畢業(yè)設(shè)計(jì)-無線信道建模與仿真說明書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 （ 226） 由此可見，兩相鄰場強(qiáng)為最小值的頻率間隔是與相對多徑時(shí)延差Δ (t)成反比的 ， 通常稱 cB 為多徑時(shí)散的相關(guān)帶寬。若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與 cB 可比擬時(shí)，則所傳輸?shù)男盘枌a(chǎn)生明顯的畸變。 實(shí)際上，移動信道中的傳播路徑通常不止兩條，而是多條，且由于移動臺處于運(yùn)動狀態(tài)，相對多徑時(shí)延差Δ (t)也是隨時(shí)間而變化的，因而合成信號振幅的谷點(diǎn)和峰點(diǎn)在頻率軸上的位置也將隨時(shí)間而變化，使信道的傳遞函數(shù)呈現(xiàn)復(fù)雜情況，這就很難準(zhǔn)確地分析相關(guān)帶寬的大小。工程上，對于角度調(diào)制信號，相關(guān)帶寬可按下式估算： ?? ?21cB （ 227） 式中， Δ為時(shí)延擴(kuò)展。 無線信道的 模型 各類信號從發(fā)射端送出之后，在到達(dá)接收端之前所經(jīng)過的路徑，我們統(tǒng)稱為信道。通道對傳送信號所產(chǎn)生的影響，是各類通信系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵考量。其中，如果傳送的是無線電信號，電磁波傳播所經(jīng)過的路徑，我們特別稱為無線信道。無線信道可能是很簡單的直線傳播，也可能會被許多不同的因素所干擾，例如信號經(jīng)過建筑物、山丘 等反射所產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，多徑效應(yīng)會造成信號放大或衰減，最大和最小可以相差 30 到 40dB；此外， 發(fā)射端和接收端的相對運(yùn)動，會使信號產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)會使通道的特性隨著時(shí)間而改變，增加了信號品質(zhì)的不確定性。對無線通信系統(tǒng)而言，因?yàn)閭鞑ヂ窂降亩鄻有耘c時(shí)變性，無線信道的特性便在接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，扮演者關(guān)鍵的角色。 自由空間傳播 模型 無線電自發(fā)射端送出后，在空間中呈現(xiàn)發(fā)散的特性向四面八方傳播出去，情況就像一個(gè)不斷膨脹的球體，基于能量守恒的原理，無論半徑為多少 ，整個(gè)球體表面積所散布的能量必須守恒，而球體的表面積是與距離的平方成正比，這也就是為何在真空中，接收功率和傳播距離平方成反比的緣故。此模 型是用來估測當(dāng)發(fā)射端和接收端之間沒有任何障礙物，此時(shí)發(fā)射端和接收端之間的距離也是最短的。基本上，在這種傳播模式底下，接收機(jī)所接收到的信號強(qiáng)度和距離的平方成反比，這也是依球面積和能量守恒定律所得來的結(jié)果。 16 由電磁場理論可知，若各向同性天線的輻射功率為 TP 瓦，則距輻射源 d m 出的電場強(qiáng)度有效值 0E 為 dPE T300 ? （ V/m） （ 228） 磁場強(qiáng)度有效值 0H 為 dPH T?120300 ? (A/m) （ 229） 單位面積上的電波功率密度 S為 24 dPS T?? （ 2/mW ） （ 230） 若用發(fā)射天線增益為 TG 的方向性天線取代各向同性天線，則上述公式應(yīng)該寫為 d GPE TT300 ? （ V/m） dGPH TT?120300 ? (A/m) 24 dGPS TT?? ( 2/mW ) （ 231） 接收天線獲取的電波功率等于該點(diǎn)的電波功率密度乘以接收天線的有效面積，即 RR SAP ? （ 232） 式中， RA 為接收天線的有效面積，它與接收天線增益 RG 滿足下列關(guān)系 ： RR GA ??42? （ 