移动通信信道-3

1、上次课重点回顾q什么是电波传播三级模型？q多径传播对接收信号有何影响？如何定量描述？q多普勒扩展对接收信号有何影响？如何定量描述？q描述多径衰落信道特性的关键参数有哪些？q多径衰落信道有哪些分类？多径时延扩展时间色散频率选择性衰落多普勒扩展 频率色散时间选择性衰落第2章 移动通信信道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2.7 MIMO信道简介第一次课第二次课第三次课 本次课的要求与重难点要求与重点1. 理解阴影衰落的起因和对信号传输的影响。2. 掌握

2、电波传播损耗预测模型。3. 了解多径信道的建模与仿真重点：电波传播损耗预测模型难点：模型修正方法本次课需要解决的主要问题1.什么是阴影衰落？如何减小？2.如何进行地形分类？3.如何利用Okumura模型预测电波传播损耗？4.Hata模型适用于什么环境？5.多径信道如何建模？一、阴影衰落的基本特性1、阴影衰落的概念p 定义：移动台运动中通过不同障碍物的阴影时，接收天线处场强中值发生的变化称为阴影衰落。p 障碍物：起伏地形、建筑物、植被（高大的树林） 阴影衰落属于大尺度衰落，信号电平起伏相对缓慢 。二、阴影衰落的基本特性2、 抗阴影衰落的方法工程设计中，采用留有足够衰落余量的方法。p 衰落余量：为

3、了防止因衰落引起通信中断，必须为信号电平留有足够的余量（衰落余量），保证中断率R小于规定指标。p 衰落余量的大小由地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标决定。2.5.1 地形环境分类2.5.2 Okumura模型2.5.3 Hata模型2.5.4 扩展Hata模型2.5.5 室内路径损耗模型（自学）2.5.6 IMT-2000模型（自学）2.5 电波传播损耗预测模型二、电波传播损耗预测方法p 设计无线通信系统时，在给定条件下算出接收信号的场强中值非常重要。p 在此基础上，可进一步设计其它参数和指标。 天线高度 位置 工作频率 收发信机距离二、电波传播损耗预测方法1、 预测模型的分类p 基于

4、理论的模型p 基于实测数据的经验模型p 理论与经验结合的混合模型二、电波传播损耗预测方法2、使用理论与经验结合的方法p 先以自由空间传播为基础p 再分别考虑各种地形、地物对电波传播的影响，并逐一予以必要的修正目标：中值损耗=自由空间损耗+地形损耗+修正前提：由大量测试数据获得的图表、公式3、基准电压和基准功率p 在无线通信领域中，为了计算方便，电压或功率通常用分贝表示，其中电压以dBV作基准，功率以dBm作基准。p 换算关系：VdBdBV1200dBmdBW300二、电波传播损耗预测方法二、电波传播损耗预测方法3、基准电压和基准功率p dBm用于表示功率大小的绝对值 如果发射功率为2W，则p

5、dB用于表征功率的相对比值10lg(/1)PmW10lg(2/1)10lg(2000)33WmWdBm10lg( 1/2)10lg( 1/1) 10lg( 2/1)PPPmWPmW2.5.1 地形环境分类2.5.2 Okumura模型2.5.3 Hata模型2.5.4 扩展Hata模型2.5.5 室内路径损耗模型（自学）2.5.6 IMT-2000模型（自学）2.5 电波传播损耗预测模型三、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1、地形特征定义（1）地形波动高度hp 在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度。p 定义：沿通信方向，距接收地点10km范围内，10高度

6、线和90高度线的高度差。p 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。1、地形特征定义（2）移动台天线有效高度hmp 定义：移动台天线距地面的实际高度。（3）基站天线有效高度hbp 定义：沿电波传播方向，距基站天线315km的范围内平均地面高度以上的天线高度。2、地形分类（1）如何进行地形分类 p 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2、地形分类（2）准平坦地形p 地形波动高度在20m以内，而且起伏缓慢。 （3）不规则地形p 除准平坦地形之外的其它地形。p 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

7、、斜坡和水陆混合地形等。2、地形分类地形h（m）地形h （m）非常平坦地形非常平坦地形05小山区小山区80150平坦地形平坦地形510山区山区150300准平坦地形准平坦地形1020陡峭山区陡峭山区300700小土岗式起伏地形小土岗式起伏地形2040特别陡峭山区特别陡峭山区700丘陵地形丘陵地形40803、传播环境分类（1）传播环境的分类p 根据地物的密集程度对传播环境进行分类 开阔地区 郊区 城区 中小城市地区 大城市地区3、传播环境分类（2）开阔地区p 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。 （3） 郊区p 有12层楼房，但分布不密集，还可有小树林等。 3、传播环境分类（4

