第2章 无线通信基础 -3

1、第2章 无线通信基础【1】复习：复习：1、建立贴合实际的大尺度损耗模型，需要将不同的地域建立贴合实际的大尺度损耗模型，需要将不同的地域环境进行分类。环境进行分类。根据地形起伏情况，分成根据地形起伏情况，分成中等起伏地形和不规则地形中等起伏地形和不规则地形两大类两大类。按服务区域的人口密度、建筑物密度及高度等情况进按服务区域的人口密度、建筑物密度及高度等情况进行分类：行分类：大城市、中等城市、小城镇和农村大城市、中等城市、小城镇和农村。按照地物密集程度不同可分为：按照地物密集程度不同可分为：开阔地、郊区、市区开阔地、郊区、市区2、自由空间中距发射机自由空间中距发射机d处天线的处天线的接收功率为：

2、接收功率为：仅适用于仅适用于天线远场区天线远场区,远场距离远场距离df 计算公式计算公式：24rttrPP G Gd22Ddf（D为天线的最大物理线性尺寸）为天线的最大物理线性尺寸）第2章 无线通信基础【2】3、 T-R以距离以距离d0作为接收功率的参考点。得到距离为作为接收功率的参考点。得到距离为d处的接收功率处的接收功率Pr与与Pr(d0)的关系：的关系：以分贝的形式表示为以分贝的形式表示为fddd020rr0dP ( d )P ( d )d dddPdP00rrlg20)(lg10)dBm)(第2章 无线通信基础【3】明确几个常用单位：单位单位dB： 10logdBW表示大于或小于表示大

3、于或小于1瓦的分贝瓦的分贝数：数：10log1WdBmW（dBm）表示大于或小于）表示大于或小于1毫瓦的分贝毫瓦的分贝数：数：10log1mW0dBm = 10lg(1mW)0dBW =10lg(1W)(是个相对值，表示两个量的相对大小关系是个相对值，表示两个量的相对大小关系)(表示功率绝对值的单位表示功率绝对值的单位)0dBW =10lg(1W)= 10lg(1000mW)=30dBm第2章 无线通信基础【4】2.2.4 电磁波基本传播机制电磁波基本传播机制 自由空间传播是电磁波传播的最简单情况。自由空间传播是电磁波传播的最简单情况。 实际情况下，电磁波传播路径上一般存在不同的障实际情况下，

4、电磁波传播路径上一般存在不同的障碍物，发生碍物，发生反射、透射、绕射（也叫衍射）和散射反射、透射、绕射（也叫衍射）和散射等。等。第2章 无线通信基础【5】1. 电磁波的反射和透射电磁波的反射和透射反射的条件：反射的条件：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面的面时，如果界面的尺寸远大于电波的波长尺寸远大于电波的波长时，产生反射。时，产生反射。 假设平面波入射到假设平面波入射到两种电介质的两种电介质的交界面，会发生反射和透射：交界面，会发生反射和透射： a)若第二介质为理想导体，则仅有反射，无透射，无损耗；若第二介质为理想导体，则仅有反射，无透射，

5、无损耗；b)若是非理想电介质，则有能量损耗。若是非理想电介质，则有能量损耗。 反射波与传输波的电场强度反射波与传输波的电场强度取决于取决于反射系数反射系数R和和透射系数透射系数；反射系数与介质的属性有关，并且与电波的极化方式、；反射系数与介质的属性有关，并且与电波的极化方式、入射角、频率有关。入射角、频率有关。第2章 无线通信基础【6】2. 地面反射对功率衰减的影响（地面反射对功率衰减的影响（地面反射双线模型地面反射双线模型） 在移动无线信道中，随着传播距离的增大，在移动无线信道中，随着传播距离的增大，MS和和BS之间之间很少存在单一很少存在单一LOS传播，所以只考虑了传播，所以只考虑了直射波

6、的自由空间直射波的自由空间模型模型，这在很多情况下是不能准确地预测大尺度衰减情况。，这在很多情况下是不能准确地预测大尺度衰减情况。 在存在直射波的情况下，无线通信的在存在直射波的情况下，无线通信的双线模型双线模型能够准确能够准确地预测地预测几千米通信范围几千米通信范围的大尺度信号衰落。的大尺度信号衰落。适用于适用于农村和农村和城郊等比较平坦、开阔的传播环境，并且对城区微蜂窝环城郊等比较平坦、开阔的传播环境，并且对城区微蜂窝环境下的境下的LOS链路也比较准确。链路也比较准确。 该模型以几何光学为基础，考虑了直射、反射路径。并该模型以几何光学为基础，考虑了直射、反射路径。并且认为地面发生且认为地面

