移動(dòng)通信-ch3-無(wú)線(xiàn)傳播與信道-03

移動(dòng)通信-ch3-無(wú)線(xiàn)傳播與信道-03第一頁(yè)，共53頁(yè)。第2章講述內(nèi)容2.1陸地?zé)o線(xiàn)電波傳播特性2.2

移動(dòng)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(cè)模型2.6多徑衰落信道的建模和仿真2第二頁(yè)，共53頁(yè)。2.5電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型

為什么要預(yù)測(cè)（估算）？1、移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的需要2、對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)“考核”的需要3、理論研究的需要設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)時(shí)，首要問(wèn)題是在給定條件下如何算出接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)或者接收信號(hào)的中值。3第三頁(yè)，共53頁(yè)。電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型工程中的求解模型的方法1、大量的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試2、通過(guò)數(shù)據(jù)處理，找出各種地形地物下的傳播損耗與距離、頻率及天線(xiàn)高度的關(guān)系，給出傳播特性的各種圖表和計(jì)算公式，建立電波傳播預(yù)測(cè)模型。優(yōu)點(diǎn)——通過(guò)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。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。4第四頁(yè)，共53頁(yè)。電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型模型建立的方法1、它是先以自由空間傳播為基礎(chǔ)2、再分別考慮各種地形、地物對(duì)電波傳播的影響3、并逐一予以必要的修正5第五頁(yè)，共53頁(yè)。電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型模型：目標(biāo)：中值損耗=自由空間損耗+地形損耗+修正條件：由大量測(cè)試數(shù)據(jù)獲得的圖表、公式6第六頁(yè)，共53頁(yè)。2.5.1地形環(huán)境分類(lèi)1.地形特征定義2.地形分類(lèi)3.傳播環(huán)境分類(lèi)7第七頁(yè)，共53頁(yè)。1、地形特征定義（1）地形波動(dòng)高度Δh定義：沿通信方向，距接收地點(diǎn)10km范圍內(nèi)，10％高度線(xiàn)和90％高度線(xiàn)的高度差。10％高度線(xiàn)是指在地形剖面圖上有10％的地段高度超過(guò)此線(xiàn)的一條水平線(xiàn)。8第八頁(yè)，共53頁(yè)。1、地形特征定義（1）地形波動(dòng)高度Δh在平均意義上描述了電波傳播路徑中地形變化的程度。9第九頁(yè)，共53頁(yè)。1、地形特征定義（2）移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)有效高度hm移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)有效高度定義為移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)距地面的實(shí)際高度。10第十頁(yè)，共53頁(yè)。1、地形特征定義（3）基站天線(xiàn)有效高度hb基站天線(xiàn)有效高度定義為沿電波傳播方向，距基站天線(xiàn)3～15km的范圍內(nèi)平均地面高度以上的天線(xiàn)高度。11第十一頁(yè)，共53頁(yè)。2、地形分類(lèi)從電波傳播角度，根據(jù)地形波動(dòng)高度大小分類(lèi)：準(zhǔn)平坦地形（準(zhǔn)平滑地形、中等起伏地形）不規(guī)則地形12第十二頁(yè)，共53頁(yè)。2、地形分類(lèi)準(zhǔn)平坦地形指該地區(qū)的地形波動(dòng)高度在20m以?xún)?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?xún)?nèi)。不規(guī)則地形指除準(zhǔn)平坦地形之外的其它地形。13第十三頁(yè)，共53頁(yè)。2、地形分類(lèi)不規(guī)則地形按其形態(tài)，又可分為若干類(lèi)，如丘陵地形、孤立山峰、斜坡和水陸混合地形等。地形Δh（m）地形Δh（m）非常平坦地形0~5小山區(qū)80~150平坦地形5~10山區(qū)150~300準(zhǔn)平坦地形10~20陡峭山區(qū)300~700小土崗式起伏地形20~40特別陡峭山區(qū)700丘陵地形40~8014第十四頁(yè)，共53頁(yè)。3、傳播環(huán)境分類(lèi)根據(jù)地物的密集程度不同將傳播環(huán)境分類(lèi)：開(kāi)闊地區(qū)郊區(qū)城區(qū)中小城市地區(qū)大城市地區(qū)15第十五頁(yè)，共53頁(yè)。3、傳播環(huán)境分類(lèi)開(kāi)闊地區(qū)：在電波傳播方向上沒(méi)有建筑物或高大樹(shù)木等障礙的開(kāi)闊地帶。郊區(qū)：有1～2層建筑，但分布不密集，還可有小樹(shù)林等。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。大城市地區(qū)：建筑物密集，街道較窄，高層建筑也較多。16第十六頁(yè)，共53頁(yè)。3、傳播環(huán)境分類(lèi)工程設(shè)計(jì)中，通常按照其穿透損耗的大小分類(lèi)：如CDMA二期將地域類(lèi)型分成密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村等幾類(lèi)。17第十七頁(yè)，共53頁(yè)。3、傳播環(huán)境分類(lèi)18第十八頁(yè)，共53頁(yè)。2.5.2Okumura模型日本科學(xué)家?jiàn)W村（Okumura）于1962年、1965年在日本東京及其周?chē)?00Km范圍內(nèi)，使用不同頻率（200、453、922、1310、1430及1920MHz）、不同天線(xiàn)高度、選擇不同的距離進(jìn)行一系列測(cè)試，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)得出相應(yīng)的曲線(xiàn)。Okumura模型是根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪成經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)構(gòu)成的模型。19第十九頁(yè)，共53頁(yè)。2.5.2Okumura模型Okumura模型適用條件：1．f為100～1500MHz；2．基站天線(xiàn)有效高度hb為30～200米；3．移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度hm為1～10米；4．通信距離d為1～20km。20第二十頁(yè)，共53頁(yè)。2.5.2Okumura模型Okumura模型特點(diǎn)：以準(zhǔn)平坦（中等起伏）地形的大城市市區(qū)（基站有效天線(xiàn)高度hb為200米，移動(dòng)天線(xiàn)高度hm為3米）的路徑損耗中值（或場(chǎng)強(qiáng)中值）為基礎(chǔ),因而被稱(chēng)為基準(zhǔn)中值或基本中值。其它天線(xiàn)高度、地形、環(huán)境，則需加校正因子。21第二十一頁(yè)，共53頁(yè)。1、準(zhǔn)平坦地形大城市其中，