8、） 中小城市地区p 建筑物较多，有高层建筑，但数量较少，街道比较宽。 （5）大城市地区p 建筑物密集，街道较窄，高层建筑较多。3、传播环境分类p 工程设计中，通常按照穿透损耗的大小分类p 如IS-95 CDMA二期将地域类型分成 密集城区 一般城区 郊区 农村 地区类型单位密集城区 一般城区 郊区农村 中心频率Mhz878.49878.49878.49878.49数据速率bps9600960096009600导频信道功率W3333导频信道功率DBm34.77121 34.77121 34.77121 34.77121 基站馈线损耗DB3333 基站天线高度m50505050移动台天线高度m1.

9、51.51.51.5 人体损耗dB3333 衰落余量dB5.445.445.445.44 干扰余量dB3.01033.01033.01033.0103穿透损耗dB25201510 最大允许路径损耗dB137.994142.994147.994152.994地域纠正因子dB80-9.74-18.95小 区 半 径Km1.602313.88762 10.62046 27.98396kmMHzdBdBm3、传播环境分类2.5.1 地形环境分类2.5.2 Okumura模型2.5.3 Hata模型2.5.4 扩展Hata模型2.5.5 室内路径损耗模型（自学）2.5.6 IMT-2000模型（自学）2

10、.5 电波传播损耗预测模型四、Okumura模型p 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。p Okumura模型是根据测试结果绘成的经验曲线所构成的模型。四、Okumura模型1、Okumura模型适用条件p 工作频率范围：VHF、UHF频段p 基站天线有效高度hb：30200mp 移动台天线高度hm：110mp 通信距离d ：120km四、Okumura模型2、Okumura模型的使用

11、方法p 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。 第一步：计算自由空间传播损耗； 第二步：得到基准中值或基本中值损耗； 第三步：根据天线高度、地形、环境等，增加校正因子。四、Okumura模型 Lfs ：自由空间传输损耗； Am(f,d) ：准平坦地形大城市地区，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，又称为基本中值损耗； Hb(hb ,d)、Hm(hm , f) ：天线高度增益因子。LM（dB）= Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)3、准平坦地

12、形大城市的中值路径损耗的计算四、Okumura模型()32.4420lg20lgfsfsLLdBf MHzd km 自由空间传输损耗：3、准平坦地形大城市的中值路径损耗的计算第一步：计算自由空间传输损耗四、Okumura模型p第二步：查图得到Am (f,d) 基本中值损耗与频率和距离有关系；是以自由空间传播损耗为0dB情况下的相对值；在hb=200m，hm=3m条件下得到。距离距离频率频率3、准平坦地形大城市的中值路径损耗的计算p 思考：其它天线高度时怎么办？L LM M（dBdB）= =L Lfsfs+A+Am m( (f,df,d)-)-H Hb b( (h hb b, d) -H, d)

13、 -Hm m( (h hm m,f,f) )四、Okumura模型3、准平坦地形大城市的中值路径损耗的计算p第三步：根据天线高度、距离和频率进行修正基站天线高度增益移动台天线高度增益四、Okumura模型天线高度天线高度距离距离3、准平坦地形大城市的中值路径损耗的计算p第三步：根据天线高度、距离和频率进行修正 基站天线高度增益因子Hb(hb,d) 与天线高度和距离有关。- -四、Okumura模型天线天线高度高度频率频率移动台天线高度增益因子Hm(hm,f) 与天线高度、频率和传播环境有关 大城市增益小3、准平坦地形大城市的中值路径损耗的计算p第三步：根据天线高度、距离和频率进行修正4、不规则

14、地形/不同环境下中值路径损耗的计算四、Okumura模型p 增加其它修正因子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 此外，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。 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(dB)移动台天线增益(dB）基站天线增益(d

15、B)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)四、Okumura模型5、信号接收功率实例分析例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，不考虑馈线损耗和共用器损耗，求移动台天线接收到的信号功率。四、Okumura模型5、信号接收功率实例分析（1） 求传播路径的中值路径损耗 第一步：计算自由空间传播损耗LfsdfLfslg20lg2044.32dB5

