《无线通信基础与应用》课件第02章 大尺度路径损耗.pptx

1、大 尺 度 路 径 损 耗第二章室内路径损耗模型05无线电传播特性02大尺度路径损耗模型03室外路径损耗模型04目 录C O N T E N T S天线基础知识01前 言I N T R O D U C T I O N与有线通信系统不同，无线通信的信号传播要复杂得多，电磁波从发射天线到接收天线，可能会经历楼宇、树木、山峰等各种不同的传播环境，无线信道的特性完全取决于传播环境，无法控制，也无法改变，是典型的随参信道。同样的发射功率，即使发射机与接收机的距离固定，不同位置的接收功率也不一定相同，甚至相同位置在不同时刻的接收功率也不同。造成上述随机性的最根本原因在于复杂的传播环境，如果在很大的距离尺度

2、上（例如101000米）观察，将会发现随着收发距离的增加，接收功率整体呈下降趋势，这是由于电磁波辐射过程中的能量扩散，这种现象称为路径损耗，理想的传播环境中，相同的距离应该有相同的路径损耗。但实际上即使是相同的收发距离，不同位置测得的接收功率也是随机的，这种随机性主要来源于不同位置对应不同的传播环境。与直视传播相比，如果收发信机之间存在障碍物，接收功率自然会大幅下降，这种由具体传播环境变化导致的接收功率随机涨落称为衰落（Fading），因为这种衰落主要是由障碍物的阴影效应引起的，因此常常将其称为阴影效应或者阴影衰落。路径损耗和阴影衰落都是在较大距离尺度上讨论接收功率的变化，故统称为大尺度传播效

3、应，阴影衰落也常称为大尺度衰落。电磁波可能会经历大量不同的传播路径到达接收机，进而在接收机处相互叠加干涉，由于不同的传播路径导致信号产生不同的衰减、频移、相移和时延，这些信号可能在接收机处发生相长干涉，也可能发生相消干涉。且当发射机或者接收机的位置发生很小的（电磁波波长尺度上）变化时，合成信号的组成分量、以及它们的相长相消的关系都可能产生变化，从而造成合成信号幅度的快速随机起伏，由于这种功率涨落现象发生在波长级别的距离尺度上，故称为小尺度传播效应或小尺度衰落。当发生深衰落，即信号幅度极低的情况，就可能因为接收功率太低而无法正常通信。无线信道中，大尺度和小尺度传播效应同时存在，分别表现在不同的距

4、离尺度上，从而使得无线信道尤为复杂。只有深刻了解无线信道的特性，了解其对信号造成的不利或者有利影响，才能有的放矢地设计更有效的无线通信系统。本章重点讨论大尺度路径损耗，学习无线电波功率随距离增加而衰减的规律，从而帮助我们规划站址选择和功率预算。本章将讨论小尺度多径衰落。PART 01天 线 基 础 知 识什么是天线？天线是辐射和接收无线电波的装置，发射天线将传输线上的导行波转换为自由空间中传播的电磁波，接收天线将空间辐射波转换为导行波。天线具有可逆性，一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线，且同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。天线区域划分分贝dB来表示信号功率的相对值或者倍数无

5、线通信中还经常利用dB表示，通过相对于某个单位信号的相对强度来描述信号幅度和功率的绝对强度。dBW和dBm两个单位都用来表征功率绝对值，前者以W为基本单位，即1W为0dBW，后者以mW为基本单位，即1mW为0dBm。1.1 功率天线增益是指在相同输入功率时，天线在辐射最强方向上的功率密度与参考天线（通常采用理想辐射点源，这是一种理想的全向天线）辐射功率密度的比值，用来定量描述天线把输入功率集中辐射的程度。通常使用方向图来表述其在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力，例如图 1-1给出了垂直放置的半波对称振子天线及其在竖直方向上的方向图，可以看出在振子的轴线方向（竖直方向）上辐射为零，最

6、大辐射方向在水平面上，在水平面上各个方向上的辐射一样大。1.2 天线增益 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800垂直方向辐射为0水平方向辐射最强天线增益定义：图 1-1 半波对称振子天线及其方向图天线是无源器件，并不产生能量，只能通过重新分配使某个方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则可能为负。因此，方向图主瓣越窄，副瓣越小，天线增益越高，如图 1-2所示。图 1-2 天线增益与覆盖范围之间的关系天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由相互垂直的交变电场和磁场构成，电磁波在空间

