PAGE59HAPS信號(hào)傳輸路徑損耗模型研究目錄TOC\o"1-3"\h\u283261.1無(wú)線信道的信號(hào)傳播 199941.1.1無(wú)線頻譜 1225351.1.2無(wú)線傳輸?shù)奶卣?2175371.1.3信號(hào)傳播 258761.1.1.1反射、衍射和散射 2218651.1.1.2多路徑信號(hào) 2164621.2無(wú)線通信電波傳播模型 3301431.2.1Okumura-Hata模型 3307831.2.1.1Okumura-Hata模型的適用條件 3145221.2.1.2傳播損耗中值公式 4199721.2.2COST231-Hata模型 4158431.2.2.1COST231-Hata模型的適用條件 48351.2.2.2傳播損耗中值公式 5183301.3HAPS路徑損耗模型 57391.1.1基本路徑損耗PLb 699961.1.2大氣衰減?????? 10111921.1.3電離層閃爍衰減?????? 10124641.1.4建筑物穿透損耗?????? 10300851.1.5HAPS路徑損耗仿真分析 111.1無(wú)線信道的信號(hào)傳播理想情況下，無(wú)線通信信號(hào)從發(fā)射器到接收器的傳播路徑是一條直線。這樣消耗的能量很少，接收到的信號(hào)也十分清晰。然而，因?yàn)榭諝馐且环N無(wú)制導(dǎo)介質(zhì)，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的路徑并不清晰，因此很難保持直線的通信路徑。無(wú)線傳輸與有線傳輸相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的是，無(wú)線傳輸非常靈活。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，無(wú)線通信是一種只用電磁波而不需要電纜，利用電磁波可以在自由空間傳播的特性來(lái)交換信息的通信方式。1.1.1無(wú)線頻譜所有無(wú)線信號(hào)都是利用電磁波在空中傳輸?shù)模姶挪ㄊ且环N能量波，由能量部分和電子部分組成。聲音和光是電磁波的兩個(gè)例子。無(wú)線頻譜中的波既不可見(jiàn)也不可聽(tīng)——至少在它們被接收器解碼之前是如此。“無(wú)線頻譜”是用于遠(yuǎn)程通信的電磁波連續(xù)體，它具有不同的頻率和波長(zhǎng)。無(wú)線頻譜包括了9kHz到3000GHz之間的頻率。每一種無(wú)線服務(wù)都與無(wú)線頻譜的某個(gè)區(qū)域相關(guān)聯(lián)。例如，AM廣播使用535到1605kHz之間的頻率，涉及無(wú)線通信波譜的低端頻率。無(wú)線頻譜是所有電磁頻譜的一個(gè)子集。自然界中存在頻率更高或更低的電磁波，但它們不用于遠(yuǎn)程通信。低于9KHz的頻率用于特殊應(yīng)用，如野生動(dòng)物跟蹤。人可以看見(jiàn)頻率高于300000GHz的電磁波，因此，它們不能在空氣中進(jìn)行通信。信號(hào)通過(guò)空氣傳播，并不會(huì)停留在一個(gè)國(guó)家內(nèi)。所以每個(gè)國(guó)家需要對(duì)無(wú)線通信制定標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電聯(lián)是定義國(guó)際無(wú)線服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的管理機(jī)構(gòu)，包括信號(hào)傳輸和無(wú)線電設(shè)備使用的協(xié)議，頻率分配，衛(wèi)星軌道，無(wú)線傳輸和接收設(shè)備等等。如果政府和公司不遵守國(guó)際電聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，那么在生產(chǎn)無(wú)線設(shè)備的國(guó)家之外可能就無(wú)法使用這些設(shè)備。1.1.2無(wú)線傳輸?shù)奶卣鞅M管有線和無(wú)線信號(hào)之間有許多相似之處，例如，協(xié)議和代碼的使用，但是空氣的性質(zhì)使得無(wú)線傳輸與有線傳輸有很大的不同。當(dāng)工程師們談?wù)摕o(wú)線傳輸時(shí)，他們的意思是空氣是一種“無(wú)導(dǎo)向介質(zhì)”，因?yàn)榭諝獠荒転樾盘?hào)提供固定的路徑，所以信號(hào)傳輸是無(wú)導(dǎo)向的。就像有線信號(hào)一樣，無(wú)線信號(hào)源于沿導(dǎo)體傳播的電流。