16、.10510lg20450lg2044.32四、Okumura模型5、信号接收功率实例分析（1） 求传播路径的中值路径损耗( , )27mAf ddB第二步：查市区基本中值损耗四、Okumura模型5、信号接收功率实例分析（1） 求传播路径的中值路径损耗(, )12bbHh ddB dBfhHmm0),(第三步：查天线修正因子 基站天线高度增益因子 移动台天线高度增益因子四、Okumura模型5、信号接收功率实例分析-（1） 求传播路径的中值路径损耗 可得传播路径损耗中值为： 105.527 12144.5MLdBRTMbmbmdPPLGGLLL10lg10 144.5 6 0 0 0 012

17、8.598.5dBWdBm （2）中等起伏地市区中接收信号的功率中值为：四、Okumura模型对于例题的扩展：举一反三 例题中已知基站、移动台的天线参数，发射功率等，求解接收功率。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？四、Okumura模型对于例题的扩展：举一反三扩展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

18、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？四、Okumura模型2.5.1 地形环境分类2.5.2 Okumura模型2.5.3 Hata模型2.5.4 扩展Hata模型2.5.5 室内路径损耗模型（自学）2.5.6 IMT-2000模型（自学）2.5 电波传播损耗预测模型五、 Hata 模型与扩展Hata 模型1、使用Hata模型的必要性p 使用Okumura模型，需要查找其给出的各种曲线，不利于计算机进行预测。 p 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，简称Hata模型。

19、p 以城市市区的传播损耗公式作为基准，其它地区采用校正公式进行修正。五、 Hata 模型与扩展Hata 模型2、Hata 模型适用条件p工作频率范围：VHF、UHF频段；p基站天线有效高度：30200m；p移动台天线高度：110m；p通信距离：120km。五、 Hata 模型与扩展Hata 模型p 中值路径损耗的经验公式 a(hm) 为移动台天线修正因子，以1.5m为基准 f 以 MHz 为单位 hm 以 m 为单位 d 以 km 为单位69.5526.16lg( ) 13.82lg()()44.96.55lg()lg( )MbmbLfha hhd3、Hata 模型的路径损耗计算p 移动台天线

20、修正因子a(hm) 中小城市修正因子 大城市修正因子（建筑物平均高度超过15 m） ()(1.11 lg( )0.7)(1.56 lg( )0.8)mma hfhf2()8.29 lg(1.54)1.1mma hh150300MHzfMHz2()3.2 lg(11.75)4.97mma hh3001500MHzfMHz五、 Hata 模型与扩展Hata 模型3、Hata 模型的路径损耗计算4、扩展Hata 模型p 对较高频段的Okumura传播曲线进行分析得到 适用频率达到2GHz 中值路径损耗公式为：46.333.9lg( ) 13.82lg()()44.96.55lg()lg( )Mbmb

21、MLfha hhdC0MCdB3MCdB中等城市和郊区市中心五、 Hata 模型与扩展Hata 模型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（1）Clarke信道模型 1）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1）基本理论n公式推导 多普勒频移： cosnnvf到达移动台的垂直极化波存在E场强分量： 01cos(2)NzncnnEECf t2

22、nnnf t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n为 x轴轴z轴轴y轴轴MS在在x-y平平面面n基本理论n公式推导 E场可用同相和正交分量表示： ( )cos(2)( )sin(2)zccscET tf tT tf t其中 01( )cos(2)NcnnnnT tECf t01( )sin(2)NsnnnnT tECf t接收的E场的包络为： 22( )( )( )( )zcsE tTtTtr t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。 1）Jakes仿真模型： 模拟的是在均匀散射环境中

23、非频率选择性衰落信道的复低通包络。 用有限个（10个）低频振荡器来近似构建一种可分析的模型。 2）Jakes仿真器产生的信号： 不是广义平稳的 不是各态历经的 统计特性并未达到Clarke模型的要求 产生的包络并未严格服从瑞利分布 导致这种结果的根本原因是附加的相移之间具有相关性。 （2）Jakes仿真模型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 对于频率选择性信道，可用抽头延时线模型建模。 在假设抽头系数只在远大于传输数据的一个符号周期内才发生变化，即信道是慢衰落信道或准静态信道的情况下，信道的冲击响应可以表示为 1( )exp() ()Niiiih tajt 信道可看成是一个滤波器！ 输入信号与信道冲击响应的卷积 = 输出信号！1 1. .概述概述 如右图，在基如右图，在基站站天线天线阵列上的信号为：阵列上的信号为：12X( ),( ),( )tTNx tx