移动通信信道模型

1、移动通信-第三课移动通信信道模型移动通信信道模型移动信道分析的研究目标v移动通信信道是多径衰落信道。v模拟信号：SNR信道特性：以信号在自由空间传播损耗、衰落深度、衰落次数和衰落持续时间等参数表示。v数字信号：SNR + 误码率多径衰落突发性误码；多径时延扩展严重的码间串扰。移动信道分析的方法v理论分析v场强实测统计v计算机仿真研究多径衰落的模型v尺度不同：大尺度（数米范围内的平均值）小尺度（在波长量级范围内的测量值）v环境特征不同：室外、室内、陆地、海洋、空间、等等。v应用区域不同：宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微微蜂窝。大尺度传播模型大尺度模型预测距离 的电波传播行为：距离和主要环

2、境特征的函数，粗略地认为与频率无关；当距离减小到一定程度时，模型就不成立了；用于无线系统覆盖和粗略的容量规划建模。小尺度传播模型v小尺度模型描述信号在 尺度内的变化：多径效应（相位抵消）为主，路径损耗（大尺度）可认为是常数；与载波频率和信号带宽有关；着眼于“衰落”建模：在短距离或数个波长范围内信号快速变化。陆地移动通信的场强估算v对数距离路径损耗模型v路径损耗实验图表计算法v室外传播模型v室内传播模型对数距离路径损耗模型v对数距离路径损耗模型： 在远场选择d0 测量PL(d0) 或计算自由空间损耗 测量并根据经验得到n00( )() 10 lg(/)PL ddBPL dnd d不同环境下路径损

3、耗指数n对数阴影模型v当障碍物阻挡收发信机间的LOS 时发生阴影。v可用一简单的统计模型说明不可预测的“阴影”。v在对数距离PL 公式中，增加一个0-均值高斯随机变量：v式中：X 为一零均值高斯随机变量（dB）v 和n 根据测量数据，基于线性递归法使测量值与估计值的均方误差最小计算得到。00( )() 10 log( /)PL d dBPL dnd dX大尺度模型室外模型vOkumura模型（奥村模型）vHata模型vWalfisch-Ikegami模型Okumura模型v预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经成为系统规划的标准。v适用频率范围150MHz-3GHz，距离1100km，天线

4、高度301000m。v由奥村等人，在日本东京，使用不同的频率，不同的天线高度，选择不同的距离进行一系列测试，最后绘成经验曲线构成的模型。Okumura模型v在城市街道地区，电波传播损耗取决于传播距离d、工作频率f、基地站天线有效高度hb、移动台天线高度hm以及街道的走向和宽度等。Okumura模型准平滑地形，市区的传播衰耗中值又称其为基本衰耗中值。OM模型中，给出了准平滑地形，市区传播衰耗中值的预测曲线族。v例1：当d=10km，hb=200m,hm=3m, f=900MHz,计算市区准平滑地形的传播损耗中值。Okumura模型自由空间损耗：自由空间损耗：32.4520lg20lg32.452

5、0lg90020lg10111.5()bsLfddB查表求查表求( , )mAf d( , )(900,10)30mmAf dAdB市区准平滑地形的传播损耗中值为：( , )111.530141.5()TbsmLLAf ddBOkumura模型若基地站天线有效高度不是200m，可利用图表查出修正因子G(hb)对基本衰耗中值加以修正，称为基站天线高度的增加因子Okumura模型若移动台天线高度不等于3m时，可利用图表查出修正因子G(hm)对基本衰耗中值进行修正，称为移动台天线高度的增益因子。Okumura模型v天线有效高度：天线顶点的海拔高度与天线周围3km-15km之内的地面平均海拔高度之差。

6、btsgahhhv例2. 在例1中，若将基站天线高度改为hb=50m，移动台天线高度改为hm=1m，利用上面的图对路径传播损耗中值进行修正。Okumura模型模型(, )(50,10)12()bbbHh dHdB 基站天线高度增益因子：(,)(2,900)2()mmmHhfHdB 移动台天线高度增益因子：( , )(, )(,)TbsmbbmmLLAf dHh dHhf141.5( 12)( 2)155.5()dB 修正后的路径损耗中值：Okumura模型按地物的密集程度分：开阔地环境郊区环境中小城市环境大城市环境隧道区Okumura模型还有地形修正因子KT。按地形的起伏高度为：Okumura

7、模型v将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中值。v对于郊区，开阔区的场强中值，则以城市场强中值为基础进行修正。v对于“不规则地形”也给出了相应的修正因子。v该模型给出的修正因子较多，可以在掌握详细地形、地物的情况下，得到更加准确的预测结果。Okumura模型郊区修正因子郊区修正因子开阔地、准开阔地修正因子开阔地、准开阔地修正因子Okumura模型丘陵修正因子丘陵修正因子丘陵微小修正因子丘陵微小修正因子（顶部、谷部）（顶部、谷部）Okumura模型v任意地形的信号中值预测计算自由空间的传播损耗：计算市区准平滑地形的信号中值：计算任意地形地物情况下的信号中值：Okumura模型32.4520lg

8、20lgbsLfd( , )(, )(,)TbsmbbmmLLAf dHh dHhfATTLLKOkumura模型v例：某一移动电话系统，工作频率为450MHz，基站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在郊区工作，传播路径为正斜坡，且角度为15mrad，通信距离为20km，求传播路径的损耗中值。( , )(, )(,)TbsmbbmmLLAf dHh dHhf111.530.5( 10)( 3)155()dB ATTLLK1558.54.5142()dB32.4520lg20lgbsLfd32.4520lg45020lg20111.5()dBOkumura模型v其他因素的影响：街道走向