7、发生全反射全反射，反射前后信号相位相差，反射前后信号相位相差180，反，反射系数射系数R=-1。第2章 无线通信基础【7】假设发射机和接收机均处于地平线上，其中间是平坦的地面。假设发射机和接收机均处于地平线上，其中间是平坦的地面。电磁波的传播路径有两条：电磁波的传播路径有两条：1、与自由空间传播相同的、与自由空间传播相同的LOS（视线路径），（视线路径），2、经地面反射后到达接收机的路径。、经地面反射后到达接收机的路径。 这两条路径的传播距离是不相同的，使得同时到达接收机这两条路径的传播距离是不相同的，使得同时到达接收机的两路信号之间存在的两路信号之间存在相位差相位差，从而对传播衰减产生影响。

8、，从而对传播衰减产生影响。图2-14 无线传播环境下的双线模型第2章 无线通信基础【8】221()trddhh直线传播距离：直线传播距离：222()trddhh反射路径传播距离：反射路径传播距离：u 双线模型双线模型第2章 无线通信基础【9】22222122()()1()1()trtrtrtrdddhhdhhdhhhhdddtrhhd通常：10trdhh221 11(1)2aaa 有：则则d1与与d2的路径差的路径差d为为22trtrtr111()1()222hhhhdddddh hd（2-2-16）第2章 无线通信基础【10】并参考式（并参考式（2-2-5）中引入参考点距离）中引入参考点距离

9、d0的思想，可以导出的思想，可以导出经经直射路径直射路径到达接收机的信号电场强度为到达接收机的信号电场强度为 式中，式中，k=2/，为自由空间波数；，为自由空间波数； E0为距发射机参考距离为距发射机参考距离d0处的电场强度。处的电场强度。1j1001ekdddEE（2-1-1）00j(/ )j(/ )0 020jsinej e4td ctd ci lEEc d 远场区辐射电场表达式远场区辐射电场表达式第2章 无线通信基础【11】则经则经反射路径反射路径到达接收机的信号电场强度可以表示为到达接收机的信号电场强度可以表示为 由于反射系数由于反射系数R=1，因此接收信号总的电场强度为，因此接收信号

10、总的电场强度为2j2002ekdddEE（2-2-14）21j200j10021eekdkdddEddEREEE在全反射的情况下，由于在全反射的情况下，由于d1和和d2相差不大，和的差别相差不大，和的差别对信号幅度的影响就可以忽略，可以认为对信号幅度的影响就可以忽略，可以认为 但是，对于处在相位项上的但是，对于处在相位项上的d1和和d2可能产生对信号幅度有很可能产生对信号幅度有很大影响的相位差大影响的相位差 ，故其距离差不能忽略。，故其距离差不能忽略。11d21dddd11121第2章 无线通信基础【12】将将d2=d1+d代入式（代入式（2-2-14）得到：）得到： 式中，式中， =kd为两

11、个到达信号之间的相位差。为两个到达信号之间的相位差。（2-2-15）1111jj ()jj000000jj00ee(1e)e(1e)ekdk ddkdk dkdE dE dE dEdddE dd42trh hdk dd相位差：由路径差由路径差d的表达式可以的表达式可以得到得到第2章 无线通信基础【13】根据式（根据式（2-2-15）可以得到接收信号电场强度的包络为）可以得到接收信号电场强度的包络为（2-2-17）j001eE dEd考虑到相位差，接收信号功率为考虑到相位差，接收信号功率为：22( )1e4jrttrP dPG Gd2222221 e1 cosjsin1 cossin2 2cos

12、4sin4sin2jd 22( )4sin4rttrdP dPGGd其中：第2章 无线通信基础【14】222222trttr42( )4sin424=4trrttrtrttrh hP dPGGddh hh hPGGPG Gddd （2-2-19）tr2h hdd因22sintrdhh和距离距离d处接收机的接收功率为处接收机的接收功率为以以dB为单位表示的路径损耗计算公式为为单位表示的路径损耗计算公式为PL(d)=40 lgd(10lgGt+10 lgGr+20 lght+20 lghr)（2-2-18）00tr24E d hhEd同理可得接收点处场强为同理可得接收点处场强为40dB/10倍程倍

13、程第2章 无线通信基础【15】224trrttrh hPPG Gd双线模型几个重要结论 发射机与接收机之间的距离发射机与接收机之间的距离d 很大时，接收功率随距很大时，接收功率随距离的离的4 4次方成反比衰减，这表明其接收功率衰减比自由空次方成反比衰减，这表明其接收功率衰减比自由空间（间（2 2次方衰减）要快的多。次方衰减）要快的多。 显示了发射天线和接收天线的高度对路径损耗的明显显示了发射天线和接收天线的高度对路径损耗的明显影响。影响。 路径损耗与信号频率无关。路径损耗与信号频率无关。PL(d)=40 lgd(10lgGt+10 lgGr+20 lght+20 lghr)第2章 无线通信基础