電子信號(hào)從發(fā)射器到達(dá)天線，然后將信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列電磁波，發(fā)射到空氣中，信號(hào)在空氣中傳播到目標(biāo)位置。然后在目標(biāo)地點(diǎn)，會(huì)有另一個(gè)天線來(lái)接收信號(hào)，還會(huì)有一個(gè)接收器將其轉(zhuǎn)換回電流。連接到每個(gè)天線的收發(fā)器必須調(diào)到相同的頻率用以交換信息。1.1.3信號(hào)傳播理想情況下，無(wú)線信號(hào)直接從發(fā)射器沿直線傳播到目標(biāo)接收器。這種傳播被稱(chēng)為視線傳輸（LOS，Lineofsight）。然而，由于空氣是一種無(wú)導(dǎo)向的介質(zhì)，發(fā)射器和接收器之間的路徑不是很清楚，所以無(wú)線信號(hào)通常不在一條直線上傳播。當(dāng)有障礙物擋住信號(hào)的路徑時(shí)，信號(hào)可能會(huì)繞過(guò)物體，被物體吸收，或者反射、衍射或散射。物體的幾何形狀決定了這三種現(xiàn)象中的哪一種會(huì)發(fā)生。1.1.1.1反射、衍射和散射波遇到一個(gè)障礙物后會(huì)反射——或者彈回——到其來(lái)源。對(duì)于尺寸大于信號(hào)平均波長(zhǎng)的物體，無(wú)線信號(hào)將會(huì)被彈回。究竟哪些物體會(huì)引起無(wú)線信號(hào)反射，取決于信號(hào)的波長(zhǎng)。在無(wú)線局域網(wǎng)中，可能使用波長(zhǎng)在1~10米之間的信號(hào)，因此引起無(wú)線信號(hào)反射的物體包括墻壁，地板天花板及地面。在“衍射”中，無(wú)線信號(hào)被分解成次級(jí)波。次級(jí)波繼續(xù)在其分解的方向上傳播。如果可以看到衍射的無(wú)線電信號(hào)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們?cè)谡系K物周?chē)鷱澢?。墻角桌子等有尖銳邊緣的物體會(huì)引起衍射?！吧⑸洹笔侵感盘?hào)在許多不同方向的擴(kuò)散。當(dāng)無(wú)線電信號(hào)遇到一個(gè)尺寸小于信號(hào)波長(zhǎng)的物體時(shí)，就會(huì)發(fā)生散射。散射還與無(wú)線電信號(hào)所遇到的表面的粗糙度有關(guān)。表面越粗糙，信號(hào)遇到該表面時(shí)就越容易散射。1.1.1.2多路徑信號(hào)無(wú)線信號(hào)由于反射、衍射和散射影響，沿著許多不同的路徑到達(dá)其目的地。這樣的信號(hào)被稱(chēng)為“多徑信號(hào)”。多路徑信號(hào)并不取決于信號(hào)是如何發(fā)射的。一旦信號(hào)被發(fā)射出去，它們就將沿著許多不同的路徑傳播。多徑性質(zhì)對(duì)于無(wú)線信號(hào)而言是一把雙刃劍。正向影響來(lái)講，信號(hào)由于障礙物的干擾更加有可能傳播到指定地點(diǎn)。在辦公樓這樣的環(huán)境里，信號(hào)從墻壁，天花板，地板和家具上反射，從而最終能夠到達(dá)目的地，提供服務(wù)。多徑信號(hào)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是由于其路徑不同導(dǎo)致傳輸距離不同，同一信號(hào)的多個(gè)實(shí)例將在不同時(shí)間到達(dá)接收器，從而導(dǎo)致衰減和延遲[18-19]。1.2無(wú)線通信電波傳播模型在無(wú)線通信系統(tǒng)中，無(wú)線信道連接了發(fā)射機(jī)和接收器，它的特性決定了無(wú)線通信系統(tǒng)的性能極限即信息容量。無(wú)線信道并不像有線信道那樣，固定且容易預(yù)測(cè)，對(duì)于無(wú)線信道的預(yù)測(cè)分析有著十分巨大的不確定性，因此，無(wú)線通信系統(tǒng)研究中的難點(diǎn)一直都有著無(wú)線信道的建模。為了給通信系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供依據(jù)，學(xué)者們通過(guò)實(shí)測(cè)和理論分析總結(jié)了一些具有普遍性的數(shù)學(xué)模型。因地制宜，選用不同的模型可以估算一些當(dāng)前傳播環(huán)境中有關(guān)的傳播參數(shù)。模型的選取在無(wú)線通信尤其是移動(dòng)通信中顯得尤為重要，需要考慮地形，環(huán)境等各方面的因素。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，不規(guī)則的地形十分常見(jiàn)，電波就在其中進(jìn)行傳播。