第4章-大尺度衰落

1移动无线信道（I）第4章大尺度路径损耗2主要内容信号强度的度量电波传播概述天线概述自由空间的电波传播非视距（NLOS）传播的三种基本传播机制对数距离路径损耗模型和对数正态阴影链路预算室外传播模型室内传播模型简介3信号强度的度量工程上为了方便起见，一般用与分贝（dB）有关的计量单位来表示发射功率（或接收电平），常用的定义有：功率（dBm)=10lg［功率（mW)/1mW］电平（dBμV)=20lg［电平（μV）／1μV］例如：某BS发射功率为20W，它相当于多少dBm?［解］BS发射功率（dBm）＝10lg20000=43dBm。例如：某接收机可以接收到的最小信号为0.5μV，它相当于多少dBμV。（－6dBμV）4数据实例1GSM基站(BS)发射机的最大输出峰值功率共分8级(第1级到第8级)，第1级为320W(55dBm)，每级差3dB(相当于减半)。第5级为20W(43dBm)。GSM移动台(MS)的发射功率受基站指令控制，共分16个等级，从第0级(43dBm)到第15级(13dBm)，每级减小2dB(相当于上一级的63％)。13dBm相当于20mW。5重要的概念［3dB的概念］功率每增加一倍，其分贝值(如dBm)增大3dB；反之，功率每减小一半，其分贝值减少3dB。［1dB的概念］功率每增加25％，其分贝值增大约1dB(1.25取对数）；反之，功率每减小20％，其分贝值减少约1dB(0.8取对数）。6数据实例2GSM基站(BS)接收机灵敏度典型值为：－104dBm；GSM手持移动台(MS)接收机灵敏度典型值为：－102dBm。－100dBm相当于10－10mW。7习题假定某接收机灵敏度为－100dBm，接收机输入阻抗为50Ω，不考虑天线损耗，试计算以dBμV计的接收机灵敏度。(答案：7dBμV)，相当于2.23μV10－10mW=10－13W8无线电波传播概述信道特性的分类：恒参信道随参信道信道的传播模型（以波长或时间为参考值）大尺度传播模型小尺度传播模型9无线信道研究的两个方面无线信道的研究方法往往是基于理论分析和实测结果来形成特定的统计模型。一方面，人们通过建立传播模型来描述信号经长距离（几百米到几十公里）传播后场强的变化，这类模型称为大尺度（Large-Scale）传播模型；另一方面，在电波传播过程中，微观上，信号场强在短距（几个信号波长）或短时（秒级）上呈现出快速波动的状况，我们称之为小尺度衰落，相应的模型称为小尺度（Small-Scale）衰落模型。10移动信道的典型特征大尺度衰落：信号的局部中值，随距离的变化很慢。小尺度衰落：变化范围30~40dB，变化可达速度40次/s左右。11超短波、微波频段电波的传播特点VHF，超短波：载频30MHz～300MHz，波长1m～10m；微波：载频300MHz～300GHz，波长1mm～1m。既存在视距传播又存在非视距传播。视距（LOS，LineOfSight）传播的基本模式是收发点之间的直射波传播。12超短波微波的电波传播方式直射波：视距传播（LOS）反射波：主要考虑地面的反射，会对直射波产生一定的干扰；绕射和散射：高大障碍物阻挡情况下的主要传播方式，衰落比较大，也会对直射波产生一定的影响。13天线概述理想化各向同性天线（点源）方向性天线的方向图（波瓣图）天线的增益（G）天线的有效面积（口径，Ae）14理想化各向同性天线（isotropicantenna）没有体积、不存在损耗的点源辐射器。其（三维）方向图为球体，即在空间各个方向具有相同的辐射强度——无方向性。152r4PS其中，P为辐射功率，r为传播距离（位于天线远场）。r162）方向性天线的方向图（波瓣图）173）天线的增益（G）若某（无耗）方向性天线在其最大辐射方向上某一位置处可以达到的辐射强度为Um，而发射功率为Pt，则要在同一位置达到同样的辐射强度，理想化点源的发射功率为PtG。我们称G为该方向性天线的增益。理想化点源，G＝1；方向性天线，G1。PtPtG18EIRP工程应用上，常把PtG称作等效各向同性辐射功率（EffectiveIsotropicallyRadiatedPower），简记作EIRP（有效全向辐射功率）。此时，G(dB)=10lgG，为明确起见，采用dBi标记这个分贝值。i：isotropical。19半波偶极子：（dipole）常用的参考天线，G＝1.64，G(dBi)=2.15。20实际上常用有效发射功率ERP代替EIRP来表示与半波偶极子天线相比的最大发射功率，由于半波偶极子天线具有1.64的增益（比全向天线高2.15dB），因此对于同一传输系统，ERP比EIRP低2.15dB。采用dBd来标记这个分贝值。有G(dBd)=G(dBi)－2.15等效辐射功率ERP为：ERP＝PtG／Gλ/2,dipole214）天线的有效面积（口径，Ae）天线的有效面积Ae：42DAe其中，D为天线的方向因子，对于无损耗天线，G＝D。则，24eAGGAe4222远场条件天线远场区指离天线足够远的区域。在远场处，球面波看上去像平面波。之所以发生这种“局部平面波行为”是因为：此时，球面波曲率半径是如此之大，在局部区域的相位波前近似为平面。满足条件时，可以将电磁波的传播看作像光线那样的射线传播。具体的条件由远场距离（df）确定为：22fDd，其中D为天线长度。23自由空间的电波传播所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数ε和相对导磁率μ都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。