7、传播时，若电场矢量的方向保持固定或按一定规律旋转，这种电磁波称为极化波，规定电场的振动方向就是天线极化方向。通常的极化类型有线极化、圆极化和椭圆极化三种，如图 1-3所示。1.3 极化图 1-3 三种极化波PART 02无线电传播特性如图 2-1 所示，电磁波的传播机制多种多样，总体上可以归结为直射、反射、折射、绕射、散射、透射。图 2-1 电磁波传播机制2.1 自由空间传播自由空间传播是最简单的情况，电磁波以光速c在真空中传播，且在传输过程中没有任何阻挡，没有能量吸收，既没有反射与散射，也没有折射和绕射。从而有1-11-21-3定义自由空间的传播损耗为：为了方便计算，通常将传播损耗（也称为路

8、径损耗或路损）写成对数形式，即：1-41-51-61-7图 2 2 极限传播距离的计算2.2 反射与透射其中入射平面定义为包括入射波、反射波和透射波的平面。1-8图 2 3 地面发射双线模型容易推得两径行程差为1-91-10(a)(b)图 2 4 地面发射双线模型接收功率与距离的关系该值也称为收发机之间的第一菲涅尔距离，该距离条件下反射径长度正好比直射径长度多出半个波长，加上反射导致的相移，两径接收信号正好同相。1-111-12接下来讨论透射。透射典型的情况是建筑物或其他障碍物穿透，除了从空气进入障碍物产生的透射损耗，障碍物本身的厚度也会产生附加损耗，两者合起来构成穿透损耗。如果收发信机分别处

9、于室外和室内，就要考虑建筑物穿透损耗，测试表明，建筑物穿透损耗与频率、高度和建筑物材料有关，对于900MHz2GHz的频率范围，1层的建筑物穿透损耗典型值为820dB，穿透损耗随频率增加略有下降。此外，每增高1层，穿透损耗下降1.4dB，这是由于楼层高时存在LOS路径的可能性变大，从而使外墙处具有更强的入射信号。建筑物内窗户的类型和数量对穿透损耗有重要的影响，窗户后测得的穿透损耗比外墙后测得的值小6dB，平板玻璃的穿透损耗约为6dB。2.3 散射在实际的移动无线环境中，接收信号比单独反射模型预测的要强，这是因为当电磁波遇到粗造表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向。像树木、花草这样的物体在所

10、有方向上散射能量，因此接收机将会收到来自不同环境物体的额外散射能量。2.4 绕射绕射（也称衍射）指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。波长越长（大于障碍物尺寸），波动性越明显，越容易发生绕射现象。绕射可使用惠更斯原理来解释，如图 2-5 所示，波前上的每一点都可看作是一个产生次级波的点源，次级波的速度与频率等于原来的速度和频率，这些次级波相互干涉共同构成传播方向上新的波前。当收发天线之间存在障碍物，则部分次级波传播将受到阻挡，即使障碍物阻挡了收发天线之间的视距传播，只要还有一部分次级波与接收机存在视距，就会有部分能量绕过障碍物到达接收机，接收能量为非阻挡区次级波所贡献的能量总和。绕射由次

11、级波传播进入阴影区域而形成。图 2 5 惠更斯原理绕射将产生绕射损耗，如果绕射是由单个障碍物引起的，则可以使用如图 2-6 所示的刃形绕射模型来估计绕射损耗。假定阻挡物宽度无限，由刃形绕射引起的绕射增益（该值等于负的绕射损耗，通常为负数）为：图 2 6 刃形绕射模型图 2-7 给出了绕射增益随绕射参数v的变化曲线，其中F（v）是菲涅尔-基尔霍夫绕射参数v的菲涅尔积分，计算比较复杂，且无闭式解。定义如下：图 2 7 绕射增益曲线由于菲涅尔积分难以计算，前人给出了如下近似式：图 2 8 障碍物有效高度示意图1-131-141-15图 2 10 菲涅尔区在很多情况下，特别是山区，传播路径上不只一个阻

12、挡体，这种情况下，所有阻挡体引起的绕射损失都必须计算。可以用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体，从而使用前面的单刃形绕射模型来计算绕射损耗，如图 2-11所示。这种方法极大地简化了计算并能比较好地估计接收信号强度。图 2 11 多重刃形绕射模型2.5 多普勒频移1-16图 2 12 多普勒频移的计算如果是速度为300km/h的高铁，则最大多普勒频移也仅为500Hz。随着第5代移动通信系统引入的毫米波，工作频率可以高达80GHz，此时高铁环境中最大多普勒频移约为22KHz，必须考虑多普勒频移对于信号的影响。前面的分析假定接收机运动，实际上发射机运动或者信号经由运动的环境物体反射/散射后到达接收机都会

