02移動信道-3

1、第2章移動信道 Abis A接口接口 MS BSS OMC-R 操作維護中心操作維護中心 BSC 基站基站 控制器控制器 MSC 移動交換中心移動交換中心 BTS 基站基站 收發(fā)信機收發(fā)信機 BTS 基站基站 收發(fā)信機收發(fā)信機 BTS 基站基站 收發(fā)信機收發(fā)信機 MS MS Um 通過本章學習，著重解決以下問題：通過本章學習，著重解決以下問題： n大尺度傳播特性 n大尺度傳播模型大尺度傳播模型: :描述的是發(fā)射機與接收機之 間(T-R)長距離(幾百米或幾千米)上的場強變 化 n小尺度傳播特性 n小尺度傳播模型小尺度傳播模型: :描述短距離(幾個波長)或短 時間(秒級)內(nèi)的接收場強的快速波動的傳

2、播 模型 n統(tǒng)計特性統(tǒng)計特性 n主要參數(shù)主要參數(shù) n建模與仿真建模與仿真 第2章移動信道 對移動信道 有一個全面 深入的理解 本次課教學目的：本次課教學目的： n1、了解陰影衰落的基本特性 n2、掌握大尺度路徑損耗的計算方法 n3、理解多徑衰落信道的建模與仿真 第2章移動信道 2.4陰影衰落的基本特性 n陰影衰落：陰影衰落：通過不同障礙物的陰影時，就構(gòu)成接收天線處場 強中值的變化，從而引起衰落 n起伏地形、建筑物、植被（高大的樹林） n長期衰落（大尺度衰落） n特點是衰落與無線電傳播地形和地物的分布、高度有關(guān) 設(shè)計無線通信系統(tǒng)時，設(shè)計無線通信系統(tǒng)時，是在給定條件下如何算出接收是在給定條件下如何

3、算出接收 信號的場強。信號的場強。 分析和實驗相結(jié)合的方法 分析分析了解各因素的影響 實驗實驗找出各種地形地物下的傳播損耗與距離、頻率、天線高 度之間的關(guān)系 實驗方法的優(yōu)點實驗方法的優(yōu)點通過場強測試考慮了所有的傳播因素，包 括已知的和未知的。 實驗方法的不足實驗方法的不足在一定頻率和環(huán)境下獲得的模型，在其他 條件應(yīng)用時是否正確，只能建立在新的測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。 2.5 電波傳播損耗預(yù)測模型 2.5.1地形環(huán)境分類 1 1、地形特征定義、地形特征定義 （1）地形波動高度 n在平均意義上描述了電波傳播路徑中地形變化的程度。 n定義為：定義為：沿通信方向，距接收地點10km范圍內(nèi)，10高 度線和90高

4、度線的高度差。 n10高度線是指在地形剖面圖上有10的地段高度超過 此線的一條水平線 h 2.5.1地形環(huán)境分類 1 1、地形特征定義、地形特征定義 （2）天線有效高度 n移動臺天線有效高度定義為移動臺天線距地面的實際高 度。 n基站天線有效高度定義為沿電波傳播方向，距基站天線 315km的范圍內(nèi)平均地面高度以上的天線高度 2.5.1地形環(huán)境分類 2 2、地形分類、地形分類 n準平坦地形和不規(guī)則地形 n準平坦地形是指該地區(qū)的地形波動高度在20m以內(nèi)，而 且起伏緩慢，地形峰頂與谷底之間的水平距離大于地 面波動高度，在以公里計的范圍內(nèi)，其平均地面高度 差仍在20m以內(nèi)。 n不規(guī)則地形是指除準平坦地

5、形之外的其它地形。不規(guī) 則地形按其形態(tài)，又可分為若干類，如丘陵地形、孤 立山峰、斜坡和水陸混合地形等。 n各類地形主要特征是地形波動高度。 3傳播環(huán)境分類 n開闊地區(qū)：開闊地區(qū)：在電波傳播方向上沒有建筑物或高大樹木等障 礙的開闊地帶。 n郊區(qū)：郊區(qū)：有12層樓房，但分布不密集，還可有小樹林等。 n中小城市地區(qū)：中小城市地區(qū)：建筑物較多，有商業(yè)中心，可有高層建筑， 但數(shù)量較少，街道也比較寬。 n大城市地區(qū)：大城市地區(qū)：建筑物密集，街道較窄，高層建筑也較多。 2.5.2 Okumura 模型 nOkumuraOkumura模型模型是根據(jù)測試結(jié)果繪成經(jīng)驗曲線構(gòu)成的模型。 n測試方法：測試方法：使用不

