第二章 路徑損耗和陰影衰減

1、第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減2.1 無線電波傳播2.2 發(fā)送和接受信號(hào)模型2.3 自由空間路徑損耗2.4 射線跟蹤2.5 經(jīng)驗(yàn)路徑損耗模型2.6 簡(jiǎn)化的路徑損耗模型2.7 陰影衰落2.8 路徑損耗和陰影衰落的混合模型2.9 路徑損耗和陰影衰落造成的中斷率2.10 小區(qū)覆蓋范圍第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減2.1 2.1 無線電波傳播無線電波傳播 本章討論由路徑損耗和陰影衰落效應(yīng)所引起的接收信號(hào)功率隨距離變化的規(guī)律。路徑損耗是由發(fā)射功率的輻射擴(kuò)散及信道的傳播特性造成的，陰影衰落是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的障礙物造成的。 電磁波在空中傳播時(shí)，墻壁、地面、建筑物

2、和其他物體會(huì)對(duì)電磁波形成反射、散射和繞射。人們采取一些近似方法來描述信號(hào)的傳播特性，避免求解復(fù)雜的麥克斯韋方程。最常見的一種近似方法就是射線跟蹤技術(shù)。2.2 2.2 發(fā)送和接受信號(hào)模型發(fā)送和接受信號(hào)模型第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減 我們所研究的發(fā)射和接收信號(hào)都是實(shí)信號(hào)，但為了便于分析，常把實(shí)的發(fā)送和接收信號(hào)表示成一個(gè)復(fù)數(shù)的實(shí)部，這就是帶通信號(hào)的等效基帶表示。 定義信道的路徑損耗真值為發(fā)射功率和接收功率的比值：rtPPPL 定義信道的路徑損耗為路徑損耗真值的分貝數(shù)：dBPPdBPrtL10log10第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減2.3 2.3 自由空間路

3、徑損耗自由空間路徑損耗 在自由空間中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒有任何障礙物，信號(hào)沿直線傳播?？傻玫浇邮展β屎桶l(fā)射功率的比為：24dGPPltr 可見接收功率與收發(fā)天線間距d的平方成反比，與波長(zhǎng)的平方成正比，因此載波頻率越高則接收功率越小。2.4 2.4 射線跟蹤射線跟蹤第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減 射線跟蹤法把波近似為粒子，用一些簡(jiǎn)單的幾何方程取代復(fù)雜的麥克斯韋方程。最一般的射線跟蹤模型包括直射、反射、繞射和散射等各種衰落分量，其建模需要知道發(fā)射機(jī)和接收機(jī)周圍所有物體的幾何和介電性質(zhì)。2.4.1 兩徑模型 接收信號(hào)由兩部分組成：經(jīng)自由空間到達(dá)接收端的直射分量和經(jīng)過地面反射到達(dá)接

4、收端的反射分量。 其中接收功率可近似為：22r44dhhdGPrtl 令式子中的直射信號(hào)和反射信號(hào)的相位差 可近似得到臨界距離/4rtchhd 臨界距離可用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.4.2 十徑模型（介電峽谷）第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減 這種模型將環(huán)境假定為一個(gè)方方正正的城市，街道兩邊是建筑物，發(fā)射天線和接收天線的高度接近于地面。兩旁排列著建筑物的街道對(duì)無線電信號(hào)相當(dāng)于一個(gè)介電峽谷。十徑模型包括各種一次、兩次和三次反射信號(hào)，具體有直射路徑（LOS）、地面反射路徑（GR）、一次墻面反射路徑（SW）、兩次墻面反射路徑（DW）、三次墻面反射路徑（TW）、墻地反射路徑（WG）和地墻反射路

5、徑（GW）。 由接收功率公式得知，無論發(fā)射天線是高于或低于建筑物，十徑模型得到的接收功率隨距離的平方下降。2912|4iijxiltrxeGRlGPPii2.4.4 本地平均接收功率第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減 射線跟蹤中可用所有路徑的幅度平方和，求出接收機(jī)位置附近的本地平均接收功率 本地平均接收功率能較好地反映鏈路質(zhì)量，經(jīng)常用在蜂窩系統(tǒng)的功率控制中。rP2.4.3 通用路徑跟蹤 對(duì)于任意建筑物布局和任意天線位置的情形，可用通用路徑跟蹤來預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)和時(shí)延擴(kuò)展。它需要準(zhǔn)確的建筑物數(shù)據(jù)以及收發(fā)天線相對(duì)于建筑物的位置。這些信息和特定的站址有關(guān)，所以該模型不用于研究一般性的系統(tǒng)性能

