移動通信信道-3

1、上次課重點(diǎn)回顧q什么是電波傳播三級模型？q多徑傳播對接收信號有何影響？如何定量描述？q多普勒擴(kuò)展對接收信號有何影響？如何定量描述？q描述多徑衰落信道特性的關(guān)鍵參數(shù)有哪些？q多徑衰落信道有哪些分類？多徑時延擴(kuò)展時間色散頻率選擇性衰落多普勒擴(kuò)展 頻率色散時間選擇性衰落第2章 移動通信信道2.1 陸地?zé)o線電波傳播特性2.2 移動通信信道的多徑傳播特性2.3 描述多徑衰落信道的主要參數(shù)2.4 陰影衰落的基本特性2.5 電波傳播損耗預(yù)測模型2.6 多徑衰落信道的建模和仿真2.7 MIMO信道簡介第一次課第二次課第三次課 本次課的要求與重難點(diǎn)要求與重點(diǎn)1. 理解陰影衰落的起因和對信號傳輸?shù)挠绊憽?. 掌握

2、電波傳播損耗預(yù)測模型。3. 了解多徑信道的建模與仿真重點(diǎn)：電波傳播損耗預(yù)測模型難點(diǎn)：模型修正方法本次課需要解決的主要問題1.什么是陰影衰落？如何減?。?.如何進(jìn)行地形分類？3.如何利用Okumura模型預(yù)測電波傳播損耗？4.Hata模型適用于什么環(huán)境？5.多徑信道如何建模？一、陰影衰落的基本特性1、陰影衰落的概念p 定義：移動臺運(yùn)動中通過不同障礙物的陰影時，接收天線處場強(qiáng)中值發(fā)生的變化稱為陰影衰落。p 障礙物：起伏地形、建筑物、植被（高大的樹林） 陰影衰落屬于大尺度衰落，信號電平起伏相對緩慢 。二、陰影衰落的基本特性2、 抗陰影衰落的方法工程設(shè)計(jì)中，采用留有足夠衰落余量的方法。p 衰落余量：為

3、了防止因衰落引起通信中斷，必須為信號電平留有足夠的余量（衰落余量），保證中斷率R小于規(guī)定指標(biāo)。p 衰落余量的大小由地形、地物、工作頻率和要求的通信可靠性指標(biāo)決定。2.5.1 地形環(huán)境分類2.5.2 Okumura模型2.5.3 Hata模型2.5.4 擴(kuò)展Hata模型2.5.5 室內(nèi)路徑損耗模型（自學(xué)）2.5.6 IMT-2000模型（自學(xué)）2.5 電波傳播損耗預(yù)測模型二、電波傳播損耗預(yù)測方法p 設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)時，在給定條件下算出接收信號的場強(qiáng)中值非常重要。p 在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步設(shè)計(jì)其它參數(shù)和指標(biāo)。 天線高度 位置 工作頻率 收發(fā)信機(jī)距離二、電波傳播損耗預(yù)測方法1、 預(yù)測模型的分類p 基于

4、理論的模型p 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚿 理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的混合模型二、電波傳播損耗預(yù)測方法2、使用理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的方法p 先以自由空間傳播為基礎(chǔ)p 再分別考慮各種地形、地物對電波傳播的影響，并逐一予以必要的修正目標(biāo)：中值損耗=自由空間損耗+地形損耗+修正前提：由大量測試數(shù)據(jù)獲得的圖表、公式3、基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)功率p 在無線通信領(lǐng)域中，為了計(jì)算方便，電壓或功率通常用分貝表示，其中電壓以dBV作基準(zhǔn)，功率以dBm作基準(zhǔn)。p 換算關(guān)系：VdBdBV1200dBmdBW300二、電波傳播損耗預(yù)測方法二、電波傳播損耗預(yù)測方法3、基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)功率p dBm用于表示功率大小的絕對值 如果發(fā)射功率為2W，則p

