移動通信-ch3-無線傳播與信道-03

移動通信-ch3-無線傳播與信道-03第一頁，共53頁。第2章講述內(nèi)容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第二頁，共53頁。2.5電波傳播損耗預(yù)測模型

為什么要預(yù)測（估算）？1、移動通信系統(tǒng)工程設(shè)計的需要2、對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)“考核”的需要3、理論研究的需要設(shè)計無線通信系統(tǒng)時，首要問題是在給定條件下如何算出接收信號的場強或者接收信號的中值。3第三頁，共53頁。電波傳播損耗預(yù)測模型工程中的求解模型的方法1、大量的場強測試2、通過數(shù)據(jù)處理，找出各種地形地物下的傳播損耗與距離、頻率及天線高度的關(guān)系，給出傳播特性的各種圖表和計算公式，建立電波傳播預(yù)測模型。優(yōu)點——通過場強測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)用時是否正確，只能建立在新的測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。4第四頁，共53頁。電波傳播損耗預(yù)測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、地物對電波傳播的影響3、并逐一予以必要的修正5第五頁，共53頁。電波傳播損耗預(yù)測模型模型：目標(biāo)：中值損耗=自由空間損耗+地形損耗+修正條件：由大量測試數(shù)據(jù)獲得的圖表、公式6第六頁，共53頁。2.5.1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7第七頁，共53頁。1、地形特征定義（1）地形波動高度Δh定義：沿通信方向，距接收地點10km范圍內(nèi)，10％高度線和90％高度線的高度差。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。8第八頁，共53頁。1、地形特征定義（1）地形波動高度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，共53頁。1、地形特征定義（2）移動臺天線有效高度hm移動臺天線有效高度定義為移動臺天線距地面的實際高度。10第十頁，共53頁。1、地形特征定義（3）基站天線有效高度hb基站天線有效高度定義為沿電波傳播方向，距基站天線3～15km的范圍內(nèi)平均地面高度以上的天線高度。11第十一頁，共53頁。2、地形分類從電波傳播角度，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12第十二頁，共53頁。2、地形分類準(zhǔn)平坦地形指該地區(qū)的地形波動高度在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高度，在以公里計的范圍內(nèi)，其平均地面高度差仍在20m以內(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，共53頁。2、地形分類不規(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。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，共53頁。3、傳播環(huán)境分類根據(jù)地物的密集程度不同將傳播環(huán)境分類：開闊地區(qū)郊區(qū)城區(qū)中小城市地區(qū)大城市地區(qū)15第十五頁，共53頁。3、傳播環(huán)境分類開闊地區(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。郊區(qū)：有1～2層建筑，但分布不密集，還可有小樹林等。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，共53頁。3、傳播環(huán)境分類工程設(shè)計中，通常按照其穿透損耗的大小分類：如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)村等幾類。17第十七頁，共53頁。3、傳播環(huán)境分類18第十八頁，共53頁。2.5.2Okumura模型日本科學(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、選擇不同的距離進行一系列測試，并對實測結(jié)果進行總結(jié)得出相應(yīng)的曲線。Okumura模型是根據(jù)測試結(jié)果繪成經(jīng)驗曲線構(gòu)成的模型。19第十九頁，共53頁。2.5.2Okumura模型Okumura模型適用條件：1．f為100～1500MHz；2．基站天線有效高度hb為30～200米；3．移動臺天線高度hm為1～10米；4．通信距離d為1～20km。20第二十頁，共53頁。2.5.2Okumura模型Okumura模型特點：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（或場強中值）為基礎(chǔ),因而被稱為基準(zhǔn)中值或基本中值。其它天線高度、地形、環(huán)境，則需加校正因子。21第二十一頁，共53頁。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，又稱基本中值損耗；

