路径损耗和阴影衰落

第2章路径损耗和阴影衰落无线信道的挑战：可靠、高速通信？？噪音、干扰和其他信道因素影响用户移动和信道动态变化—随时间随机变化讨论：路径损耗和阴影效应接收信号功率随距离变化的规律路径损耗：由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成一般认为对于相同收发距离，路径损耗相同阴影效应：由发射机和接收机之间的障碍物造成障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号功率，甚至严重时阻断信号。cf:路径损耗引起在长距离上；而阴影引起在障碍物尺寸的距离上功率变化(室外：10m-100m，室内更小)大尺度传播效应：两者在相对较大距离上引起的功率变化（cf.小尺度传播效应）小尺度传播效应：如：多径信号干涉，在波长数量级距离上引起功率变化。在路径损耗、阴影效应和多径传播下：X的分贝值：xlog10x2.1无线电波传播无线电波传播发展历史：物理发现通信技术1864年J.C.Maxwell建立的电磁波传播理论预言无线电波存在1887年H.Hertz证实了电磁波物理存在他认为声波频率非常低且电磁波传播特性差，无法携带语音1894年O.Lodge第一个无线通信系统，距离150m1897年G.Marconi把无线电信号从怀特岛发到18英里外的拖船1901年Marconi无线通信系统能横跨大西洋2.1无线电波传播无线电波传播发展历史：电波信号通信1906年Fessenden使用幅度调制第一次进行了语音和音乐传送：低频信号调制到高频电磁波上传输突破Hertz的低频传播限制今天各种无线通信系统普遍适用方法电磁波传播：墙壁、地面、建筑物等反射、散射和绕射2.1无线电波传播电磁波传播：电波传播：求解带边界条件的Maxwell方程边界条件：表征障碍物的物理特征求解：计算复杂，参数难以得到近似方法：描述传播特性、避免求解复杂的Maxwell方程常见近似方法：射线跟踪技术：忽略Maxwell方程散射效应射线跟踪模型：两径模型、经验模型、统计模型等等2.2发送和接收信号模型发送信号和接收信号的表示：接收与发送信号：实信号（vs.复数信道建模）发送和接收信号表示成复信号的实部发送信号：u(t)为s（t）的等效基带信号接收信号：2.2发送和接收信号模型多普勒频移：当发射机和接收机中有一方在移动时，接收信号会有一个多普勒频移：入射波相对于移动方向角度v：接收机沿移动方向移动速度：信号波长2.2发送和接收信号模型多普勒频移：2.2发送和接收信号模型多普勒频移：接收机朝发送机方向移动正值发送信号s(t)的功率为Pt，接收信号r(t)功率Pr信道的路径损耗真值:发送功率和接收功率的比值。信道的路径损耗：路径损耗真值的分贝数2.2发送和接收信号模型信道是无源的，只能衰减信号，用分贝表示的路径损耗一般都是非负值路径增益分贝值：路径损耗分贝值的负数（通常负值）2.3自由空间的路径损耗视距（LOS）信道：假设信号经过自由空间到达距离d处的接收机，发射机和接收机之间没有任何障碍物，信号沿直线传播。相应的接收信号：LOS信号或直射信号自由空间路径损耗使接收信号相对于发送信号引入了一个复数因子，产生接收信号：2.3自由空间的路径损耗：视距方向上发射天线和接收天线的增益之积：由传播距离d引起的相移2.3自由空间的路径损耗发送信号s(t)功率Pt则有：接收功率与收发天线间距离d的平方成反比（其他模型中随d下降的更快）接收功率与波长的平方成正比载波频率越高接收功率越小接收功率与波长有关是因为：接收天线的有效面积和波长有关。（如采用定向天线，接收功率也可能随着频率增加而增加）2.3自由空间的路径损耗自由空间路径损耗定义为：自由空间模型下的路径损耗自由空间路径增益为：2.3自由空间的路径损耗eg1：有一室内WLAN，载波频率fc=900MHz,小区半径10m，使用全向天线。