移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型

1、14-1電波傳播理論第14章移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型基本要求：1.了解移動通信電波傳播的特點(diǎn)；2.掌握移動通信系統(tǒng)中的場強(qiáng)預(yù)測模型的基本概念；3.了解移動通信系統(tǒng)中常用的場強(qiáng)預(yù)測模型。第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型114-2電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型移動通信電波傳播的特點(diǎn)移動無線電環(huán)境的描述 214-3電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型移動無線電環(huán)境的兩個假定:移動臺的天線高度（約為3米）低于房屋和建筑物工作 f 大于30 MHz（小于10米），周圍都是自然散射體（多徑傳播媒質(zhì)），移動通信的無線電環(huán)境屬于一種多路徑環(huán)境，使得接收信號由直射波疊

2、加上多個反射波和多個繞射波。移動通信無線電傳播的四個特點(diǎn)：快衰落，短期衰落，多徑衰落，瑞利衰落人造結(jié)構(gòu)慢衰落，長期衰落，地形衰落，正態(tài)分布地形環(huán)境多普勒效應(yīng)信號相位變化產(chǎn)生的附加效應(yīng)多徑傳播效應(yīng)頻率選擇性衰落和延遲散布造成的波形展寬短期衰落的四個原因： 移動臺靜止，散射體運(yùn)動 移動臺運(yùn)動，無散射體 形成駐波 N個反射波314-4電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型陸地移動通信地形特征的分類及定義準(zhǔn)平坦地形地面起伏高度小于20米不規(guī)則地形丘陵地形、傾斜地形、孤立山岳、水陸混合地形常用參數(shù) 地形波動高度h沿通信方向10公里內(nèi)，10和90的地段超過的高度之差水面或平坦地形 h05米 小

3、土崗 h2040米山區(qū) h10150米 陡峭山區(qū) h300700米 天線有效高度移動臺天線 天線在當(dāng)?shù)氐孛嬉陨系母叨然嘏_天線 3-15公里內(nèi)平均地面以上的高度414-5電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型陸地移動通信傳播環(huán)境的分類及定義開闊區(qū)在傳播路徑上沒有高大的樹木和建筑物等障礙的開闊地帶或前方300-400米內(nèi)無任何阻擋的小片場地，如農(nóng)田、稻田、廣場等。郊區(qū)移動臺附近只有1-2層房屋或稀疏的小樹林等不太密的障礙物，它包括小村莊或兩邊有稀疏樹木和建筑物的公路。市區(qū)移動臺附近有密集的障礙物，主要是指高樓矗立的大城市或擁擠著大建筑群和兩層樓房的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或房屋密集、大樹茂盛的大村莊。多

4、徑信道的數(shù)學(xué)模型Clarke模型 一般對于宏蜂窩系統(tǒng)來說，無線路徑的長度和天線高度相比是足夠長的，因此可以假設(shè)平面波在二維（2-D）的 平面中傳播，在所有方向上以相同的概率，到達(dá)移動臺。 514-6電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型多徑信道的數(shù)學(xué)模型Clarke模型 根據(jù)電磁理論，在移動通信系統(tǒng)中的基站和移動臺之間的電磁波傳播規(guī)律，顯然應(yīng)滿足麥克斯韋方程。到達(dá)接收機(jī)天線處的電磁場量，原則上可以通過發(fā)射天線上的電流分布以及傳播路徑上的媒質(zhì)分布來求解。但由于移動通信的環(huán)境、地域極其復(fù)雜，欲利用麥克斯韋方程組，根據(jù)邊值條件精確地求解移動通信區(qū)域內(nèi)的電磁場，其工作量是非常巨大的。為此人