14、【16】第一费涅尔区距离：4trh hd 工程上一般认为：工程上一般认为：小于小于第一费涅尔区距离，第一费涅尔区距离，路径损耗路径损耗2次方衰减；次方衰减；大于大于第一费涅尔区距离，第一费涅尔区距离，路径损耗路径损耗4次方衰减。次方衰减。是是衰减指数变化的拐点。衰减指数变化的拐点。对实际传播环境，功率衰减指数的具体数值可能在26之间。第2章 无线通信基础【17】无线传播功率衰减的影响：无线传播功率衰减的影响：1、传播功率的快速衰减限制了一个小区的覆盖范围；、传播功率的快速衰减限制了一个小区的覆盖范围；弊弊2、这种衰减也降低了不同小区之间存在的相互干扰。、这种衰减也降低了不同小区之间存在的相互干

15、扰。利利 随着用户量和用户密度快速增加，随着用户量和用户密度快速增加，小区尺寸小区尺寸主要取决于主要取决于网络的用户容量，而不是小区覆盖半径。网络的用户容量，而不是小区覆盖半径。 为了不断提高网络的用户容量，小区覆盖半径将不断减为了不断提高网络的用户容量，小区覆盖半径将不断减小，同时小区之间的干扰又会增大。在这种情况下，传播小，同时小区之间的干扰又会增大。在这种情况下，传播功率衰减速度的增大对减小不同小区基站之间的功率衰减速度的增大对减小不同小区基站之间的同频干扰同频干扰是有利的。是有利的。第2章 无线通信基础【18】例例2-4 GSM系统的工作频率为900 MHz，基站天线高度为50 m，距

16、离发射机1 km处的场强为103 V/m。一个GSM移动台距离基站5 km，使用垂直的/4单极天线，增益为2.55 dB，接收天线高度为1.5 m。试计算： （1） 接收天线的有效长度和有效接收面积； （2） 使用双线地面反射模型的情况下，该GSM移动台的接收功率。第2章 无线通信基础【19】解解：已知接收机与发射机之间的距离d=5 km， ht=50 m， hr=1.5 m，接收天线增益为Gr=2.55 dB=1.799, 距发射天线1 km处的参考场强为E0=103 V/m, 系统工作频率f=900 MHz，得(1) 天线长度L=/4=0.833 m。接收天线的有效面积为m 3110900

17、10368fc222rem 0159. 043/1799. 14GA第2章 无线通信基础【20】(2) 由于所以使用双线模型的条件。 根据式（2-2-18），接收点的场强为km 1m 9003/ 15 . 15044rtdhh00trr3333622( )2 101 102 50 1.5 5 101/35 10 113.1 10 V/mE dhhE ddd 第2章 无线通信基础【21】由式（2-2-8）得到距离d处的接收功率为226 22rr2213(113.1 10 )1.799 (1/3)(5 km)480480 5.4 10 W122.68 dBW92.68 dBmE GP d第2章 无

18、线通信基础【22】4. 电磁波的绕射电磁波的绕射 定义：电磁波被尖锐障碍物的边缘阻挡时，阻挡面产生定义：电磁波被尖锐障碍物的边缘阻挡时，阻挡面产生的的二次波传播二次波传播到障碍物之后的现象。到障碍物之后的现象。 原理（波动理论）：电波撞击障碍物的边缘，形成新的原理（波动理论）：电波撞击障碍物的边缘，形成新的振源，其产生的次级波将传播到阻挡物的阴影区，这就是振源，其产生的次级波将传播到阻挡物的阴影区，这就是阴影区仍然可能收到信号的原因。阴影区绕射波的电场强阴影区仍然可能收到信号的原因。阴影区绕射波的电场强度为所有次级波矢量和。度为所有次级波矢量和。 绕射损耗所研究的是绕射损耗所研究的是以自由空间

19、传播损耗为基础的附加以自由空间传播损耗为基础的附加损耗损耗。研究结果表明，随阻挡体高度（可以为负）的不。研究结果表明，随阻挡体高度（可以为负）的不同，绕射损耗既可以为正，也可以为负。同，绕射损耗既可以为正，也可以为负。第2章 无线通信基础【23】1） 刃形绕射模型刃形绕射模型下面从下面从单个障碍物绕射单个障碍物绕射的简单情况入手介绍分析方法。的简单情况入手介绍分析方法。当绕射是由单个物体引起时，可以将障碍物看做刃形当绕射是由单个物体引起时，可以将障碍物看做刃形边缘形成的半无限大阻挡屏来估计绕射损耗。边缘形成的半无限大阻挡屏来估计绕射损耗。绕射增益绕射增益G可以通过可以通过Fresnel积分计算

20、。积分计算。（2-2-22） 2Fjtotal2F01je d2tEGFtE G ：绕射增益； Etotal ：阴影区任一点的总电场； E0：无障碍物时自由空间传播场强; F：为Fresnel参数; 第2章 无线通信基础【24】（2-2-23）RXTXRXTXdF2ddddFresnel参数F的表达式为（2-2-24）RXRXobsTXTXobsdarctanarctandhhdhh式中：Fresnel参数参数F的计算。的计算。图2-15 刃形障碍物绕射损耗分析的几何关系图第2章 无线通信基础【25】由于由于Fresnel积分的计算比较复杂。通常先确定积分的计算比较复杂。通常先确定Fresne