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(xiàn)高度為200m,移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度為3m時(shí)相對(duì)于自由空間的中值損耗，又稱(chēng)基本中值損耗；

Hb(hb,d)、Hm(hm,f)為天線(xiàn)高度增益因子。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)22第二十二頁(yè)，共53頁(yè)。1、準(zhǔn)平坦地形大城市Am（f,d)為準(zhǔn)平坦地市區(qū)傳播損耗中值：基本/基準(zhǔn)損耗中值）自由空間傳播損耗的相對(duì)值；在hb=200m,hm=3m下得到的。當(dāng)基站或移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度不是基準(zhǔn)高度時(shí)，通過(guò)天線(xiàn)高度增益因子Hb(hb,d)、Hm(hm,f)進(jìn)行修正。Am（f,d)與f的關(guān)系？23第二十三頁(yè)，共53頁(yè)。1、準(zhǔn)平坦地形大城市基站天線(xiàn)高度增益因子Hb(hb,d)LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)當(dāng)hb>200m時(shí)？

24第二十四頁(yè)，共53頁(yè)。1、準(zhǔn)平坦地形大城市移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度增益因子Hm(hm,f)LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)當(dāng)hm>3m時(shí)？當(dāng)hm>5m時(shí)？

25第二十五頁(yè)，共53頁(yè)。1、準(zhǔn)平坦地形大城市Okumura模型計(jì)算中值路徑損耗的思路是：（1）首先算出對(duì)應(yīng)于基站有效天線(xiàn)高度hb為200米，移動(dòng)天線(xiàn)高度hm為3米的基本中值損耗

（2）然后再根據(jù)天線(xiàn)的實(shí)際高度加以修正

如果考慮地形對(duì)它的影響呢？26第二十六頁(yè)，共53頁(yè)。2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗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(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度增益因子基站天線(xiàn)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

還有開(kāi)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。27第二十七頁(yè)，共53頁(yè)。2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗市區(qū)街道走向修正值，分別查圖中（a）和（b）得縱向線(xiàn)路（與電波平行）修正值和橫向線(xiàn)路的修正值?？v向線(xiàn)路的傳播損耗中值小于橫向線(xiàn)路。溝道效應(yīng)：沿建筑物方向形成的溝道，有利于電波的傳播。28第二十八頁(yè)，共53頁(yè)。2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗郊區(qū)修正因子：郊區(qū)好于市區(qū)，場(chǎng)強(qiáng)中值大，損耗小。29第二十九頁(yè)，共53頁(yè)。2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗開(kāi)闊地、準(zhǔn)開(kāi)闊地地形校正因子：好于市區(qū)。30第三十頁(yè)，共53頁(yè)。2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld接收機(jī)收到的中值信號(hào)功率(dBW)發(fā)射機(jī)輸出功率(dBW)中值路徑損耗(dBW)移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)增益(dB）基站天線(xiàn)增益(dB)基站饋線(xiàn)損耗(dB)移動(dòng)臺(tái)饋線(xiàn)損耗(dB)基站天線(xiàn)共用器損耗(dB)31第三十一頁(yè)，共53頁(yè)。陸地移動(dòng)通信信道中的傳播損耗估算例2.8某移動(dòng)通信系統(tǒng)，工作頻率為450MHz，基站天線(xiàn)高度為50m，天線(xiàn)增益為6dB，移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度為3m，天線(xiàn)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(xiàn)的信號(hào)功率為10W，不考慮饋線(xiàn)損耗和公用器損耗，求移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)接收到的信號(hào)功率。32第三十二頁(yè)，共53頁(yè)。陸地移動(dòng)通信信道中的傳播損耗估算(1)自由空間傳播損耗Lfs為查得市區(qū)基本損耗中值基站天線(xiàn)高度增益因子移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度增益因子33第三十三頁(yè)，共53頁(yè)。陸地移動(dòng)信道中的傳播損耗估算可得傳播路徑損耗中值為(2)求得中等起伏地市區(qū)中接收信號(hào)的功率中值34第三十四頁(yè)，共53頁(yè)。陸地移動(dòng)通信信道中的傳播損耗估算對(duì)于例題的擴(kuò)展：舉一反三的難度例題中是已知基站、移動(dòng)臺(tái)的天線(xiàn)參數(shù)，發(fā)射功率等，求解的是接收功率的大小。擴(kuò)展1：若已知移動(dòng)臺(tái)所需接收功率的大小，基站、移動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)的接收功率，傳播距離以及移動(dòng)臺(tái)的天線(xiàn)高度，能求解出基站天線(xiàn)至少需要架設(shè)多高嗎？