自由空间路径损耗模型下，如果要求小区所有终端的最小接收功率为10μW,问接入点发射功率应该是多大？如果工作频率变成5GHz，相应所需的发射功率又是多少？Tips:全向天线Gl=12.4射线跟踪反射、绕射和散射：从固定发射机发出的无线电信号在其传播环境中会遇到许多物体，从而发生经由反射、绕射和散射到达接收机的信号分量：多径信号分量2.4射线跟踪接收端收到多径信号cf直射信号：功率衰减、时延、相移及频移多径信号和直射信号在接收端叠加信号失真Q：考虑有限个反射体，if位置和介电性质已知适当边界条件求解Maxwell方程多径传播路径计算复杂，不适于通用建模方法射线跟踪法：简单几何方程取代Maxwell方程，近似反射、绕射和散射对波前的影响。2.4射线跟踪射线跟踪法建模特点：接收机距最近反射体数个波长、所有反射体大小相对于波长足够大且相当平滑近似误差最小cf.经验数据：在乡村地区、发射机和接收机都很靠近地面的街道、适当调整了射线系数的室内环境能精确建模接收信号功率除接收功率变化外，并不能有效反映多径时延扩展等其他传播特性。2.4射线跟踪射线跟踪法建模：如发射机、接收机和反射体都静止多个信号路径特性是固定的如发射机或接收机是运动的，路径特性时变的如果反射体数量、位置和特性在任何时间已知确定的时变信道否则随机时变信道统计模型如反射体数量很大或者表面不光滑统计模型2.4射线跟踪射线跟踪模型：包含直射、反射、绕射和散射等各种衰落分量（需要知道发射机和接收机周围所有物体的几何和介电特性）几种射线跟踪模型：两径模型：地面反射波+直射波少量反射体的固定区域只需知道天线高度十径模型：适于街道、走廊天线高度/街道、走廊宽度通用模型：任意传播环境还需反射体、绕射体、散射体几何和介电特性2.4.1两径模型两径模型：用于在单一的地面反射波在多径效应中起主导作用的情形2.4.1两径模型接收信号：经自由空间到达接收端的直射分量+经过地面反射到达接收端的反射分量直射分量反射分量？反射路径：x&x’：x+x’接收信号：反射波相对于直射波的时延直射方向上发射和接收天线增益的乘积，R地面反射系数x方向上发送天线和x’方向上接收天线增益乘积2.4.1两径模型时延扩展(delayspread)：反射路径相对于直射路径的时延，即：1.如果发射信号相对于时延扩展是窄带的：窄带信号的接收功率：直射信号和反射信号的相位差2.4.1两径模型d收发天线的水平距离ht发送天线高度,hr接收天线高度，由几何关系得到：当dht+hr当地面反射系数：εr是大地的介电常数2.4.1两径模型当d充分大时，接收功率：当d充分大，接收功率与d4成反比，且与波长λ无关（接收功率并没有随着频率增大而单调减小）2.4.1两径模型功率随距离变化曲线2.4.1两径模型临界距离dc：Δφ=πdc=4hthr/λ临界距离用于系统设计：若蜂窝系统的电波符合两径模型：dc小区半径Eg2：请计算城市微小区（ht=10m,hr=3m）和室内微小区（ht=3m,hr=2m）两径模型的临界距离，发射频率fc=2GHz.Tips:dc=4hthr/λ小区内信号随d2下降，邻小区干扰随d4下降现在的微小区为了保证容量，半径更小蜂窝系统电波传播很少符合两径模型2.4.2十径模型（介电峡谷）城市微小区模型：假定方方正正的城市，街道两边是建筑物，发射天线和接收天线高度接近地面，两旁排列着建筑物的街道对于无线电信号相当于介电峡谷经由建筑物反射至接收机的射束有无限个，每次反射能量衰减经过三次以上反射的路径可忽略不计2.4.2十径模型十径模型：包括各种一次、两次和三次反射信号，具体：直射LOS、地面反射GR、一次墙面反射SW、两次墙面反射DW、三次墙面反射TW、墙地WG反射路径和地墙反射路径GW2.4.2十径模型十径模型下的接收信号：第i个反射路径长度，相对LOS时延第i条路径的发射天线增益和接收天线增益之积，反射系数，对于多反射路径反射系数之积2.4.2十径模型如果是窄带，，接收功率：十径模型得到的接收功率随距离的平方下降，即使距离很大时也如此功率下降指数对天线高度不敏感（多径叠加起主要作用，它们按照d-2下降,cf.