移动通信信道模型教学文稿

移动(yídòng)通信---第三课移动通信(tōngxìn)信道模型第一页，共53页。移动信道(xìndào)分析的研究目标移动通信信道是多径衰落信道。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(shēndù)、衰落次数和衰落持续时间等参数表示。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。第二页，共53页。移动信道(xìndào)分析的方法理论分析(fēnxī)场强实测统计计算机仿真第三页，共53页。研究多径衰落(shuāiluò)的模型尺度(chǐdù)不同：大尺度(chǐdù)（数米范围内的平均值）小尺度(chǐdù)（在波长量级范围内的测量值）环境特征不同：室外、室内、陆地、海洋、空间、等等。应用区域不同：宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微微蜂窝。第四页，共53页。大尺度传播(chuánbō)模型大尺度模型预测距离>>λ的电波传播(chuánbō)行为：距离和主要环境特征的函数，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。第五页，共53页。小尺度传播(chuánbō)模型小尺度模型描述(miáoshù)信号在λ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。第六页，共53页。陆地移动通信(tōngxìn)的场强估算对数距离路径损耗模型路径损耗实验图表计算(jìsuàn)法室外传播模型室内传播模型第七页，共53页。对数距离(jùlí)路径损耗模型对数距离(jùlí)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n第八页，共53页。不同环境(huánjìng)下路径损耗指数n第九页，共53页。对数(duìshù)阴影模型当障碍物阻挡收发信机间的LOS时发生阴影。可用一简单的统计(tǒngjì)模型说明不可预测的“阴影”。在对数距离PL公式中，增加一个0-均值高斯随机变量：式中：Xσ为一零均值高斯随机变量（dB）σ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。第十页，共53页。大尺度模型(móxíng)——室外模型(móxíng)Okumura模型(móxíng)（奥村模型(móxíng)）Hata模型(móxíng)Walfisch-Ikegami模型(móxíng)第十一页，共53页。Okumura模型(móxíng)预测城区信号时使用(shǐyòng)最广泛的模型，在日本已经成为系统规划的标准。适用频率范围150MHz-3GHz，距离1－100km，天线高度30－1000m。由奥村等人，在日本东京，使用(shǐyòng)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。第十二页，共53页。Okumura模型(móxíng)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(yǐjí)街道的走向和宽度等。第十三页，共53页。Okumura模型(móxíng)准平滑地形，市区的传播衰耗(shuāihào)中值又称其为基本衰耗(shuāihào)中值。OM模型中，给出了准平滑地形，市区传播衰耗(shuāihào)中值的预测曲线族。第十四页，共53页。例1：当d=10km，hb=200m,hm=3m,f=900MHz,计算市区准平滑地形(dìxíng)的传播损耗中值。Okumura模型(móxíng)自由空间损耗：查表求市区准平滑地形的传播损耗中值为：第十五页，共53页。Okumura模型(móxíng)若基地(jīdì)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第十六页，共53页。Okumura模型(móxíng)若移动台天线高度(gāodù)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(gāodù)的增益因子。第十七页，共53页。Okumura模型(móxíng)天线有效高度：天线顶点(dǐngdiǎn)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。第十八页，共53页。例2.在例1中，若将基站天线高度改为hb=50m，移动(yídòng)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(móxíng)基站天线高度增益因子：移动台天线高度增益因子：修正后的路径损耗中值：第十九页，共53页。Okumura模型(móxíng)按地物的密集程度分：开阔地环境郊区(jiāoqū)环境中小城市环境大城市环境隧道区Okumura模型(móxíng)还有地形修正因子KT。按地形的起伏高度为：第二十页，共53页。Okumura模型(móxíng)将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中值。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。对于“不规则地形”也给出了相应的修正因子(yīnzǐ)。该模型给出的修正因子(yīnzǐ)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。第二十一页，共53页。Okumura模型(móxíng)郊区(jiāoqū)修正因子开阔地、准开阔地修正(xiūzhèng)因子第二十二页，共53页。Okumura模型(móxíng)丘陵修正(xiūzhèng)因子丘陵微小修正因子(yīnzǐ)（顶部、谷部）第二十三页，共53页。Okumura模型(móxíng)第二十四页，共53页。任意地形的信号(xìnhào)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(xìnhào)中值：计算任意地形地物情况下的信号(xìnhào)中值：Okumura模型(móxíng)第二十五页，共53页。Okumura模型(móxíng)例：某一移动(yídòng)电话系统，工作频率为450MHz，基站天线高度为70m，移动(yídòng)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。第二十六页，共53页。Okumura模型(móxíng)其他因素(yīnsù)的影响：街道走向：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：泄漏电缆第二十七页，共53页。Okumura模型(móxíng)Okumura模型完全基于测试数据，不提供任何分析(fēnxī)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。该模型预测和测试的路径损耗偏差为10dB到14dB第二十八页，共53页。Hata模型(móxíng)Okumura-Hata模型(móxíng)（150MHz-1.5GHz）Cost231-Hata模型(móxíng)（1.5GHz-2GHz）第二十九页，共53页。Okumura-Hata模型(móxíng)适用频率范围150MHz-1.5GHz传播距离在1~20km的城市场强预测。根据Okumura曲线图所作的经验公式，以市区传播损耗为标准，并对其它地区进行修正。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。缺点：适用于大区制移动系统，不适(bùshì)用于小区半径为1km的个人通信系统。第三十页，共53页。Okumura-Hata模型(móxíng)第三十一页，共53页。Cost-231Hata模型(móxíng)Euro-COST组开发。(Co-OperationinthefieldofScientificandTechnicalresearch)应用(yìngyòng)频率1500~2000MHz，小区半径大于1km的宏蜂窝，基站天线高度30~200m，移动台天线高度1~10m与Okumura-Hata模型的主要区别在于频率衰减系数不同增加了大城市中心衰减(路径损耗增加c=3dB)第三十二页，共53页。Hata模型(móxíng)修正的Hata