Hb(hb,d)、Hm(hm,f)為天線高度增益因子。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)22第二十二頁，共53頁。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值；在hb=200m,hm=3m下得到的。當(dāng)基站或移動臺天線高度不是基準(zhǔn)高度時，通過天線高度增益因子Hb(hb,d)、Hm(hm,f)進行修正。Am（f,d)與f的關(guān)系？23第二十三頁，共53頁。1、準(zhǔn)平坦地形大城市基站天線高度增益因子Hb(hb,d)LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)當(dāng)hb>200m時？

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

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

（2）然后再根據(jù)天線的實際高度加以修正

如果考慮地形對它的影響呢？26第二十六頁，共53頁。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

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。27第二十七頁，共53頁。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）得縱向線路（與電波平行）修正值和橫向線路的修正值?？v向線路的傳播損耗中值小于橫向線路。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，共53頁。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)，場強中值大，損耗小。29第二十九頁，共53頁。2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗開闊地、準(zhǔn)開闊地地形校正因子：好于市區(qū)。30第三十頁，共53頁。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接收機收到的中值信號功率(dBW)發(fā)射機輸出功率(dBW)中值路徑損耗(dBW)移動臺天線增益(dB）基站天線增益(dB)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)31第三十一頁，共53頁。陸地移動通信信道中的傳播損耗估算例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)射機送至天線的信號功率為10W，不考慮饋線損耗和公用器損耗，求移動臺天線接收到的信號功率。32第三十二頁，共53頁。陸地移動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高度增益因子移動臺天線高度增益因子33第三十三頁，共53頁。陸地移動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)中接收信號的功率中值34第三十四頁，共53頁。陸地移動通信信道中的傳播損耗估算對于例題的擴展：舉一反三的難度例題中是已知基站、移動臺的天線參數(shù)，發(fā)射功率等，求解的是接收功率的大小。擴展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？

35第三十五頁，共53頁。陸地移動信道中的傳播損耗估算對于例題的擴展：舉一反三的難度例題中是已知基站、移動臺的天線參數(shù)，發(fā)射功率等，求解的是接收功率的大小。擴展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？擴展4：

若已知基站的發(fā)射功率、移動臺的接收功率，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？

36第三十六頁，共53頁。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，不利于計算機預(yù)測。Hata根據(jù)Okumura的基本中值場強預(yù)測曲線，通過曲線擬合，提出了傳播損耗的經(jīng)驗公式，即Okumura-Hata模型。有時也簡稱：Hata模型。37第三十七頁，共53頁。2.5.3Hata模型這個模型作了下列三點假設(shè)，以求簡化：1．作為兩個全向天線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)采用校正公式進行修正。38第三十八頁，共53頁。2.5.3Hata模型Hata模型適用條件：1．f為150～1500MHz；2．基站天線有效高度為30～200m；3．移動臺天線高度為1～10m；4．通信距離為1～20km。39第三十九頁，共53頁。2.5.3Hata模型中值路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式為：其中a(hm)為移動臺天線修正因子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15m）40第四十頁，共53頁。擴展Hata模型歐洲科學(xué)與技術(shù)研究協(xié)會(EURO-COST)的COST-231工作委員會對Hata模型進行了擴展，通過對較高頻段的Okumura傳播曲線進行分析得到的公式。使它適用于PCS系統(tǒng)，適用頻率也達(dá)到2GHz。所以稱為擴展Hata模型。有時也稱作：COST-231-Hata模型。41第四十一頁，共53頁。擴展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，共53頁。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)徒步模型車載環(huán)境時延擴展43第四十三頁，共53頁。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，共53頁。1.Clarke信道模型基本理論假設(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)計獨立。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)境中無直視通路的特點相吻合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，共53頁?；纠碚摴酵茖?dǎo)

多普勒頻移：

到達(dá)移動臺的垂直極化波存在E場強分量：

其中，E0是本地平均E場的實數(shù)幅度，Cn是表示不同電波幅度的實數(shù)隨機變量，第n個到達(dá)分量的隨機相位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，共53頁?；纠碚摴酵茖?dǎo)E場可用同相和正交分量表示：其中

接收的E場的包絡(luò)為：可以證明，Tc(t)與Ts(t)是高斯隨機過程，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，共53頁。Jakes