5、dB用于表征功率的相對比值10lg(/1)PmW10lg(2/1)10lg(2000)33WmWdBm10lg( 1/2)10lg( 1/1) 10lg( 2/1)PPPmWPmW2.5.1 地形環(huán)境分類2.5.2 Okumura模型2.5.3 Hata模型2.5.4 擴(kuò)展Hata模型2.5.5 室內(nèi)路徑損耗模型（自學(xué)）2.5.6 IMT-2000模型（自學(xué)）2.5 電波傳播損耗預(yù)測模型三、地形環(huán)境分類1. 地形特征定義2. 地形分類3. 傳播環(huán)境分類1、地形特征定義（1）地形波動高度hp 在平均意義上描述了電波傳播路徑中地形變化的程度。p 定義：沿通信方向，距接收地點(diǎn)10km范圍內(nèi)，10高度

6、線和90高度線的高度差。p 10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。1、地形特征定義（2）移動臺天線有效高度hmp 定義：移動臺天線距地面的實(shí)際高度。（3）基站天線有效高度hbp 定義：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、地形分類（1）如何進(jìn)行地形分類 p 從電波傳播角度，根據(jù)地形波動高度大小分類： 準(zhǔn)平坦地形（準(zhǔn)平滑地形、中等起伏地形） 不規(guī)則地形2、地形分類（2）準(zhǔn)平坦地形p 地形波動高度在20m以內(nèi)，而且起伏緩慢。 （3）不規(guī)則地形p 除準(zhǔn)平坦地形之外的其它地形。p 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

7、、斜坡和水陸混合地形等。2、地形分類地形h（m）地形h （m）非常平坦地形非常平坦地形05小山區(qū)小山區(qū)80150平坦地形平坦地形510山區(qū)山區(qū)150300準(zhǔn)平坦地形準(zhǔn)平坦地形1020陡峭山區(qū)陡峭山區(qū)300700小土崗式起伏地形小土崗式起伏地形2040特別陡峭山區(qū)特別陡峭山區(qū)700丘陵地形丘陵地形40803、傳播環(huán)境分類（1）傳播環(huán)境的分類p 根據(jù)地物的密集程度對傳播環(huán)境進(jìn)行分類 開闊地區(qū) 郊區(qū) 城區(qū) 中小城市地區(qū) 大城市地區(qū)3、傳播環(huán)境分類（2）開闊地區(qū)p 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。 （3） 郊區(qū)p 有12層樓房，但分布不密集，還可有小樹林等。 3、傳播環(huán)境分類（4

8、） 中小城市地區(qū)p 建筑物較多，有高層建筑，但數(shù)量較少，街道比較寬。 （5）大城市地區(qū)p 建筑物密集，街道較窄，高層建筑較多。3、傳播環(huán)境分類p 工程設(shè)計(jì)中，通常按照穿透損耗的大小分類p 如IS-95 CDMA二期將地域類型分成 密集城區(qū) 一般城區(qū) 郊區(qū) 農(nóng)村 地區(qū)類型單位密集城區(qū) 一般城區(qū) 郊區(qū)農(nóng)村 中心頻率Mhz878.49878.49878.49878.49數(shù)據(jù)速率bps9600960096009600導(dǎo)頻信道功率W3333導(dǎo)頻信道功率DBm34.77121 34.77121 34.77121 34.77121 基站饋線損耗DB3333 基站天線高度m50505050移動臺天線高度m1.

9、51.51.51.5 人體損耗dB3333 衰落余量dB5.445.445.445.44 干擾余量dB3.01033.01033.01033.0103穿透損耗dB25201510 最大允許路徑損耗dB137.994142.994147.994152.994地域糾正因子dB80-9.74-18.95小 區(qū) 半 徑Km1.602313.88762 10.62046 27.98396kmMHzdBdBm3、傳播環(huán)境分類2.5.1 地形環(huán)境分類2.5.2 Okumura模型2.5.3 Hata模型2.5.4 擴(kuò)展Hata模型2.5.5 室內(nèi)路徑損耗模型（自學(xué)）2.5.6 IMT-2000模型（自學(xué)）2

