第二章移動(dòng)通信信道(三)

1、第2章移動(dòng)信道AbisA接口接口MSBSSOMC-R操作維護(hù)中心操作維護(hù)中心BSC基站基站控制器控制器MSC移動(dòng)交換中心移動(dòng)交換中心BTS基站基站收發(fā)信機(jī)收發(fā)信機(jī)BTS基站基站收發(fā)信機(jī)收發(fā)信機(jī)BTS基站基站收發(fā)信機(jī)收發(fā)信機(jī)MSMSUm通過本章學(xué)習(xí)，著重解決以下問題：通過本章學(xué)習(xí)，著重解決以下問題：n大尺度傳播特性n大尺度傳播模型大尺度傳播模型: :描述的是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間(T-R)長(zhǎng)距離(幾百米或幾千米)上的場(chǎng)強(qiáng)變化n小尺度傳播特性n小尺度傳播模型小尺度傳播模型: :描述短距離(幾個(gè)波長(zhǎng))或短時(shí)間(秒級(jí))內(nèi)的接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)的傳播模型n統(tǒng)計(jì)特性統(tǒng)計(jì)特性n主要參數(shù)主要參數(shù)n建模與仿真建模與仿

2、真第2章移動(dòng)信道對(duì)移動(dòng)信道有一個(gè)全面深入的理解本次課教學(xué)目的：本次課教學(xué)目的：n1、了解陰影衰落的基本特性n2、了解大尺度路徑損耗的計(jì)算方法n3、了解多徑衰落信道的建模與仿真 第2章移動(dòng)信道2.4陰影衰落的基本特性n陰影衰落：陰影衰落：通過不同障礙物的陰影時(shí)，就構(gòu)成接收天線處場(chǎng)強(qiáng)中值的變化，從而引起衰落n起伏地形、建筑物、植被（高大的樹林）n長(zhǎng)期衰落（大尺度衰落） n特點(diǎn)是衰落與無線電傳播地形和地物的分布、高度有關(guān) 設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)時(shí)，是在給定條件下如何算出接收是在給定條件下如何算出接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)。信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)。 分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法 分析分析了解各因素的影響 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)找出

3、各種地形地物下的傳播損耗與距離、頻率、天線高度之間的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)通過場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試考慮了所有的傳播因素，包括已知的和未知的。 實(shí)驗(yàn)方法的不足實(shí)驗(yàn)方法的不足在一定頻率和環(huán)境下獲得的模型，在其他條件應(yīng)用時(shí)是否正確，只能建立在新的測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。 2.5 電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型 2.5.1地形環(huán)境分類1 1、地形特征定義、地形特征定義（1）地形波動(dòng)高度n在平均意義上描述了電波傳播路徑中地形變化的程度。n定義為：定義為：沿通信方向，距接收地點(diǎn)10km范圍內(nèi)，10高度線和90高度線的高度差。n10高度線是指在地形剖面圖上有10的地段高度超過此線的一條水平線 h2.5.1地形環(huán)境分類1 1、

4、地形特征定義、地形特征定義（2）天線有效高度n移動(dòng)臺(tái)天線有效高度定義為移動(dòng)臺(tái)天線距地面的實(shí)際高度。 n基站天線有效高度定義為沿電波傳播方向，距基站天線315km的范圍內(nèi)平均地面高度以上的天線高度 2.5.1地形環(huán)境分類2 2、地形分類、地形分類n準(zhǔn)平坦地形和不規(guī)則地形n準(zhǔn)平坦地形是指該地區(qū)的地形波動(dòng)高度在20m以內(nèi)，而且起伏緩慢，地形峰頂與谷底之間的水平距離大于地面波動(dòng)高度，在以公里計(jì)的范圍內(nèi)，其平均地面高度差仍在20m以內(nèi)。 n不規(guī)則地形是指除準(zhǔn)平坦地形之外的其它地形。不規(guī)則地形按其形態(tài)，又可分為若干類，如丘陵地形、孤立山峰、斜坡和水陸混合地形等。n各類地形主要特征是地形波動(dòng)高度。3傳播環(huán)境

5、分類n開闊地區(qū)：開闊地區(qū)：在電波傳播方向上沒有建筑物或高大樹木等障礙的開闊地帶。 n郊區(qū)：郊區(qū)：有12層樓房，但分布不密集，還可有小樹林等。 n中小城市地區(qū)：中小城市地區(qū)：建筑物較多，有商業(yè)中心，可有高層建筑，但數(shù)量較少，街道也比較寬。 n大城市地區(qū)：大城市地區(qū)：建筑物密集，街道較窄，高層建筑也較多。 2.5.2 Okumura 模型nOkumuraOkumura模型模型是根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪成經(jīng)驗(yàn)曲線構(gòu)成的模型。n測(cè)試方法：測(cè)試方法：使用不同頻率，不同天線高度，選擇不同的距離進(jìn)行一系列測(cè)試。n基礎(chǔ)：基礎(chǔ)：中等起伏地形的市區(qū)，基站有效天線高度hb為200米，移動(dòng)天線高度hm為3米的傳播損耗基本中值的