5、們廣泛采用了另一種方法來計算移動通信區(qū)域內(nèi)的電磁場，該方法的依據(jù)是場強(qiáng)疊加原理。由于任意一條多徑路徑都是線性的，所以它們滿足疊加原理條件。在陸地移動蜂窩無線系統(tǒng)中，無線信號是在三維空間中傳播?；就ǔ０l(fā)射垂直極化信號。在車輛移動通信應(yīng)用中，車載臺天線也是垂直極化的，但對于便攜應(yīng)用中的手機(jī)發(fā)射天線，其傾斜將產(chǎn)生非垂直極化分量。雖然這對計算極化效應(yīng)是重要的，但是為了討論簡單起見，我們?nèi)詫⒓僭O(shè)發(fā)射信號是垂直極化的。此外，我們假設(shè)基站和移動臺之間的距離足夠長，以至于無線傳播環(huán)境可以簡化為二維情況討論。614-7電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型當(dāng)移動臺駛離基站時典型的接收功率電平以及表

6、示陰影遮擋衰落和多徑衰落的某郊區(qū)地區(qū)中的信號行為 714-8電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型移動無線信號的三種傳播機(jī)制冪定律傳播機(jī)制、陰影衰落機(jī)制和多徑衰落傳播機(jī)制。 814-9電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型冪定律傳播機(jī)制冪定律傳播機(jī)制主要反映自由空間傳播損耗與傳播中的彌散。當(dāng)接收機(jī)從靠近某基站駛離基站時，其接收功率與距離的關(guān)系可以近似用 來表示。當(dāng)功率和距離用分貝表示時，其平均功率將隨著距離線性地變化，因而稱為冪定律傳播機(jī)制。為了確定冪定律中的指數(shù) ，最簡單的方法是通過兩個確定的長度和上的功率值和來求得，即 但更直接的方法是直接對實(shí)驗(yàn)測量值進(jìn)行線性回歸處

7、理便可得到 值。而精確地確定具體地形地物環(huán)境中的路徑損耗一直是一項眾說紛紜的工作。事實(shí)上，許多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商都采用專用軟件包計算路徑損耗。914-10電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型對數(shù)正態(tài)-陰影傳播機(jī)制在圍繞一條以基站為圓心的圓形路線上測量的結(jié)果表明，用分貝表示功率和距離在正態(tài)開率紙上畫出的也是一條直線，因而稱為對數(shù)正態(tài)-陰影傳播機(jī)制。對數(shù)正態(tài)變化是由于所接收的信號是發(fā)射性和通過一些數(shù)量隨機(jī)的物體諸如建筑物、丘陵和樹，或被這些物體反射后的信號疊加。每個單獨(dú)的信號都有某種程度的衰減，因此最后接收信號的值是許多傳輸效率因子之積，而接收信號的對數(shù)則等于這些因子之和。冪定律傳播和陰影傳

8、播的影響使得接收信號強(qiáng)度的隨機(jī)起伏變化（即衰落）有幾十分鐘到幾小時的緩慢長周期變化，因此稱為慢衰落。慢衰落也稱為長期衰落，它具有對數(shù)正態(tài)分布的統(tǒng)計特性。1014-11電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型多徑衰落傳播機(jī)制由于移動通信大多是VHF、UHF頻段（300MHz30GHz），在這些頻段內(nèi)的最大波長只有10米，與傳播路徑上的建筑物、樹林、山丘等物體的線度相比要小得多，故電波主要以直射、反射、散射、繞射等方式傳播，因此傳播方式通常呈現(xiàn)多徑現(xiàn)象，但沿不同路徑傳播的電波大體上是相互獨(dú)立的。多徑傳播的影響使得接收信號產(chǎn)生相當(dāng)大的振幅隨位置的變化。此外，在移動通信所用的VHF、UHF頻

9、段上，無線電波散射體（如汽車、卡車）的運(yùn)動也回引起衰落發(fā)生，即使移動臺或手機(jī)不在運(yùn)動。多徑傳播使得接收信號強(qiáng)度的隨機(jī)起伏變化（即衰落）從幾分之一秒到幾分鐘的快速短周期變化，因此稱為快衰落（短期衰落）。當(dāng)有視距路徑時快衰落服從萊斯分布，無視距路徑時則服從瑞利分布。1114-12電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型移動通信中的信號表示方法場強(qiáng)表示法 空間域 時間域 、 長期衰落、地形衰落、本地均值 、 短期衰落、多徑衰落1214-13電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型傳播路徑損耗表示法 倍頻程損耗十進(jìn)位損耗以自由空間為例（10.3）1314-14電波傳播理論第14章