10、.5 電波傳播損耗預(yù)測模型四、Okumura模型p 日本科學(xué)家奧村（Okumura）于1962年、1965年在日本東京及其周圍的100km范圍內(nèi)，使用不同頻率（200、453、922、1310、1430及1920MHz）、不同天線高度、選擇不同距離進(jìn)行一系列測試，并對實(shí)測結(jié)果進(jìn)行總結(jié)得出相應(yīng)的曲線。p Okumura模型是根據(jù)測試結(jié)果繪成的經(jīng)驗(yàn)曲線所構(gòu)成的模型。四、Okumura模型1、Okumura模型適用條件p 工作頻率范圍：VHF、UHF頻段p 基站天線有效高度hb：30200mp 移動臺天線高度hm：110mp 通信距離d ：120km四、Okumura模型2、Okumura模型的使用

11、方法p 以準(zhǔn)平坦（中等起伏）地形的大城市市區(qū)（基站有效天線高度hb為200米，移動天線高度hm為3米）的路徑損耗中值（或場強(qiáng)中值）為基礎(chǔ)。 第一步：計(jì)算自由空間傳播損耗； 第二步：得到基準(zhǔn)中值或基本中值損耗； 第三步：根據(jù)天線高度、地形、環(huán)境等，增加校正因子。四、Okumura模型 Lfs ：自由空間傳輸損耗； Am(f,d) ：準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)，基站天線高度為200m，移動臺天線高度為3m時相對于自由空間的中值損耗，又稱為基本中值損耗； Hb(hb ,d)、Hm(hm , f) ：天線高度增益因子。LM（dB）= Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)3、準(zhǔn)平坦地

12、形大城市的中值路徑損耗的計(jì)算四、Okumura模型()32.4420lg20lgfsfsLLdBf MHzd km 自由空間傳輸損耗：3、準(zhǔn)平坦地形大城市的中值路徑損耗的計(jì)算第一步：計(jì)算自由空間傳輸損耗四、Okumura模型p第二步：查圖得到Am (f,d) 基本中值損耗與頻率和距離有關(guān)系；是以自由空間傳播損耗為0dB情況下的相對值；在hb=200m，hm=3m條件下得到。距離距離頻率頻率3、準(zhǔn)平坦地形大城市的中值路徑損耗的計(jì)算p 思考：其它天線高度時怎么辦？L LM M（dBdB）= =L Lfsfs+A+Am m( (f,df,d)-)-H Hb b( (h hb b, d) -H, d)

13、 -Hm m( (h hm m,f,f) )四、Okumura模型3、準(zhǔn)平坦地形大城市的中值路徑損耗的計(jì)算p第三步：根據(jù)天線高度、距離和頻率進(jìn)行修正基站天線高度增益移動臺天線高度增益四、Okumura模型天線高度天線高度距離距離3、準(zhǔn)平坦地形大城市的中值路徑損耗的計(jì)算p第三步：根據(jù)天線高度、距離和頻率進(jìn)行修正 基站天線高度增益因子Hb(hb,d) 與天線高度和距離有關(guān)。- -四、Okumura模型天線天線高度高度頻率頻率移動臺天線高度增益因子Hm(hm,f) 與天線高度、頻率和傳播環(huán)境有關(guān) 大城市增益小3、準(zhǔn)平坦地形大城市的中值路徑損耗的計(jì)算p第三步：根據(jù)天線高度、距離和頻率進(jìn)行修正4、不規(guī)則

14、地形/不同環(huán)境下中值路徑損耗的計(jì)算四、Okumura模型p 增加其它修正因子LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)-ks-kh-kA-kis傳播路徑損耗中值自由空間傳播損耗準(zhǔn)平坦地傳播損耗中值移動臺天線高度增益因子基站天線高度增益因子郊區(qū)修正因子丘陵地形修正因子斜坡地形修正因子水陸混合傳播路徑修正因子 此外，還有開闊區(qū)校正因子、城市道路走向及道路寬度校正因子、孤立山丘校正因子和植被校正因子等。 PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm- Ld接收機(jī)收到的中值信號功率(dBW)發(fā)射機(jī)輸出功率(dBW)中值路徑損耗(dB)移動臺天線增益(dB）基站天線增益(d