21、l参数参数F，然后利用，然后利用图图2-16查得绕射损耗。查得绕射损耗。20;120log(0.50.6020log0.5exp( 0.95 ) 0120log0.40.1184(0.380.1 )12.420log(0.225/ )2.4dG ）；-1；121212()2dBd ddd 当 （h,)时，绕射损耗可忽略不计；当 0（h=0)时，绕射损耗为6；当0（h0)时，绕射损耗急剧增加。结论：结论：第2章 无线通信基础【26】1dB当 时，绕射损耗可忽略不计；当 0时，绕射损耗为6；当0时，绕射损耗急剧增加。图2-16第2章 无线通信基础【27】实际环境：单个障碍物（如：山岳、高大建筑物）

22、实际环境：单个障碍物（如：山岳、高大建筑物）刃形绕射的三种情况：刃形绕射的三种情况：h第2章 无线通信基础【28】对于某些对于某些F值值， F(F)积分取值可能会大于积分取值可能会大于1。暗示某些特定。暗示某些特定位置的接收功率实际上可能由于屏的出现而增加了。位置的接收功率实际上可能由于屏的出现而增加了。第2章 无线通信基础【29】一个障碍物对信号的影响可根据一个障碍物对信号的影响可根据Fresnel区直观地估算出来。区直观地估算出来。空间菲涅尔区：以发射机和接收机为焦点的椭球面所包含空间菲涅尔区：以发射机和接收机为焦点的椭球面所包含的空间区域。的空间区域。 Fresnel区区是一些次级波传输

23、路径相差是一些次级波传输路径相差n/2的的椭球区域组成。即次级波通过相邻的两个椭球区域组成。即次级波通过相邻的两个Fresnel区的路径区的路径差是差是/2。图2-17 Fresnel区概念的解释第2章 无线通信基础【30】费涅尔区特性：费涅尔区特性： u当当r是半波长的是半波长的奇数倍奇数倍时，反射波和直射波在接收点的时，反射波和直射波在接收点的作用相同，此时的场强得到作用相同，此时的场强得到加强加强；u当当r为半波长的为半波长的偶数偶数倍时，反射波和直射波在接收点的倍时，反射波和直射波在接收点的作用相互抵消，此时接收点的场强作用相互抵消，此时接收点的场强最弱最弱；u一般来说，只要第一一般来

24、说，只要第一Fresnel区的区的55%没有被障碍物阻挡，没有被障碍物阻挡，绕射的损耗就很小，影响可以忽略不计。绕射的损耗就很小，影响可以忽略不计。Fresnel区的特点：区的特点：第一第一Fresnel区的附加路径为区的附加路径为/2，第二，第二Fresnel区的附加路径为区的附加路径为2/2，第三，第三Fresnel区的附加路径为区的附加路径为3/2，依次类推。附加路径会导致一个附加相移。，依次类推。附加路径会导致一个附加相移。第2章 无线通信基础【31】 （1）Bullington(布灵顿布灵顿)方法。方法。用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体，这样就可以使用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体，

25、这样就可以使用单刃形绕射模型计算路径损耗。用单刃形绕射模型计算路径损耗。2） 多重刃形绕射情况的处理多重刃形绕射情况的处理当发射机和接收机之间存在多个障碍物时的处理方法。当发射机和接收机之间存在多个障碍物时的处理方法。图2-18 Bullington单阻挡屏等效方法第2章 无线通信基础【32】优点优点：大大简化了多重刃形绕射损耗的计算：大大简化了多重刃形绕射损耗的计算缺点缺点：但准确度不够高。主要原因是只考虑了两个主要：但准确度不够高。主要原因是只考虑了两个主要障碍物的影响，忽略了其他障碍物，甚至忽略了像图障碍物的影响，忽略了其他障碍物，甚至忽略了像图中障碍物中障碍物3的影响。这种比两个主要障

26、碍物都高的障的影响。这种比两个主要障碍物都高的障碍物的影响一般比较大。碍物的影响一般比较大。 适合于计算双刃引起的绕射损耗适合于计算双刃引起的绕射损耗Bullington方法的优缺点方法的优缺点第2章 无线通信基础【33】（2） Epstein-Petersen(普斯丁普斯丁-彼得森彼得森 )方法。方法。 要求分别单独计算每个障碍物的绕射损耗。在计算某个要求分别单独计算每个障碍物的绕射损耗。在计算某个特定障碍物的绕射损耗时，分别在与其相邻的左右两个障特定障碍物的绕射损耗时，分别在与其相邻的左右两个障碍物顶端放置虚拟发射机和接收机。最后把不同障碍物引碍物顶端放置虚拟发射机和接收机。最后把不同障碍

