无线通信技术基础_04大尺度衰落

1、无线通信技术基础无线通信技术基础第第4章章、大、大尺度衰落尺度衰落内容介绍内容介绍 在在无线通信系统中，发射机与接收机之间无线信号的传播路径非常复杂无线通信系统中，发射机与接收机之间无线信号的传播路径非常复杂，有简单的视距传播，也会遭遇到各种复杂物体的阻挡和反射，有简单的视距传播，也会遭遇到各种复杂物体的阻挡和反射，移动台，移动台或反或反射体的运动速度也会对信号的传输产生很大影响。射体的运动速度也会对信号的传输产生很大影响。 无线信道具有无线信道具有极大的随机性，非常难以进行理论分析。移动通信系统的极大的随机性，非常难以进行理论分析。移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约，如何建立无线信道的

2、传播模型历来是移动通性能主要受到无线信道的制约，如何建立无线信道的传播模型历来是移动通信系统设计中的难点，这一问题的解决一般采用统计分析的方法，根据对特信系统设计中的难点，这一问题的解决一般采用统计分析的方法，根据对特定频带上的无线通信系统的实际测量值来进行分析。定频带上的无线通信系统的实际测量值来进行分析。 研究研究无线信道的传播特性分为两种情况：大尺度衰落和小尺度衰落。大无线信道的传播特性分为两种情况：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落主要是指由大的几何尺度衰落主要是指由大的几何环境所环境所决定的无线信号的宏观特征。小尺度衰决定的无线信号的宏观特征。小尺度衰落主要是指由于多径传播和时变（运

3、动）引起的无线信号的微观特征。它们落主要是指由于多径传播和时变（运动）引起的无线信号的微观特征。它们的产生原因、分析方法以及对无线通信的影响都是不同的的产生原因、分析方法以及对无线通信的影响都是不同的。本章重点本章重点一一电磁波电磁波的传播机制。的传播机制。二二电磁波的衰落。电磁波的衰落。三三自由空间的传播模型。自由空间的传播模型。四四实际环境的传播损耗。实际环境的传播损耗。五五室外、室内传播模型室外、室内传播模型。第第4.1节、电磁波的传播机制节、电磁波的传播机制 在在无线通信系统中，电磁波的传播方式多种多样无线通信系统中，电磁波的传播方式多种多样，总体，总体上可以归结为直上可以归结为直射、

4、反射、散射和绕射。路径损耗是基于直射、反射、散射和绕射的大尺度射、反射、散射和绕射。路径损耗是基于直射、反射、散射和绕射的大尺度传播模型预测的最重要的参数。同时反射、散射和绕射这三种传播机制也决传播模型预测的最重要的参数。同时反射、散射和绕射这三种传播机制也决定了小尺度多径衰落。定了小尺度多径衰落。n 直射：当发射机和接收机之间存在视距路径时，电磁波可以直达接收机。直射：当发射机和接收机之间存在视距路径时，电磁波可以直达接收机。n 反射：当电磁波在传输过程中遇到比波长大得多的物体时会发生反射。反射：当电磁波在传输过程中遇到比波长大得多的物体时会发生反射。反射可能发生于地球表面、建筑物表面和墙壁

5、表面等。反射可能发生于地球表面、建筑物表面和墙壁表面等。n 散射：当电磁波传播路径的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内散射：当电磁波传播路径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时，会发生散射。电磁波遇到一个粗糙的反射表阻挡体的个数非常巨大时，会发生散射。电磁波遇到一个粗糙的反射表面，方向无规则改变的现象也是散射面，方向无规则改变的现象也是散射。n 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射射，绕射依赖，绕射依赖于物体的形状于物体的形状以及入射波以及入射波的振幅、相位和极化等情况的振幅

6、、相位和极化等情况。第第4.1节、电磁波的传播机制节、电磁波的传播机制1、反射、反射n 电磁波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通过。电磁波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通过。如果平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能量进入第二个介质中，如果平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能量进入第二个介质中，一部分能量反射回到第一一部分能量反射回到第一介质。介质。如果第二如果第二介质介质是是理想理想反射体，则所有的反射体，则所有的入射能量被反射回第一入射能量被反射回第一介质。介质。n 反射系数反射系数是介质材料的函数，并且与极性、入射角和频率有关是介质材料的函数，

