無線通信基礎教學(1)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ) 4 s in4r t t r dP d P G G d???? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?即有： 2 2 2( ) 4 s in4 trr t t r hhP d P G G dd ???? ????? ?? ???? ??dhhd rt2???考慮到相位差，且反射無損耗，接收信號功率為： 22( ) 1 e x p ( )4r t t rP d P G G jd? ????? ? ?????第二章 無線信道的特性 第 48頁 共 102頁 1. 上式顯示隨著發射機與接收機之間距離的增大，路徑損耗會交替出現最小點和最大點 。 0 100 200 300 400 500 600 700 80060708090100110120130140 大尺度路徑損耗與陰影衰落 光滑平面上的電波傳播 相應的路徑損耗為： 22 2( ) 1 0 l o g 4 s in ( ) , 4trp t rhhL d d B d h hdd?????? ????? ? ????? ???? ????2. 一般的，路徑損耗隨著距離的增大而增大 。 100 200 300 400 500 600 700 80060708090100110120130140第二章 無線信道的特性 第 49頁 共 102頁 復習： 1. 在自由空間傳播模型中，若頻率增加一倍，路徑增加為十倍，路徑損耗增加多少 dB？ 2. 發射天線高 9米，接收天線高 4米， LOS極限傳播距離為多少公里？ 3. 發射天線高 30米，接收天線高 2米，一般情況下，能夠應用雙線模型的最小距離為多少？ 第二章 無線信道的特性 第 50頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 光滑平面上的電波傳播 當 時，有： trd h h??dhhdhh rtrt???? 22s i n ???????即有 d處的接收功率為： 224 ()trr t t r t rhhP P G G d h hd?雙線模型幾個重要結論 ? 路徑損耗呈現 4次冪衰減，這表明其接收功率衰減比自由空間（ 2次冪衰減）要快的多。 ? 顯示了發射天線和接收天線的高度對路徑損耗的明顯影響。 ? 路徑損耗與頻率無關。 第二章 無線信道的特性 第 51頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 光滑平面上的電波傳播 第一費涅爾區距離： 4 trchhd??雙線模型幾個重要結論 0 500 1000 1500 2021 2500 3000 3500 4000 4500 50006070809010011012013014035thm?3rhm?900f MHz?1260cdm?工程上一般認為： 小于第一費涅爾區距離，路徑損耗 2次冪衰減； 大于第一費涅爾區距離，路徑損耗 4次冪衰減。 第二章 無線信道的特性 第 52頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 光滑平面上的電波傳播 雙線模型幾個重要結論 ? 地面反射模型是應用射線跟蹤法的一個簡單且非常有用的模型。 1. 該模型在預測幾千米范圍（使用較高天線塔）內的大尺度信號強度時是非常準確的。 2. 對于小區視距內的微蜂窩環境的預測也是非常準確的。 3. 對于由直射波和強地面反射波為主導的無線信道的預測是很有效的。 第二章 無線信道的特性 第 53頁 共 102頁 例題 3：應用雙線模型分析一個郊區的蜂窩系統。 已知室外參數， ht=10 m, hr=3 m, 載波頻率 fc=2 GHz。求第一費涅爾區距離 dc ？此處的功率損耗？ 單位增益天線 已知室內參數， ht=3 m, hr=2 m, 載波頻率 fc=2 GHz。求第一費涅爾區距離 dc ？此處的功率損耗？ 單位增益天線 大尺度路徑損耗與陰影衰落 4 4 1 0 3U r b a n : 8 0 0 m .3 2 04 432I n d o o r : 1 6 0 m . 3 / 2 0trctrchhdhhd????? ? ???? ? ?22 224422 224410 3Ur ba n: 1 1 dB80032I ndoor : 1 1 72 6 dB160trrtrttrrtrthhPGGPdhhPGGPd?? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? .與自由空間損耗相比，如何？ 9 6 .5 dB?8 2 .5 dB?3km處雙線模型與自由空間傳播模型相比，如何？ 1 0 9 .5 1 0 8d B d B??第二章 無線信道的特性 第 54頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 作業： B（ a）在路徑損耗分析中，分析雙線模型的優點和缺點。 （ b）在下列情況下，雙線模型是否可以應用，解釋原因。 1） ht=35m, hr=3m, d=250m 2） ht=30m, hr=, d=450m B比較雙線地面反射模型中精確公式（ ）與近似公式的 路徑損耗差異。假定發射機高度為 40m，接收機高度為 3m， 頻率為 1800MHz，依據這兩個公式分別求距離為 1km, 3km, 5km時的路徑損耗，并計算第一費涅爾區距離。 第二章 無線信道的特性 第 55頁 共 102頁 現場實驗研究的經驗證明，雖然發射機附近的平均功率服從 2次冪衰減的規律，但遠距離處的平均功率卻隨著距離的增大呈 指數衰減 。 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 ? 實際應用環境非常復雜。