估計(jì)路徑損耗時(shí)，還需要考慮建筑物等遮擋物帶來(lái)的的影響，光考慮地形地貌是不夠的。在無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，通常采用無(wú)線通信電波傳播模型來(lái)計(jì)算無(wú)線通信的路徑傳播損耗，確定服務(wù)覆蓋區(qū)[20]。常用的電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型有Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、CCIR模型和Lee模型等。1.2.1Okumura-Hata模型在上世紀(jì)60年代的東京近郊，奧村（Okumura）等人測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度在各種各樣，不同基站高度，不規(guī)則地形，不同移動(dòng)臺(tái)天線高度的情況下的數(shù)值，然后形成一系列曲線圖表，用于顯示不同頻率下場(chǎng)強(qiáng)和距離的關(guān)系。接著衍生出包括市區(qū)和郊區(qū)各種環(huán)境的差別，中值場(chǎng)強(qiáng)與距離的關(guān)系，中值場(chǎng)強(qiáng)與頻率的關(guān)系，信號(hào)強(qiáng)度與天線高度的關(guān)系。Okumura-Hata模型是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，是根?jù)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出的模型，可以用于預(yù)測(cè)城市及周邊地區(qū)的路徑損耗。特高頻（UHF，Ultrahighfrequency）和甚高頻（VHF，Veryhighfrequency）頻段都可以使用該模型。1.2.1.1Okumura-Hata模型的適用條件（1）f為150~1500MHz；（2）基站天線有效高度?b（3）移動(dòng)臺(tái)天線高度?m（4）通信距離為1~35km；1.2.1.2傳播損耗中值公式傳播損耗中值公式如式(3-1)：PLb式中各個(gè)數(shù)據(jù)詳情見(jiàn)表3-1：表3-1傳播損耗中值公式各符號(hào)意義及單位符號(hào)意義單位PL基本傳播損耗中值dBf工作頻率MHz?基站天線有效高度md移動(dòng)臺(tái)與基站間的距離km?移動(dòng)臺(tái)天線有效高度ma?m指移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子，對(duì)于中小城市：a?對(duì)于大城市：a?為了獲得郊區(qū)和開(kāi)闊地區(qū)的路徑損耗，標(biāo)準(zhǔn)模型修正為：PL郊區(qū)PL開(kāi)闊地區(qū)1.2.2COST231-Hata模型歐洲研究委員會(huì)（陸地移動(dòng)無(wú)線電發(fā)展）根據(jù)Okumura-Hata模型開(kāi)發(fā)得到COST231-Hata模型，模型利用一些修正項(xiàng)使頻率覆蓋范圍擴(kuò)展到2000MHz，適用于半徑大于1km的小區(qū)宏蜂窩系統(tǒng)。1.2.2.1COST231-Hata模型的適用條件（1）f為1500~2000MHz；（2）基站天線有效高度?b（3）移動(dòng)臺(tái)天線高度?m（4）通信距離為1~20km；1.2.2.2傳播損耗中值公式傳播損耗中值公式如式(3-6)：PLb式中各數(shù)據(jù)詳情同Okumura-Hata模型，見(jiàn)表3-1。CmCm1.3HAPS路徑損耗模型HAPS空地鏈路傳輸距離由于臨近空間通信平臺(tái)位于平流層，比地面通信鏈路傳輸距離更長(zhǎng)，導(dǎo)致信號(hào)會(huì)經(jīng)歷比地面通信鏈路更嚴(yán)重的衰落程度和更多的衰落類(lèi)型。信道衰落根據(jù)影響信號(hào)的距離或時(shí)長(zhǎng)，可以分為大尺度衰落和小尺度衰落。臨近空間傳輸環(huán)境中，大尺度的衰落通常是自由空間損耗，大氣吸收，電離層閃爍和降雨衰落。大尺度衰落對(duì)信號(hào)衰減的影響往往發(fā)生在長(zhǎng)距離或長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，信號(hào)變化緩慢。小尺度的衰減主要是由多徑效應(yīng)引起的。