6、預(yù)測(cè)曲線,其它地形通過修正因子來修正。nOkumuraOkumura模型適用條件：模型適用條件：100MHz1500MHz；基站天線高度為30200m，移動(dòng)臺(tái)天線高度110m，傳播距離為1-10m，傳播距離為1-20km。1、準(zhǔn)平坦地形大城市n其中，LM為傳播路徑的損耗中值，Lfs為自由空間傳播損耗，Am為中等起伏地形市區(qū)，基站天線高度為200m,移動(dòng)臺(tái)天線高度為3m時(shí)相對(duì)于自由空間的中值損耗，又稱基本中值損耗。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)1、準(zhǔn)平坦地形大城市 當(dāng)基站或移動(dòng)臺(tái)天線高度不是基準(zhǔn)高度時(shí)，通過修正因子Hb(hb,d)或Hm(hm,f)進(jìn)

7、行修正。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗 Ks為郊區(qū)修正因子，kh為丘陵地形修正因子，kA為斜坡地形修正因子，kis為水陸混合傳播路徑修正因子。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)-ks-kh-kA-kis2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗例3.8 某移動(dòng)通信工作頻率為450 MHz，基站天線高度為50 m，天線增益為6dB，移動(dòng)臺(tái)天線高度為3 m，天線增益為0 dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平坦地形，通信距離為10 km。試求（1）傳播路徑的中值路徑損耗。（2）若

8、基站發(fā)射機(jī)送至天線的信號(hào)功率為10W，不考慮饋線損耗和公用器損耗，求移動(dòng)臺(tái)天線接收到的信號(hào)功率。 PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld2.5.3、Hata 模型HataHata模型：模型：根據(jù)Okumura模型中的各種圖表曲線歸納出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。1.中小城市修正因子2.大城市修正因子（建筑物平均高度超過15 m）n單位n適用范圍3. Hata模型的經(jīng)驗(yàn)公式 例題： 設(shè)基站天線高度為40m，發(fā)射頻率為800 MHz，移動(dòng) 臺(tái)天線高度為2 m，通信距離為15 km，求大城市地區(qū)的中值路徑損耗。 69.5526.16lg( ) 13.82lg()()44.96.55lg()lg( )Mbm

9、bLfha hhd2.5.4、擴(kuò)展Hata 模型 歐洲科學(xué)與技術(shù)研究協(xié)會(huì)工作委員會(huì)對(duì)Hata模型進(jìn)行擴(kuò)展，使它適用于PCS系統(tǒng)，適用頻率也達(dá)到2GHz。46.333.9lg( ) 13.82lg()()44.96.55lg()lg( )MbmbMLfha hhdC0MCdB3MCdB2.5.5 室內(nèi)傳播模型n室內(nèi)無線信道的特別之處：n覆蓋距離小Smaller distancesn環(huán)境變動(dòng)大Greater environment variabilityn受建筑物的布置、材料結(jié)構(gòu)和建筑物類型等因素的強(qiáng)烈影響n機(jī)理與室外傳播相同，即反射、繞射和散射，但條件不同。n較小的傳播距離使得天線的遠(yuǎn)場(chǎng)條件難以

10、滿足。n室內(nèi)信道分類：視距（LOS）、阻擋（OBS）室內(nèi)傳播模型（2）n分隔損耗：同樓層n主要考慮墻和家具等等Walls, furniture, etc n與材料和頻率有關(guān)Highly material dependentn分為軟分隔和硬分隔Hard versus soft partitionsn分隔損耗：樓層之間n決定因素：建筑物外部面積、材料、建筑物類型和窗口數(shù)量。n損耗因子隨樓層數(shù)目的減小而減小。n損耗因子的增加值隨隨樓層數(shù)目的增加而減小。室內(nèi)傳播模型（3）n對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型n室內(nèi)路徑損耗遵從公式：nn依賴于周圍環(huán)境和建筑物類型，X為正態(tài)隨機(jī)變量。n衰減因子模型n考慮建筑物類型影響以

11、及阻擋物的影響，預(yù)測(cè)偏差小。nnSF為同層測(cè)試的指數(shù)值。n不同層的路徑損耗可通過附加值FAF值獲得。XddndPLdBPL)log(1)()(00)log(10)()(00dBFAFddndBdPLdBdPLSF2.5.6 IMT-2000模型 n室內(nèi)辦公環(huán)境模型n特點(diǎn)是小區(qū)小，反射功率低n時(shí)延擴(kuò)展在35460ns n室外到室內(nèi)徒步環(huán)境室外到室內(nèi)徒步環(huán)境 n特點(diǎn)是小區(qū)小，反射功率低n時(shí)延擴(kuò)展在1001800ns n車載環(huán)境車載環(huán)境 n特點(diǎn)是小區(qū)較大，反射功率較高 n時(shí)延擴(kuò)展在0.412ms (2)/(1) 0.463730lg18.3(dB)FFLd40lg30lg49(dB)cLdf40lg