15、B)基站饋線損耗(dB)移動臺饋線損耗(dB)基站天線共用器損耗(dB)四、Okumura模型5、信號接收功率實(shí)例分析例2.8 某移動通信系統(tǒng)，工作頻率為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動臺天線高度為3m，天線增益為0dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平坦地形，通信距離為10km。試求：（1）傳播路徑的中值路徑損耗。（2）若基站發(fā)射機(jī)送至天線的信號功率為10W，不考慮饋線損耗和共用器損耗，求移動臺天線接收到的信號功率。四、Okumura模型5、信號接收功率實(shí)例分析（1） 求傳播路徑的中值路徑損耗 第一步：計(jì)算自由空間傳播損耗LfsdfLfslg20lg2044.32dB5

16、.10510lg20450lg2044.32四、Okumura模型5、信號接收功率實(shí)例分析（1） 求傳播路徑的中值路徑損耗( , )27mAf ddB第二步：查市區(qū)基本中值損耗四、Okumura模型5、信號接收功率實(shí)例分析（1） 求傳播路徑的中值路徑損耗(, )12bbHh ddB dBfhHmm0),(第三步：查天線修正因子 基站天線高度增益因子 移動臺天線高度增益因子四、Okumura模型5、信號接收功率實(shí)例分析-（1） 求傳播路徑的中值路徑損耗 可得傳播路徑損耗中值為： 105.527 12144.5MLdBRTMbmbmdPPLGGLLL10lg10 144.5 6 0 0 0 012

17、8.598.5dBWdBm （2）中等起伏地市區(qū)中接收信號的功率中值為：四、Okumura模型對于例題的擴(kuò)展：舉一反三 例題中已知基站、移動臺的天線參數(shù)，發(fā)射功率等，求解接收功率。擴(kuò)展1： 若已知移動臺所需接收功率的大小，基站、移動臺的參數(shù)，能求解出基站至少需要多大的發(fā)射功率嗎？擴(kuò)展2： 若已知基站的發(fā)射功率、移動臺的接收功率，傳播距離以及移動臺的天線高度，能求解出基站天線至少需要架設(shè)多高嗎？四、Okumura模型對于例題的擴(kuò)展：舉一反三擴(kuò)展3： 若已知基站的發(fā)射功率、移動臺的接收功率，傳播距離以及基站的天線高度，能求解出移動臺天線至少需要架設(shè)多高嗎？擴(kuò)展4： 若已知基站的發(fā)射功率、移動臺的接

18、收功率，基站以及移動臺的天線高度，能求解出基站與移動臺之間至多能相距多少米嗎？四、Okumura模型2.5.1 地形環(huán)境分類2.5.2 Okumura模型2.5.3 Hata模型2.5.4 擴(kuò)展Hata模型2.5.5 室內(nèi)路徑損耗模型（自學(xué)）2.5.6 IMT-2000模型（自學(xué)）2.5 電波傳播損耗預(yù)測模型五、 Hata 模型與擴(kuò)展Hata 模型1、使用Hata模型的必要性p 使用Okumura模型，需要查找其給出的各種曲線，不利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)測。 p Hata根據(jù)Okumura的基本中值場強(qiáng)預(yù)測曲線，通過曲線擬合，提出了傳播損耗的經(jīng)驗(yàn)公式，即Okumura-Hata模型，簡稱Hata模型。

