【《HAPS信号传输路径损耗综述》6200字】

HAPS信号传输路径损耗综述1.1无线信道的信号传播无线通信信号从发射器到接收器的路径在理想情况下是一条直线。它消耗的能量很少而且能接收到非常清晰的信号。然而，因为空气是一种无制导介质，从发射机到接收机的路径并不清晰，因此很难保持直线的通信路径。无线传输与有线传输相比具有许多优点，其中最重要的是，无线传输非常灵活。无线信号可以从一个发射机发送到多个接收机，而不需要使用电缆。由于信号传播过程中的反射、衍射和散射，无线信号沿着许多不同的路径到达目的地，形成多径信号。无线通信是一种利用无线电波信号可以在自由空间传播的特性来交换信息的通信方式。简单来说，无线通信是一种只用电磁波而不用电缆的通信方式。1.1.1无线频谱所有无线信号都是利用电磁波在空中传输的，电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。声音和光是电磁波的两个例子。无线频谱中的波既不可见也不可闻——至少在它们被接收器解码之前是如此。“无线频谱”是用于远程通信的电磁波连续体，它具有不同的频率和波长。无线频谱包括了9khz到300000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与无线频谱的某个区域相关联。例如，AM广播使用535到1605khz之间的频率，涉及无线通信波谱的低端频率。无线频谱是所有电磁频谱的一个子集。自然界中存在频率更高或更低的电磁波，但它们不用于远程通信。低于9KHz的频率用于特殊应用，如野生动物跟踪或车库门的打开和关闭。频率高于300000GHz的电磁波对人类是可见的。因此，它们不能通过空气进行通信。当然，信号通过空气传播，不一定停留在一个国家内。因此，世界各国必须就无线通信的标准达成一致。国际电联是定义国际无线服务标准的管理机构，包括频率分配、信号传输和无线电设备使用的协议、无线传输和接收设备、卫星轨道等等。如果政府和公司不遵守国际电联的标准，那么在生产无线设备的国家之外可能就无法获得这些标准。1.1.2无线传输的特征尽管有线和无线信号之间有许多相似之处，例如，协议和代码的使用，但是空气的性质使得无线传输与有线传输有很大的不同。当工程师们谈论无线传输时，他们的意思是空气是一种“无导向介质”，因为空气不能为信号提供固定的路径，所以信号传输是无导向的。就像有线信号一样，无线信号源于沿导体传播的电流。电子信号从发射器到达天线，然后将信号转换为一系列电磁波，发射到空气中，信号在空气中传播到目标位置。然后在目标地点，会有另一个天线来接收信号，还会有一个接收器将其转换回电流。注意，为了交换信息，连接到每个天线的收发器必须调到相同的频率。1.1.3信号传播理想情况下，无线信号直接从发射器沿直线传播到目标接收器。这种传播被称为视线传输（LOS，Lineofsight），它使用很少的能量就能收到非常清晰的信号。然而，由于空气是一种无导向的介质，发射器和接收器之间的路径不是很清楚，所以无线信号通常不在一条直线上传播。当有障碍物挡住信号的路径时，信号可能会绕过物体，被物体吸收，或发生以下任何一种现象：发射、衍射或散射。物体的几何形状决定了这三种现象中的哪一种会发生。1.1.1.1反射、衍射和散射无线信号传输中的“反射”与其他电磁波(如光或声音)的反射没有什么区别。波遇到一个障碍物后会反射——或者弹回——到其来源。对于尺寸大于信号平均波长的物体，无线信号将会弹回。究竟哪些物体会引起无线信号反射，取决于信号的波长。在无线局域网中，可能使用波长在1~10米之间的信号，因此这些物体包括墙壁、地板天花板及地面。在"衍射"中，无线信号在遇到障碍物时被分解成次级波。次级波继续在其分解的方向上传播。如果可以看到衍射的无线电信号，就会发现它们在障碍物周围弯曲。有尖锐边缘的物体——包括墙角和桌子——会引起衍射。"散射"是指信号在许多不同方向的扩散或反射。当无线电信号遇到一个尺寸小于信号波长的物体时，就会发生散射。散射还与无线电信号所遇到的表面的粗糙度有关。表面越粗糙，信号遇到该表面时就越容易散射。另外，环境状况(如雾、雨、雪)也可能导致反射、散射和衍射。1.1.1.2多路径信号由于反射、衍射和散射，无线信号沿着许多不同的路径到达其目的地。这样的信号被称为"多径信号"。多路径信号并不取决于信号是如何发射的。它们可能从源头开始，以同样的强度向许多方向辐射，也可能从源头开始，主要向一个方向辐射。然而，一旦信号被发射出去，由于反射、衍射和散射，它们将沿着许多路径传播。无线信号的多径性质既是一个优势，也是一个劣势。一方面，由于信号在障碍物上反射，它们更有可能到达目的地。在办公楼这样的环境中，无线服务依靠信号从墙壁、天花板、地板和家具上反射出来，从而使它们最终能够到达目的地。多径信号传输的缺点是由于其路径不同导致传输距离不同，同一信号的多个实例将在不同时间到达接收器，从而导致衰减和延迟。1.2无线通信电波传播模型在无线通信系统中，无线信道是无线电波传播过程中的重要组成部分，它连接了发射机和接收器，它的特性决定了无线通信系统的性能极限即信息容量。