7、并且与极性、入射角和频率有关。n 电磁波一般是电磁波一般是极化波，即在空间相互垂直的方向上同时存在电场和磁场极化波，即在空间相互垂直的方向上同时存在电场和磁场成分成分。电场、磁场和传输方向相互垂直，正好侯成一个三维坐标电场、磁场和传输方向相互垂直，正好侯成一个三维坐标。第第4.1节、电磁波的传播机制节、电磁波的传播机制n 电介质的电介质的反射反射：电磁波电磁波的入射角度为的入射角度为i，一部分，一部分能量以角度能量以角度r反射回第一反射回第一介质，一部分能量以角度介质，一部分能量以角度t进入第二介质（发生进入第二介质（发生折射）折射）。入射平面定义为。入射平面定义为包括入射波、反射波和折射波的

8、平面包括入射波、反射波和折射波的平面。第第4.1节、电磁波的传播机制节、电磁波的传播机制n 理想导体的理想导体的反射反射：电磁波电磁波不能穿过理想导体（趋肤效应），平面波入射不能穿过理想导体（趋肤效应），平面波入射到理想导体时，其全部能量将被反射回来到理想导体时，其全部能量将被反射回来。n 在移动无线信道中，基站和移动台之间的直达路径很少是传播的唯一物在移动无线信道中，基站和移动台之间的直达路径很少是传播的唯一物理理路径路径，基于几何光学的双基于几何光学的双线地面反射模型线地面反射模型是非是非常有用的传播常有用的传播模型模型。第第4.1节、电磁波的传播机制节、电磁波的传播机制2、散射、散射n

9、当当电磁波遇到粗糙表面时，反射能量电磁波遇到粗糙表面时，反射能量由于由于“散射散射”而而散布于所有散布于所有方向方向。粗糙粗糙程度不同的表面会产生不同的散射效果，表面粗糙程度可以定义为程度不同的表面会产生不同的散射效果，表面粗糙程度可以定义为一定入射角的表面平整度的参考一定入射角的表面平整度的参考高度。高度。n 如果如果平面上最大的突起高度小于平面上最大的突起高度小于hc，则认为表面为光滑的，反之则为粗糙，则认为表面为光滑的，反之则为粗糙的。对于粗糙表面，反射系数需要乘上一个散射损耗系数以代表减弱的的。对于粗糙表面，反射系数需要乘上一个散射损耗系数以代表减弱的反射场。反射场。icsin8/h

10、第第4.1节、电磁波的传播机制节、电磁波的传播机制3、绕射、绕射 在在无线通信系统中，物体对电磁波的阻挡会产生绕射损耗，仅有一部分无线通信系统中，物体对电磁波的阻挡会产生绕射损耗，仅有一部分能量能绕过阻挡体能量能绕过阻挡体。精确。精确估计绕射损耗是不可能的，实际预测一般是理论近估计绕射损耗是不可能的，实际预测一般是理论近似加上必要的经验修正似加上必要的经验修正。n 刃形刃形绕射绕射：假设假设，发射机和接收机，发射机和接收机之间之间有有一一个具有无限宽度、有效个具有无限宽度、有效高度高度h的的阻挡屏放在距发射机阻挡屏放在距发射机d1、距接收机、距接收机d2的的位置。电磁波位置。电磁波从发射机经阻

11、挡屏从发射机经阻挡屏的顶端到达接收机的绕射传播距离比理论上的直接视距传播距离（的顶端到达接收机的绕射传播距离比理论上的直接视距传播距离（d1+d2）要长。如果要长。如果h，则直射路径和绕射路径之差称为附，则直射路径和绕射路径之差称为附加路径长度加路径长度。路径路径差和相位差如下：差和相位差如下：21212222dd)d(dh212122dd)d(dh第第4.1节、电磁波的传播机制节、电磁波的传播机制第第4.2节、电磁波的衰落节、电磁波的衰落n 在蜂窝系统中，发射机发射的在蜂窝系统中，发射机发射的无线无线信号经过空间传输后被接收机接收，信号经过空间传输后被接收机接收，接收信号接收信号会经受空间损