在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，接收機(jī)接收到的電磁波由于環(huán)境復(fù)雜，不僅包括直接的主路徑信號(hào)，還包括不同延遲傳輸路徑中反射波的疊加。多徑衰落的影響主要是由于在傳播環(huán)境中，信號(hào)經(jīng)過(guò)反射，繞射和散射，通過(guò)多個(gè)不同的傳輸路徑到達(dá)接收機(jī)，使得接收機(jī)接收到不同延遲的信號(hào)，這些信號(hào)間的疊加導(dǎo)致接收機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)失真[17]。大量的研究人員和組織都對(duì)5G移動(dòng)通信無(wú)線傳播模型展開(kāi)了研究，本文主要使用的是3GPP提供的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)5G傳播模型。根據(jù)3GPP-38811-f20中6.6.2節(jié)，HAPS發(fā)射機(jī)與終端之間的信號(hào)，路徑損耗模型主要由以下組件組成[13-14]：PL=PLb其中：PL為HAPS通信傳輸總路徑損耗（dB）；PLb為信號(hào)傳輸?shù)幕韭窂綋p耗（dB），具體見(jiàn)1.1.PLg為信號(hào)經(jīng)過(guò)大氣產(chǎn)生的大氣衰減（dB），具體見(jiàn)1.1.PLs為信號(hào)通過(guò)電流層時(shí)的電離層閃爍衰減（dB），具體見(jiàn)1.1.PLe為信號(hào)穿過(guò)建筑物時(shí)的建筑物穿透損耗（dB），具體見(jiàn)1.1.1.1.1基本路徑損耗PLb基本路徑損耗PLb主要為信號(hào)在路徑中經(jīng)歷的自由空間傳播損耗，陰影衰落和雜波損耗[13]自由空間是一種理想的介質(zhì)，由于相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均為1，電磁波的能量不會(huì)損失。自由空間傳播損耗實(shí)際上是球面波的擴(kuò)散損失，指電磁波在路徑中傳播時(shí)，傳播距離的增加而引起的能量的自然擴(kuò)散。自由空間傳播損耗（FSPL），以分貝（dB）為單位，其模型由公式（3-8）給出：FSPLd,其中，fc為頻率（GHz），d對(duì)于一個(gè)地面終端，如圖3-1所示，傳播距離（又稱(chēng)傾斜范圍）d（km）可由HAPS的高度h0（km）和仰角α（°）d=R其中RE圖3-1HAPS和地面終端之間的傾斜范圍位于h0=22km高空的HAPS，假設(shè)終端通信仰角大于20°，則最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)約61.圖3-2通信仰角α與通信距離d的關(guān)系圖3-3直角坐標(biāo)與對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的自由空間損耗自由空間損耗仿真結(jié)果如圖3-3所示。在移動(dòng)通信環(huán)境中，當(dāng)無(wú)線電波遇到障礙物阻擋傳播路徑時(shí)，就會(huì)形成無(wú)線電波的陰影區(qū)，導(dǎo)致信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的緩慢變化而引起衰減。這種現(xiàn)象通常被稱(chēng)為陰影效應(yīng)，由此產(chǎn)生的衰落也被稱(chēng)為陰影衰落。陰影衰落（SF，Shadowfading）是一個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型，當(dāng)以分貝單位表示時(shí)，它是一個(gè)零均值的正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為σSF2，即雜波損耗（CL，Clutterloss）取決于仰角α、載波頻率fc和環(huán)境，模擬了由于地面物體和周?chē)ㄖ镆鸬男盘?hào)功率衰減。在視線傳輸情況下可以忽略不計(jì)，在基本路徑損耗模型中應(yīng)該被設(shè)置為0db。表3-1至3-3給出了視距傳輸和非視距傳輸情況下不同仰角的值。特定場(chǎng)景下的用戶(hù)設(shè)備應(yīng)采取與其仰角α最接近的參考角度相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。