1、無線通信技術基礎無線通信技術基礎第第4章章、大、大尺度衰落尺度衰落內容介紹內容介紹 在在無線通信系統中，發射機與接收機之間無線信號的傳播路徑非常復雜無線通信系統中，發射機與接收機之間無線信號的傳播路徑非常復雜，有簡單的視距傳播，也會遭遇到各種復雜物體的阻擋和反射，有簡單的視距傳播，也會遭遇到各種復雜物體的阻擋和反射，移動臺，移動臺或反或反射體的運動速度也會對信號的傳輸產生很大影響。射體的運動速度也會對信號的傳輸產生很大影響。 無線信道具有無線信道具有極大的隨機性，非常難以進行理論分析。移動通信系統的極大的隨機性，非常難以進行理論分析。移動通信系統的性能主要受到無線信道的制約，如何建立無線信道的

2、傳播模型歷來是移動通性能主要受到無線信道的制約，如何建立無線信道的傳播模型歷來是移動通信系統設計中的難點，這一問題的解決一般采用統計分析的方法，根據對特信系統設計中的難點，這一問題的解決一般采用統計分析的方法，根據對特定頻帶上的無線通信系統的實際測量值來進行分析。定頻帶上的無線通信系統的實際測量值來進行分析。 研究研究無線信道的傳播特性分為兩種情況：大尺度衰落和小尺度衰落。大無線信道的傳播特性分為兩種情況：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落主要是指由大的幾何尺度衰落主要是指由大的幾何環境所環境所決定的無線信號的宏觀特征。小尺度衰決定的無線信號的宏觀特征。小尺度衰落主要是指由于多徑傳播和時變（運

3、動）引起的無線信號的微觀特征。它們落主要是指由于多徑傳播和時變（運動）引起的無線信號的微觀特征。它們的產生原因、分析方法以及對無線通信的影響都是不同的的產生原因、分析方法以及對無線通信的影響都是不同的。本章重點本章重點一一電磁波電磁波的傳播機制。的傳播機制。二二電磁波的衰落。電磁波的衰落。三三自由空間的傳播模型。自由空間的傳播模型。四四實際環境的傳播損耗。實際環境的傳播損耗。五五室外、室內傳播模型室外、室內傳播模型。第第4.1節、電磁波的傳播機制節、電磁波的傳播機制 在在無線通信系統中，電磁波的傳播方式多種多樣無線通信系統中，電磁波的傳播方式多種多樣，總體，總體上可以歸結為直上可以歸結為直射、

4、反射、散射和繞射。路徑損耗是基于直射、反射、散射和繞射的大尺度射、反射、散射和繞射。路徑損耗是基于直射、反射、散射和繞射的大尺度傳播模型預測的最重要的參數。同時反射、散射和繞射這三種傳播機制也決傳播模型預測的最重要的參數。同時反射、散射和繞射這三種傳播機制也決定了小尺度多徑衰落。定了小尺度多徑衰落。n 直射：當發射機和接收機之間存在視距路徑時，電磁波可以直達接收機。直射：當發射機和接收機之間存在視距路徑時，電磁波可以直達接收機。n 反射：當電磁波在傳輸過程中遇到比波長大得多的物體時會發生反射。反射：當電磁波在傳輸過程中遇到比波長大得多的物體時會發生反射。反射可能發生于地球表面、建筑物表面和墻壁

5、表面等。反射可能發生于地球表面、建筑物表面和墻壁表面等。n 散射：當電磁波傳播路徑的介質中存在小于波長的物體并且單位體積內散射：當電磁波傳播路徑的介質中存在小于波長的物體并且單位體積內阻擋體的個數非常巨大時，會發生散射。電磁波遇到一個粗糙的反射表阻擋體的個數非常巨大時，會發生散射。電磁波遇到一個粗糙的反射表面，方向無規則改變的現象也是散射面，方向無規則改變的現象也是散射。n 繞射：當接收機和發射機之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時會發生繞繞射：當接收機和發射機之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時會發生繞射射，繞射依賴，繞射依賴于物體的形狀于物體的形狀以及入射波以及入射波的振幅、相位和極化等情況的振幅