12、耗会经受空间损耗。而且大多数基站设置在建筑物密集的城区，。而且大多数基站设置在建筑物密集的城区，基站和移动台之间大都没有直接视距路径，电磁波在穿过建筑物时会产基站和移动台之间大都没有直接视距路径，电磁波在穿过建筑物时会产生吸收损耗和绕射损耗（阴影效应）。这些都是生吸收损耗和绕射损耗（阴影效应）。这些都是“大尺度衰落大尺度衰落”。n 同时，同时，由于不同的地理环境，还会产生多路径的反射，经过不同反射路由于不同的地理环境，还会产生多路径的反射，经过不同反射路径的电磁波相互作用会引起径的电磁波相互作用会引起“小尺度衰落小尺度衰落”。n 此外，由于建筑物等反射体表面是不光滑的，反射能量还会由于散射而此

13、外，由于建筑物等反射体表面是不光滑的，反射能量还会由于散射而散布于很多方向，也会引起信号衰落。散布于很多方向，也会引起信号衰落。n 对对电磁波传播模型的电磁波传播模型的研究主要研究主要关注两个方面：指定区域内接收关注两个方面：指定区域内接收信号信号的的平平均电平和特定位置接收均电平和特定位置接收信号电平信号电平的的瞬时值瞬时值。通过各种传播模型对无线信通过各种传播模型对无线信道进行分析，可以用来确定无线系统应该采取哪些技术措施道进行分析，可以用来确定无线系统应该采取哪些技术措施。第第4.2节、电磁波的衰落节、电磁波的衰落n 大尺度传播大尺度传播模型模型：用于用于预测无线覆盖预测无线覆盖区域区域

14、内内接收信号接收信号的的平均电平，它描平均电平，它描述述的是发射机与接收机之间远距离（几百米或几千米）的场强的是发射机与接收机之间远距离（几百米或几千米）的场强变化。变化。n 小尺度衰落小尺度衰落模型模型：描述描述发射机与接收机之间短距离（几个波长）或短时发射机与接收机之间短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收信号电平的快速波动的传播间（秒级）内接收信号电平的快速波动的传播模型模型。第第4.3节、实际环境的传播损耗节、实际环境的传播损耗n 自由空间的传播损耗。自由空间的传播损耗。p 当当接收机和发射机之间接收机和发射机之间是没有是没有阻挡的视距阻挡的视距路径时路径时，可以用可以用自由空间传自

15、由空间传播模型来预测接收播模型来预测接收信号电平信号电平。卫星通信和微波中继通信是卫星通信和微波中继通信是典型的自由典型的自由空间传播，空间传播，移动通信在室外移动通信在室外开开阔环境阔环境也可能存在也可能存在视距视距路径路径。p 自由空间自由空间传播模型预测接收功率电平的衰减是波长（或频率）和发射传播模型预测接收功率电平的衰减是波长（或频率）和发射机到接收机距离的函数机到接收机距离的函数。2222441d)(PAdPPtetrmmrtd-d)(PP(dB)Llg20lg20224lg10lg102220第第4.3节、实际环境的传播损耗节、实际环境的传播损耗p 在在实际的通信工程中，电磁波一般

16、用频率来标称实际的通信工程中，电磁波一般用频率来标称。mHzmmdf.d(dB)Llg20lg205147lg20lg20220p 在在移动通信移动通信工程工程中，中，电磁波电磁波的的频率频率一般采用一般采用MHz。mMHzdf.L(dB)lg20lg20527KmMHzdf.L(dB)lg20lg20532第第4.3节、实际环境的传播损耗节、实际环境的传播损耗n 实际环境的的传播损耗。实际环境的的传播损耗。 20lgd实际上表示的是：实际上表示的是：10lgd2，即即路径损耗指数是路径损耗指数是“2”。不同传。不同传播环境下的路径播环境下的路径损耗指数不同损耗指数不同，实际环境的空间损耗的近

