数十个波长区间内信号功率的快变化，是影响接收信号质量的主要因素。,第一节概述,移动信道的典型特征,小尺度衰落：变化范围：3040dB速率：40次/s左右大尺度衰落：信号的局部中值。,第一节概述,电波传播方式：地波：沿地球表面的空间传播，中长波；天波：电波向天空辐射，经电离层反射回地面；直射波：视距传输（LOS）；反射波：主要考虑地面反射，会对直射波产生干扰；绕射和散射：高大障碍物阻挡情况下的主要传播形式。衰落比较大，也会对直射波产生一定的影响。,返回目录,第二节自由空间的传播模型,大气折射介质的折射率：在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，,第二节自由空间的传播模型,LOS的极限传播距离：,但在实际情况下，最大的传输距离发射功率、接收机灵敏度、干扰强度,返回目录,第二节自由空间的传播模型,一、条件理想的均匀介质；无阻挡、反射、绕射、散射，无吸收。由于电磁波能量的扩散，距离增加时，能量自然会衰减。通常可以把满足以下条件的空间近似视为自由空间：a)地面上空大气层是各向同性的均匀介质，b)无损耗的无限大空间（只有传播损耗）直射波可近似按自由空间传播模型进行预测。,第二节自由空间的传播模型,二、自由空间传播模型Friis公式给出了自由空间中，距发射机d处接收天线的功率：,第二节自由空间的传播模型,天线增益和它的有效截面有关，即：,参考天线：通常选各方向具有相同单位增益的理想全向天线，作为无线通信系统的参考天线。,有效全向发射功率（EIRP）：与全向天线相比，可由发射机获得的、在最大天线增益方向上的最大发射功率，即相对于理想全向天线的功率增益。,第二节自由空间的传播模型,有效发射功率（ERP）：同半波偶极子天线相比的最大发射功率，以dBd为单位。由于偶极子天线增益比全向天线高2.15dB,所以对于同一传输系统，ERP比EIRP低2.15dB。路径损耗：定义为有效发射功率与接收功率之间的差值。远场距离：,第二节自由空间的传播模型,包括天线增益时，自由空间路径损耗为：,不包括天线增益时，自由空间路径损耗为：,第二节自由空间的传播模型,上述模型仅适用于接收天线处于远场。使用时，通常定义一个（远场）参考距离d0，则当距离大于参考距离时，自由空间中的接收功率为：,学习P74例1和例2。,第三节接收机的场强和功率,一、接收功率在远场区域，辐射场按1/d衰减，感应场按1/d2衰减，静电场按1/d3衰减，所以可以只考虑辐射场,则接收功率可以表示为(等价于Friis公式中L=1)：,第三节接收机的场强和功率,二、接收机输入电压的定义：Us天线的感应电势Rs天线的等效内阻Ri接收机的阻抗显然，UUs,第三节接收机的场强和功率,接收机电压和功率的一般表示：电压：dBV以1V为基准；功率：dBm以1mW为基准。若Us仍以V为单位，则：,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,一、反射波反射的条件：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面的尺寸远大于电波的波长时，产生反射。平面波入射到两种理想电介质的交界面，一部分进入第二介质（透射），一部分返回原介质（反射），无能量损耗。a)若第二介质为理想导体，则仅有反射，无透射，无损耗；b)若是非理想电介质，则有能量损耗。反射波与传输波的电场强度取决于反射系数；反射系数与介质的属性有关，并且与电波的极化方式、入射角、频率有关。,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,反射的表现：反射角入射角Brewster（布鲁斯特）角：电磁波投射到介质分界面，不发生反射时的入射角称为布鲁斯特角，此时反射系数等于0。布鲁斯特角仅在垂直极化时出现。当入射波投射到地球上时，由于入射角接近于0，可以证明，无论极化情况和电介质的性质，反射系数接近于1，为理想反射体。,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,二、地面反射双线模型,在移动无线信道中，MS和BS之间很少存在单一LOS传播，所以只考虑了直射波的自由空间模型在很多情况下不准确。在存在直射波的情况下，地面反射双线模型能够比较准确地预测几千米通信范围内信号的大尺度衰落，并且对城区微蜂窝环境下的LOS链路也比较准确。该模型以几何光学为基础，考虑了直射、反射路径。