移動通信信道模型教學(xué)文稿

移動(yídòng)通信---第三課移動通信(tōngxìn)信道模型第一頁，共53頁。移動信道(xìndào)分析的研究目標(biāo)移動通信信道是多徑衰落信道。模擬信號：SNR信道特性：以信號在自由空間傳播損耗、衰落深度(shēndù)、衰落次數(shù)和衰落持續(xù)時間等參數(shù)表示。數(shù)字信號：SNR+誤碼率多徑衰落→突發(fā)性誤碼；多徑時延擴(kuò)展→嚴(yán)重的碼間串?dāng)_。第二頁，共53頁。移動信道(xìndào)分析的方法理論分析(fēnxī)場強(qiáng)實(shí)測統(tǒng)計(jì)計(jì)算機(jī)仿真第三頁，共53頁。研究多徑衰落(shuāiluò)的模型尺度(chǐdù)不同：大尺度(chǐdù)（數(shù)米范圍內(nèi)的平均值）小尺度(chǐdù)（在波長量級范圍內(nèi)的測量值）環(huán)境特征不同：室外、室內(nèi)、陸地、海洋、空間、等等。應(yīng)用區(qū)域不同：宏蜂窩（2km）、微蜂窩（500m）、微微蜂窩。第四頁，共53頁。大尺度傳播(chuánbō)模型大尺度模型預(yù)測距離>>λ的電波傳播(chuánbō)行為：距離和主要環(huán)境特征的函數(shù)，粗略地認(rèn)為與頻率無關(guān)；當(dāng)距離減小到一定程度時，模型就不成立了；用于無線系統(tǒng)覆蓋和粗略的容量規(guī)劃建模。第五頁，共53頁。小尺度傳播(chuánbō)模型小尺度模型描述(miáoshù)信號在λ尺度內(nèi)的變化：多徑效應(yīng)（相位抵消）為主，路徑損耗（大尺度）可認(rèn)為是常數(shù)；與載波頻率和信號帶寬有關(guān)；著眼于“衰落”建模：在短距離或數(shù)個波長范圍內(nèi)信號快速變化。第六頁，共53頁。陸地移動通信(tōngxìn)的場強(qiáng)估算對數(shù)距離路徑損耗模型路徑損耗實(shí)驗(yàn)圖表計(jì)算(jìsuàn)法室外傳播模型室內(nèi)傳播模型第七頁，共53頁。對數(shù)距離(jùlí)路徑損耗模型對數(shù)距離(jùlí)路徑損耗模型：在遠(yuǎn)場選擇d0測量PL(d0)或計(jì)算自由空間損耗測量并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到n第八頁，共53頁。不同環(huán)境(huánjìng)下路徑損耗指數(shù)n第九頁，共53頁。對數(shù)(duìshù)陰影模型當(dāng)障礙物阻擋收發(fā)信機(jī)間的LOS時發(fā)生陰影。可用一簡單的統(tǒng)計(jì)(tǒngjì)模型說明不可預(yù)測的“陰影”。在對數(shù)距離PL公式中，增加一個0-均值高斯隨機(jī)變量：式中：Xσ為一零均值高斯隨機(jī)變量（dB）σ和n根據(jù)測量數(shù)據(jù)，基于線性遞歸法使測量值與估計(jì)值的均方誤差最小計(jì)算得到。第十頁，共53頁。大尺度模型(móxíng)——室外模型(móxíng)Okumura模型(móxíng)（奧村模型(móxíng)）Hata模型(móxíng)Walfisch-Ikegami模型(móxíng)第十一頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)預(yù)測城區(qū)信號時使用(shǐyòng)最廣泛的模型，在日本已經(jīng)成為系統(tǒng)規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)。適用頻率范圍150MHz-3GHz，距離1－100km，天線高度30－1000m。由奧村等人，在日本東京，使用(shǐyòng)不同的頻率，不同的天線高度，選擇不同的距離進(jìn)行一系列測試，最后繪成經(jīng)驗(yàn)曲線構(gòu)成的模型。第十二頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)在城市街道地區(qū)，電波傳播損耗取決于傳播距離d、工作頻率f、基地站天線有效高度hb、移動臺天線高度hm以及(yǐjí)街道的走向和寬度等。第十三頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)準(zhǔn)平滑地形，市區(qū)的傳播衰耗(shuāihào)中值又稱其為基本衰耗(shuāihào)中值。OM模型中，給出了準(zhǔn)平滑地形，市區(qū)傳播衰耗(shuāihào)中值的預(yù)測曲線族。第十四頁，共53頁。例1：當(dāng)d=10km，hb=200m,hm=3m,f=900MHz,計(jì)算市區(qū)準(zhǔn)平滑地形(dìxíng)的傳播損耗中值。Okumura模型(móxíng)自由空間損耗：查表求市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的傳播損耗中值為：第十五頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)若基地(jīdì)站天線有效高度不是200m，可利用圖表查出修正因子G(hb)對基本衰耗中值加以修正，稱為基站天線高度的增加因子第十六頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)若移動臺天線高度(gāodù)不等于3m時，可利用圖表查出修正因子G(hm)對基本衰耗中值進(jìn)行修正，稱為移動臺天線高度(gāodù)的增益因子。