9、：横向、纵向建筑物的穿透损耗：材料、结构、层数（0-30dB）植被损耗：垂直极化、水平极化隧道中的衰减：泄漏电缆Okumura模型vOkumura模型完全基于测试数据，不提供任何分析解释。它为成熟的蜂窝和陆地移动无线系统路径损耗预测提供最简单和精确的解决方案。v该模型预测和测试的路径损耗偏差为 10dB到 14dBHata 模型模型vOkumura-Hata 模型（150MHz -1.5GHz）vCost231-Hata 模型（1.5GHz -2GHz）Okumura-Hata 模型v适用频率范围150MHz -1.5GHz传播距离在120km的城市场强预测。v根据Okumura曲线图所作的经

10、验公式，以市区传播损耗为标准，并对其它地区进行修正。v市区路径损耗的标准公式。在1km以上的情况下，预测结果和Okumura模型非常接近。v缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半径为1km的个人通信系统。Okumura-Hata 模型Cost-231 Hata 模型vEuro-COST组开发。 (Co-Operation in the field of Scientific and Technical research)v应用频率15002000MHz，小区半径大于1km的宏蜂窝，基站天线高度30200m，移动台天线高度110m与Okumura-Hata模型的主要区别在于频率衰减系数不同增

11、加了大城市中心衰减(路径损耗增加c=3dB)Hata 模型修正的Hata模型和Okumura曲线的误差大约在3dB内Walfisch-Ikegami 模型vEuro-COST组开发v考虑了屋顶和建筑物高度的影响，适合高楼林立地区的中到大型蜂窝的场强确定v应用频率8002000MHz，路径长度0.025km，基站天线高度450m，移动台天线高度13mv首先在欧洲用于GSM建模Walfisch-Ikegami 模型vHata模型适用于大区制或宏蜂窝系统，基站天线高于屋顶，因此路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射波决定。vWalfisch模型适用于大城市中到大型蜂窝系统，基站天线低于屋顶，电波传

12、输由其周围建筑物的绕射和散射决定，在街道峡谷中进行。Walfisch-Ikegami 模型v视距传播情况：v非视距传输情况：v ：自由空间损耗v ：楼顶到街道的绕射和散射损耗v ：多重屏障的绕射损耗42.626lg20lgbLdffLrtsLmsLWalfisch-Ikegami 模型v自由空间损耗：v式中单位，d 为Km，fc 为MHzWalfisch-Ikegami 模型v楼顶至街道的绕射及散射损耗：v式中：W b/2 为街道宽度，单位m；vhmhrhm ；hr 为环境建筑物高度v 为与街道相关的入射角。Walfisch-Ikegami 模型Walfisch-Ikegami 模型v多重屏障

13、的绕射损耗：vb2050m，为沿无线路径的建筑物之间的距离。 hbhbhr ； hr 为环境建筑物高度。vLbsh 和ka 都会增加较低的基站天线时的路径损耗：Walfisch-Ikegami 模型vf = 1800MHz的传输损耗：v平均误差在 范围内，标准偏差为5 7dB。180090010LLdB3dB室外模型的使用vHata模型、COST-231-Walfisch-Ikegami模型等适用范围不同，计算路径损耗的方法和需要的参数也不相同v在使用时，应根据不同预测点的位置、地形地物特征、建筑物高度和分布密度等因素选取适当的传播模型v如果传播模型选取不当，使用不合理，将影响路径损耗预测的准

14、确性，并影响链路预算、干扰计算、覆盖分析和容量分析等作业v假定f=800MHz,hm=1.5m,hb=30m,hroof=30m,平顶建筑， =90， =15m。试比较Walfish模型和Hata模型的预测结果（要求：用matlab仿真软件计算并画图，设收发距离为1km5km，步长为200m)。回顾v多普勒效应v三种衰落v室外模型大尺度模型室内模型v室内模型的特点和建模方法v室内对数距离损耗模型v多重断点损耗模型v多楼层损耗模型vJTC 模型室内传播特点覆盖距离更小,环境变化更大不受气候因素的影响，但受建筑物的结构布局以及材料的影响天线安装位置等对室内信号场强都有影响更“混乱”，散射波更多，L

15、OS 更少。主要分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种。v室内模型研究较少，是移动无线信道新的研究领域。室内建模技术和方法v对于走廊LOS 传播，为n 2 的对数正态模型；v若无LOS，则为对数正态阴影模型v隔墙和地板衰减因子；v计算精度取决于建筑物的3-D 模型和材料衰减因子。室内对数距离损耗模型v对数距离路径损耗模型：v其中，n 依赖于周围环境和建筑物类型，vX表示标准偏差为的正态随机变量，v这两个参数都可通过查表获得。建筑物的隔离损耗v隔离损耗与建筑材料的关系： 钢筋混凝土结构的损耗大于砖石和土木结构；损耗随穿透深度而增大。v隔离损耗与频率的关系： 频率低的损耗大，频率高的损耗相对小。v隔离损耗与楼层的关系：楼层越高，楼层间的损耗越小。不同建筑材料的衰减值Ericsson 多重断点室内损耗模型v通过测试多层办公室建筑，获