无线信道中电磁波移动台的速度，信号的传输带宽以及反射，衍射，散射，多径传播等因素的影响导致了对于无线信道的分析有很大的不确定性，不像有线信道那样固定，容易预测。因此，无线通信系统研究中的难点历来有无线信道的建模。为了给通信系统的规划和设计提供依据，常通过实测和理论分析来建立和总结具有普遍性的数学模型。然后根据环境的不同来选用不同的数学的模型，可以估算一些传播环境中的传播损耗和其它有关的传播参数。传播模型的选取需要考虑地形、环境等各方面的因素，这在无线通信尤其是移动通信中显得尤为重要。在无线通信系统中，电波经常会传播在经各种不规则的地形。估计路径损耗时，需要考虑特定地区的地形地貌，还要考虑建筑物和其他遮挡物等因素带来的的影响。在无线移动通信系统的工程设计中，通常采用无线通信电波传播模型来计算无线通信的路径传播损耗，确定服务覆盖区[13]。常用的电波传播损耗预测模型有Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、CCIR模型和Lee模型等。1.2.1Okumura-Hata模型在上世纪60年代的东京近郊，奥村（Okumura）等人采用很宽范围的频率，测量信号强度在各种各样不规则地形，多种基站天线高度，移动台天线高度情况下的数值。然后形成一系列显示不同频率下场强和距离的关系的曲线图表。接着衍生出各种环境，包括市区和郊区的差别，中值场强与距离的关系、中值场强与频率关系，信号强度随基站天线高度的变化，以及移动站天线高度与信号强度的相互关系，并给出郊区修正因子的曲线。Okumura-Hata模型是一种经验模型，根据测试数据统计分析得出模型，用于预测城市及周边地区路径损耗。该模型适用于特高频（UHF，Ultrahighfrequency）和甚高频（VHF，Veryhighfrequency）频段，提供的数据较齐全。模型以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，可以用校正因子对不同的传播环境和地形条件等因素进行修正。1.2.1.1Okumura-Hata模型的适用条件（1）f为150~1500MHz；（2）基站天线有效高度hb（3）移动台天线高度hm（4）通信距离为1~35km；1.2.1.2传播损耗中值公式传播损耗中值公式如式(3-1)：PLb其中，PLb为城市市区的基本传播损耗中值（dB），f指工作频率（MHz），hb指基站天线有效高度（m），d指移动台与基站之间的距离（km），ahm对于中小城市：ah对于大城市：ah为了获得郊区和开阔地区的路径损耗，标准模型修正为：PL郊区PL开阔地区1.2.2COST231-Hata模型欧洲研究委员会（陆地移动无线电发展）根据Okumura-Hata模型开发得到COST231-Hata模型，其中利用一些修正项使频率覆盖范围扩展到2000MHz，模型适用于半径大于1km的小区宏蜂窝系统。二者的主要区别在于频率衰减的系数不同并且采用不同的修正因子。1.2.2.1COST231-Hata模型的适用条件（1）f为1500~2000MHz；（2）基站天线有效高度hb（3）移动台天线高度hm（4）通信距离为1~20km；1.2.2.2传播损耗中值公式传播损耗中值公式如式(3-6)：PLb其中，PLb为城市市区的基本传播损耗中值（dB），f指工作频率（MHz），hb指基站天线有效高度（m），d指移动台与基站之间的距离（km），hm指移动台天线有效高度（m），aCmCm1.3HAPS路径损耗模型HAPS空地链路传输距离由于临近空间通信平台位于平流层，比地面通信链路传输距离更长，导致信号会经历比地面通信链路更严重的衰落程度和更多的衰落类型。信道衰落根据影响信号的距离或时长，可以分为大尺度衰落和小尺度衰落。临近空间传输环境中，大尺度的衰落通常是自由空间损耗，大气吸收，电离层闪烁和降雨衰落。大尺度衰落对信号衰减的影响往往发生在长距离或长时间内，信号变化缓慢。小尺度的衰减主要是由多径效应引起的。在实际的无线通信环境中，由于环境的复杂性，接收机接收到的电磁波不仅包括直接的主路径信号，还包括不同延迟传输路径中反射波的叠加。在发射机和接收机处通常有多条信号传播路径。多径主要是由于在传播环境中信号受到建筑物等的反射，绕射和散射，使得接收机接收到多个通过不同路径传输的信号，不同延迟的信号间的叠加导致接收机传输的信号失真[11]。大量的研究人员和组织都对5G移动通信无线传播模型展开了研究，本文主要使用的是3GPP提供的国际标准5G传播模型。根据3GPP-38811-f20中6.6.2节，HAPS发射机与终端之间的信号，路径损耗模型主要由以下组件组成：PL=PLb其中：PL为HAPS通信传输总路径损耗（dB）；PLb为信号传输的基本路径损耗（dB），具体见1.1.PLg为信号经过大气产生的大气衰减（dB），具体见1.1.PLs为信号通过电流层时的电离层闪烁衰减（dB），具体见1.1.PLe为信号穿过建筑物时的建筑物穿透损耗（dB），具体见1.1.1.1.1基本路径损耗PL基本路径损耗PLb自由空间是一种理想的介质，由于相对介电常数和相对磁导率均为1，电磁波的能量不会损失。