路径损耗和阴影衰落.ppt

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精选路径损耗路径损耗：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)精选大尺度传播效应：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：xlog10 x精选2.1 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150m1897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精选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今天各种无线通信系统普遍适用方法系统普遍适用方法电磁波传播：墙壁、地面、建筑物等反射、散射和绕射反射、散射和绕射精选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、统计模型等等精选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：精选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 ：信号波长精选2.2 发送和接收信号模型多普勒频移：精选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。信道的路径损耗信道的路径损耗：路径损耗真值的分贝数 精选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增益分贝值：路径损耗分贝值的负数（通常负值）精选2.3 自由空间的路径损耗视距（视距（LOSLOS）信道）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：精选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 精选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）精选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：精选2.3 自由空间的路径损耗eg1eg1：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10W,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=1 精选2.4 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 精选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。精选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。精选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已知确定的时变信道否则随机时变信道统计模型统计模型如反射体数量很大或者表面不光滑统计模型统计模型 精选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衰落分量（需要知道发射机和接收机周围所有物体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 精选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 精选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 精选2.4.1 两径模型时延扩展(delay spread)：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 精选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d ht+hr当地面反射系数：r是 大地的介电常数 精选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，且与波长无关（接收功率并没有随着频率增大而单调减小）精选2.4.1 两径模型功率随距离变化曲线 精选2.4.1 两径模型临界距离dc：=dc=4hthr/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/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 精选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 精选2.4.2 十径模型十径模型十径模型：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GW 精选2.4.2 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 精选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）精选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，用通用路径跟踪通用路径跟踪(GRT)(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 精选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 精选2.4.3 通用路径跟踪若h1km，是奥村模型的很好近似适于第一代蜂窝系统（cf.不能体现目前使用较小小区和高频蜂窝系统&室内传播）精选2.5.2 哈塔模型扩展哈塔模型COST231扩展到2GHza(hr)和哈塔模型校正因子相同。