移动通信-ch3-无线传播与信道-03

移动通信-ch3-无线传播与信道-03第一页，共53页。第2章讲述内容2.1陆地无线电波传播特性2.2

移动通信信道的多径传播特性2.3

描述多径衰落信道的主要参数2.4阴影衰落的基本特性2.5电波传播损耗预测模型2.6多径衰落信道的建模和仿真2第二页，共53页。2.5电波传播损耗预测模型

为什么要预测（估算）？1、移动通信系统工程设计的需要2、对现有网络“考核”的需要3、理论研究的需要设计无线通信系统时，首要问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强或者接收信号的中值。3第三页，共53页。电波传播损耗预测模型工程中的求解模型的方法1、大量的场强测试2、通过数据处理，找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率及天线高度的关系，给出传播特性的各种图表和计算公式，建立电波传播预测模型。优点——通过场强测试考虑了所有的传播因素，包括已知的和未知的。不足——在一定频率和环境下获得的模型，在其他条件应用时是否正确，只能建立在新的测试数据基础上。4第四页，共53页。电波传播损耗预测模型模型建立的方法1、它是先以自由空间传播为基础2、再分别考虑各种地形、地物对电波传播的影响3、并逐一予以必要的修正5第五页，共53页。电波传播损耗预测模型模型：目标：中值损耗=自由空间损耗+地形损耗+修正条件：由大量测试数据获得的图表、公式6第六页，共53页。2.5.1地形环境分类1.地形特征定义2.地形分类3.传播环境分类7第七页，共53页。1、地形特征定义（1）地形波动高度Δh定义：沿通信方向，距接收地点10km范围内，10％高度线和90％高度线的高度差。10％高度线是指在地形剖面图上有10％的地段高度超过此线的一条水平线。8第八页，共53页。1、地形特征定义（1）地形波动高度Δh在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度。9第九页，共53页。1、地形特征定义（2）移动台天线有效高度hm移动台天线有效高度定义为移动台天线距地面的实际高度。10第十页，共53页。1、地形特征定义（3）基站天线有效高度hb基站天线有效高度定义为沿电波传播方向，距基站天线3～15km的范围内平均地面高度以上的天线高度。11第十一页，共53页。2、地形分类从电波传播角度，根据地形波动高度大小分类：准平坦地形（准平滑地形、中等起伏地形）不规则地形12第十二页，共53页。2、地形分类准平坦地形指该地区的地形波动高度在20m以内，而且起伏缓慢，地形峰顶与谷底之间的水平距离大于地面波动高度，在以公里计的范围内，其平均地面高度差仍在20m以内。不规则地形指除准平坦地形之外的其它地形。13第十三页，共53页。2、地形分类不规则地形按其形态，又可分为若干类，如丘陵地形、孤立山峰、斜坡和水陆混合地形等。地形Δh（m）地形Δh（m）非常平坦地形0~5小山区80~150平坦地形5~10山区150~300准平坦地形10~20陡峭山区300~700小土岗式起伏地形20~40特别陡峭山区700丘陵地形40~8014第十四页，共53页。3、传播环境分类根据地物的密集程度不同将传播环境分类：开阔地区郊区城区中小城市地区大城市地区15第十五页，共53页。3、传播环境分类开阔地区：在电波传播方向上没有建筑物或高大树木等障碍的开阔地带。郊区：有1～2层建筑，但分布不密集，还可有小树林等。中小城市地区：建筑物较多，有商业中心，可有高层建筑，但数量较少，街道也比较宽。大城市地区：建筑物密集，街道较窄，高层建筑也较多。16第十六页，共53页。3、传播环境分类工程设计中，通常按照其穿透损耗的大小分类：如CDMA二期将地域类型分成密集城区、一般城区、郊区、农村等几类。17第十七页，共53页。3、传播环境分类18第十八页，共53页。2.5.2Okumura模型日本科学家奥村（Okumura）于1962年、1965年在日本东京及其周围的100Km范围内，使用不同频率（200、453、922、1310、1430及1920MHz）、不同天线高度、选择不同的距离进行一系列测试，并对实测结果进行总结得出相应的曲线。Okumura模型是根据测试结果绘成经验曲线构成的模型。19第十九页，共53页。2.5.2Okumura模型Okumura模型适用条件：1．f为100～1500MHz；2．基站天线有效高度hb为30～200米；3．移动台天线高度hm为1～10米；4．通信距离d为1～20km。20第二十页，共53页。2.5.2Okumura模型Okumura模型特点：以准平坦（中等起伏）地形的大城市市区（基站有效天线高度hb为200米，移动天线高度hm为3米）的路径损耗中值（或场强中值）为基础,因而被称为基准中值或基本中值。其它天线高度、地形、环境，则需加校正因子。21第二十一页，共53页。1、准平坦地形大城市其中，