自由空间传播损耗实际上是球面波的扩散损失，指电磁波在路径中传播时，由于传播距离的增加而引起的能量的自然扩散。自由空间传播损耗（FSPL），以分贝（dB）为单位，其模型由公式（3-8）给出：FSPLd,其中，fc为频率（GHz），d对于一个地面终端，如图3-1所示，传播距离（又称倾斜范围）d（km）可由HAPS的高度h0（km）和仰角α（°）d=R其中RE图3-1HAPS和地面终端之间的倾斜范围位于h0=22km高空的HAPS，假设终端通信仰角大于20°，则最远通信距离可达约61.图3-2通信仰角α与通信距离d的关系图3-3直角坐标与对数坐标下的自由空间损耗自由空间损耗仿真结果如图3-3所示。在移动通信环境中，当无线电波遇到建筑物，树木，起伏的山丘等障碍物阻挡传播路径时，就会形成无线电波的阴影区，引起信号场强的缓慢变化而引起衰减。这种现象通常被称为阴影效应，由此产生的衰落也被称为阴影衰落。阴影衰落（SF）由对数正态分布建模，当以分贝单位表示时，它是一个零均值的正态分布，其标准偏差为σSF2，即杂波损耗（CL）取决于仰角α、载波频率fc和环境，模拟了由于地面物体和周围建筑物引起的信号功率衰减。在视线传输情况下可以忽略不计，在基本路径损耗模型中应该被设置为0db。表3-1至3-3给出了视距传输和非视距传输情况下不同仰角的值。特定场景下的用户设备应采取与其仰角α最接近的参考角度相对应的数值。表3-1密集城市情况下的阴影衰落和杂波损耗仰角S波段Ka波段LOSNLOSLOSNLOSσSFσSFCL(dB)σSFσSFCL(dB)10°1.515.534.32.917.144.320°1.411.930.92.417.139.930°2.912.429.02.715.637.540°1.011.727.72.414.635.850°1.110.626.82.414.234.660°2.710.526.22.712.631.870°2.510.125.82.612.131.380°2.39.225.52.812.331.090°1.29.225.50.612.332.9表3-2城市情况下的阴影衰落和杂波损耗仰角S波段Ka波段LOSNLOSLOSNLOSσSFσSFCL(dB)σSFσSFCL(dB)10°4634.34644.320°4630.94639.930°4629.04637.540°4627.74635.850°4626.84634.660°4626.24631.870°4625.84631.380°4625.54631.090°4625.54632.9表3-3郊区和农村情况下的阴影衰落和杂波损耗仰角S波段Ka波段LOSNLOSLOSNLOSσSFσSFCL(dB)σSFσSFCL(dB)10°1.798.9319.521.910.729.520°1.149.0818.171.610.024.630°1.148.7818.421.911.221.940°0.9210.2518.282.311.620.050°1.4210.5618.632.711.818.760°1.5610.7417.681.110.817.870°0.8510.1716.501.010.817.280°0.7211.5216.301.610.816.990°0.7211.5216.300.410.816.8下图为密集城市下的杂波损耗和阴影衰落的仿真。杂波损耗一般来说与仰角呈负相关，而阴影衰落具有不确定性。图3-4密集城市情况下非视线传播的杂波损耗以及阴影衰落当我们设置频率fc=3GHz，HAPS高度h0=22km，仿真S波段下视线传播密集城市的基本路径损耗PLb，可以得到仰角α图3-5密集城市视线传播的基本路径损耗1.1.2大气衰减𝑷𝑳𝒈电磁波在大气中传播过程中能量衰减的现象被称为大气衰减。大气中的水汽凝结和悬浮颗粒形成吸收带，当各种波长的电磁波通过吸收带时，它们被吸收带中的各种气体分子散射和吸收，导致能量不断衰减。大气衰减主要取决于频率、海拔、高度和水汽密度（绝对湿度）。对于低于6GHz的频率，雨水和云层的衰减被认为可以忽略不计。而对于系统级的模拟，基站只考虑晴天的条件。1.1.3电离层闪烁衰减𝑷𝑳𝒔电离层是指距地面60-1000公里范围内的地球上层大气空间。电离层闪烁是指无线电波通过电离层时，受到电离层结构中不均匀电子结构的影响，导致信号幅度和相位发生短周期不规则变化的现象。电离层中有相当多的自由电子和离子。它们能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生旋转的偏振面，并受到不同程度的吸收。当电磁波受到电离层闪烁的影响后，信号的变化无法预测，信号强度可能增强也可能减弱，甚至中断通信链路。电离层闪烁取决于位置、时间、季节、太阳和地磁活动