19、p 以城市市區(qū)的傳播損耗公式作為基準(zhǔn)，其它地區(qū)采用校正公式進(jìn)行修正。五、 Hata 模型與擴(kuò)展Hata 模型2、Hata 模型適用條件p工作頻率范圍：VHF、UHF頻段；p基站天線有效高度：30200m；p移動臺天線高度：110m；p通信距離：120km。五、 Hata 模型與擴(kuò)展Hata 模型p 中值路徑損耗的經(jīng)驗(yàn)公式 a(hm) 為移動臺天線修正因子，以1.5m為基準(zhǔn) f 以 MHz 為單位 hm 以 m 為單位 d 以 km 為單位69.5526.16lg( ) 13.82lg()()44.96.55lg()lg( )MbmbLfha hhd3、Hata 模型的路徑損耗計(jì)算p 移動臺天線

20、修正因子a(hm) 中小城市修正因子 大城市修正因子（建筑物平均高度超過15 m） ()(1.11 lg( )0.7)(1.56 lg( )0.8)mma hfhf2()8.29 lg(1.54)1.1mma hh150300MHzfMHz2()3.2 lg(11.75)4.97mma hh3001500MHzfMHz五、 Hata 模型與擴(kuò)展Hata 模型3、Hata 模型的路徑損耗計(jì)算4、擴(kuò)展Hata 模型p 對較高頻段的Okumura傳播曲線進(jìn)行分析得到 適用頻率達(dá)到2GHz 中值路徑損耗公式為：46.333.9lg( ) 13.82lg()()44.96.55lg()lg( )Mbmb

21、MLfha hhdC0MCdB3MCdB中等城市和郊區(qū)市中心五、 Hata 模型與擴(kuò)展Hata 模型2.6.1 平坦衰落信道的建模和仿真2.6.2 頻率選擇性衰落信道的建模和仿真（1）Clarke信道模型 1）基本理論 假設(shè)：入射到移動天線的電磁場由N個平面波組成，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通路，且各條路徑統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。 公式推導(dǎo) 思路：先求出合成信號，然后根據(jù)信號統(tǒng)計(jì)特性求信號包絡(luò)。 應(yīng)用范圍：市區(qū)環(huán)境中無直視通路1）基本理論n公式推導(dǎo) 多普勒頻移： cosnnvf到達(dá)移動臺的垂直極化波存在E場強(qiáng)分量： 01cos(2)NzncnnEECf t2

22、nnnf t其中，E0是本地平均E場的實(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個到達(dá)分量的隨機(jī)相位n為 x軸軸z軸軸y軸軸MS在在x-y平平面面n基本理論n公式推導(dǎo) E場可用同相和正交分量表示： ( )cos(2)( )sin(2)zccscET tf tT tf t其中 01( )cos(2)NcnnnnT tECf t01( )sin(2)NsnnnnT tECf t接收的E場的包絡(luò)為： 22( )( )( )( )zcsE tTtTtr t可以證明，Tc(t)與Ts(t)是高斯隨機(jī)過程，因此其包絡(luò)服從Rayleigh 分布。 1）Jakes仿真模型： 模擬的是在均勻散射環(huán)境中

23、非頻率選擇性衰落信道的復(fù)低通包絡(luò)。 用有限個（10個）低頻振蕩器來近似構(gòu)建一種可分析的模型。 2）Jakes仿真器產(chǎn)生的信號： 不是廣義平穩(wěn)的 不是各態(tài)歷經(jīng)的 統(tǒng)計(jì)特性并未達(dá)到Clarke模型的要求 產(chǎn)生的包絡(luò)并未嚴(yán)格服從瑞利分布 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）Jakes仿真模型2.6.1 平坦衰落信道的建模和仿真2.6.2 頻率選擇性衰落信道的建模和仿真 對于頻率選擇性信道，可用抽頭延時線模型建模。 在假設(shè)抽頭系數(shù)只在遠(yuǎn)大于傳輸數(shù)據(jù)的一個符號周期內(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 信道可看成是一個濾波器！ 輸入信號與信道沖擊響應(yīng)的卷積 = 輸出信號！1 1. .概述概述 如右圖，在基如右圖，在基站站天線天線陣列上的信號為：陣列上的信號為：12X( ),( ),( )tTNx tx