LM为传播路径的损耗中值；

Lfs为自由空间传播损耗；

Am为中等起伏地形市区，基站天线高度为200m,移动台天线高度为3m时相对于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗；

Hb(hb,d)、Hm(hm,f)为天线高度增益因子。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)22第二十二页，共53页。1、准平坦地形大城市Am（f,d)为准平坦地市区传播损耗中值：基本/基准损耗中值）自由空间传播损耗的相对值；在hb=200m,hm=3m下得到的。当基站或移动台天线高度不是基准高度时，通过天线高度增益因子Hb(hb,d)、Hm(hm,f)进行修正。Am（f,d)与f的关系？23第二十三页，共53页。1、准平坦地形大城市基站天线高度增益因子Hb(hb,d)LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)当hb>200m时？

24第二十四页，共53页。1、准平坦地形大城市移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)当hm>3m时？当hm>5m时？

25第二十五页，共53页。1、准平坦地形大城市Okumura模型计算中值路径损耗的思路是：（1）首先算出对应于基站有效天线高度hb为200米，移动天线高度hm为3米的基本中值损耗

（2）然后再根据天线的实际高度加以修正

如果考虑地形对它的影响呢？26第二十六页，共53页。2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)-ks-kh-kA-kis传播路径损耗中值自由空间传播损耗准平坦地传播损耗中值移动台天线高度增益因子基站天线高度增益因子郊区修正因子丘陵地形修正因子斜坡地形修正因子水陆混合传播路径修正因子

还有开阔区校正因子、城市道路走向及道路宽度校正因子、孤立山丘校正因子和植被校正因子等。27第二十七页，共53页。2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗市区街道走向修正值，分别查图中（a）和（b）得纵向线路（与电波平行）修正值和横向线路的修正值。纵向线路的传播损耗中值小于横向线路。沟道效应：沿建筑物方向形成的沟道，有利于电波的传播。28第二十八页，共53页。2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗郊区修正因子：郊区好于市区，场强中值大，损耗小。29第二十九页，共53页。2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗开阔地、准开阔地地形校正因子：好于市区。30第三十页，共53页。2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld接收机收到的中值信号功率(dBW)发射机输出功率(dBW)中值路径损耗(dBW)移动台天线增益(dB）基站天线增益(dB)基站馈线损耗(dB)移动台馈线损耗(dB)基站天线共用器损耗(dB)31第三十一页，共53页。陆地移动通信信道中的传播损耗估算例2.8某移动通信系统，工作频率为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为0dB；在市区工作，传播路径为准平坦地形，通信距离为10km。试求（1）传播路径的中值路径损耗。（2）若基站发射机送至天线的信号功率为10W，不考虑馈线损耗和公用器损耗，求移动台天线接收到的信号功率。32第三十二页，共53页。陆地移动通信信道中的传播损耗估算(1)自由空间传播损耗Lfs为查得市区基本损耗中值基站天线高度增益因子移动台天线高度增益因子33第三十三页，共53页。陆地移动信道中的传播损耗估算可得传播路径损耗中值为(2)求得中等起伏地市区中接收信号的功率中值34第三十四页，共53页。陆地移动通信信道中的传播损耗估算对于例题的扩展：举一反三的难度例题中是已知基站、移动台的天线参数，发射功率等，求解的是接收功率的大小。扩展1：若已知移动台所需接收功率的大小，基站、移动台的参数，能求解出基站至少需要多大的发射功率吗？扩展2：若已知基站的发射功率、移动台的接收功率，传播距离以及移动台的天线高度，能求解出基站天线至少需要架设多高吗？

