第二章-路径损耗和阴影衰减

第二章路径损耗和阴影衰减2.1无线电波传播2.2发送和接受信号模型2.3自由空间路径损耗2.4射线跟踪2.5经验路径损耗模型2.6简化的路径损耗模型2.7阴影衰落2.8路径损耗和阴影衰落的混合模型2.9路径损耗和阴影衰落造成的中断率2.10小区覆盖范围第二章路径损耗和阴影衰减2.1无线电波传播本章讨论由路径损耗和阴影衰落效应所引起的接收信号功率随距离变化的规律。路径损耗是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成的，阴影衰落是由发射机和接收机之间的障碍物造成的。电磁波在空中传播时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波形成反射、散射和绕射。人们采取一些近似方法来描述信号的传播特性，避免求解复杂的麦克斯韦方程。最常见的一种近似方法就是射线跟踪技术。2.2发送和接受信号模型第二章路径损耗和阴影衰减我们所研究的发射和接收信号都是实信号，但为了便于分析，常把实的发送和接收信号表示成一个复数的实部，这就是带通信号的等效基带表示。定义信道的路径损耗真值为发射功率和接收功率的比值：rtPPPL定义信道的路径损耗为路径损耗真值的分贝数：dBPPdBPrtL10log10第二章路径损耗和阴影衰减2.3自由空间路径损耗在自由空间中发射机和接收机之间没有任何障碍物，信号沿直线传播。可得到接收功率和发射功率的比为：2]4[dGPPltr可见接收功率与收发天线间距d的平方成反比，与波长的平方成正比，因此载波频率越高则接收功率越小。2.4射线跟踪第二章路径损耗和阴影衰减射线跟踪法把波近似为粒子，用一些简单的几何方程取代复杂的麦克斯韦方程。最一般的射线跟踪模型包括直射、反射、绕射和散射等各种衰落分量，其建模需要知道发射机和接收机周围所有物体的几何和介电性质。2.4.1两径模型接收信号由两部分组成：经自由空间到达接收端的直射分量和经过地面反射到达接收端的反射分量。其中接收功率可近似为：22r]4[]4[dhhdGPrtl令式子中的直射信号和反射信号的相位差可近似得到临界距离/4rtchhd临界距离可用于系统设计。2.4.2十径模型（介电峡谷）第二章路径损耗和阴影衰减这种模型将环境假定为一个方方正正的城市，街道两边是建筑物，发射天线和接收天线的高度接近于地面。两旁排列着建筑物的街道对无线电信号相当于一个介电峡谷。十径模型包括各种一次、两次和三次反射信号，具体有直射路径（LOS）、地面反射路径（GR）、一次墙面反射路径（SW）、两次墙面反射路径（DW）、三次墙面反射路径（TW）、墙地反射路径（WG）和地墙反射路径（GW）。由接收功率公式得知，无论发射天线是高于或低于建筑物，十径模型得到的接收功率随距离的平方下降。2912||]4[iijxiltrxeGRlGPPii2.4.4本地平均接收功率第二章路径损耗和阴影衰减射线跟踪中可用所有路径的幅度平方和，求出接收机位置附近的本地平均接收功率本地平均接收功率能较好地反映链路质量，经常用在蜂窝系统的功率控制中。rP2.4.3通用路径跟踪对于任意建筑物布局和任意天线位置的情形，可用通用路径跟踪来预测场强和时延扩展。它需要准确的建筑物数据以及收发天线相对于建筑物的位置。这些信息和特定的站址有关，所以该模型不用于研究一般性的系统性能和网络规划问题，而是为了解释城市电波传播的基本机理。2.5经验路径损耗模型大多数移动通信系统运行在复杂的传播环境之中，这些传播环境难以用自由空火路径损耗或射线跟踪法精确建模。我们可以先针对特定的环境按不同的距离和频率取得测量数据，再用这些数据建模。实测时为了得到路径损耗，一般是把附近几个波长范围内的测量数据进行平均，以消除多径的影响。这样得到的平均路径损耗叫做距离d处的本地平均损耗。对于城市等具体环境，本地平均损耗和测量时发射机和接收机的具体位置有关。第二章路径损耗和阴影衰减模型名称使用的距离范围使用的频率范围奥村模型哈塔模型哈塔模型的COST231扩展1km～100km0km～100km1km～20km150MHz～1500MHz150MHz～1500MHz1.5GHz～2GHz常用模型第二章路径损耗和阴影衰减室内衰减室内传播因具体环境的不同由很大的差异，因此很难建立出能够准确计算特定室内环境中的路径损耗的通用模型。典型隔壁损耗（对应频率是900MHz～1300MHz）隔壁类型隔壁损耗（dB）隔壁类型隔壁损耗（dB）布料1.4混凝土墙13双层石膏墙板3.4铝墙板20.4绝缘箔型3.9全金属型26即使对于相同的频率和相同类型的隔壁，不同研究者得出的损耗差别也非常大，因此很难得到一般化的结论。第二章路径损耗和阴影衰减2.6简化的路径损耗模型信号传播的复杂性使我们很难用单一模型来精确反映各种传播环境下的路径损耗。如果只是为了对不同的系统设计进行一般的优劣分析，则可以不用复杂模型，用一个能反映信号传播主要特性的简单模型即可。在系统设计中经常使用下面的简化路径损耗模型：][0ddKPPtr对应的分贝值为：][log10010ddKbBdBmPdBmPtr2.7阴影衰落第二章路径损耗和阴影衰减信号在无线信道传播过程中遇到的障碍物会使信号发生随机变化，从而造成给定距离处接受信号功率的随机变化，反射面和散射体的变化也会造成接收功率的随机变化。因此需要建立一个模型来描述这些因素造成的信号随机衰减。最常用的模型是对数正态阴影模型。经过假设与讨论得知：发射和接收功率的比值的分贝值服从均值为、标准差为的正态分布：dBdB]2)(exp[21)(22dBdBdBdBdBp2.8路径损耗和阴影衰落的混合模型第二章路径损耗和阴影衰减将路径损耗模型和阴影衰落模型叠加在一起就可以同时反映出功率随距离的减小和阴影造成的路径损耗随机衰减。按照这个模型，接收功率和发射功率之比的分贝值为：dBtrddKdBPP01010log10log102.9路径损耗和阴影衰落造成的中断率无线通信系统一般有一个目标最小接收功率，当实际接收功率低于该目标时，系统性能就会变得不可接受。定义路径损耗和阴影衰落造成的中断率为，即距离d处的接收功率低于目标值的概率。minPoutP))((,minrminoutPdPpdPP）（)(rdPminP2.10小区覆盖范围第二章路径损耗和阴影衰减蜂窝系统的小区覆盖范围定义为小区内接收功率超过最小规定值的位置所占的百分比。小区中断率：定义小区中断率为小区中接收功率达不到最小要求值的面积百分比：即minPCPcellout1小区中断位置：小区中接收功率低于的位置称为中断位置。minP