27、物引起的损耗加在一起得到总的绕射损耗。显然，这种方法考起的损耗加在一起得到总的绕射损耗。显然，这种方法考虑到了所有障碍物的影响。图中虑到了所有障碍物的影响。图中实线所示实线所示。不适用于两个不适用于两个障碍物很近时障碍物很近时的情况。的情况。第2章 无线通信基础【34】（3） Deygout(戴高特戴高特 )方法。方法。该方法计算绕射损耗的过程如下：该方法计算绕射损耗的过程如下： 计算出所有障碍物单独存在时的绕射损耗，将引起计算出所有障碍物单独存在时的绕射损耗，将引起最大损耗的障碍物定义最大损耗的障碍物定义为主障碍物为主障碍物。 在主障碍物尖端放置在主障碍物尖端放置虚拟接收机虚拟接收机，计算发

28、射机与主障碍，计算发射机与主障碍物之间其他障碍物引起的绕射损耗，并将引起最大损耗的物之间其他障碍物引起的绕射损耗，并将引起最大损耗的障碍物定义为障碍物定义为次主障碍物次主障碍物。同样地，在次主障碍物尖端放。同样地，在次主障碍物尖端放置置虚拟发射机虚拟发射机，计算次主障碍物与接收机之间其他障碍物，计算次主障碍物与接收机之间其他障碍物引起的绕射损耗。重复该过程。如上图虚线所示。引起的绕射损耗。重复该过程。如上图虚线所示。 把所有考虑到的障碍物绕射损耗加起来。把所有考虑到的障碍物绕射损耗加起来。 Deygout方法的计算比较繁琐，适用于发射机与接收机方法的计算比较繁琐，适用于发射机与接收机之间的障碍

29、物较少时的情况。实际上，当障碍物较多时，之间的障碍物较少时的情况。实际上，当障碍物较多时，Deygout方法会产生相当大的误差。方法会产生相当大的误差。第2章 无线通信基础【35】（4） 国际电联（国际电联（ITU）提出的半经验模型。）提出的半经验模型。ITU提出的计算绕射损耗的半经验模型如下：提出的计算绕射损耗的半经验模型如下： 式中，式中，Li是每个障碍物单独产生的绕射损耗；是每个障碍物单独产生的绕射损耗； CN的定义如的定义如下：下：（2-2-26）（2-2-27）NNiiCLLlg20)dB(1totalbaPPCN第2章 无线通信基础【36】其中：式中，式中，dpi是计算点到前一个障

30、碍物的距离；是计算点到前一个障碍物的距离； dni是计算是计算点到后一个障碍物的距离。对于这个计算方法，点到后一个障碍物的距离。对于这个计算方法，1997年有学年有学者说明该公式会产生大的误差并提出作以下改进：者说明该公式会产生大的误差并提出作以下改进：（2-2-28）（2-2-29）NiiiNNjjNiiddddPddddP1npp1pb1n1p1n1pabaPPCN第2章 无线通信基础【37】5. 粗糙表面对电磁波的散射粗糙表面对电磁波的散射 在实际移动无线环境中，实际接收信号比单独使在实际移动无线环境中，实际接收信号比单独使用绕射和反射模型预测的信号要用绕射和反射模型预测的信号要强强，这

31、是因为在实际，这是因为在实际环境中，当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射环境中，当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量。而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量。 第2章 无线通信基础【38】粗糙表面对电磁波的散射取决于表面的粗糙程度。粗糙表面对电磁波的散射取决于表面的粗糙程度。表面粗糙度的定义：表面粗糙度的定义：hc：表面平整度的参考高度；：表面平整度的参考高度；：电磁波入射方向与平面之间夹角；：电磁波入射方向与平面之间夹角；如果平面上最大的起伏高度：如果平面上最大的起伏高度：hhc粗糙的，反之，平滑。粗糙的，反之，平滑。 对于粗糙表面，对于粗糙

32、表面，反射系数需乘以一个散射系数（减弱反射系数需乘以一个散射系数（减弱反射场）来进行修正反射场）来进行修正。（2-2-30）sin8ch第2章 无线通信基础【39】粗糙表面对反射效果的影响用粗糙表面对反射效果的影响用散射损耗系数散射损耗系数s来表示。来表示。设表面高度设表面高度h为为Gaussian分布的随机变量，标准偏差为分布的随机变量，标准偏差为h :s=exp2(k0h sin)2 （2-2-31）式中式中, k0=2/为电磁波的自由空间波数。为电磁波的自由空间波数。存在散射的情况下，对粗糙表面的反射系数存在散射的情况下，对粗糙表面的反射系数进行修正：进行修正： rough=s （2-2

33、-32）由式（由式（2-2-31）可以看出，对于）可以看出，对于0的掠入射来说，的掠入射来说，s1, 粗糙的影响消失了。所以，对于掠入射的情况，其反粗糙的影响消失了。所以，对于掠入射的情况，其反射都可以看做理想的镜面反射。射都可以看做理想的镜面反射。第2章 无线通信基础【40】2.2.5 无线信道传输损耗模型无线信道传输损耗模型1. 无线链路预算无线链路预算目的：目的：是在一定的传播模型下，通过是在一定的传播模型下，通过计算特定计算特定业务在业务在一定通信质量（一定通信质量（SNR）要求下的最大允许路径损耗，）要求下的最大允许路径损耗，进而进而确定确定一个基站小区的覆盖半径，一个基站小区的覆盖