6、、相位和極化等情況。第第4.1節、電磁波的傳播機制節、電磁波的傳播機制1、反射、反射n 電磁波在不同性質的介質交界處，會有一部分發生反射，一部分通過。電磁波在不同性質的介質交界處，會有一部分發生反射，一部分通過。如果平面波入射到理想電介質的表面，則一部分能量進入第二個介質中，如果平面波入射到理想電介質的表面，則一部分能量進入第二個介質中，一部分能量反射回到第一一部分能量反射回到第一介質。介質。如果第二如果第二介質介質是是理想理想反射體，則所有的反射體，則所有的入射能量被反射回第一入射能量被反射回第一介質。介質。n 反射系數反射系數是介質材料的函數，并且與極性、入射角和頻率有關是介質材料的函數，

7、并且與極性、入射角和頻率有關。n 電磁波一般是電磁波一般是極化波，即在空間相互垂直的方向上同時存在電場和磁場極化波，即在空間相互垂直的方向上同時存在電場和磁場成分成分。電場、磁場和傳輸方向相互垂直，正好侯成一個三維坐標電場、磁場和傳輸方向相互垂直，正好侯成一個三維坐標。第第4.1節、電磁波的傳播機制節、電磁波的傳播機制n 電介質的電介質的反射反射：電磁波電磁波的入射角度為的入射角度為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質，一部分能量以角度介質，一部分能量以角度t進入第二介質（發生進入第二介質（發生折射）折射）。入射平面定義為。入射平面定義為包括入射波、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節、電磁波的傳播機制節、電磁波的傳播機制n 理想導體的理想導體的反射反射：電磁波電磁波不能穿過理想導體（趨膚效應），平面波入射不能穿過理想導體（趨膚效應），平面波入射到理想導體時，其全部能量將被反射回來到理想導體時，其全部能量將被反射回來。n 在移動無線信道中，基站和移動臺之間的直達路徑很少是傳播的唯一物在移動無線信道中，基站和移動臺之間的直達路徑很少是傳播的唯一物理理路徑路徑，基于幾何光學的雙基于幾何光學的雙線地面反射模型線地面反射模型是非是非常有用的傳播常有用的傳播模型模型。第第4.1節、電磁波的傳播機制節、電磁波的傳播機制2、散射、散射n

9、當當電磁波遇到粗糙表面時，反射能量電磁波遇到粗糙表面時，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會產生不同的散射效果，表面粗糙程度可以定義為程度不同的表面會產生不同的散射效果，表面粗糙程度可以定義為一定入射角的表面平整度的參考一定入射角的表面平整度的參考高度。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，則認為表面為光滑的，反之則為粗糙，則認為表面為光滑的，反之則為粗糙的。對于粗糙表面，反射系數需要乘上一個散射損耗系數以代表減弱的的。對于粗糙表面，反射系數需要乘上一個散射損耗系數以代表減弱的反射場。反射場。icsin8/h

10、第第4.1節、電磁波的傳播機制節、電磁波的傳播機制3、繞射、繞射 在在無線通信系統中，物體對電磁波的阻擋會產生繞射損耗，僅有一部分無線通信系統中，物體對電磁波的阻擋會產生繞射損耗，僅有一部分能量能繞過阻擋體能量能繞過阻擋體。精確。精確估計繞射損耗是不可能的，實際預測一般是理論近估計繞射損耗是不可能的，實際預測一般是理論近似加上必要的經驗修正似加上必要的經驗修正。n 刃形刃形繞射繞射：假設假設，發射機和接收機，發射機和接收機之間之間有有一一個具有無限寬度、有效個具有無限寬度、有效高度高度h的的阻擋屏放在距發射機阻擋屏放在距發射機d1、距接收機、距接收機d2的的位置。電磁波位置。電磁波從發射機經阻

11、擋屏從發射機經阻擋屏的頂端到達接收機的繞射傳播距離比理論上的直接視距傳播距離（的頂端到達接收機的繞射傳播距離比理論上的直接視距傳播距離（d1+d2）要長。如果要長。如果h，則直射路徑和繞射路徑之差稱為附，則直射路徑和繞射路徑之差稱為附加路徑長度加路徑長度。路徑路徑差和相位差如下：差和相位差如下：21212222dd)d(dh212122dd)d(dh第第4.1節、電磁波的傳播機制節、電磁波的傳播機制第第4.2節、電磁波的衰落節、電磁波的衰落n 在蜂窩系統中，發射機發射的在蜂窩系統中，發射機發射的無線無線信號經過空間傳輸后被接收機接收，信號經過空間傳輸后被接收機接收，接收信號接收信號會經受空間損