6、和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題，而是為了解釋城市電波傳播的基本機(jī)理。2.5 2.5 經(jīng)驗(yàn)路徑損耗模型經(jīng)驗(yàn)路徑損耗模型 大多數(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)運(yùn)行在復(fù)雜的傳播環(huán)境之中，這些傳播環(huán)境難以用自由空火路徑損耗或射線跟蹤法精確建模。我們可以先針對(duì)特定的環(huán)境按不同的距離和頻率取得測(cè)量數(shù)據(jù)，再用這些數(shù)據(jù)建模。實(shí)測(cè)時(shí)為了得到路徑損耗，一般是把附近幾個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以消除多徑的影響。這樣得到的平均路徑損耗叫做距離d處的本地平均損耗。對(duì)于城市等具體環(huán)境，本地平均損耗和測(cè)量時(shí)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的具體位置有關(guān)。第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減模型名稱模型名稱使用的距離范圍使用的距離范圍使用的頻率范圍使用的頻

7、率范圍奧村模型哈塔模型哈塔模型的COST231擴(kuò)展1km100km0km100km1km20km150MHz1500MHz150MHz1500MHz1.5GHz2GHz常用模型常用模型第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減室內(nèi)衰減 室內(nèi)傳播因具體環(huán)境的不同由很大的差異，因此很難建立出能夠準(zhǔn)確計(jì)算特定室內(nèi)環(huán)境中的路徑損耗的通用模型。典型隔壁損耗（對(duì)應(yīng)頻率是典型隔壁損耗（對(duì)應(yīng)頻率是900MHz1300MHz）隔壁類型隔壁類型隔壁損耗（隔壁損耗（dB）隔壁類型隔壁類型隔壁損耗隔壁損耗（dB）布料1.4混凝土墻13雙層石膏墻板3.4鋁墻板20.4絕緣箔型3.9全金屬型26 即使對(duì)于相同的頻

8、率和相同類型的隔壁，不同研究者得出的損耗差別也非常大，因此很難得到一般化的結(jié)論。第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減2.6 2.6 簡(jiǎn)化的路徑損耗模型簡(jiǎn)化的路徑損耗模型 信號(hào)傳播的復(fù)雜性使我們很難用單一模型來精確反映各種傳播環(huán)境下的路徑損耗。如果只是為了對(duì)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行一般的優(yōu)劣分析，則可以不用復(fù)雜模型，用一個(gè)能反映信號(hào)傳播主要特性的簡(jiǎn)單模型即可。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用下面的簡(jiǎn)化路徑損耗模型：0ddKPPtr對(duì)應(yīng)的分貝值為：log10010ddKbBdBmPdBmPtr2.7 2.7 陰影衰落陰影衰落第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減 信號(hào)在無線信道傳播過程中

9、遇到的障礙物會(huì)使信號(hào)發(fā)生隨機(jī)變化，從而造成給定距離處接受信號(hào)功率的隨機(jī)變化，反射面和散射體的變化也會(huì)造成接收功率的隨機(jī)變化。因此需要建立一個(gè)模型來描述這些因素造成的信號(hào)隨機(jī)衰減。最常用的模型是對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型。 經(jīng)過假設(shè)與討論得知：發(fā)射和接收功率的比值 的分貝值服從均值為 、標(biāo)準(zhǔn)差為 的正態(tài)分布：dBdB2)(exp21)(22dBdBdBdBdBp2.8 2.8 路徑損耗和陰影衰落的混合模型路徑損耗和陰影衰落的混合模型第二章第二章 路徑損耗和陰影衰減路徑損耗和陰影衰減 將路徑損耗模型和陰影衰落模型疊加在一起就可以同時(shí)反映出功率隨距離的減小和陰影造成的路徑損耗隨機(jī)衰減。 按照這個(gè)模型，接收功率和發(fā)射功率之比的分貝值為：dBtrddKdBPP01010log10log102.9 2.9 路徑損耗和陰影衰落造成的中斷率路徑損耗和陰影衰落造成的中斷率 無線通信系統(tǒng)一般有一個(gè)目標(biāo)最小接收功率 ，當(dāng)實(shí)際接收功率低于該目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)性能就會(huì)變得不可接受。 定義路徑損耗和陰影衰落造成的中斷率 為 ，即距離d處的接收功率 低于目標(biāo)值 的概率。minPoutP)(,minrminoutPdPpdPP）（)(rdPminP2.10 2.10 小區(qū)覆蓋范圍小區(qū)