中等城市和郊区CM取0dB，对于大型城市取3dB适用范围:fc:1.5GHz2GHz，ht:30m200m,hr:1m10m,d:1km20km 精选2.5.2 折线（多斜率）模型室外微小区和室内信道折线模型折线模型表示经验路径损耗分贝值和距离对数的关系 精选2.5.2 折线（多斜率）模型折线模型建模先通过多种方法确定转折点的数量和位置然后通过线性回归得到每段斜率特例：双斜率模型参数：确定的路径损耗因子K、参考距离d0和临界距离dc之间路径损耗指数1、距离大于dc的路径损耗指数2(可从经验数据拟合出）精选2.5.2 折线（多斜率）模型以下在dht可近似为双斜率模型 精选2.5.5 室内衰减因子室内传播具体环境差异很大、许多因素对室内路径损耗影响显著 很难建立准确计算特定室内环境路径损耗的通用模型室内路径损耗模型要求能很好反映来自地板层和墙壁的信号衰减不同频率、不同墙壁类型（材质和介电性质）、不同研究者典型损耗值 精选2.5.5 室内衰减因子加入地板层损耗和墙壁损耗经验数据的路径损耗PL(d)中：分别为信号穿过第i个地板层或隔墙的衰减因子当发射机在建筑物外时，建筑物穿透损耗与频率、高度、建筑物材料等有关 精选2.6 简化的路径损耗模型单一模型：难以精确反映复杂传播环境下路径损耗解析模型或实测精确模型：要求严格的问题简单模型：一般性系统优劣分析反映信号传播主要特性简化路径损耗模型简化路径损耗模型：K依赖于天线特性和平均信道损耗的常系数d0天线远场参考距离，路径损耗指数选择参数近似解析模型/经验模型适于d d0，由于天线进场区散射 精选2.6 简化的路径损耗模型简化路径损耗模型简化路径损耗模型对应分贝值 精选2.6 简化的路径损耗模型常把K1取为全向天线在d0处的自由空间路径增益依赖于传播环境自由空间模型=2，两径模型=4 精选2.6 简化的路径损耗模型Eg3:根据表中给出数据，找出能使简化模型接收功率分贝值（dBm）和实测数据之间的关于分贝值均方误差最小的路径损耗指数值。假定d0=1m，K由距离d0处的自由空间路径损耗公式确定。假定发射功率为1mW（0dBm），用简化模型计算出距离150m处的接收功率。Tips:1)均方误差分贝值cf.真值均方差（更准确）精选Tips:2）3）K由距离d0处的自由空间路径损耗公式确定 精选Tips:3)用简化模型计算距离di处的路径损耗值4）K由距离d0处的自由空间路径损耗公式确定5）6）对F()对求导令其为07）将K,Pt=0dBm代入简化路径模型 精选2.7 阴影衰落单无线信道传播遇到障碍物信号随机变化给定距离接收信号功率随机变化建立模型？描述信号随机衰减由于障碍物位置、大小、介电特性、反射面和散射体等情况未知统计模型最最常用常用的统计模型：的统计模型：对数正态阴影模型对数正态阴影模型发射和接收功率比值=Pt/Pr假设为一个对数正态分对数正态分布布的随机变量 精选2.7 阴影衰落对数正态阴影模型对数正态阴影模型 均值：解析模型或实测值确定：实测时包含了对阴影衰落的平均，所以均值等于路径损耗；解析模型而言，均值必须结合考虑障碍物导致的平均衰减和路i经损耗，也可以吧路径损耗从阴影衰落中分离单独处理，采用混合模型 服从对数分布的随机变量：称为对数正态随机变量 精选2.7 阴影衰落对数正态阴影模型对数正态阴影模型路径损耗真值路径损耗真值的平均值：精选2.7 阴影衰落对数正态阴影模型参数一般用对数均值对数正态阴影模型参数一般用对数均值 ：平均分贝路径损耗平均分贝路径损耗的分贝值：服从均值为 ，标准差 的正态分布室外信道测试表明 范围在4dB13dB之间 取决于路径损耗和所在区域内建筑物属性，随距离（路径损耗随距离变化；随距离增加，障碍物数量会增加，衰减增加）精选2.7 阴影衰落当阴影衰落主要由阻挡衰减决定时，信号穿过宽度d的物体时，衰减近似为：，为依赖于障碍物材料和介电常数的衰减常数穿过i个障碍物衰减常数分别i、宽度为随机值di，信号穿过该区域时的衰减为：发射机和接收机之间有多个障碍物，由中心极限定理 可近似为高斯随机变量。精选2.7 阴影衰落Eg4：eg3中拟合出简单路径损耗模型的最佳路径损耗指数=3.71，假设简化路径损耗模型取此指数，K取-31.54dB。请求出实测数据围绕平均路径损耗的对数正态阴影方差 Tips：样值的方差 精选2.8 路径损耗和阴影衰落的混合模型路径损耗和阴影衰落模型叠加功率随距离减小&阴影造成路径损耗随机衰减简化路径损耗模型+对数正态阴影衰落随机过程 精选2.8 路径损耗和阴影衰落的混合模型简化路径损耗模型+对数正态阴影衰落随机过程接收功率和反射功率之比的分贝值：均值为0、方差为 的高斯随机变量路径损耗随log10d线性下降，斜率为10/10倍程，路径损耗指数 精选2.9 路径损耗和阴影衰落的中断率无线系统设计：目标最小接收功率Pmin中断率：Pout(Pmin,d)=p(Pr(d)Pmin)对于前述混合模型，有：Q函数为标准正态随机变量X大于z的概率 精选2.9 路径损耗和阴影衰落的中断率Eg5：就eg3，eg4中的路径损耗和阴影的混合模型，求出距离150m处的中断率。已知发射功率Pt=10mW,要求最小接收功率为Pmin=-110.5dBm.Tips：精选2.10 小区覆盖范围蜂窝系统的小区覆盖范围定义：小区内接收功率超过最小规定值位置的百分比 一个半径为R的圆形小区，如图 到达小区边界平均接收功率 精选2.10 小区覆盖范围小区覆盖范围：精选2.10 小区覆盖范围小区覆盖范围：精选2.10 小区覆盖范围小区中断率：小区中接收功率达不到最小要求值Pmin的面积百分比：设阴影衰落为对数正态分布，有：结合 精选2.10 小区覆盖范围 精选2.10 小区覆盖范围 只有路径损耗，距离基站R处的小区边界上的接收功率覆盖范围：若目标最新最小接收功率等于小区边界处平均接若目标最新最小接收功率等于小区边界处平均接收功率，则收功率，则a=0,a=0,覆盖范围简化公式：覆盖范围简化公式：精选2.10 小区覆盖范围eg6:某小区传播模型是eg3和eg4中给出的包括路径损耗与阴影衰落的模型，小区半径600m，基站发射功率Pt=100mW=20dBm。若最小所需接收功率分别为Pmin=-110dBm和Pmin=-120dBm，请求出相应小区覆盖范围。Tips:检验a是否为0，决定使用完整还是简化公式小区边界处平均接收功率计算出 用完整公式 精选2.10 小区覆盖范围 精选The end of chapter 2精选