12、耗會經受空間損耗。而且大多數基站設置在建筑物密集的城區，。而且大多數基站設置在建筑物密集的城區，基站和移動臺之間大都沒有直接視距路徑，電磁波在穿過建筑物時會產基站和移動臺之間大都沒有直接視距路徑，電磁波在穿過建筑物時會產生吸收損耗和繞射損耗（陰影效應）。這些都是生吸收損耗和繞射損耗（陰影效應）。這些都是“大尺度衰落大尺度衰落”。n 同時，同時，由于不同的地理環境，還會產生多路徑的反射，經過不同反射路由于不同的地理環境，還會產生多路徑的反射，經過不同反射路徑的電磁波相互作用會引起徑的電磁波相互作用會引起“小尺度衰落小尺度衰落”。n 此外，由于建筑物等反射體表面是不光滑的，反射能量還會由于散射而此

13、外，由于建筑物等反射體表面是不光滑的，反射能量還會由于散射而散布于很多方向，也會引起信號衰落。散布于很多方向，也會引起信號衰落。n 對對電磁波傳播模型的電磁波傳播模型的研究主要研究主要關注兩個方面：指定區域內接收關注兩個方面：指定區域內接收信號信號的的平平均電平和特定位置接收均電平和特定位置接收信號電平信號電平的的瞬時值瞬時值。通過各種傳播模型對無線信通過各種傳播模型對無線信道進行分析，可以用來確定無線系統應該采取哪些技術措施道進行分析，可以用來確定無線系統應該采取哪些技術措施。第第4.2節、電磁波的衰落節、電磁波的衰落n 大尺度傳播大尺度傳播模型模型：用于用于預測無線覆蓋預測無線覆蓋區域區域

14、內內接收信號接收信號的的平均電平，它描平均電平，它描述述的是發射機與接收機之間遠距離（幾百米或幾千米）的場強的是發射機與接收機之間遠距離（幾百米或幾千米）的場強變化。變化。n 小尺度衰落小尺度衰落模型模型：描述描述發射機與接收機之間短距離（幾個波長）或短時發射機與接收機之間短距離（幾個波長）或短時間（秒級）內接收信號電平的快速波動的傳播間（秒級）內接收信號電平的快速波動的傳播模型模型。第第4.3節、實際環境的傳播損耗節、實際環境的傳播損耗n 自由空間的傳播損耗。自由空間的傳播損耗。p 當當接收機和發射機之間接收機和發射機之間是沒有是沒有阻擋的視距阻擋的視距路徑時路徑時，可以用可以用自由空間傳自

15、由空間傳播模型來預測接收播模型來預測接收信號電平信號電平。衛星通信和微波中繼通信是衛星通信和微波中繼通信是典型的自由典型的自由空間傳播，空間傳播，移動通信在室外移動通信在室外開開闊環境闊環境也可能存在也可能存在視距視距路徑路徑。p 自由空間自由空間傳播模型預測接收功率電平的衰減是波長（或頻率）和發射傳播模型預測接收功率電平的衰減是波長（或頻率）和發射機到接收機距離的函數機到接收機距離的函數。2222441d)(PAdPPtetrmmrtd-d)(PP(dB)Llg20lg20224lg10lg102220第第4.3節、實際環境的傳播損耗節、實際環境的傳播損耗p 在在實際的通信工程中，電磁波一般

16、用頻率來標稱實際的通信工程中，電磁波一般用頻率來標稱。mHzmmdf.d(dB)Llg20lg205147lg20lg20220p 在在移動通信移動通信工程工程中，中，電磁波電磁波的的頻率頻率一般采用一般采用MHz。mMHzdf.L(dB)lg20lg20527KmMHzdf.L(dB)lg20lg20532第第4.3節、實際環境的傳播損耗節、實際環境的傳播損耗n 實際環境的的傳播損耗。實際環境的的傳播損耗。 20lgd實際上表示的是：實際上表示的是：10lgd2，即即路徑損耗指數是路徑損耗指數是“2”。不同傳。不同傳播環境下的路徑播環境下的路徑損耗指數不同損耗指數不同，實際環境的空間損耗的近

