的能量很少而且能接收到非常清晰的信號(hào)。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)線信號(hào)可以從一個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)送到多個(gè)接收機(jī)，而不需要使播過(guò)程中的反射、衍射和散射，無(wú)線信號(hào)沿著許多不同成多徑信號(hào)。無(wú)線通信是一種利用無(wú)線電波信號(hào)可以在自由空間傳播的特性來(lái)“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300000Ghz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)物跟蹤或車(chē)庫(kù)門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉。頻率高于300000GHz的電磁波對(duì)人類(lèi)是可見(jiàn)的。當(dāng)然，信號(hào)通過(guò)空氣傳播，不一定停留在一個(gè)國(guó)家內(nèi)。因此，世界須就無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致。國(guó)際電聯(lián)是定義國(guó)際無(wú)構(gòu)，包括頻率分配、信號(hào)傳輸和無(wú)線電設(shè)備使用的協(xié)議、備、衛(wèi)星軌道等等。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)線盡管有線和無(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)榭站拖裼芯€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)接收器將其轉(zhuǎn)換回電流。注意，為了交換信息，連接到每個(gè)天線的收發(fā)器必須調(diào)理想情況下，無(wú)線信號(hào)直接從發(fā)射器沿直線傳播到被稱(chēng)為視線傳輸(LOS,Lineofsight),它使用很少的能量就能收到非常清晰的信號(hào)。然而，由于空氣是一種無(wú)導(dǎo)向的介質(zhì)，發(fā)射器很清楚，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，或發(fā)生以下任何一種現(xiàn)象：發(fā)射、衍別。波遇到一個(gè)障礙物后會(huì)反射一—或者彈回—一到其來(lái)源。對(duì)于尺寸大于信取決于信號(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)，因在"衍射"中，無(wú)線信號(hào)在遇到障礙物時(shí)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"散射"是指信號(hào)在許多不同方向的擴(kuò)散或反射。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)所遇到的表面由于反射、衍射和散射，無(wú)線信號(hào)沿著許多不同的路徑到達(dá)其目的地。這可能從源頭開(kāi)始，以同樣的強(qiáng)度向許多方向輻射，也可能從源頭開(kāi)始，主要向一個(gè)方向輻射。然而，一旦信號(hào)被發(fā)射出去障礙物上反射，它們更有可能到達(dá)目的地。在辦公樓這樣的環(huán)境中，無(wú)線服務(wù)依靠信號(hào)從墻壁、天花板、地板和家具上反射出來(lái)，從而使它們最終能夠到達(dá)目的地。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)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)線信道是無(wú)線電波傳播過(guò)程中的重要組成部分，它連接了發(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)線信道中電磁波移動(dòng)臺(tái)的速度，信號(hào)的射，多徑傳播等因素的影響導(dǎo)致了對(duì)于無(wú)線信道的分析有很大的不確定性，不像有線信道那樣固定，容易預(yù)測(cè)。因此，無(wú)線通信系統(tǒng)研為了給通信系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供依據(jù)，常通過(guò)實(shí)測(cè)和理論分析來(lái)建立和總結(jié)具有普遍性的數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)環(huán)境的不同來(lái)選用不同的數(shù)學(xué)的模傳播模型的選取需要考慮地形、環(huán)境等各方面的因素是移動(dòng)通信中顯得尤為重要。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，電波經(jīng)常會(huì)傳播在經(jīng)各種不規(guī)則的地形。估計(jì)路徑損耗時(shí)，需要考慮特定地區(qū)的地形物和其他遮擋物等因素帶來(lái)的的影響。在無(wú)線移動(dòng)通信區(qū)13。常用的電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型有Okumura-Hata模型、COST231-Hata模在上世紀(jì)60年代的東京近郊，奧村(Okumura)等人采用很寬范圍的頻率，測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度在各種各樣不規(guī)則地形，多度情況下的數(shù)值。然后形成一系列顯示不同頻率下場(chǎng)強(qiáng)和距離的關(guān)系的曲線圖表。