34、半径，从而确定满足连续覆盖条从而确定满足连续覆盖条件下所件下所需建设基站的规模需建设基站的规模。主要任务主要任务：使用路径：使用路径损耗模型对接收信号电平进行损耗模型对接收信号电平进行估计，估计，进而预测移动通信进而预测移动通信系统中的系统中的SNR和基站小区的和基站小区的覆盖半径。覆盖半径。第2章 无线通信基础【41】无线通信系统无线通信系统覆盖范围覆盖范围是系统设计的一项主要指标，是系统设计的一项主要指标，它包含两个内容：它包含两个内容：1、整个网络的服务地域范围；、整个网络的服务地域范围；2、一个无线基站的服务地域范围、一个无线基站的服务地域范围(即无线小区的覆盖范围即无线小区的覆盖范围

35、)。信噪比信噪比SNR的大小取决于多种因素：发射机的发射功的大小取决于多种因素：发射机的发射功率、接收机的灵敏度、接收机的噪声系数、环境噪声、无率、接收机的灵敏度、接收机的噪声系数、环境噪声、无线系统的工作频率、由地物地貌因素决定的无线传播损耗线系统的工作频率、由地物地貌因素决定的无线传播损耗等。其中，等。其中，地形地貌和频率地形地貌和频率是主要的考虑因素。是主要的考虑因素。第2章 无线通信基础【42】 前面介绍的几种传播模型（自由空间传播模型、前面介绍的几种传播模型（自由空间传播模型、双线模型、绕射模型、散射模型）都是相对理想化双线模型、绕射模型、散射模型）都是相对理想化的模型。的模型。 通

36、常一种单一的传播模型是不能完全描述收发通常一种单一的传播模型是不能完全描述收发信机之间的电波传播的，需要针对不同的环境使用信机之间的电波传播的，需要针对不同的环境使用不同的传播损耗模型。不同的传播损耗模型。 为此，人们建立了大量的信道模型来预测不规为此，人们建立了大量的信道模型来预测不规则的地形和路径损耗。则的地形和路径损耗。 这些模型通常是根据测试数据和理论分析相结这些模型通常是根据测试数据和理论分析相结合总结得到的，主要用于预测特定区域的信号场强。合总结得到的，主要用于预测特定区域的信号场强。第2章 无线通信基础【43】虽然用于建立模型的测量数据是在特定频率和虽然用于建立模型的测量数据是在

37、特定频率和特定环境下得到的，环境改变时就不能保证模型是特定环境下得到的，环境改变时就不能保证模型是否正确。否正确。 但是这种模型往往能对传播损耗或接收信号电但是这种模型往往能对传播损耗或接收信号电平给出一个有参考意义的估计，对预测信道传播特平给出一个有参考意义的估计，对预测信道传播特性非常有用。性非常有用。第2章 无线通信基础【44】2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落p也称电波传播损耗的图表预测法，是根据也称电波传播损耗的图表预测法，是根据 Okumura 在东京地区进行大量实测的基础上提出来的。在东京地区进行大量实测的基础上提出来的。p它是通过大量的传播实验，利用统计的办法找出各它是通过大量的

38、传播实验，利用统计的办法找出各种地形地物条件下的传播损耗和距离、频率、天线种地形地物条件下的传播损耗和距离、频率、天线高度间的关系，绘制出电波传播特性的计算图表，高度间的关系，绘制出电波传播特性的计算图表，根据这些图表可以方便地对接收功率进行预测。根据这些图表可以方便地对接收功率进行预测。p1968年提出的年提出的Okumura模型是预测城区信号时使用模型是预测城区信号时使用最广泛的模型。最广泛的模型。第2章 无线通信基础【45】2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落p 应用环境：应用环境：频率：频率：100MHz1920MHz（可扩展到（可扩展到3GHz）距离：距离：1km100km天线高度：天线

39、高度：301000mp 依据依据：Okumura开发的一套在准平滑城区，基站有效天开发的一套在准平滑城区，基站有效天线高度（线高度（hb）为）为200米，移动天线高度（米，移动天线高度（hm）为）为3米的自米的自由空间的附加路径损耗（由空间的附加路径损耗（Aexc）曲线。）曲线。p使用方法使用方法：使用使用Okumura模型确定路径损耗，首先确定模型确定路径损耗，首先确定自由空间路径损耗，然后从曲线中读出自由空间路径损耗，然后从曲线中读出Aexc值，并加入代值，并加入代表地物类型的修正因子。表地物类型的修正因子。 以市区传播损耗为计算标准，其他环境情况需要在此以市区传播损耗为计算标准，其他环境