第十七頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)天線有效高度：天線頂點(diǎn)(dǐngdiǎn)的海拔高度與天線周圍3km-15km之內(nèi)的地面平均海拔高度之差。第十八頁，共53頁。例2.在例1中，若將基站天線高度改為hb=50m，移動(yídòng)臺天線高度改為hm=1m，利用上面的圖對路徑傳播損耗中值進(jìn)行修正。Okumura模型(móxíng)基站天線高度增益因子：移動臺天線高度增益因子：修正后的路徑損耗中值：第十九頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)按地物的密集程度分：開闊地環(huán)境郊區(qū)(jiāoqū)環(huán)境中小城市環(huán)境大城市環(huán)境隧道區(qū)Okumura模型(móxíng)還有地形修正因子KT。按地形的起伏高度為：第二十頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)將城市視為“準(zhǔn)平滑地形”，給出城市場強(qiáng)中值。對于郊區(qū)，開闊區(qū)的場強(qiáng)中值，則以城市場強(qiáng)中值為基礎(chǔ)進(jìn)行修正。對于“不規(guī)則地形”也給出了相應(yīng)的修正因子(yīnzǐ)。該模型給出的修正因子(yīnzǐ)較多，可以在掌握詳細(xì)地形、地物的情況下，得到更加準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。第二十一頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)郊區(qū)(jiāoqū)修正因子開闊地、準(zhǔn)開闊地修正(xiūzhèng)因子第二十二頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)丘陵修正(xiūzhèng)因子丘陵微小修正因子(yīnzǐ)（頂部、谷部）第二十三頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)第二十四頁，共53頁。任意地形的信號(xìnhào)中值預(yù)測計(jì)算自由空間的傳播損耗：計(jì)算市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的信號(xìnhào)中值：計(jì)算任意地形地物情況下的信號(xìnhào)中值：Okumura模型(móxíng)第二十五頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)例：某一移動(yídòng)電話系統(tǒng)，工作頻率為450MHz，基站天線高度為70m，移動(yídòng)臺天線高度為1.5m，在郊區(qū)工作，傳播路徑為正斜坡，且角度為15mrad，通信距離為20km，求傳播路徑的損耗中值。第二十六頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)其他因素(yīnsù)的影響：街道走向：橫向、縱向建筑物的穿透損耗：材料、結(jié)構(gòu)、層數(shù)（0-30dB）植被損耗：垂直極化、水平極化隧道中的衰減：泄漏電纜第二十七頁，共53頁。Okumura模型(móxíng)Okumura模型完全基于測試數(shù)據(jù)，不提供任何分析(fēnxī)解釋。它為成熟的蜂窩和陸地移動無線系統(tǒng)路徑損耗預(yù)測提供最簡單和精確的解決方案。該模型預(yù)測和測試的路徑損耗偏差為10dB到14dB第二十八頁，共53頁。Hata模型(móxíng)Okumura-Hata模型(móxíng)（150MHz-1.5GHz）Cost231-Hata模型(móxíng)（1.5GHz-2GHz）第二十九頁，共53頁。Okumura-Hata模型(móxíng)適用頻率范圍150MHz-1.5GHz傳播距離在1~20km的城市場強(qiáng)預(yù)測。根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗(yàn)公式，以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，并對其它地區(qū)進(jìn)行修正。市區(qū)路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式。在1km以上的情況下，預(yù)測結(jié)果和Okumura模型非常接近。缺點(diǎn)：適用于大區(qū)制移動系統(tǒng)，不適(bùshì)用于小區(qū)半徑為1km的個人通信系統(tǒng)。第三十頁，共53頁。Okumura-Hata模型(móxíng)第三十一頁，共53頁。Cost-231Hata模型(móxíng)Euro-COST組開發(fā)。(Co-OperationinthefieldofScientificandTechnicalresearch)應(yīng)用(yìngyòng)頻率1500~2000MHz，小區(qū)半徑大于1km的宏蜂窩，基站天線高度30~200m，移動臺天線高度1~10m與Okumura-Hata模型的主要區(qū)別在于頻率衰減系數(shù)不同增加了大城市中心衰減(路徑損耗增加c=3dB)第三十二頁，共53頁。Hata模型(móxíng)修正的Hata