233） 式中， ??42 為各向同性天線的有效面積， 由式 231 至式 233 可得 2)4( dGGPP RTTR ??? （ 234） 當(dāng)收、發(fā)天線增益為 0dB，即當(dāng) 1?? RT GG 時(shí)，接收天線上獲得的功率為 24 ??????? dPP TR ?? （ 235） 由上式可見，自由空間傳播損耗 fsL 可定義為 17 24 ???????? ??dPPL RTfs （ 236） 以 dB計(jì)，得 ? ? )(4lg20)(4lg10)( 2 dBddBddBL fs ???? ???????? （ 237） 或 ［ fsL ］ (dB) = +20lg d(km)+20lg f(MHz) （ 238） 式 中， d 的單位為 km，頻率單位以 MHz 計(jì)。 無線視距傳播模型 由于大氣的存在引起電磁波的折射，電磁波的傳播路徑并非直線，而是一條向地球彎曲的弧線，曲率約為地球半徑的 4 倍。 圖 213 無線視距傳播示意圖 對于理想平滑地面，無線視距路徑距離為： )(17)(3423434 22mhkmdhrrhrdaLSaaLS????????????????? ?? （ 239） 無線電波傳輸距離比直視視距更遠(yuǎn)。 假設(shè)：不規(guī)則地形的平均起伏高度差為Δ h 天線有效高度 aeh 為天線高于地形平均海拔的高度，則無線視距路徑距離的統(tǒng)計(jì)均值為： ? ?mhhLSLI aeedd 5,m a x/ ???? （ 240） 不規(guī)則地形使無線視距減小。 18 表 22 地形對 h? 的影響 地形描述 Δ h（ m） 水面或非常平滑地面 0~5 平滑地面 5~20 輕微起伏地形 20~40 起伏地形 40~80 丘陵地形 80~150 山地地形 150~300 崎嶇山地 300~700 極其崎嶇山地 700 兩徑模型 無線視距傳播路徑：直達(dá)波、地面反射波 圖 214 無線視距兩徑模傳播示意圖 電波路徑差： dhhrr RT212 ?? （ 241） 路徑差形成的相位差： dhh RT??? 4?? （ 242） 當(dāng)相位差 π時(shí)，路徑損耗呈現(xiàn)周期擺動形態(tài)。 當(dāng)相位差 π時(shí)，路徑損耗不再擺動，稱為第一菲涅爾區(qū)。 當(dāng) d4hThR/λ時(shí)，對于平滑地面有如下近似： 22424 ????????????? ddhhG RTL O S ???? （ 243） 22424 ????????????? ddhhG RTL O S ???? （ 244） 當(dāng)距離遠(yuǎn)大于第一菲涅耳半徑時(shí)，兩徑無線視距損耗變得與頻率無 關(guān)。 隨著地面反射系數(shù)減小，由反射引起的衰減因子也減小，視距路徑損耗將逐漸減小并變的與頻率有關(guān)，但目前尚沒有精確的定量描述。 實(shí)際的兩徑損耗特性如圖 215 所示： 19 圖 215 兩徑損耗特性 。 無線電波可以通過衍射進(jìn)入障礙物阻擋的陰影區(qū)，但會形成 衍射損耗，與障礙物高度、距離、頻率等有關(guān)。 圖 216 超越障礙的衍射傳播示意圖 根據(jù)經(jīng) 典光學(xué)衍射理論， 有障礙時(shí)陰影區(qū)的衍射損耗約為： ??? ? ??? ? ??? )( 2A （ 45） rTdddH ?? 2? （ 246） 圖 217 障礙衍射損耗 無線信道經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? （ Hata Model） 在市區(qū)的中值路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式為 (CCIR 采納的建議 ) dhhahfdBL u r b a n bbbc lg)()()( ?????? （ 247） 式中： cf 是在 150~1500MHz 內(nèi)的工作頻率； bh 是基站發(fā)射機(jī)的有效天線高度（單位為 m，適用范圍 30~200 m），其定義為天線相對海平面高度 tsh 減去距離從 3 km 到 15 km 之間的平均地20 面高度 gah 。 