24接收场强和功率与距离的关系由电磁场理论可知，若各向同性天线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT，则距辐射源dm处的电场强度有效值E0为:磁场强度有效值H0为电波功率密度S为)m/V(30T0dPE)/(120300mAdPHT)/(422mWdPST25若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则上述公式应改写为:002230(/)30(/)120(/)4TTTTTTPGEVmdPGHAmdPGSWmd26RRGA42接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即式中，AR为接收天线的有效面积:当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，接收天线上获得的功率为:24dGGPSAPRTTRR24dPPTR27)(4lg20)(4lg10)(2dBddBddBPL自由空间传播损耗为：或PL(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。自由空间传播损耗PL(dB)28习题：f=900MHz，d=10km，计算PL(dB)；f=2.4GHz，d=100m，计算PL(dB)；29大气中的电波传播在实际的移动信道中，电波是在低层大气中传播的，为非均匀介质，因此会产生折射和吸收现象。对于超短波频段，折射现象尤为突出，它会影响到视距的极限传播距离。30大气折射在不考虑传导电流和介质磁化的情况下介质折射率为：而εr与大气的温度，湿度以及气压有关，而这些因素又是由大气高度决定的，因此n是大气高度的函数。当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dn/dh。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。rn31等效地球半径大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6370km)变成了等效半径Re，Re与R0之间的关系为：由于大气折射率n随着高度升高而减少，因此dn/dh＜0，故Re＞R0。在标准大气折射情况下，即当dn/dh≈-4×10-8(l/m)，等效地球半径Re=8500km。这样将由于大气折射而弯曲的无线电波射线就可等效为直线。)d1/(00dhnRRRe32无线电波传播的极限距离527指收发天线间的电波传播路径完全没有任何阻挡，电波射线可以直达的距离，也称为无线电视距。TxRx直射波R33LOS极限距离的计算（1）如下页图所示，天线的高度分别为ht和hr，两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。由于地球等效半径Re远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为：同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为：tehRd21rehRd2234图3–2LOS极限距离的计算（2）35LOS极限距离的计算（3）LOS的极限距离为：在标准大气折射情况下，Re=8500km,故：式中，ht、hr的单位是m，d的单位是km。)(221MaxLOS,rtehhRdddrthhd12.4MaxLOS,36非视距传播的三种基本传播机制实际的电波传播空间往往存在各种各样的反射面、阻挡物等等，不一定存在直射波（视距或LOS传播路径），就非视距（NLOS）传播而言，主要有：反射、绕射和散射三种基本的传播机制。37三种传播方式发生的条件反射：当电波所投射到的表面尺寸远大于电波波长，并且该表面比较光滑，将发生电波的反射；绕射：当电波传播过程中遇到与电波波长具有可比性的阻挡物时，电波会绕过阻挡物而传播到它的背面去；散射：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，将发生散射。可以理解为“乱”反射。38关于反射的结论1no假定入射空间为真空，反射面为无限大理想导体，当电场垂直于入射波平面时，0tririEEE此时，反射系数Γ＝－1。39关于反射的结论2no当介质1为自由空间，介质2为电介质，不论εr2等于多少，当入射角θi接近于0°时，且电场垂直于入射平面时，反射系数等于－1——入射电场和反射电场振幅相同，相位相反，不存在折射波。这说明，当电波掠地入射时，可以将地面建模为理想导体反射面。40存在平坦地面时的电波传播no存在地面反射的双线模型41no42no由图4.8得：通常(ht+hr)d,故上式中每个根号均可用二项式定理展开，并且只取展开式中的前两项。例如：222222'''()()()()11trtrtrtrdddhhdhhdhhhhddd222111dhhdhhrtrt43no带入公式得：对应的相差：这时接收场强E可表示为：当dht和hr时，有：dhhdhhdhhddrtrtrt221121122d2jj000(1e)eEEEE2sin2cos2200EEEdhhEEErt4220044双线模型的结论no双线模型下所得的结论：422dhhGGPPrtrttr也就是说，在存在地面反射的情况下，由于直射波场强和反射波场强的共同作用下，随着距离(d)的延伸，接收功率按距离的四次方衰减。这种情况下，衰减的程度要比自由空间（只有直射波）的情形要大得多。并且，这个公式与电波频率（或波长）无关。45小结［自由空间］［存在地面反射时］22)4(dGGPPrttr422dhhGGPPrtrttr2dPPPLrt＝即，4dPPPLrt＝即，46绕（衍）射传播：电磁波绕过障碍物（例如山峰或地球曲面）的传播称为绕射。当传播路径上障碍物的尺寸与电