17、似，實際環境的空間損耗的近似計算如下。計算如下。mMHzdnf.L(dB)lg10lg20527無線環境無線環境路徑損耗指數路徑損耗指數n自由空間自由空間2市區蜂窩市區蜂窩2.6 3.5市區蜂窩陰影市區蜂窩陰影3 5建筑物內視距傳播建筑物內視距傳播1.6 1.8建筑物遮擋建筑物遮擋4 6工廠遮擋工廠遮擋2 3第第4.4節、室外傳播模型節、室外傳播模型 在在無線通信系統中，電磁波經常要在不規則的地區無線通信系統中，電磁波經常要在不規則的地區傳播傳播，有有很多傳播模很多傳播模型可以用來預測不規則地區的路徑型可以用來預測不規則地區的路徑損耗損耗。這些這些模型的目標都是預測特定地點模型的目標都是預測特

18、定地點或特定區域的信號場強，但是在分析方法、復雜性和精確性等方面差異很大。或特定區域的信號場強，但是在分析方法、復雜性和精確性等方面差異很大。大部分模型都是基于服務區的實際測試數據來對理論分析進行修正大部分模型都是基于服務區的實際測試數據來對理論分析進行修正。n Longley-Rice（朗利（朗利-賴斯）賴斯）模型模型。n Durkin（杜爾金）（杜爾金）模型模型。n Okumura（奧村）（奧村）模型模型。n Hata（哈塔）（哈塔）模型模型。n Hata模型的模型的PCS擴展擴展。n 由由Walfish（沃爾菲什）和（沃爾菲什）和Bertoni（貝托尼（貝托尼）模型）模型。第第4.5節、

19、室內傳播模型節、室內傳播模型n 隨著個人通信系統的應用，隨著個人通信系統的應用，人們越來越關注電磁波在室內的傳播情況人們越來越關注電磁波在室內的傳播情況。同時形成了一個獨立的室內覆蓋工程技術，專門用于解決移動通信信號同時形成了一個獨立的室內覆蓋工程技術，專門用于解決移動通信信號的室內環境的信號覆蓋問題。的室內環境的信號覆蓋問題。n 室內室內無線傳播的研究是一個新的技術領域，無線傳播的研究是一個新的技術領域，室內室內無線無線信道的覆蓋信道的覆蓋距離更距離更小小、環境環境變動更大。建筑物內的無線信號傳播變動更大。建筑物內的無線信號傳播受到建筑物受到建筑物類型、內部布類型、內部布局、材料結構等因素的

20、強烈影響局、材料結構等因素的強烈影響。應用室外模型進行特定應用室外模型進行特定的的室內環境室內環境進進行行分析是非常困難分析是非常困難的的。，n 室內室內無線無線傳播同樣傳播同樣包括三種包括三種機制機制：反射、散射和繞射，但是，傳播條件：反射、散射和繞射，但是，傳播條件有很大的不同，傳輸有很大的不同，傳輸特性特性會會隨著隨著環境的雜亂程度而變化環境的雜亂程度而變化。建筑物。建筑物內房間內房間的門是開著還是關著、文件柜是木制還是金屬材料的等等，都會造成接的門是開著還是關著、文件柜是木制還是金屬材料的等等，都會造成接收信號電平有很大程度的收信號電平有很大程度的差異差異，天線天線的安裝位置也會直接影

21、響到大尺度的安裝位置也會直接影響到大尺度傳播傳播特性。特性。第第4.5節、室內傳播模型節、室內傳播模型n 分割損耗：分割損耗：建筑物內部有大量的分隔體和阻擋體建筑物內部有大量的分隔體和阻擋體。作為建筑物整體結構作為建筑物整體結構一部分的分隔稱為硬分隔，可移動的并且未延展到天花板的分隔稱為軟一部分的分隔稱為硬分隔，可移動的并且未延展到天花板的分隔稱為軟分隔分隔。不同。不同材料的材料的分隔分隔損耗差別很損耗差別很大，一般大，一般需要需要使用使用基于實際測量的基于實際測量的經經驗驗統計的損耗數值統計的損耗數值。n 室內傳播模型。室內傳播模型。p 對數距離路徑損耗模型對數距離路徑損耗模型。p 愛立信多

22、重斷點愛立信多重斷點模型模型。p 衰減因子衰減因子模型模型。材料類型材料類型頻率（頻率（MHz）損耗（損耗（dB）混凝土承重墻混凝土承重墻100020 30磚墻磚墻100015 25石膏墻石膏墻100010 20第第4.6節、建筑物的穿透損耗節、建筑物的穿透損耗n 隨著移動通信的發展，室內已經成為使用手機的主要環境，隨著移動通信的發展，室內已經成為使用手機的主要環境，一一個位于建個位于建筑物外部的筑物外部的發射機發射機（基站）（基站）發射發射的無線信號，被建筑物內部的的無線信號，被建筑物內部的接收機接收機（移動臺）（移動臺）正常正常接收到，對于無線通信系統來說是非常重要的接收到，對于無線通信系