reh 是移動臺接收機(jī)的有效天線高度（單位為 m， 適用范圍 1~10 m） 。 d 是收發(fā)天線之間的距離（單位為 km， 適用范圍 1~10km）； a( reh )是移動臺接收機(jī)的有效天線高度的修正因子。 對于小城市到中等城市， a( reh )的表達(dá)式為 a( reh )=()hre()dB （ 248） 對于大城市 , a( reh )的表達(dá)式為 a( reh )=( reh )， fc≤ 300 MHz (249) a( reh )=( reh )， fc≥ 300 MHz (250) 為了得到郊區(qū)的路徑損 耗，式（ 249）可以修正為 Lsuburban(dB)=Lurban2［ lg( cf /28)］ (251) 對于開闊的農(nóng)村地帶的路徑損耗，式（ 249）可以修正為 Lrural(dB)=(lg cf )2+ cf (252) 2. COST231／ Walfish／ Ikegami 模型 歐洲研究委員會 COST231 在 Walfish 和 Ikegami 分別提出的模型的基礎(chǔ)上，對實(shí)測數(shù)據(jù)加以完善而提出了 COST231／ Walfish／ Ikegami 模型。這種模型考慮到了自由空間損耗、 沿傳播路徑的繞射損耗以及移動臺與周圍建筑屋頂之間的損耗。 COST231 模型已被用于微小區(qū)的實(shí)際工程設(shè)計(jì)。 該模型中的主要參數(shù)有： 178。 建筑物高度 hroof(m)； 178。 道路寬度 w(m)； 178。 建筑物的間隔 b(m)； 178。 相對于直達(dá)無線電路 徑的道路方位φ。 這些參數(shù)的定義見圖 218 圖 218 COST231模型參數(shù)定義 該模型適用的范圍： 21 178。 頻率 f： 800～ 2021 MHz； 178。 距離 d： ～ 5 km； 178。 基站天線高度 hb： 4～ 50m； 178。 移動臺天線高度 hm： 1～ 3 m。 1) 可視傳播路徑損耗 可視傳播路徑損耗的計(jì)算公式為 fdL b ??? (253) 式中損耗 bL 以 dB 計(jì)算，距離 d 以 km 計(jì)算，頻率 f 以 MHz 計(jì)算。 (下面公式中的參量單位與該式相同 ) 2) 非可視傳播路徑損耗 非可視傳播路徑損耗的計(jì)算公式為 msdrtsb LLLL ??? 0 （ 254） 式中， L0 是自由空間傳播損耗； Lrts 是屋頂至街道的繞射及散射損耗； Lmsd 是多重屏障的繞射損耗。 (1) 自由空間傳播損耗的計(jì)算公式 為 fdL ??? （ 255） (2) 屋頂至街道的繞射及散射損耗 (基于 Ikegami 模型 )的計(jì)算公式為 00 ????? ??????? r t s mr oofor imr t s L hhLhfL ? (256) 式中： ? 為街道寬度 (m)； mroofm hhh ??? 為建筑物高度 rofh 與移動臺天線高度 mh 之差 (m)； oriL是考慮到街道方向的實(shí)驗(yàn)修正值，且 ????????????)55()35(???o riL (257) 式中的 ? 是入射電波與街道走向之間的夾角。 (3) 多重屏障的繞射損耗 (基于 Walfish 模型 )的計(jì)算公式為 ??? ? ????? 00 lg9lglgm s dfdab s hm s d L bfKdKKLL (258) 式中， b 為沿傳播路徑建筑物之間的 距離 (m)； bshL 和 aK 表示由于基站天線高度降低而增加的路徑損耗； dK 和 fK 為 msdL 與距離 d 和頻率 f 相關(guān)的修正因子， 與傳播環(huán)境有關(guān)。以上參數(shù)的值如下： 22 ??????? 0 )1lg (18 bbs h hL (259) ???????????????54dhhKbb? kmdhhmhhhhroofbroofbroofb?????且且 (260) ????? ????roofbd h hK 51818 roofbroofb hh hh ?? (261) ?????????