10、移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型與傳播特性有關(guān)的參數(shù)傳播損耗傳播損耗是指發(fā)射天線的有效發(fā)射功率與無方向性接收天線所接收到的功率（正常接收功率減去天線增益）之差。傳播損耗又稱為路徑損耗。傳播損耗分布在給定的測量區(qū)（直線路徑或小區(qū)）測量的傳播損耗百分值。傳播損耗中值傳播損耗中值是對應(yīng)傳播損耗分布的 的傳播損耗值。傳播損耗分布的長期均值服從對數(shù)正態(tài)分布。當(dāng)移動臺與基站的距離增加時，傳播損耗均值增加。損耗偏差傳播損耗中值分布1414-15電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型測量區(qū)測量區(qū)是指包含很多傳播損耗測量點(diǎn)的邊緣。例如汽車短距離移動時的直線路徑，有時也可能是一個小區(qū)域。原始數(shù)據(jù)和本地均值

11、原始數(shù)據(jù)在每一測量點(diǎn)實(shí)際測量所得的數(shù)據(jù)本地均值在該點(diǎn)附近 的區(qū)域內(nèi)測量所得的 50個數(shù)據(jù)的平均值1514-16電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型無線電路徑和移動路徑無線電路徑電波傳播的直線移動路徑實(shí)際測量時所經(jīng)過的路線1614-17電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型 邊界當(dāng)接收信號的強(qiáng)度用 表示時所界定的邊界。服務(wù)區(qū)在一定特定要求下某一基站天線所覆蓋的區(qū)域。這個邊界是一個統(tǒng)計邊界。1714-18電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型移動通信的場強(qiáng)預(yù)測和傳播模式場強(qiáng)預(yù)測所謂場強(qiáng)預(yù)測是指根據(jù)移動通信的不同環(huán)境得到通信范圍內(nèi)的場強(qiáng)分布（路徑損耗），建立電波

12、傳播的模型，以便對通信網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計（天線、基站站址、小區(qū)半徑、頻率） 傳播模式分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、半?jīng)驗(yàn)或半確定模式、確定性模式。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞歉鶕?jù)大量測量結(jié)果統(tǒng)計分析后導(dǎo)出的公式，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢匀菀缀涂焖俚仡A(yù)測路徑損耗，不需要有關(guān)環(huán)境的詳細(xì)信息，但是不能提供非常精確的路徑損耗估算值。確定性模式是對具體現(xiàn)場環(huán)境直接應(yīng)用電磁場理論進(jìn)行計算，如射線追蹤方法，環(huán)境的描述可以從地形地物數(shù)據(jù)庫中得到。半經(jīng)驗(yàn)或半確定模式是基于把確定性方法用于一般的市區(qū)或室內(nèi)環(huán)境中導(dǎo)出的公式，為了改善半經(jīng)驗(yàn)或半確定模式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，有時需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對公式進(jìn)行修正，得到的公式是天線周圍某個規(guī)定特性的函數(shù)。1814-19

13、電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型傳播模式與傳播環(huán)境的關(guān)系：蜂窩移動通信的最大特點(diǎn)就是小區(qū)制。小區(qū)的大小和范圍直接和傳播條件有關(guān)，可以根據(jù)需要選擇小區(qū)的大小和范圍。移動通信系統(tǒng)中主要采用宏小區(qū)、微小區(qū)（微蜂窩）和微微小區(qū)（微微蜂窩）三種形式。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ交虬虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄哂芯鶆蛱匦缘暮晷^(qū)是合適的。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭€適用于均勻的微小區(qū)，在那里模式所考慮的參數(shù)能很好的表征整個環(huán)境。確定性模式適合于微小區(qū)和微微小區(qū)不管它們的形狀如何。確定性模式對宏小區(qū)是不能勝任的，因?yàn)閷@種環(huán)境所需的計算機(jī)CPU時間使人無法忍受。1914-20電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.1 OKU