35第三十五页，共53页。陆地移动信道中的传播损耗估算对于例题的扩展：举一反三的难度例题中是已知基站、移动台的天线参数，发射功率等，求解的是接收功率的大小。扩展3：若已知基站的发射功率、移动台的接收功率，传播距离以及基站的天线高度，能求解出移动台天线至少需要架设多高吗？扩展4：

若已知基站的发射功率、移动台的接收功率，基站以及移动台的天线高度，能求解出基站与移动台之间至多能相距多少米吗？

36第三十六页，共53页。2.5.3Hata模型（自学）由于使用Okumura模型，需要查找其给出的各种曲线，不利于计算机预测。Hata根据Okumura的基本中值场强预测曲线，通过曲线拟合，提出了传播损耗的经验公式，即Okumura-Hata模型。有时也简称：Hata模型。37第三十七页，共53页。2.5.3Hata模型这个模型作了下列三点假设，以求简化：1．作为两个全向天线之间的传播损耗处理；2．作为中等起伏地形（准平滑地形），而不是不规则地形处理；3．以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。38第三十八页，共53页。2.5.3Hata模型Hata模型适用条件：1．f为150～1500MHz；2．基站天线有效高度为30～200m；3．移动台天线高度为1～10m；4．通信距离为1～20km。39第三十九页，共53页。2.5.3Hata模型中值路径损耗的标准公式为：其中a(hm)为移动台天线修正因子1.中小城市修正因子2.大城市修正因子（建筑物平均高度超过15m）40第四十页，共53页。扩展Hata模型欧洲科学与技术研究协会(EURO-COST)的COST-231工作委员会对Hata模型进行了扩展，通过对较高频段的Okumura传播曲线进行分析得到的公式。使它适用于PCS系统，适用频率也达到2GHz。所以称为扩展Hata模型。有时也称作：COST-231-Hata模型。41第四十一页，共53页。扩展Hata模型中值路径损耗的标准公式为：中等城市和郊区大城市中心42第四十二页，共53页。室内路径耗损模型IMT-2000模型室内办公环境模型室外到室内徒步模型车载环境时延扩展43第四十三页，共53页。2.6多径衰落的建模和仿真2.6.1平坦衰落信道的建模和仿真2.6.2频率选择性衰落信道的建模和仿真第四十四页，共53页。1.Clarke信道模型基本理论假设：入射到移动天线的电磁场由N个平面波组成，这些平面波具有任意载频相位、入射方位角以及相等的平均幅度。即意味着不存在视距通路，且各条路径统计独立。公式推导思路：先求出合成信号，然后根据信号统计特性求信号包络。应用范围：市区环境中无直视通路的特点相吻合2.6多径衰落的建模和仿真

2.6.1平坦衰落信道的建模和仿真第四十五页，共53页。基本理论公式推导

多普勒频移：

到达移动台的垂直极化波存在E场强分量：

其中，E0是本地平均E场的实数幅度，Cn是表示不同电波幅度的实数随机变量，第n个到达分量的随机相位θn为2.6.1平坦衰落信道的建模和仿真

1.Clarke信道模型第四十六页，共53页。基本理论公式推导E场可用同相和正交分量表示：其中

接收的E场的包络为：可以证明，Tc(t)与Ts(t)是高斯随机过程，因此其包络服从Rayleigh分布。2.6.1平坦衰落信道的建模和仿真

1.Clarke信道模型第四十七页，共53页。Jakes