表3-2密集城市情況下的陰影衰落和雜波損耗仰角S波段Ka波段LOSNLOSLOSNLOSσSFσSFCL(dB)σSFσSFCL(dB)10°1.515.534.32.917.144.320°1.411.930.92.417.139.930°2.912.429.02.715.637.540°1.011.727.72.414.635.850°1.110.626.82.414.234.660°2.710.526.22.712.631.870°2.510.125.82.612.131.380°2.39.225.52.812.331.090°1.29.225.50.612.332.9表3-3城市情況下的陰影衰落和雜波損耗仰角S波段Ka波段LOSNLOSLOSNLOSσSFσSFCL(dB)σSFσSFCL(dB)10°4634.34644.320°4630.94639.930°4629.04637.540°4627.74635.850°4626.84634.660°4626.24631.870°4625.84631.380°4625.54631.090°4625.54632.9表3-4郊區(qū)和農(nóng)村情況下的陰影衰落和雜波損耗仰角S波段Ka波段LOSNLOSLOSNLOSσSFσSFCL(dB)σSFσSFCL(dB)10°1.798.9319.521.910.729.520°1.149.0818.171.610.024.630°1.148.7818.421.911.221.940°0.9210.2518.282.311.620.050°1.4210.5618.632.711.818.760°1.5610.7417.681.110.817.870°0.8510.1716.501.010.817.280°0.7211.5216.301.610.816.990°0.7211.5216.300.410.816.8下圖為密集城市下的雜波損耗和陰影衰落的仿真。雜波損耗一般來(lái)說(shuō)與仰角呈負(fù)相關(guān)，而陰影衰落具有不確定性。圖3-4密集城市情況下非視線傳播的雜波損耗以及陰影衰落當(dāng)我們?cè)O(shè)置頻率fc=3GHz，HAPS高度h0=22km，仿真S波段下視線傳播密集城市的基本路徑損耗PLb，可以得到仰角α圖3-5密集城市視線傳播的基本路徑損耗1.1.2大氣衰減??????電磁波在大氣中傳播過(guò)程中能量衰減的現(xiàn)象被稱(chēng)為大氣衰減[15]。大氣中的水汽凝結(jié)和懸浮顆粒形成吸收帶，當(dāng)各種波長(zhǎng)的電磁波通過(guò)吸收帶時(shí)，它們被吸收帶中的各種氣體分子散射和吸收，導(dǎo)致能量不斷衰減。大氣衰減主要取決于頻率、海拔、高度和水汽密度（絕對(duì)濕度）。對(duì)于低于6GHz的頻率，雨水和云層的衰減被認(rèn)為可以忽略不計(jì)。而對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的模擬，基站只考慮晴天的條件。1.1.3電離層閃爍衰減??????電離層閃爍是指無(wú)線電波通過(guò)距地面60-1000公里范圍內(nèi)的電離層時(shí)，受到電離層結(jié)構(gòu)中不均勻電子結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致信號(hào)幅度和相位發(fā)生短周期不規(guī)則變化的現(xiàn)象。電離層中有相當(dāng)多的自由電子和離子。它們能使無(wú)線電波改變傳播速度，發(fā)生折射，反射和散射，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的偏振面，并受到不同程度的吸收。當(dāng)電磁波受到電離層閃爍的影響后，信號(hào)的變化無(wú)法預(yù)測(cè)，信號(hào)強(qiáng)度可能增強(qiáng)也可能減弱，甚至中斷通信鏈路。電離層閃爍取決于位置，時(shí)間，季節(jié)，太陽(yáng)和地磁活動(dòng)。1.1.4建筑物穿透損耗??????對(duì)于一個(gè)室內(nèi)地球監(jiān)測(cè)站，必須考慮到該監(jiān)測(cè)站與相鄰室外路徑之間的額外損耗。建筑物的位置和建筑細(xì)節(jié)對(duì)額外損耗的影響很大，因此需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估。就穿透損耗而言，在使用現(xiàn)代熱效率高的建筑方法（金屬化玻璃、鋁箔背板）時(shí)，建筑物的進(jìn)入損失通常明顯高于沒(méi)有這種材料的“傳統(tǒng)”建筑物。這種“熱效率”和“傳統(tǒng)”的分類(lèi)，純粹是指建筑材料的熱效率，導(dǎo)熱率，通常被稱(chēng)為U值，對(duì)熱效率提供了一個(gè)量化的描述。通常情況下，金屬化玻璃窗，隔熱空心墻，厚實(shí)的鋼筋