14、MURA-HATA（奧村）傳播模型1962年，奧村等人在東京近郊用寬范圍的頻率，幾種固定站天線高度，幾種移動臺天線高度，以及在各種各樣不規(guī)則地形和環(huán)境地物條件下測量信號強(qiáng)度，得到了一系列曲線。奧村模型在測試時是以準(zhǔn)平坦地形作為分析和描述傳播特性的基準(zhǔn)。對于不規(guī)則地形（丘陵地形、孤立山峰、傾斜地形以及水陸混合路徑）必須進(jìn)行環(huán)境修正。研究的完成已使該模式成為該領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)。但是由于該數(shù)據(jù)只能以曲線形式被使用，使用起來很不方便，因此已經(jīng)有Hata在1980年給出了滿足奧村模式的公式。2014-21電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型奧村模式的主要內(nèi)容：奧村模型的應(yīng)用范圍頻率 距離 基地

15、站天線高度 移動臺天線高度接收功率（準(zhǔn)平坦地形）路徑損耗（準(zhǔn)平坦地形）2114-22電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型自由空間路徑損耗準(zhǔn)平坦地形相對自由空間的損耗中值（10.3）2214-23電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型基地站天線偏離 時的修正因子移動站天線偏離 時的修正因子2314-24電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型環(huán)境修正不規(guī)則地形時的接收功率不規(guī)則地形時的路徑損耗 郊區(qū)和開闊地的修正系數(shù) 起伏山岳的修正系數(shù) 斜坡地形的修正系數(shù) 水陸混合地形的修正系數(shù) 孤立山峰的修正系數(shù) 山峰高度偏離的修正因子2414-25電波傳播理論第14章 移

16、動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型郊區(qū)和開闊地的修正系數(shù)起伏山岳的修正系數(shù)2514-26電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型斜坡地形的修正系數(shù) 水陸混合地形的修正系數(shù)2614-27電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型孤立山峰的修正系數(shù) 以及山峰高度偏離的修正因子2714-28電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型城市地區(qū)、450MHz頻段的中值場強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線2814-29電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型城市地區(qū)、900MHz頻段的中值場強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線2914-30電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型中值場強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式M.

17、 Hata在1980年對Okumura的這些實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了數(shù)值模擬基本傳輸損耗（傳播損耗）中值（50時間和50地點(diǎn)的損耗 ）移動臺天線高度影響的修正項 距離修正因子（由我國學(xué)者張明高院士引入） （14.1）（14.3）（14.3）3014-31電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.2 ITU傳播模型ITU傳播模型是經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計預(yù)測模型，主要用于點(diǎn)對面的傳播預(yù)測，特別是移動通信的場強(qiáng)、干擾和覆蓋預(yù)測。適用于業(yè)務(wù)有GSM900移動業(yè)務(wù)，GSM1800移動業(yè)務(wù)，CDMA移動業(yè)務(wù)，3G移動業(yè)務(wù)，無線尋呼業(yè)務(wù)，無線市話業(yè)務(wù)以及無線對講業(yè)務(wù)等等。ITU傳播模型模型最早來自于Hata的經(jīng)驗(yàn)公

18、式。后又經(jīng)美國、英國等其他作者的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，CCIR（國際無線電咨詢委員會）和ITU-R使用全球廣泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并綜合了國際上公認(rèn)的可靠研究成果對此模型進(jìn)行了許多改進(jìn)，形成了適用范圍更廣泛、更加成熟的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并推薦此模型作為移動通信場強(qiáng)預(yù)測的優(yōu)選模型。在眾多的移動場強(qiáng)預(yù)測模型中，ITU-Okumura-Hata模型是最準(zhǔn)確的，1994年該模型被列為中國國家標(biāo)準(zhǔn)。3114-32電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型ITU模型基本傳輸損耗（傳播損耗）中值其中（14.7）（14.8）3214-33電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型建筑物密度修正指數(shù) 建筑物密度 距離