6、同頻率，不同天線高度，選擇不同 的距離進行一系列測試。 n基礎(chǔ)：基礎(chǔ)：中等起伏地形的市區(qū)，基站有效天線高度hb為 200米，移動天線高度hm為3米的傳播損耗基本中值的 預(yù)測曲線,其它地形通過修正因子來修正。 nOkumuraOkumura模型適用條件：模型適用條件：100MHz1500MHz；基站天線 高度為30200m，移動臺天線高度110m，傳播距離 為1-10m，傳播距離為1-20km。 1、準平坦地形大城市 n其中，LM為傳播路徑的損 耗中值，Lfs為自由空間傳 播損耗，Am為中等起伏地 形市區(qū)，基站天線高度為 200m,移動臺天線高度為3m 時相對于自由空間的中值 損耗，又稱基本中值

7、損耗。 LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f) 1、準平坦地形大城市 當基站或移動臺天線高度不是基準高度時，通過修正 因子Hb(hb,d)或Hm(hm,f)進行修正。 LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f) 2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗 Ks為郊區(qū)修正因子， kh為丘陵地形修正 因子，kA為斜坡地 形修正因子，kis為 水陸混合傳播路徑 修正因子。 LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)-ks-kh-kA-kis 2、不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗 例3.8 某移

8、動通信工作頻率為450 MHz，基站天線 高度為50 m，天線增益為6dB，移動臺天線高度為3 m，天線增益為0 dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為準平 坦地形，通信距離為10 km。試求 （1）傳播路徑的中值路徑損耗。 （2）若基站發(fā)射機送至天線的信號功率為10W，不考 慮饋線損耗和公用器損耗，求移動臺天線接收到的 信號功率。 PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld 2.5.3、Hata 模型 HataHata模型：模型：根據(jù)Okumura模型中的各種圖表曲線歸納 出一個經(jīng)驗公式。 1.中小城市修正因子 2.大城市修正因子（建筑物平均高度超過15 m） n單位 n適用范圍 3. Hata模

9、型的經(jīng)驗公式 例題： 設(shè)基站天線高度為40m，發(fā)射頻率為800 MHz，移動 臺天線高度為2 m，通信距離為15 km，求大城市地區(qū)的中 值路徑損耗。 69.5526.16lg( )13.82lg()()44.96.55lg()lg( ) Mbmb Lfha hhd 2.5.4、擴展Hata 模型 歐洲科學與技術(shù)研究協(xié)會工作委員會對Hata模型進行擴展， 使它適用于PCS系統(tǒng)，適用頻率也達到2GHz。 46.3 33.9lg( ) 13.82lg()()44.96.55lg()lg( ) MbmbM Lfha hhdC 0 M CdB 3 M CdB 2.5.5 室內(nèi)傳播模型 n室內(nèi)無線信道的

10、特別之處： n覆蓋距離小Smaller distances n環(huán)境變動大Greater environment variability n受建筑物的布置、材料結(jié)構(gòu)和建筑物類型等因素的 強烈影響 n機理與室外傳播相同，即反射、繞射和散射， 但條件不同。 n較小的傳播距離使得天線的遠場條件難以滿足。 n室內(nèi)信道分類：視距（LOS）、阻擋（OBS） 室內(nèi)傳播模型（2） n分隔損耗：同樓層 n主要考慮墻和家具等等Walls, furniture, etc n與材料和頻率有關(guān)Highly material dependent n分為軟分隔和硬分隔Hard versus soft partitions n

11、分隔損耗：樓層之間 n決定因素：建筑物外部面積、材料、建筑物類型和窗口數(shù)量。 n損耗因子隨樓層數(shù)目的減小而減小。 n損耗因子的增加值隨隨樓層數(shù)目的增加而減小。 室內(nèi)傳播模型（3） n對數(shù)距離路徑損耗模型 n室內(nèi)路徑損耗遵從公式： nn依賴于周圍環(huán)境和建筑物類型，X為正態(tài)隨機變量。 n衰減因子模型 n考慮建筑物類型影響以及阻擋物的影響，預(yù)測偏差小。 nnSF為同層測試的指數(shù)值。 n不同層的路徑損耗可通過附加值FAF值獲得。 X d d ndPLdBPL)log(1)()( 0 0 )log(10)()( 0 0 dBFAF d d ndBdPLdBdPL SF 2.5.6 IMT-2000模型

12、n室內(nèi)辦公環(huán)境模型 n特點是小區(qū)小，反射功率低 n時延擴展在35460ns n室外到室內(nèi)徒步環(huán)境室外到室內(nèi)徒步環(huán)境 n特點是小區(qū)小，反射功率低 n時延擴展在1001800ns n車載環(huán)境車載環(huán)境 n特點是小區(qū)較大，反射功率較高 n時延擴展在0.412ms (2)/(1) 0.46 3730lg18.3(dB) FF Ld 40lg30lg49(dB) c Ldf 40lg(18lg)21lg80dB c Ldf -2 bb （14 10h）h 2.6、多徑衰落的建模和仿真 n大尺度衰落大尺度衰落: : n分析信道的可用性 n選擇載波頻率 n越區(qū)切換 n移動無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 n小尺度衰落小尺度衰落