40、情况需要在此基础上进行修正。该模型完全基于测试数据，不提供基础上进行修正。该模型完全基于测试数据，不提供任何分析解释。任何分析解释。第2章 无线通信基础【46】第一种表达形式的市区损耗公式为PL(dB)=Lfs+AexcHcb(hb, d)Hcm(hm, fc) KT （2-2-33）自由空间路径损耗自由空间附加损耗基站天线高度修正因子移动台天线高度修正因子地形地物修正因子fc：载波频率； hb：基站天线高度；d：传输距离； hm:移动台天线高度；第2章 无线通信基础【47】 典型中等起伏地上、市区的基典型中等起伏地上、市区的基本附加损耗与频率、距离的关本附加损耗与频率、距离的关系曲线。系曲线

41、。 基准天线高度：基站为200m，移动台天线高度为3m 。 随着频率升高和距离增大，市区传播附加损耗都将增加。图2-19 Okumura-Hata模型的附加路径损耗第2章 无线通信基础【48】 基站：基站：若基站天线高度若基站天线高度不是不是 200m ，则损耗中值，则损耗中值的差异需要用基站天线高的差异需要用基站天线高度增益因子来修正。度增益因子来修正。 hb200m时，时，Hcb0dB;总损耗减小总损耗减小 hb200m时，时，Hcb5 m时，传播损耗随天线增高明显减小；(其高度增益与环境条件有关其高度增益与环境条件有关) 当移动台天线有效高度hm5 m时，修正因子不仅与天线高度及频率有关

42、，还与传播环境的其他因素有关，大城市的高层建筑较多，传播损耗较大，中小城市的高层建筑较少，传播损耗较小。第2章 无线通信基础【51】2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落u街道走向修正因子街道走向修正因子u郊区的修正因子郊区的修正因子u开阔地、准开阔地的修正因子开阔地、准开阔地的修正因子u水陆混合路径修正因子水陆混合路径修正因子地形地物修正因子地形地物修正因子第2章 无线通信基础【52】街道走向修正因子：街道走向修正因子： 纵向街道的损耗中值纵向街道的损耗中值明显小于横行街道的明显小于横行街道的损耗中值。损耗中值。 沿建筑物的沿建筑物的“沟道效沟道效应应”有利于电波的传有利于电波的传播。播。地形地物

43、修正因子地形地物修正因子第2章 无线通信基础【53】郊区的修正因子郊区的修正因子 郊区的建筑物一般是分散郊区的建筑物一般是分散的、低矮的，故电波传播的、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强条件优于市区。郊区场强中值大于市区场强中值。中值大于市区场强中值。 均大于零均大于零第2章 无线通信基础【54】开阔地、准开阔地的修正因子开阔地、准开阔地的修正因子 开阔地、准开阔地传播条件优开阔地、准开阔地传播条件优于市区于市区 为了求出郊区、开阔区及准开为了求出郊区、开阔区及准开阔区的损耗中值，应先求出相阔区的损耗中值，应先求出相应的市区传播损耗中值，再应的市区传播损耗中值，再减减去去由图查得的修正因

44、子。由图查得的修正因子。第2章 无线通信基础【55】水陆混合路径修正因子水陆混合路径修正因子水上传播损耗较小水上传播损耗较小第2章 无线通信基础【56】Okumura 模型的特点与不足：模型的特点与不足： Okumura 模型对地形、地物进行分类，使用模型对地形、地物进行分类，使用完全客观的实验数据使其能在相应的环境下获完全客观的实验数据使其能在相应的环境下获得较准确的预测，因此得到广泛的应用。得较准确的预测，因此得到广泛的应用。 完全基于测试数据，不提供任何分析解释。完全基于测试数据，不提供任何分析解释。 许多情况通过外推曲线来获得测试范围以外的许多情况通过外推曲线来获得测试范围以外的值，而

45、这种外推法的正确性依赖于环境和曲线值，而这种外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑性。的平滑性。 模型本身也有不足，如对地形的定性划分不可模型本身也有不足，如对地形的定性划分不可避免地导致对通信环境的主观判断。避免地导致对通信环境的主观判断。 对城区和郊区快速变化的反应较慢。对城区和郊区快速变化的反应较慢。第2章 无线通信基础【57】1990年哈塔根据年哈塔根据Okumura模型所作的曲线拟合经验公式模型。模型所作的曲线拟合经验公式模型。log( )( )log( )log( )pABdLdABdCABdD市区市郊开阔地区: 30200:150 1500:1 10 ;120bcmhmfMHzhm

46、kmdkm；参数：路径损耗：2269.5526.16log() 13.82log()()44.96.55log()5.42 log(28)40.944.78 log()18.33log()cbmbcccAfha hBhCfDff其中：(2-2-35)(2-2-36)(2-2-39)(2-2-40)第2章 无线通信基础【58】2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落Hata模型没有模型没有Okumura模型的特定路径修正因子。模型的特定路径修正因子。Hata模型适用于模型适用于d超过超过1km的宏小区移动系统，不适的宏小区移动系统，不适用于半径为用于半径为1km左右的小区。左右的小区。移动台天线修正因子