两径模型中直射波和地面反射波叠加按照d-4下降）2.4.3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，用通用路径跟踪(GRT)来预测场强和时延扩展GRT模型不用于研究一般性问题，针对具体的环境发射机接收机布点几何光学方法跟踪直射信号分量、反射信号分量以及由建筑物绕射和漫散射的信号分量给定接收机位置，具体建筑物位置、介电性质任意个多径分量的强度靠近散射体和衍射体区域:绕射、散射2.4.3通用路径跟踪直射径&反射径：绕射：发送信号绕过发射机和接收机之间的障碍物到达接收机几何绕射理论复杂性简化：楔形绕射数值方法求解未广泛使用菲涅尔刃形绕射模型：简单，最常用模型2.4.3通用路径跟踪若hd&d’,信号绕射径相对于直射径的行程差：相对于直射径的相位移：菲涅尔-基尔霍夫绕射参数：刃形绕射带来的路径损耗一般是v的函数2.4.3通用路径跟踪绕射模型得到接收信号多次绕射路径：信号分量衰减非常大，忽略2.4.3通用路径跟踪散射：2.4.3通用路径跟踪接收到的散射信号：散射波相对时延，σ散射物的雷达截面积（取决于散射体粗糙成都、大小、形状）天线增益该模型假定按自由空间模型从发射体传播到散射体，在散射体处再以散射体接收功率σ倍向外辐射2.4.3通用路径跟踪接收到信号：所有多径分量叠加如果有1条直射路径、Nr条反射路径、Nd条绕射路径和Ns条散射路径，总的接收信号：2.4.4本地接收平均功率所有射线跟踪模型中路径损耗计算：发射机和接收机位置固定情况下进行可用所有路径幅度平方和求出接收机位置附近的本地平均接收功率平均：给定位置因为相位变化引起的接收功率在附近空间上变化反映：链路质量2.5经验路径损耗模型基于实测数据的经验模型复杂传播环境：难以用自由空间损耗、射线跟踪等精确建模实测：城市宏小区、城市微小区、甚至室内模型等先针对特定环境按照不同距离和频率测量数据建模其他通用传播环境中解析模型路径损耗Pr/Pt作为距离函数定义明确实测数据：Pr/Pt包括路径损耗、阴影和多径的影响2.5经验路径损耗模型基于实测数据的经验模型把附近几个波长范围内的测量数据进行平均:消除多径影响平均路径损耗距离d处的本地平均损耗（LMA）考虑自由空间损耗和信号遮挡，LMA随距离d增加而下降一般性：LMA和测量时发射机、接收机位置有关对多个特性类似的环境进行测量，将特定环境下给定距离d处的测量结果平均经验路径损耗PL(d)2.5.1奥村模型城市宏小区信号预测常用模型适于距离范围1km-100km、频率150MHz-1500MHz对东京地区基站到移动台信号传播衰减进行大量测量奥村模型经验路径损耗公式：传播距离d、载频fc时的自由空间路径损耗针对所有环境附加的衰减中值（经验曲线得到）基站天线高度增益因子（经验公式）移动台天线高度增益因子（经验公式）传播环境增益因子（经验曲线）2.5.1奥村模型为提高模型准确度不同地形的校正因子所预测路径损耗和用实测数据建模所得相比，误差标准差约10dB-14dB2.5.2哈塔模型把奥村模型曲线图表示的路径损耗数据拟合为经验公式简化了损耗路径计算，不需查经验曲线确定相关参数城市地区哈塔模型经验路径损耗标准公式：移动台天线高度校正因子，对于中小城市和较大城市分别由不同公式给出,10101010()69.5526.16log()13.82log()()(44.96.55log())log()LurbanctrtpddBfhahhd()rah2.5.2哈塔模型哈塔模型校正后也可用于郊区和乡村，分别