13、n傳輸技術(shù)的選擇 n數(shù)字接收機的設(shè)計 n信道建模和仿真是研究移動通信中的各種技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信道建模和仿真是研究移動通信中的各種技術(shù)和網(wǎng)絡(luò) 規(guī)劃的基礎(chǔ)和關(guān)鍵規(guī)劃的基礎(chǔ)和關(guān)鍵 2.6.1、平坦衰落信道的建模和仿真 1 1、ClarkeClarke信道模型信道模型 n基本理論 n假設(shè)：假設(shè)：入射到移動天線的電磁場由N個平面波組成，這 些平面波具有任意載頻相位、入射方位角以及相等的 平均幅度。即意味著不存在視距通路，且各條路徑統(tǒng) 計獨立。 n公式推導(dǎo)公式推導(dǎo) n思路：思路：先求出合成信號，然后根據(jù)信號統(tǒng)計特性求信 號包絡(luò)。 n應(yīng)用范圍：市區(qū)環(huán)境中無直視通路的特點相吻合 n基本理論基本理論 n公式推導(dǎo) 多普

14、勒頻移： nn v f cos 到達移動臺的垂直極化波存在E 場強分量： )2cos( 1 0nc N n nz tfCEE nnn tf 2 其中，E0是本地平均E場的實數(shù)幅度，Cn是表示不同電波幅度的實數(shù)隨機變量， 第n個到達分量的隨機相位qn為 1、Clarke信道模型 n基本理論基本理論 n公式推導(dǎo) E場可用同相和正交分量表示： )2sin()()2cos()(tftTtftTE csccz 其中 )2cos()( 1 0nn N n nc tfCEtT )2sin()( 1 0nn N n ns tfCEtT 接收的E場的包絡(luò)為： )()()()( 22 trtTtTtEsc z 可

15、以證明，可以證明，Tc(t)Tc(t)與與Ts(t)Ts(t)是高斯隨機過程，因此其包絡(luò)服從是高斯隨機過程，因此其包絡(luò)服從 Rayleigh Rayleigh 分布分布。 1、Clarke信道模型 n原理框圖原理框圖 1、 Clarke信道模型 2、Jakes仿真模型 nJakesJakes仿真模型：仿真模型： n模擬的是在均勻散射環(huán)境中非頻率選擇性衰落信道的復(fù)低通包絡(luò)。 n用有限個（10個）低頻振蕩器來近似構(gòu)建一種可分析的模型。 nJakesJakes仿真器產(chǎn)生的信號：仿真器產(chǎn)生的信號： n不是廣義平穩(wěn)的 n不是各態(tài)歷經(jīng)的 n統(tǒng)計特性并未達到Clarke模型的要求 n產(chǎn)生的包絡(luò)并未嚴格服從瑞

16、利分布 n導(dǎo)致這種結(jié)果的根本原因是附加的相移之間具有相關(guān)性。 2.6.2、頻率選擇性衰落信道的建模與仿真 n對于頻率選擇性信道，可用抽頭延時線模型建模。 n在假設(shè)抽頭系數(shù)只在遠大于傳輸數(shù)據(jù)的一個符號周期內(nèi)才發(fā)生變化， 即信道是慢衰落信道或準靜態(tài)信道的情況下，信道的沖擊響應(yīng)可以表 示為 1 ( )exp() () N iii i h tajt 1、概述 原因、機制、方法、模型、分類 2、VHF、UHF電波傳播特性 電波傳播方式：直射波（自由空間、大氣中的電波傳播）、 繞射、反射、散射 3、多徑傳播特性 小尺度衰落（多徑、多普勒頻移）、多徑接收信號的統(tǒng)計特 性、衰落信號幅度的特征量 本章小結(jié) 4、多徑信道沖激響應(yīng)模型、多徑信道沖激響應(yīng)模型 5 5、描述多徑衰落信道的主要參數(shù)、描述多徑衰落信道的主要參數(shù) 時延擴展與相干帶寬 多普勒擴展與相干時間 角度擴展與相干距離 多徑衰落信道的分類 本章小結(jié) 6 6 陰影衰落的基本特性陰影衰落的基本特性 7 7 電波傳播損耗預(yù)測模型電波傳播損耗預(yù)測模型 1 1） 地形環(huán)境分類地形環(huán)境分類 1、地形特征定義 2、地