并且认为地面发生全反射，相差180，反射系数,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,反射波与直射波的路径差为：,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,三、绕射（衍射）定义：电磁波被尖锐障碍物的边缘阻挡时，阻挡面产生的二次波传播到障碍物之后的现象。原理（波动理论）：电波撞击障碍物的边缘，形成新的振源，次级波进入阴影区域。接收机得到的能量为所有次级波能量的总合。,绕射损耗所研究的是以自由空间传播损耗为基础的附加损耗。研究结果表明，随阻挡体高度（可以为负）的不同，绕射损耗既可以为正，也可以为负。,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,（一）费涅尔区的概念：根据惠更斯-费涅耳原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，接收点的信号场强的大小发生变化，为了分析这种变化我们引入费涅耳区的概念。,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,（二）空间费涅尔区：以发射机和接收机为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为空间菲涅尔区。用一个与发射机和接收机连线垂直的平面，去截空间费涅尔区，得到次级波路径长度比直线路径长度大n/2的区域，称为第n费涅尔区。由椭球的性质可知，第n费涅尔区是一个圆，该圆半径为：,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,（三）费涅尔区特性：当r是半波长的奇数倍时，反射波（改变方向后可以看作发生反射）和直射波在接收点的作用相同，此时的场强得到加强；当r为半波长的偶数倍长时，反射波在接收点的作用相互抵消，此时R点的场强最弱；一般说来，当障碍物不阻挡第一费涅尔区时，绕射影响可以忽略不计；阴影效应不仅对频率敏感，并且对障碍物的位置敏感。,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,（四）费涅尔区参数计算,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,（五）刃形绕射模型：实际环境：单个障碍物（如：山岳、高大建筑物）刃形绕射的三种情况：,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,费涅尔数与绕射增益：,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,Lee的近似解：,图形解参见书中P90，图4.14,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,结论：,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,(六)多重刃形绕射当传播路径上的障碍物不止一个时，所有障碍物的绕射损耗都必须计算1.双刃引起的绕射损耗（布灵顿等效法）：2.多刃引起的绕射损耗：(计算复杂，可参考有关文献）,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,四、散射在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强，这是因为在实际环境中，当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量。,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,（一）表面粗糙度的定义：,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,（二）散射对反射系统的影响：对于粗糙表面，反射系数需乘以一个散射系数（减弱反射场）,第四节其它传播方式及其对传播损耗的影响,（三）雷达有效截面模型：当较大的、远距离的物体引起散射时，可用雷达有效截面模型对接收场强进行计算。雷达有效截面RCS：在接收方向上，散射信号的功率密度与入射信号的功率密度之比。（RCS可由散射体表面面积近似）双静态雷达公式模型：,返回目录,第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计,前面介绍的几种传播模型（自由空间传播模型、地面反射双线模型、绕射模型、散射模型）都是理想化的模型。实际应用环境非常复杂。实际应用的模型大多都是通过理论分析和实际测试相结合来获得。理论分析针对应用环境，找出主要的影响因素，建立模型，通过仿真或计算得出传播模型。