12、(18lg)21lg80dBcLdf-2bb（14 10h）h2.6、多徑衰落的建模和仿真n大尺度衰落大尺度衰落: :n分析信道的可用性 n選擇載波頻率 n越區(qū)切換 n移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 n小尺度衰落小尺度衰落n傳輸技術(shù)的選擇 n數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì) n信道建模和仿真是研究移動(dòng)通信中的各種技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信道建模和仿真是研究移動(dòng)通信中的各種技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)和關(guān)鍵規(guī)劃的基礎(chǔ)和關(guān)鍵 2.6.1、平坦衰落信道的建模和仿真1 1、ClarkeClarke信道模型信道模型 n基本理論n假設(shè)：假設(shè)：入射到移動(dòng)天線的電磁場(chǎng)由N個(gè)平面波組成，這些平面波具有任意載頻相位、入射方位角以及相等的平均幅度。即意味著不存在視距

13、通路，且各條路徑統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。n公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)n思路：思路：先求出合成信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性求信號(hào)包絡(luò)。n應(yīng)用范圍：市區(qū)環(huán)境中無直視通路的特點(diǎn)相吻合n基本理論基本理論n公式推導(dǎo) 多普勒頻移： nnvfcos到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的垂直極化波存在E場(chǎng)強(qiáng)分量： )2cos(10ncNnnztfCEEnnntf 2其中，E0是本地平均E場(chǎng)的實(shí)數(shù)幅度，Cn是表示不同電波幅度的實(shí)數(shù)隨機(jī)變量，第n個(gè)到達(dá)分量的隨機(jī)相位qn為 1、Clarke信道模型n基本理論基本理論n公式推導(dǎo) E場(chǎng)可用同相和正交分量表示： )2sin()()2cos()(tftTtftTEcsccz其中 )2cos()(10nnNnnctfCEtT

14、)2sin()(10nnNnnstfCEtT接收的E場(chǎng)的包絡(luò)為： )()()()(22trtTtTtEscz可以證明，可以證明，Tc(t)Tc(t)與與Ts(t)Ts(t)是高斯隨機(jī)過程，因此其包絡(luò)服從是高斯隨機(jī)過程，因此其包絡(luò)服從Rayleigh Rayleigh 分布分布。 1、Clarke信道模型n原理框圖原理框圖 1、 Clarke信道模型2、Jakes仿真模型nJakesJakes仿真模型：仿真模型：n模擬的是在均勻散射環(huán)境中非頻率選擇性衰落信道的復(fù)低通包絡(luò)。n用有限個(gè)（10個(gè)）低頻振蕩器來近似構(gòu)建一種可分析的模型。nJakesJakes仿真器產(chǎn)生的信號(hào)：仿真器產(chǎn)生的信號(hào)：n不是廣義

15、平穩(wěn)的n不是各態(tài)歷經(jīng)的n統(tǒng)計(jì)特性并未達(dá)到Clarke模型的要求n產(chǎn)生的包絡(luò)并未嚴(yán)格服從瑞利分布n導(dǎo)致這種結(jié)果的根本原因是附加的相移之間具有相關(guān)性。 2.6.2、頻率選擇性衰落信道的建模與仿真n對(duì)于頻率選擇性信道，可用抽頭延時(shí)線模型建模。n在假設(shè)抽頭系數(shù)只在遠(yuǎn)大于傳輸數(shù)據(jù)的一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)才發(fā)生變化，即信道是慢衰落信道或準(zhǔn)靜態(tài)信道的情況下，信道的沖擊響應(yīng)可以表示為 1( )exp() ()Niiiih tajt 1、概述原因、機(jī)制、方法、模型、分類2、VHF、UHF電波傳播特性電波傳播方式：直射波（自由空間、大氣中的電波傳播）、繞射、反射、散射3、多徑傳播特性小尺度衰落（多徑、多普勒頻移）、多徑接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性本章小結(jié)4 4、描述多徑衰落信道的主要參數(shù)、描述多徑衰落信道的主要參數(shù) 時(shí)延擴(kuò)展與相干帶寬 多普勒擴(kuò)展與相干時(shí)間 角度擴(kuò)展與相干距離多徑衰落信道的分類本章小結(jié)5 5 陰影衰落的基本特性陰影衰落的基本特性6 6 電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型 1 1） 地形環(huán)境分類地形環(huán)境分類1、地形特征定義2、地形分類3、傳播