23、統來說是非常重要的。n 室內環境的覆蓋情況如下：室內環境的覆蓋情況如下：p 在在一定的高度內（發射天線的高度，一般為一定的高度內（發射天線的高度，一般為45米以下），隨高度的增米以下），隨高度的增加建筑物內的接收信號電平會增加，在高樓層由于可能存在視距路徑加建筑物內的接收信號電平會增加，在高樓層由于可能存在視距路徑使得外墻處可能具有較強的入射信號使得外墻處可能具有較強的入射信號。p 超過超過一定高度后，由于發射天線的下傾，隨著高度的進一步增加，外一定高度后，由于發射天線的下傾，隨著高度的進一步增加，外墻處的入射信號會變得越來越弱墻處的入射信號會變得越來越弱。p 在在低樓層中，由于城區的雜散結構

24、會引起較大的衰減，減弱了信號的低樓層中，由于城區的雜散結構會引起較大的衰減，減弱了信號的透射能力。透射能力。第第4.6節、建筑物的穿透損耗節、建筑物的穿透損耗n 隨著隨著信號信號頻率頻率的的增加增加，透射損耗會透射損耗會相應相應減小減小，一項測試結果顯示，頻率，一項測試結果顯示，頻率為為900MHz、1800MHz和和2300MHz時，建筑物底層測得的透射衰減典型時，建筑物底層測得的透射衰減典型值分別為值分別為14.2dB、13.4dB和和12.8dB。n 天線高度對信號透射也有非常重要的影響天線高度對信號透射也有非常重要的影響，如果如果室外室外發射機的天線高度發射機的天線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，從從底層到底層到15層（層（45米米）的的透射損耗透射損耗以每以每層層1.9dB遞減，從遞減，從15層向上透射損耗開始逐層遞增層向上透射損耗開始逐層遞增。n 與與建筑物建筑物的的總總表面相比，窗體面積所占的表面相比，窗體面積所占的百分比百分比也也會會直接影響無線信號直接影響無線信號的的透射損耗透射損耗。n 電磁波的入射角度也會對透射衰減產生很大的影響電磁波的入射角度也會對透射衰減產生很大的影響。 結論：建筑物的穿透損耗與結論：建筑物的穿透損耗與信號信號頻率、建筑物外墻頻率、建筑物外墻材料材料、建筑物高度建筑物高度以以及電磁波的入射角度等諸多因素有關，很難用

26、傳輸模型進行精確的分析，在及電磁波的入射角度等諸多因素有關，很難用傳輸模型進行精確的分析，在實際工程中一般基于經驗數據，如果需要準確數據，則基于實際測量。實際工程中一般基于經驗數據，如果需要準確數據，則基于實際測量。第第4.7節、節、傳播模型的傳播模型的計算機輔助分析計算機輔助分析n 當環境當環境和建筑物特性的和建筑物特性的數據足夠數據足夠豐富時豐富時，可以，可以使用計算機輔助設計工具使用計算機輔助設計工具來開發無線通信系統。這些計算機輔助設計工具綜合了以上介紹的各種來開發無線通信系統。這些計算機輔助設計工具綜合了以上介紹的各種傳播模型，能夠提供較大范圍內確定的大尺度路徑損耗的預測模型。傳播模型，能夠提供較大范圍內確定的大尺度路徑損耗的預測模型。n 預測預測無線信號覆蓋的新方法包括使用特定站址（無線信號覆蓋的新方法包括使用特定站址（SISP）傳播模型和地理）傳播模型和地理信息系統（信息系統（GIS）數據庫。）數據庫。SISP模型提供電磁波跟蹤作為室內或室外傳模型提供電磁波跟蹤作為室內或室外傳播環境建模的主要方法。通過使用標準地理軟件包中的建筑物數據庫，播環境建模的主要方法。通過使用標準地理軟件包中的建筑物數據庫，無線通信系統的設計者能夠獲得建筑物和地物特征的精確數據。無線通信系統的設計者能夠獲得建筑物和地物特征的精確數據。p 對于室外傳播的預測對于室外傳播的預測，采用