【HAPS信号传输路径损耗综述6200字】

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，因此很传输与有线传输相比具有许多优点，其中最重要的是，无线信号可以从一个发射机发送到多个接收机，而不需要使播过程中的反射、衍射和散射，无线信号沿着许多不同成多径信号。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“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。当然，信号通过空气传播，不一定停留在一个国家内。因此，世界须就无线通信的标准达成一致。国际电联是定义国际无构，包括频率分配、信号传输和无线电设备使用的协议、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理想情况下，无线信号直接从发射器沿直线传播到被称为视线传输(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、衍别。波遇到一个障碍物后会反射一—或者弹回—一到其来源。对于尺寸大于信取决于信号的波长。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"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传播模型的选取需要考虑地形、环境等各方面的因素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物和其他遮挡物等因素带来的的影响。在无线移动通信区13。常用的电波传播损耗预测模型有Okumura-Hata模型、COST231-Hata模在上世纪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种经验模型，根据测试数据统计分析得出模型，用于损耗。该模型适用于特高频(UHF,Ultra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(1)f为150~1500MHz;(2)基站天线有效高度hb为30~200米；(3)移动台天线高度hm为1~10米；(4)通信距离为1~35km;PLb=69.55+26.161gf-13.821ghp+(44.9-6.551函PL(郊区)=PLb-5.4-21g²(f/28)式PL(开阔地区)=PLp-40.98-4.78lg²(f)+18.33lgf式欧洲研究委员会(陆地移动无线电发展)根据Okumura-Hata模型开发得到(1)f为1500~2000MHz;(2)基站天线有效高度h为30~200米；(4)通信距离为1~20km;PLb=46.3+33.91gf-13.821ghb+(44.9-6域大小有关的函数，参数定义与Okumura-Hata模型中相同，Cm为城市修正因大城市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径信号，还包括不同延迟传输路径中反射波的叠加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PL为HAPS通信传输总路径损耗(dB);PLs为信号通过电流层时的电离层闪烁衰减(dB),具体见1.1.3节；PLe为信号穿过建筑物时的建筑物穿透损耗(dB),具体见1.1.4节。基本路径损耗PLp主要为信号在路径中经历的自由空间传播损耗，阴影衰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，指电磁自由空间传播损耗(FSPL),以分贝(dB)为单位，其模型由公式(3-8)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h。(km)和仰角α(°)确定，即其中RE为地球半径，即6370km。da终端位于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61.5km,如图3-2所示。仰角α(20~90)图3-2通信仰角α与通信距离d的关系0200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σ²,即SF~N(0,osF)。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Odb。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。仰角仰角464646464646464646464646464646464646仰角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。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PL,可以得到仰角α与基本路径损耗PLb的图像为：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。对于一个室内地球监测站，必须考虑到该监测站与相外损耗。额外损耗随建筑物的位置和建筑细节的不同而变建筑物就穿透损耗而言分为两个不同的群体：在方法(金属化玻璃、铝箔背板)时，建筑物的进入损失通常明显高于没有这种材料的"传统“建筑物。这种“热效率"和"传统"的分类，纯粹是指建筑材料的热效率。不应该对建筑年份、类型(单层或多层)、遗产或建筑方法做出假设。导热率，通常被称为U值，对热效率提供了一个量化的描述。低U值代表下面图3-6和图3-7地心坐标系下长宽200km方形范围内的路径损耗分布。图3-6为密集城市下视线传播结果，图3-7为密集城市下非视线传播结果，图3-8为建筑物穿透损耗。图中假设HAPS位于坐标(0,0,22)的位置，即HAPS高度为22km,仿真时使用频率fc=3Ghz,建筑物类型为传统型建筑。由仿真结果得出，视线传播情况下，路径损耗随着终端和HAPS平台的距离增大有着逐渐增加的趋势，但是这种趋势在非视线传播情况下十分播情况下杂波损