17、似，实际环境的空间损耗的近似计算如下。计算如下。mMHzdnf.L(dB)lg10lg20527无线环境无线环境路径损耗指数路径损耗指数n自由空间自由空间2市区蜂窝市区蜂窝2.6 3.5市区蜂窝阴影市区蜂窝阴影3 5建筑物内视距传播建筑物内视距传播1.6 1.8建筑物遮挡建筑物遮挡4 6工厂遮挡工厂遮挡2 3第第4.4节、室外传播模型节、室外传播模型 在在无线通信系统中，电磁波经常要在不规则的地区无线通信系统中，电磁波经常要在不规则的地区传播传播，有有很多传播模很多传播模型可以用来预测不规则地区的路径型可以用来预测不规则地区的路径损耗损耗。这些这些模型的目标都是预测特定地点模型的目标都是预测特

18、定地点或特定区域的信号场强，但是在分析方法、复杂性和精确性等方面差异很大。或特定区域的信号场强，但是在分析方法、复杂性和精确性等方面差异很大。大部分模型都是基于服务区的实际测试数据来对理论分析进行修正大部分模型都是基于服务区的实际测试数据来对理论分析进行修正。n Longley-Rice（朗利（朗利-赖斯）赖斯）模型模型。n Durkin（杜尔金）（杜尔金）模型模型。n Okumura（奥村）（奥村）模型模型。n Hata（哈塔）（哈塔）模型模型。n Hata模型的模型的PCS扩展扩展。n 由由Walfish（沃尔菲什）和（沃尔菲什）和Bertoni（贝托尼（贝托尼）模型）模型。第第4.5节、

19、室内传播模型节、室内传播模型n 随着个人通信系统的应用，随着个人通信系统的应用，人们越来越关注电磁波在室内的传播情况人们越来越关注电磁波在室内的传播情况。同时形成了一个独立的室内覆盖工程技术，专门用于解决移动通信信号同时形成了一个独立的室内覆盖工程技术，专门用于解决移动通信信号的室内环境的信号覆盖问题。的室内环境的信号覆盖问题。n 室内室内无线传播的研究是一个新的技术领域，无线传播的研究是一个新的技术领域，室内室内无线无线信道的覆盖信道的覆盖距离更距离更小小、环境环境变动更大。建筑物内的无线信号传播变动更大。建筑物内的无线信号传播受到建筑物受到建筑物类型、内部布类型、内部布局、材料结构等因素的

20、强烈影响局、材料结构等因素的强烈影响。应用室外模型进行特定应用室外模型进行特定的的室内环境室内环境进进行行分析是非常困难分析是非常困难的的。，n 室内室内无线无线传播同样传播同样包括三种包括三种机制机制：反射、散射和绕射，但是，传播条件：反射、散射和绕射，但是，传播条件有很大的不同，传输有很大的不同，传输特性特性会会随着随着环境的杂乱程度而变化环境的杂乱程度而变化。建筑物。建筑物内房间内房间的门是开着还是关着、文件柜是木制还是金属材料的等等，都会造成接的门是开着还是关着、文件柜是木制还是金属材料的等等，都会造成接收信号电平有很大程度的收信号电平有很大程度的差异差异，天线天线的安装位置也会直接影

21、响到大尺度的安装位置也会直接影响到大尺度传播传播特性。特性。第第4.5节、室内传播模型节、室内传播模型n 分割损耗：分割损耗：建筑物内部有大量的分隔体和阻挡体建筑物内部有大量的分隔体和阻挡体。作为建筑物整体结构作为建筑物整体结构一部分的分隔称为硬分隔，可移动的并且未延展到天花板的分隔称为软一部分的分隔称为硬分隔，可移动的并且未延展到天花板的分隔称为软分隔分隔。不同。不同材料的材料的分隔分隔损耗差别很损耗差别很大，一般大，一般需要需要使用使用基于实际测量的基于实际测量的经经验验统计的损耗数值统计的损耗数值。n 室内传播模型。室内传播模型。p 对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型。p 爱立信多

22、重断点爱立信多重断点模型模型。p 衰减因子衰减因子模型模型。材料类型材料类型频率（频率（MHz）损耗（损耗（dB）混凝土承重墙混凝土承重墙100020 30砖墙砖墙100015 25石膏墙石膏墙100010 20第第4.6节、建筑物的穿透损耗节、建筑物的穿透损耗n 随着移动通信的发展，室内已经成为使用手机的主要环境，随着移动通信的发展，室内已经成为使用手机的主要环境，一一个位于建个位于建筑物外部的筑物外部的发射机发射机（基站）（基站）发射发射的无线信号，被建筑物内部的的无线信号，被建筑物内部的接收机接收机（移动台）（移动台）正常正常接收到，对于无线通信系统来说是非常重要的接收到，对于无线通信系