13、产生多普勒频移。例如低轨道卫星通信，由于卫星绕地作高速运动，即使终端固定不动，也会存在较大的多普勒频移。PART 03大尺度路径损耗模型3.1 对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型计算简单，在对准确性要求不高的场合中应用广泛。非常适合做性能估算，在第10章计算多址容量时就使用了该模型。该模型认为，无论是室内和室外信道，平均接收功率随距离的变化呈对数衰减，即平均路径损耗满足以下公式：1-17环境n环境n城市宏小区3.76.5商店1.82.2城市微小区2.73.5工厂1.63.3写字楼（同层）1.63.5家居3写字楼（跨层）26 例 3-1下表为某室内系统的一组路径损耗测量数据，计算路径损耗指

14、数n，使(1-17)式和实测数据之间以分贝度量的均方误差最小，假设发射功率为0dBm，利用n计算100m处的接收功率。距离（米）路径损耗1070dB02075dB35090dB7100110dB10300125dB14.77解：定义均方误差1-183.2 阴影衰落如前所述，为了测试特定环境（如城区、郊区或办公室等）下特定距离的经验路径损耗，要对测量结果进行大量的平均。实际上即使距离相等，不同位置的周边环境差别也是非常大的，由于地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波传播路径的阻挡，信号在传播过程中遇到的障碍物将使信号发生随机变化，从而造成给定距离处接收功率的随机变化，进而导致测试结果与经验模型预测值

15、之间存在着较大差异。由于造成信号起伏（也称信号衰落）的因素，包括障碍物的位置、大小等要素都是未知的，因此只能用统计模型来表征这种随机起伏。最常用的模型为对数正态阴影模型，测试表明，对数正态阴影模型可以准确建模室外和室内无线传播环境中接收功率的变化，具体来说，特定位置的路径损耗是一个随机变量，可以表示为：1-19基于(1-19)式，我们可以得到能够同时反映路径损耗和阴影衰落的混合模型，如图 3-1 所示。其中平均路径损耗随着距离的对数呈线性下降，表现为图中的虚线，由于传播环境的随机性，实际测量得到的路径损耗为平均路径损耗叠加服从对数正态分布的随机变量，表现为图中的实线。理论上，针对每个特定的收发

16、信机距离，对各种传播环境下的大量路径损耗测量值取平均，就可以得到图中虚线描述的路径损耗模型。1-201-21例题见书2.4&2.5PART 04室 外 路 径 损 耗 模 型4.1 奥村模型奥村模型是城市宏小区信号预测最常用的模型，适用的距离范围是1100km，频率范围是150MHz1920MHz（可扩展到3000MHz），基站天线高度30m100m。奥村在东京地区对基站到移动台的信号传播损耗做了大量测量，用一系列曲线的形式给出了不规则地形条件下相对于自由空间传播的损耗中值。具体来说，奥村模型的经验路径损耗公式如下：针对不同地形地物，可以使用不同的修正因子对奥村模型加以修正，以提高模型精度。奥

17、村模型完全基于测量数据，不提供任何理论解释，该模型的主要缺点是对地形的反应较慢，奥村模型预测的路损和实测数据相比，误差的标准差约为1014dB。根据奥村模型适用的距离和频率范围，奥村模型无法用于建模大量存在的微小区（半径为百米的数量级）。4.2 哈塔模型Hata模型是把奥村用曲线图表示的路径损耗拟合为经验公式，利用公式简化了计算，避免通过查经验曲线来确定相关参数，该模型的适用频率范围150MHz1500MHz。市区哈塔模型的经验路径损耗公式为：城市哈塔模型经修正后也可用于郊区和乡村，公式分别为：4.3 哈塔模型的COST231扩展图 4 1 COST-WI模型适用场景及参数定义4.4 COST

18、 231-Walfish-Ikegami模型如果收发天线正好位于街道两端，则存在视距传输，适用街道峡谷LOS模型，其路径损耗预测公式为：否则，适用NLOS模型，其路径损耗预测公式如下：PART 05室 内 路 径 损 耗 模 型由于有相当大一部分的数据流量发生在室内，如无线局域网WLAN，为了满足持续增长的需求，对室内传播特性的研究也极为重要。与室外环境相比，室内传播环境的主要特点是收发天线距离短、发射功率低、大量的无线电波往往需要穿透许多墙壁和楼层才能到达接收机，并且信道时变性较低。除了频率、墙面、地板等因素，建筑格局的多样性，甚至人口密度及人体都会在一定程度上对接收信号有所影响，所有这些因