模型和Okumura

曲線(qūxiàn)的誤差大約在3

dB

內(nèi)第三十三頁，共53頁。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)Euro-COST組開發(fā)考慮了屋頂(wūdǐnɡ)和建筑物高度的影響，適合高樓林立地區(qū)的中到大型蜂窩的場強(qiáng)確定應(yīng)用頻率800~2000MHz，路徑長度0.02~5km，基站天線高度4~50m，移動臺天線高度1~3m首先在歐洲用于GSM建模第三十四頁，共53頁。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)Hata模型適用于大區(qū)(dàqū)制或宏蜂窩系統(tǒng)，基站天線高于屋頂，因此路徑損耗主要由移動臺附近的屋頂繞射和散射波決定。Walfisch模型適用于大城市中到大型蜂窩系統(tǒng)，基站天線低于屋頂，電波傳輸由其周圍建筑物的繞射和散射決定，在街道峽谷中進(jìn)行。第三十五頁，共53頁。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)視距傳播情況：非視距傳輸情況：：自由空間損耗：樓頂?shù)浇值赖睦@射和散射(sǎnshè)損耗：多重屏障的繞射損耗第三十六頁，共53頁。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)自由空間損耗(sǔnhào)：式中單位，d為Km，fc為MHz第三十七頁，共53頁。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)樓頂至街道的繞射及散射損耗(sǔnhào)：式中：W＝b/2為街道寬度，單位m；Δhm＝hr－h(huán)m；hr為環(huán)境建筑物高度φ為與街道相關(guān)的入射角。第三十八頁，共53頁。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)第三十九頁，共53頁。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)多重屏障的繞射損耗：b＝20～50m，為沿?zé)o線路徑的建筑物之間的距離。Δhb＝hb－h(huán)r；hr為環(huán)境(huánjìng)建筑物高度。Lbsh和ka都會增加較低的基站天線時的路徑損耗：第四十頁，共53頁。Walfisch-Ikegami模型(móxíng)f=1800MHz的傳輸(chuánshū)損耗：平均誤差在范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為5–7dB。第四十一頁，共53頁。室外模型(móxíng)的使用Hata模型、COST-231-Walfisch-Ikegami模型等適用范圍不同，計(jì)算路徑損耗的方法和需要的參數(shù)也不相同在使用時，應(yīng)根據(jù)不同預(yù)測點(diǎn)的位置、地形地物特征、建筑物高度和分布密度等因素(yīnsù)選取適當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ腿绻麄鞑ツＰ瓦x取不當(dāng)，使用不合理，將影響路徑損耗預(yù)測的準(zhǔn)確性，并影響鏈路預(yù)算、干擾計(jì)算、覆蓋分析和容量分析等第四十二頁，共53頁。作業(yè)(zuòyè)假定f=800MHz,hm=1.5m,hb=30m,hroof=30m,平頂建筑，=90，=15m。試比較(bǐjiào)Walfish模型和Hata模型的預(yù)測結(jié)果（要求：用matlab仿真軟件計(jì)算并畫圖，設(shè)收發(fā)距離為1km~5km，步長為200m)。第四十三頁，共53頁?；仡?huígù)多普勒效應(yīng)三種衰落(shuāiluò)室外模型第四十四頁，共53頁。大尺度模型(móxíng)——室內(nèi)模型(móxíng)室內(nèi)模型的特點(diǎn)和建模方法室內(nèi)對數(shù)(duìshù)距離損耗模型多重?cái)帱c(diǎn)損耗模型多樓層損耗模型JTC模型第四十五頁，共53頁。室內(nèi)傳播(chuánbō)特點(diǎn)覆蓋距離(jùlí)更小,環(huán)境變化更大不受氣候因素的影響，但受建筑物的結(jié)構(gòu)布局以及材料的影響天線安裝位置等對室內(nèi)信號場強(qiáng)都有影響更“混亂”，散射波更多，LOS更少。主要分為視距（LOS）和阻擋（OBS）兩種。室內(nèi)模型研究較少，是移動無線信道新的研究領(lǐng)域。第四十六頁，共53頁。室內(nèi)(shìnèi)建模技術(shù)和方法對于走廊LOS傳播，為n<2的對數(shù)正態(tài)模型；若無LOS，則為對數(shù)正態(tài)陰影模型隔墻(ɡéqiánɡ)和地板衰減因子；計(jì)算精度取決于建筑物的3-D模型和材料衰減因子。第四十七頁，共53頁。室內(nèi)對數(shù)(duìshù)距離損耗模型對數(shù)距離路徑損耗(sǔnhào)模型：其中，n依賴于周圍環(huán)境和建筑物類型，