35第三十五頁(yè)，共53頁(yè)。陸地移動(dòng)信道中的傳播損耗估算對(duì)于例題的擴(kuò)展：舉一反三的難度例題中是已知基站、移動(dòng)臺(tái)的天線(xiàn)參數(shù)，發(fā)射功率等，求解的是接收功率的大小。擴(kuò)展3：若已知基站的發(fā)射功率、移動(dòng)臺(tái)的接收功率，傳播距離以及基站的天線(xiàn)高度，能求解出移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)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(dòng)臺(tái)的接收功率，基站以及移動(dòng)臺(tái)的天線(xiàn)高度，能求解出基站與移動(dòng)臺(tái)之間至多能相距多少米嗎？

36第三十六頁(yè)，共53頁(yè)。2.5.3Hata模型（自學(xué)）由于使用Okumura模型，需要查找其給出的各種曲線(xiàn)，不利于計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)。Hata根據(jù)Okumura的基本中值場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)曲線(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)擬合，提出了傳播損耗的經(jīng)驗(yàn)公式，即Okumura-Hata模型。有時(shí)也簡(jiǎn)稱(chēng)：Hata模型。37第三十七頁(yè)，共53頁(yè)。2.5.3Hata模型這個(gè)模型作了下列三點(diǎn)假設(shè)，以求簡(jiǎn)化：1．作為兩個(gè)全向天線(xiàn)之間的傳播損耗處理；2．作為中等起伏地形（準(zhǔn)平滑地形），而不是不規(guī)則地形處理；3．以城市市區(qū)的傳播損耗公式作為標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)采用校正公式進(jìn)行修正。38第三十八頁(yè)，共53頁(yè)。2.5.3Hata模型Hata模型適用條件：1．f為150～1500MHz；2．基站天線(xiàn)有效高度為30～200m；3．移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度為1～10m；4．通信距離為1～20km。39第三十九頁(yè)，共53頁(yè)。2.5.3Hata模型中值路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式為：其中a(hm)為移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)修正因子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(guò)15m）40第四十頁(yè)，共53頁(yè)。擴(kuò)展Hata模型歐洲科學(xué)與技術(shù)研究協(xié)會(huì)(EURO-COST)的COST-231工作委員會(huì)對(duì)Hata模型進(jìn)行了擴(kuò)展，通過(guò)對(duì)較高頻段的Okumura傳播曲線(xiàn)進(jìn)行分析得到的公式。使它適用于PCS系統(tǒng)，適用頻率也達(dá)到2GHz。所以稱(chēng)為擴(kuò)展Hata模型。有時(shí)也稱(chēng)作：COST-231-Hata模型。41第四十一頁(yè)，共53頁(yè)。擴(kuò)展Hata模型中值路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式為：中等城市和郊區(qū)大城市中心42第四十二頁(yè)，共53頁(yè)。室內(nèi)路徑耗損模型IMT-2000模型室內(nèi)辦公環(huán)境模型室外到室內(nèi)徒步模型車(chē)載環(huán)境時(shí)延擴(kuò)展43第四十三頁(yè)，共53頁(yè)。2.6多徑衰落的建模和仿真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第四十四頁(yè)，共53頁(yè)。1.Clarke信道模型基本理論假設(shè)：入射到移動(dòng)天線(xiàn)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(hào)，然后根據(jù)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性求信號(hào)包絡(luò)。應(yīng)用范圍：市區(qū)環(huán)境中無(wú)直視通路的特點(diǎn)相吻合2.6多徑衰落的建模和仿真

2.6.1平坦衰落信道的建模和仿真第四十五頁(yè)，共53頁(yè)?；纠碚摴酵茖?dǎo)

多普勒頻移：

到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的垂直極化波存在E場(chǎng)強(qiáng)分量：

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θn為2.6.1平坦衰落信道的建模和仿真

1.Clarke信道模型第四十六頁(yè)，共53頁(yè)?；纠碚摴酵茖?dǎo)E場(chǎng)可用同相和正交分量表示：其中

接收的E場(chǎng)的包絡(luò)為：可以證明，Tc(t)與Ts(t)是高斯隨機(jī)過(guò)程，因此其包絡(luò)服從Rayleigh分布。2.6.1平坦衰落信道的建模和仿真

1.Clarke信道模型第四十七頁(yè)，共53頁(yè)。Jakes