47、移动台天线修正因子a(hm)：22()1.1log0.71.56log0.8()8.29 log 1.541.1;200()3.2 log 11.754.97;400mcmcmmcmmca hfhfa hhfMhza hhfMhz中小城市、郊区、农村等开阔地：大城市：(2-2-37)(2-2-38)第2章 无线通信基础【59】Hata模型的模型的PCS扩展：扩展： 在半径大于在半径大于1km时，时，Hata模型比较准确，但不太适用模型比较准确，但不太适用于半径小于于半径小于1km的的PCS系统，给出的频率参数的取值范围系统，给出的频率参数的取值范围并不完全包括工作频率更高的并不完全包括工作频率

48、更高的2G和和3G蜂窝系统的蜂窝系统的2 GHz频频段。为此，科学和技术研究欧洲协会段。为此，科学和技术研究欧洲协会(EURO-COST)开发开发Hata模型的模型的PCS扩展版本：扩展版本：03MdBCdB；中小城市或郊区；大城市环境(dBlg13.82lg()(44.96.55lg)lgcbmbMPLfha hhdC）=43.6+33.9AB(2-2-41)第2章 无线通信基础【60】3. COST-231-Walfish-Ikegami模型模型COST-231模型适用于微小区和小的宏小区。LOS情况的总路径损耗为 PL（dB）=42.6+26 lgd+20 lgfc d 20 m（2-2

49、-42）式中, d的单位为km； fc的单位为MHz。对于非LOS的传播情况，考虑了屋顶和建筑物高度的影响，使用绕射来预测街道的平均信号场强。第2章 无线通信基础【61】（2-2-43）fsrtsmsdrtsmsdfsrtsmsd 0PL(dB) 0LLLLLLLLf srtsmsLLL自由空间传播损耗；屋顶到街道的绕射和散射损耗；建筑物的多屏绕射损耗。图图2-22 COST-231-Walfish-Ikegami模型的几何关系图模型的几何关系图对于非LOS的传播情况，考虑了屋顶和建筑物高度的影响，使用绕射来预测街道的平均信号场强。第2章 无线通信基础【62】靠近移动台最近的一个建筑物顶所产生

50、的靠近移动台最近的一个建筑物顶所产生的绕射损耗绕射损耗Lrts为为Lrts(dB)=16.910 lgw+10 lgfc+20 lghm+Lori （2-2-45）式中式中, w为街道的宽度，单位取为街道的宽度，单位取m; hm=hroofhm, 为建筑物为建筑物高度高度hroof与移动台天线高度与移动台天线高度 hm之差之差;Lori取决于街道的方向修取决于街道的方向修正因子正因子Lori。式中，式中，自由空间路径损耗为自由空间路径损耗为Lfs(dB)=32.4+20 lgd+20 lgfc （2-2-44）多重障碍物引起的路径损耗多重障碍物引起的路径损耗为为Lmsd(dB)=Lbsh+ka

51、+kd lgd+kf lgfc9 lgb （2-2-47）式中式中, b是建筑物之间的距离，单位取是建筑物之间的距离，单位取m。第2章 无线通信基础【63】表2-5 COST-231-Walfish-Ikegami模型中的参数取值范围第2章 无线通信基础【64】第二次作业第二次作业：1、在下列情况下，双线模型是否可以应用，解释原因。、在下列情况下，双线模型是否可以应用，解释原因。 1）ht=35m, hr=3m, d=250m 2）ht=30m, hr=1.5m, d=600m2、假定发射机高度为、假定发射机高度为40m，接收机高度为，接收机高度为3m，信号频率为，信号频率为1800MHz，单

52、位增益天线，单位增益天线，分别求距离为分别求距离为1km, 3km,5km时时的路径损耗，并计算第一费涅尔区距离。的路径损耗，并计算第一费涅尔区距离。(2880m)3、 P74 2-10 第2章 无线通信基础【65】 随着随着PCS系统的使用，室内无线传播情况受到人们的系统的使用，室内无线传播情况受到人们的重视。重视。20世纪世纪80年代首次开始研究。年代首次开始研究。主要特点：主要特点：(机理同室外：直射、反射、绕射和散射）机理同室外：直射、反射、绕射和散射） l 室内传播特点：覆盖距离更小，远场条件难以满足；室内传播特点：覆盖距离更小，远场条件难以满足；l 受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放置的受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放置的位置？人员的分布情况？位置？人员的分布情况？l 室内信道可以分为室内信道可以分为视距（视距（LOSLOS）和阻挡（）和阻挡（OBSOBS）两种。两种。典型室内信道模型典型室内信道模型l 同楼层的分隔损耗同楼层的分隔损耗l 楼层间的分隔损耗楼层间的分隔损耗 第2章 无线通信基础【66】同楼层的分隔损耗同楼层的分隔损耗 建筑物具有大量的分隔和阻挡体。家用房屋中使用木建筑物具有大量的分隔和阻挡