接著衍生出各種環(huán)境，包括市區(qū)和郊區(qū)的差別，中值場(chǎng)強(qiáng)與距離的關(guān)中值場(chǎng)強(qiáng)與頻率關(guān)系，信號(hào)強(qiáng)度隨基站天線高度的變化，以及移動(dòng)站天線高度種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，根?jù)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出模型，用于損耗。該模型適用于特高頻(UHF,Ultra的場(chǎng)強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，可以用校正因子對(duì)不同的傳播環(huán)境和地形條件(1)f為150~1500MHz;(2)基站天線有效高度hb為30~200米；(3)移動(dòng)臺(tái)天線高度hm為1~10米；(4)通信距離為1~35km;PLb=69.55+26.161gf-13.821ghp+(44.9-6.551函PL(郊區(qū))=PLb-5.4-21g2(f/28)式PL(開(kāi)闊地區(qū))=PLp-40.98-4.78lg2(f)+18.33lgf式歐洲研究委員會(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(1)f為1500~2000MHz;(2)基站天線有效高度h為30~200米；(4)通信距離為1~20km;PLb=46.3+33.91gf-13.821ghb+(44.9-6域大小有關(guān)的函數(shù)，參數(shù)定義與Okumura-Hata模型中相同，Cm為城市修正因大城市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，由于環(huán)境的復(fù)雜性，接收機(jī)接收到的電磁波徑信號(hào)，還包括不同延遲傳輸路徑中反射波的疊加有多條信號(hào)傳播路徑。多徑主要是由于在傳播環(huán)境中信號(hào)受到建筑物等的反射，繞射和散射，使得接收機(jī)接收到多個(gè)通過(guò)不同路徑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PL為HAPS通信傳輸總路徑損耗(dB);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)1.1.3節(jié)；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)1.1.4節(jié)?；韭窂綋p耗PLp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，指電磁自由空間傳播損耗(FSPL),以分貝(dB)為單位，其模型由公式(3-8)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h。(km)和仰角α(°)確定，即其中RE為地球半徑，即6370km。da終端位于h?=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61.5km,如圖3-2所示。仰角α(20~90)圖3-2通信仰角α與通信距離d的關(guān)系0200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)線電波遇到建筑物，樹(shù)木，起伏的山丘等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)，引起信號(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)由對(duì)數(shù)正態(tài)分布建模，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σ2,即SF~N(0,osF)。雜波損耗(CL)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Odb。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。仰角仰角464646464646464646464646464646464646仰角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。當(dāng)我們?cè)O(shè)置頻率fc=3GHz,HAPS高度h?=22km,仿真S波段下視線傳播密集城市的基本路徑損耗PL,可以得到仰角α與基本路徑損耗PLb的圖像為：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。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電離層是指距地面60-1000公里范圍內(nèi)的地球上層大氣空間。電離層閃爍是指無(wú)線電波通過(guò)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)。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)站與相外損耗。額外損耗隨建筑物的位置和建筑細(xì)節(jié)的不同而變建筑物就穿透損耗而言分為兩個(gè)不同的群體：在方法(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。不應(yīng)該對(duì)建筑年份、類(lèi)型(單層或多層)、遺產(chǎn)或建筑方法做出假設(shè)。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。低U值代表下面圖3-6和圖3-7地心坐標(biāo)系下長(zhǎng)寬200km方形范圍內(nèi)的路徑損耗分布。圖3-6為密集城市下視線傳播結(jié)果，圖3-7為密集城市下非視線傳播結(jié)果，圖3-8為建筑物穿透損耗。圖中假設(shè)HAPS位于坐標(biāo)(0,0,22)的位置，即HAPS高度為22km,仿真時(shí)使用頻率fc=3Ghz,建筑物類(lèi)型為傳統(tǒng)型建筑。由仿真結(jié)果得出，視線傳播情況下，路徑損耗隨著終端和HAPS平臺(tái)的距離增大有著逐漸增加的趨勢(shì)，但是這種趨勢(shì)在非視線傳播情況下十分播情況下雜波損