19、素对室内场景的分类、定义以及准确描述室内传播特性带来了极大的困难。模型适用频率场景考虑因素ITU-R M.213526GHz室内热点收发距离、频率3GPP TR36.814家用基站收发距离、频率IEEE 802.11n2GHz/5GHz家居、小型办公室、典型办公室和室内热点收发距离、频率WINNER II26GHz办公室和室内热点收发距离、频率、墙壁和楼层COST231 Hata0.9GHz/1.8GHz密集环境、开放空间、大房间和走廊收发距离、频率、墙壁和楼层5.1 基础模型几乎所有室内模型都是以某个数学模型为基础，按照不同的实际环境对其进行修正后得到的。以下首先说明通常使用的基础模型。1)

20、单斜率模型2)多斜率模型室外微小区和室内信道中常用多斜率（折线）模型来近似表示经验路径损耗分贝值与距离对数之间的关系。具体如下：3)线性距离模型线性距离模型的数学表达式为：5.2 衰减 因子模型衰减因子模型可表示为：5.3 ITU-R M.2135/3GPP TR36.814的室内信道模型ITU-R M.2135标准是针对4G系统候选空口技术进行评估的纲领性文档，为候选无线空口技术定义了一系列的测试环境和部署场景。针对室内热点场景的路径损耗模型如下：室内热点场景阴影衰落（dB）适用距离范围LOSNLOS对应的仿真场景平面图如图 5-1 所示。楼层高度为6m，由16个15m15m的房间以及120

21、m20m的大厅组成。两个基站分别位于大厅中部，放置于距左墙30m和90m处。基站天线高度36m，移动台天线高度12.5m图 5-1 ITU-R M.2135/3GPP TR36.814室内家用基站仿真场景图5.4 IEEE 802.11nIEEE 802.11n针对六类不同的室内环境分别定义了基于双斜率模型的路损模型，分别用A-F六个字母标识，包括居住环境、小办公室、典型办公室和空旷空间等。针对每个室内场景分别对视距和非视距传播条件进行区分建模。表 5-1 给出了不同场景下的路损模型参数。表 5 1 IEEE802.11n路损模型参数场景时延扩展（ns）A523.5340B523.53415C

22、523.53530D1023.53550E2023.536100F3023.5361505.5 WINNER II模型WINNER II模型于2007年发布，支持的场景包括宏小区、微小区、室内到室外、室外到室内以及室内等多种传播环境，频率适用范围是26GHz，支持信号带宽高达100MHz。除此之外，该模型还支持多天线技术、不同天线极化、多用户、多小区以及多跳网络等场景，适用范围极其广泛。其中的室内信道模型主要包括室内办公室和室内热点两个场景。针对室内办公室场景，建议仿真的场景如图 5-2 所示。该模型对视距和非视距场景均进行了建模，在图 5-2 中，基站（无线接入点AP）位于走廊，走廊到走廊的

23、传播属于视距传播，而房间内的终端与基站之间属于非视距传播，远离走廊基站的房间还要额外考虑由墙壁、楼层引起的损耗。相隔同样垂直距离的楼层损耗被建模为常数，楼层损耗随着楼层的增加而线性增加。室内热点场景则定义为一个开阔的空间，空间的长宽范围从20m100m不等，室内高度最大为20m，例如音乐厅、会议厅等。针对此场景同样考虑了视距和非视距的传播条件。图 5-2 WINNER II室内办公室仿真场景图其中系数A、B和C取决于具体的场景，X为墙壁或者楼层引起的损耗修正因子，表 5-2 详细给出了WINNER II模型中室内办公室和室内热点场景的模型参数，其中阴影衰落服从对数正态分布，表中同时也给出了阴影

24、衰落的标准差。表 5-2 WINNER II室内模型参数场景模型参数阴影衰落备注室内办公室视距3dB非视距4dB楼层损耗 AP与移动台不在同一层时室内热点视距3dB非视距4dB5.5 COST 231 HataCOST 231 Hata的室内信道包含单斜率模型、线性距离模型和多重墙损模型（Multi-Wall Model，MWM）三种路损模型形式。其中MWM与5.2节的MWF模型十分类似，区别在于两者的墙损和楼层损耗的定义方式不同。MWM模型定义如下：本章小结 本章重点讨论不同频率的无线电波在无线信道中传播后，接收功率在较大距离尺度上的变化情况，尽管由于阴影衰落的存在，接收功率呈现随机性，但是这种随机性整体变化较慢，接收功率的大致范围可以预测得到。研究大尺度传播损耗可以帮助我们确定应该使用多大的发射功率才能保证正常通信。考察阴影衰落等各种随机传播损耗，可以帮助我们确定发射功率大约需要多少余量才能保证各种场景中大概率正常通信。大尺度传播损耗的定量研究主要用来完成功率预算以及站址规划等。