實際應用的模型大多都是通過 理論分析 和 實際測量 相結合來獲得。 ?理論分析 —— 針對應用環境，找出主要的影響因素，建立模型，通過仿真或計算得出傳播模型。 ?實際測量 —— 根據大量實驗所得測量數據，繪出傳播損耗的曲線或擬合成解析式，再抽象出傳播模型。 第二章 無線信道的特性 第 56頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 對于實際路徑損耗估計，我們可以利用 統計方法來研究傳播特性，此時傳播特性是以一般環境類型（如城市、郊區和農村）為基礎的經驗近似。 實際路徑損耗估計分為兩部分： ? 代表均值變化的： 對數距離路徑損耗 ? 代表局部變化的： 對數正態陰影 第二章 無線信道的特性 第 57頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 一、 對數距離路徑損耗（ 1） 基于理論和測試的傳播模型指出，無論室外還是室內信道，平均接收信號功率隨距離的變化而呈對數衰減。 對于任意的 TR距離， 對數距離路徑損耗 表示為： 00( ) ,p dL d d dd?????????或： ? ?000( ) ( ) 1 0 l o g ,pp dL d L d d B d dd? ??? ? ?????其中， κ為 路徑損耗指數 ，表明路徑損耗隨距離增長的速率； d0為近區參考距離； d為 TR距離。 功率衰減與距離的關系為 10?dB/十倍程 第二章 無線信道的特性 第 58頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 κ代表不同環境下路徑損耗指數 環境 路徑損耗指數 κ 自由空間 2 市區蜂窩 ~ 市區蜂窩陰影 3~5 建筑物內視距傳播 ~ 建筑物阻擋 4~6 工廠阻擋 2~3 一、 對數距離路徑損耗（ 2） 第二章 無線信道的特性 第 59頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 選擇自由空間的參考距離非常重要。 一、 對數距離路徑損耗（ 3） ?在室外宏小區中， d0的典型值為 1km。 ?參考距離永遠在天線的遠場區。 ?參考路徑損耗取決于載波頻率、天線高度和增益，以及其他一些因素。 ?在室內微微小區中， d0的典型值為 1m。 ?在室外微小區中， d0的典型值為 100m。 第二章 無線信道的特性 第 60頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 二、 對數正態陰影（ 1） 對數正態分布是描述陰影效應的一種廣泛采用的模型。 為零均值的高斯（正態）分布隨機變量（單位為 dB），其標準偏差為 （單位為 dB），有概率密度函數（ pdf）為 ： ? ?dB???? ?221( ) e x p22dBxfx??? ???????????第二章 無線信道的特性 第 61頁 共 102頁 實際損耗可描述為對數距離路徑損耗與對數正態陰影的組合，即： ? ?? ?000( ) ( )( ) 1 0 l o g ,pp dBp dBL d L ddL d d dd???????? ? ? ?????其中： 為零均值的高斯（正態）分布隨機變量，單位為 dB。 ? ?dB? 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 二、 對數正態陰影（ 2） 第二章 無線信道的特性 第 62頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 ? 對數正態陰影描述了在傳播路徑上具有相同的TR距離時，不同的隨機陰影效果。這種現象稱為 對數正態陰影 。 二、 對數正態陰影（ 3） ? TR距離為 d處的接收功率可用下式表示： ( ) ( )r t pP d P L d??0 ( )0( ) 1 0 l o gt p d BdP L dd????? ? ? ?????()()r dBPd ???第二章 無線信道的特性 第 63頁 共 102頁 ()( ) ] rrPdP d Q?????????????P[由于 ε(dB)為正態分布的隨機變量，對于接收功率常用 Q函數表示其超過特定值的概率。 21( ) e x p ( )22zxQ z d x????? ?積 分 函 數 ： 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 二、 對數正態陰影（ 4） pdf 0 ()rPd ()rPd()( ) ( )r r d BP d P d ????接收功率超過某一特定值 ξ的概率： 第二章 無線信道的特性 第 64頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 二、 對數正態陰影（ 5） ?實際上， κ 和 是根據測試數據，一般使用線性遞歸方法，使路徑損耗的測試值和估計值的均方誤差達到最小而計算得出的。 ??? ? 2110MiiiPPM ???均 方 誤 差 ＝均 方 誤 差 最 小 (MMSE) 即 :使 上 式 微 分 為第二章 無線信道的特性 第 65頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 三、 無線小區覆蓋 ?由于隨機陰影的影響，覆蓋區內一些位置的接收電平低于設定的門限。計算邊界內覆蓋區的百分率與邊界處覆蓋之間的關系是非常有意義的。 我們的目的： 計算有效服務區域的百分比 （即接收信號等于或高于門限要求的區域百分比）。 業務質量的要求； 傳播環境； 第二章 無線信道的特性 第 66頁 共 102頁 大尺度路徑損耗與陰影衰落 帶有陰影的對數距離路徑損耗 三、 無線小區覆蓋 問題： 考慮對數距離路徑損耗模型，要求在小區邊緣處的路徑損耗不能大于參考距離 d0處路徑損耗 γdB， 確定下述兩種情況下的小區覆蓋。 不考慮對數正態陰影； 考慮對數正態陰影；