19、修正指數(shù)移動臺天線高度修正項（14.9）（14.10）（14.11）3314-34電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型中值場強(qiáng)表示式本模型的適用范圍：頻率 距離 基地站天線高度 移動臺天線高度準(zhǔn)平坦地形上面的公式在使用時要注意各物理量的單位。（14.12）3414-35電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.3 COST 231模型在VHF/UHF頻段的移動通信中，當(dāng)基站的覆蓋范圍小于1公里時，應(yīng)該使用COST 231模型。COST 231模型，是為了配合公共移動通信GSM標(biāo)準(zhǔn)的推出，歐洲科技合作委員會（COST）的電波傳播專家專門研制的傳播模型。COST 231

20、模型是半經(jīng)驗(yàn)半理論的傳播模型，經(jīng)過了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，理論上主要借用了Walfisch與Ikegami的研究成果和OKUMURA-HATA（奧村）傳播模型。COST 231模型根據(jù)使用的頻段不同可以分為兩種：COST 231Walfisch/Ikegami模型：COST 231HATA模型（14.4 ）：3514-36電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.3.1 模型基本參數(shù)的定義COST 231Walfisch/Ikegami模型的基本參數(shù)：基站天線高度 移動臺天線高度屋頂相對于地面的平均高度建筑物之間的距離 街道寬度頻率 傳播路徑距離傳播路徑與街道之間的夾角樓層數(shù) 地形

21、粗糙度被超過的地點(diǎn)百分?jǐn)?shù)被超過的時間百分?jǐn)?shù)3614-37電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型如果建筑物和道路數(shù)據(jù)不詳，則可以采用以下默認(rèn)值：視距與非視距的定量區(qū)分非視距視距 3714-38電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.3.2 視距情況的基本傳輸損耗視距情況的基本傳輸損耗:在城市環(huán)境條件下，視距傳播并不是自由空間傳播。當(dāng)電路距離很短時，視距傳播很接近于自由空間傳播。14.3.3 非視距情況的基本傳輸損耗非視距情況的基本傳輸損耗:自由空間損耗連排房屋建筑引起的多重障礙屏繞射損耗從屋頂?shù)浇值赖睦@射損耗（14.17）（14.18）3814-39電波傳播理論第14

22、章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.3.4 適用條件COST 231Walfisch/Ikegami模型的適用條件:頻率 ：8001800 MHz距離d ：0.15 km基站天線高度 ：450 m移動臺天線高度 ：13 m地形 ：準(zhǔn)平坦地形。3914-40電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.3.5 各項參數(shù)的影響本節(jié)給出的數(shù)值計算的結(jié)果，可以使我們對城市環(huán)境條件下，點(diǎn)對面的電波傳播情況以及各項因素對場強(qiáng)的影響有一個定量的認(rèn)識。房屋間隔的影響街道寬度的影響屋頂與移動臺天線高差的影響街道走向的影響基站天線與屋頂高差的影響（當(dāng) 時）基站天線與屋頂高差的影響（當(dāng) 時）頻率的影響距

23、離的影響4014-41電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.3.6 試算數(shù)據(jù)與結(jié)果設(shè)定以下參數(shù)：試算結(jié)果如表14.9所示。當(dāng)天線高度達(dá)到35米時接收點(diǎn)的場強(qiáng)就達(dá)到GSM移動通信吸引所要求的門限值，32 dBv/m。由該表還可以看出，繞射損耗項大到幾乎可以和自由空間損耗相比擬。4114-42電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型14.4 COST 231HATA模型COST 231研究計劃在Okumura測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對較高頻段的傳播實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析模擬，得到COST 231HATA模型的公式：（14.30）（14.31）（14.32）4214-43電波傳播理論第14章 移動通信傳播損耗統(tǒng)計預(yù)測模型COST 231HATA模型的適用條件:這個模型限用于大蜂窩和小蜂窩結(jié)構(gòu)的移動通信系統(tǒng)，即當(dāng)基站天線高度高于