04次课 第02章 移动信道的传播特性-3.pptx

1、3G移动通信概论,朱广强 ,第2章移动通信信道,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,第2章移动通信信道,本次课的要求与重点 1.掌握路径损耗的计算方法 2.了解多径衰落信道的建模与仿真 难点：路径损耗的计算 方法论学习：1）化繁为简；2）抓住主要矛盾,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

2、算出接收信号的场强或者接收信号的中值。,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。,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,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

3、耗+修正 条件：由大量测试数据获得的图表、公式,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,1、地形特征定义,（1）地形波动高度h 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。,1、地形特征定义,（1）地形波动高度h 在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度。,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。,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

4、线315km的范围内平均地面高度以上的天线高度。,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,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。,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。,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,3、传播环境分类,

5、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12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。,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。,3、传播环境分类,2.5.2 Okumura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

6、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。,2.5.2 Okumura模型,Okumura模型适用条件： 1f 为1001500MHz； 2基站天线有效高度hb为30200米； 3移动台天线高度hm为110米； 4通信距离d 为120km。,2.5.2 Okumura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。,1

7、、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),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。

8、 Am（f,d) 与 f的关系？,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hb200m时？,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hm3m时？ 当hm5m时？,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？,2、不

9、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。,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

10、建筑物方向形成的沟道，有利于电波的传播。,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。,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。,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),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450MH

11、z，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。,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,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,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

12、、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？,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

13、线高度，能求解出基站与移动台之间至多能相距多少米吗？,2.5.3 Hata 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。,2.5.3 Hata 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。,2.5.3 Hata 模型,Hata模型适用条件：

14、1f为1501500MHz； 2基站天线有效高度为30200m； 3移动台天线高度为110m； 4通信距离为120km。,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）,2.5.3 Hata 模型,练习： 设基站天线高度为40m，发射频率为800 MHz，移动 台天线高度为2 m，通信距离为15 km，求大城市地区的中值路径损耗。,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

15、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。,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,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,2.6 多径衰落的建模和仿真,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：

16、市区环境中无直视通路的特点相吻合,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n为,1.Clarke信道模型,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。,1.Clarke信道模型,2.Jakes仿真模型,Jakes仿真模型： 模拟的是在均匀散射环境中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。 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。,2.6 多径衰落的建模和仿真,对