实际测量根据大量实验所得测量数据，绘出传播损耗的曲线或拟合成解析式，再抽象出传播模型。,一、对数距离路径损耗模型自由空间损耗模型：地面反射模型：引申：,书中表4.2（P95）给出了几种典型环境下的路径损耗指数。,第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计,第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计,二、对数正态阴影模型对数距离损耗模型未考虑环境变化的影响。如果考虑上环境的影响，路径损耗服从对数正态分布，即：,其中，方差描述了不同阴影的特征。该模型可用于无线系统设计和分析过程中，对任意位置的接收功率进行计算机仿真。,第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计,由于PLd为正态分布的随机变量，对于接收场强常用Q函数（误差函数）表示其超过特定值的概率。,第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计,三、确定覆盖面积的百分率：设：覆盖区半径为R，接收机门限为则有效服务区域百分比：,第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计,第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计,第五节路径损耗模型及实际链路的预算设计,返回目录,第六节室外模型,在实际应用中，电波传播的环境往往是不规则的，在计算传播损耗时，不仅要考虑地形地貌的影响，还要考虑地物的影响。可见移动信道的模型是非常复杂的。为了描述其信道特性，人们建立了大量的信道模型来预测不规则的地形和路径损耗。这些模型一般都是根据测试数据总结得到的，旨在预测特定区域的信号场强。,第六节室外模型,一、基本概念1.地形的分类（分为两大类）中等起伏地形传播基准地面起伏高度不超过20m，起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。不规则地形，如：丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。,第六节室外模型,2.地物（或地区）的分类按照地物的密集程度不同可以分为三类地区开阔地：在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，如有少量的低层房屋或小树林等市区：有较密集的建筑物和高层楼房,第六节室外模型,3.天线的有效高度基站：,移动台：天线距当地地面的高度。,第六节室外模型,二、中等起伏地形上传播损耗的中值1.市区传播损耗的中值在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地形的市区损耗中值或场强中值作为基准称为基准中值或基本中值。传播损耗取决于传播距离d、工作频率f、基站天线高度和移动台天线高度等。在大量实验、统计分析的基础上，可作出传播损耗基本中值的预测曲线。,第六节室外模型,三、Okumura（奥村）模型也称电波传播损耗的图表预测法，是根据Okumura在东京地区进行大量实测的基础上提出来的。它是通过大量的传播实验，利用统计的办法找出各种地形地物条件下的传播损耗（或接收场强）和距离、频率、天线高度间的关系，绘制出计算图表，根据这些图表可以方便地对接收场强进行预测。Okumura模型是预测城区信号使用最广泛的模型。应用环境：频率150MHz1920MHz（可扩展到3GHz）距离1km100km天线高度：301000m,返回目录,第六节室外模型,典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f,d)与频率、距离的关系曲线。基准天线高度：基站为200m，移动台天线高度为3m。曲线上是基本损耗中值，大于自由空间传播损耗的数值。随着频率升高和距离增大，市区传播基本损耗中值都将增加。,第六节室外模型,基站：若基站天线高度不是200m，则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子来修正。,第六节室外模型,移动台：若移动台天线高度不是3m，则损耗中值的差异用移动台天线高度增益因子来修正。当移动台天线较高时，其高度增益还与环境条件有关。,第六节室外模型,街道走向修正因子：纵向街道的损耗中值明显小于横行街道的损耗中值。沿建筑物的“沟道效应”有利于电波的传播。