23、统来说是非常重要的。n 室内环境的覆盖情况如下：室内环境的覆盖情况如下：p 在在一定的高度内（发射天线的高度，一般为一定的高度内（发射天线的高度，一般为45米以下），随高度的增米以下），随高度的增加建筑物内的接收信号电平会增加，在高楼层由于可能存在视距路径加建筑物内的接收信号电平会增加，在高楼层由于可能存在视距路径使得外墙处可能具有较强的入射信号使得外墙处可能具有较强的入射信号。p 超过超过一定高度后，由于发射天线的下倾，随着高度的进一步增加，外一定高度后，由于发射天线的下倾，随着高度的进一步增加，外墙处的入射信号会变得越来越弱墙处的入射信号会变得越来越弱。p 在在低楼层中，由于城区的杂散结构

24、会引起较大的衰减，减弱了信号的低楼层中，由于城区的杂散结构会引起较大的衰减，减弱了信号的透射能力。透射能力。第第4.6节、建筑物的穿透损耗节、建筑物的穿透损耗n 随着随着信号信号频率频率的的增加增加，透射损耗会透射损耗会相应相应减小减小，一项测试结果显示，频率，一项测试结果显示，频率为为900MHz、1800MHz和和2300MHz时，建筑物底层测得的透射衰减典型时，建筑物底层测得的透射衰减典型值分别为值分别为14.2dB、13.4dB和和12.8dB。n 天线高度对信号透射也有非常重要的影响天线高度对信号透射也有非常重要的影响，如果如果室外室外发射机的天线高度发射机的天线高度小于建筑物本身的

25、高度小于建筑物本身的高度，那么，那么，从从底层到底层到15层（层（45米米）的的透射损耗透射损耗以每以每层层1.9dB递减，从递减，从15层向上透射损耗开始逐层递增层向上透射损耗开始逐层递增。n 与与建筑物建筑物的的总总表面相比，窗体面积所占的表面相比，窗体面积所占的百分比百分比也也会会直接影响无线信号直接影响无线信号的的透射损耗透射损耗。n 电磁波的入射角度也会对透射衰减产生很大的影响电磁波的入射角度也会对透射衰减产生很大的影响。 结论：建筑物的穿透损耗与结论：建筑物的穿透损耗与信号信号频率、建筑物外墙频率、建筑物外墙材料材料、建筑物高度建筑物高度以以及电磁波的入射角度等诸多因素有关，很难用

26、传输模型进行精确的分析，在及电磁波的入射角度等诸多因素有关，很难用传输模型进行精确的分析，在实际工程中一般基于经验数据，如果需要准确数据，则基于实际测量。实际工程中一般基于经验数据，如果需要准确数据，则基于实际测量。第第4.7节、节、传播模型的传播模型的计算机辅助分析计算机辅助分析n 当环境当环境和建筑物特性的和建筑物特性的数据足够数据足够丰富时丰富时，可以，可以使用计算机辅助设计工具使用计算机辅助设计工具来开发无线通信系统。这些计算机辅助设计工具综合了以上介绍的各种来开发无线通信系统。这些计算机辅助设计工具综合了以上介绍的各种传播模型，能够提供较大范围内确定的大尺度路径损耗的预测模型。传播模型，能够提供较大范围内确定的大尺度路径损耗的预测模型。n 预测预测无线信号覆盖的新方法包括使用特定站址（无线信号覆盖的新方法包括使用特定站址（SISP）传播模型和地理）传播模型和地理信息系统（信息系统（GIS）数据库。）数据库。SISP模型提供电磁波跟踪作为室内或室外传模型提供电磁波跟踪作为室内或室外传播环境建模的主要方法。通过使用标准地理软件包中的建筑物数据库，播环境建模的主要方法。通过使用标准地理软件包中的建筑物数据库，无线通信系统的设计者能够获得建筑物和地物特征的精确数据。无线通信系统的设计者能够获得建筑物和地物特征的精确数据。p 对于室外传播的预测对于室外传播的预测，采用