模型和Okumura

曲线(qūxiàn)的误差大约在3

dB

内第三十三页，共53页。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)Euro-COST组开发考虑了屋顶(wūdǐnɡ)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应用频率800~2000MHz，路径长度0.02~5km，基站天线高度4~50m，移动台天线高度1~3m首先在欧洲用于GSM建模第三十四页，共53页。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)Hata模型适用于大区(dàqū)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。Walfisch模型适用于大城市中到大型蜂窝系统，基站天线低于屋顶，电波传输由其周围建筑物的绕射和散射决定，在街道峡谷中进行。第三十五页，共53页。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)视距传播情况：非视距传输情况：：自由空间损耗：楼顶到街道的绕射和散射(sǎnshè)损耗：多重屏障的绕射损耗第三十六页，共53页。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)自由空间损耗(sǔnhào)：式中单位，d为Km，fc为MHz第三十七页，共53页。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)楼顶至街道的绕射及散射损耗(sǔnhào)：式中：W＝b/2为街道宽度，单位m；Δhm＝hr－hm；hr为环境建筑物高度φ为与街道相关的入射角。第三十八页，共53页。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)第三十九页，共53页。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)多重屏障的绕射损耗：b＝20～50m，为沿无线路径的建筑物之间的距离。Δhb＝hb－hr；hr为环境(huánjìng)建筑物高度。Lbsh和ka都会增加较低的基站天线时的路径损耗：第四十页，共53页。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)f=1800MHz的传输(chuánshū)损耗：平均误差在范围内，标准偏差为5–7dB。第四十一页，共53页。室外模型(móxíng)的使用Hata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(yīnsù)选取适当的传播模型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确性，并影响链路预算、干扰计算、覆盖分析和容量分析等第四十二页，共53页。作业(zuòyè)假定f=800MHz,hm=1.5m,hb=30m,hroof=30m,平顶建筑，=90，=15m。试比较(bǐjiào)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1km~5km，步长为200m)。第四十三页，共53页。回顾(huígù)多普勒效应三种衰落(shuāiluò)室外模型第四十四页，共53页。大尺度模型(móxíng)——室内模型(móxíng)室内模型的特点和建模方法室内对数(duìshù)距离损耗模型多重断点损耗模型多楼层损耗模型JTC模型第四十五页，共53页。室内传播(chuánbō)特点覆盖距离(jùlí)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，LOS更少。主要分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种。室内模型研究较少，是移动无线信道新的研究领域。第四十六页，共53页。室内(shìnèi)建模技术和方法对于走廊LOS传播，为n<2的对数正态模型；若无LOS，则为对数正态阴影模型隔墙(ɡéqiánɡ)和地板衰减因子；计算精度取决于建筑物的3-D模型和材料衰减因子。第四十七页，共53页。室内对数(duìshù)距离损耗模型对数距离路径损耗(sǔnhào)模型：其中，n依赖于周围环境和建筑物类型，