,第六节室外模型,郊区的修正因子郊区的建筑物一般是分散的、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子。郊区场强中值大于市区场强中值。,第六节室外模型,开阔地、准开阔地的修正因子开阔地、准开阔地（开阔地与郊区间的过渡区）传播条件优于市区为了求出郊区、开阔区及准开阔区的损耗中值，应先求出相应的市区传播损耗中值，再减去由图查得的修正因子。,第六节室外模型,丘陵地的修正因子丘陵地的地形参数用地形起伏高度h表示。定义：自接收点向发射点延伸10km的范围内，地形起伏的90与10的高度差为h。,第六节室外模型,孤立山岳修正因子,斜坡地形修正因子,第六节室外模型,水陆混合路径修正因子,第六节室外模型,第六节室外模型,Okumura模型的特点与不足：Okumura模型对地形、地物进行分类，使用完全客观的实验数据使其能在相应的环境下获得较准确的预测，因此得到广泛的应用。完全基于测试数据，不提供任何分析解释。许多情况通过外推曲线来获得测试范围以外的值，尽管这种外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑性。模型本身也有不足，如对地形的定性划分不可避免地导致对通信环境的主观判断。对城区和郊区快速变化的反应较慢。,第六节室外模型,四、Hata模型：根据Okumura模型所作的经验公式模型。市区路径损耗公式：,第六节室外模型,郊区路径损耗：,农村路径损耗：,移动台天线修正因子：,第六节室外模型,Hata模型的PCS扩展：在半径大于1km时，Hata模型比较准确，但不太适用于半径小于1km的PCS系统，为此，科学和技术研究欧洲协会(EURO-COST)开发Hata模型的PCS扩展版本：,第六节室外模型,五、Longley-Rice模型：应用范围：频率：40MhHz100GHz；各种地形；点对点通信。应用理论：几何光学理论（地面反射双线模型、刃形绕射模型）对流层散射理论（长距离对流层散射预测）双地平线路径对远地绕射损耗预测。,第六节室外模型,应用方式：有详细的地形地貌数据时：确定特定的路径参数，实现点对点的预测；无详细的地形地貌数据时：估计特定路径的参数（区域预测）缺点：没有考虑接收机附近环境杂波的影响；没有考虑多径传播。改进：增加“城区因子”，补偿在城区时接收机附近的杂波引起的额外衰落。,第六节室外模型,六、Durkin模型：类似于Longley-Rice模型的典型传播预测。应用环境：预测大尺度路径损耗；研究不规则地区的电波传播损耗。仿真过程：访问地形数据库（二维阵列），并沿着发射机到接收机的路径重构地形地貌信息；计算沿射线方向的路径损耗重复执行，可构造服务区不同位置信号场强的轮廓,第六节室外模型,损耗的计算：计算路径上所有点的,绕射损耗的计算：1）视距：2）非视距：a.单绕射边；b.双绕射边；c.三绕射边；d.多绕射边；,第六节室外模型,七、其它室外模型Walfish和Bertoni开发的模型考虑了屋顶和建筑物高度的影响。路径损耗：,第六节室外模型,宽带PCS微蜂窝模型：Fwuwestein等人在1900MHz频段上测试了典型微蜂窝系统的传播参数，证实：对于LOS环境，地面反射双线模型最佳,第六节室外模型,对于有阻挡物（OBS）环境，简化的对数距离路径损耗模型最佳,返回目录,第七节室内传播模型,随着PCS系统的使用，室内无线传播情况受到人们的重视。主要特点：(机理同室外：直射、反射、绕射和散射）覆盖距离小，远场条件难以满足；环境变动大，如：开关门、物品布局、人员走动等。考虑因素：同楼层分隔损耗：隔墙材料、类型。建筑物外部面积/材料、建筑物类型、窗口大小/数量。,第七节室内传播模型,对数距离路径损耗模型：,第七节室内传播模型,Ericcson多重断点模型：适用于多层办公室建筑。模型假定参考距离处的衰减为30dB，频率为900Mhz。,第七节室内传播模型,衰减因子模型：,返回目录,第八节其它移动通信信道,背景随着移动通信业务的发展，移动通信的服务范围也日益扩大。在陆地、海上和空中都获得了广泛应用，正逐步由室外扩展到室内(如办分室、住宅、车间、商场等)从地上扩展到地下（如地铁、坑道、隧道、矿井等）从中小城市扩展到边远地区（如矿山、林区、沙漠、草原等）要在不同环境中实现移动通信，首先必须了解无线电波在该环境中的传播方式和传播特性。,第八节其它移动通信信道,一、建筑物的穿透损耗无论哪种通信系统只要无线电波要穿过墙壁或楼板才能通信时，就必须存在电波的穿透损耗，即建筑物的穿透损耗。人们对电波由建筑物外部进入室内的穿透损耗进行了大量的测试和研究。通常规定，用建筑物附近道路中央的场强与在室内不同楼层中测得的场强之差表示此穿透损耗。,第八节其它移动通信信道,影响因素：建筑物