02移动信道-3

第2章移动信道现代移动通信AbisA接口MSBSSOMC-R操作维护中心BSC基站控制器MSC移动交换中心BTS基站收发信机BTS基站收发信机BTS基站收发信机MSMSUm通过本章学习，着重解决以下问题：大尺度传播特性大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之间(T-R)长距离(几百米或几千米)上的场强变化小尺度传播特性小尺度传播模型:描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内的接收场强的快速波动的传播模型统计特性主要参数建模与仿真第2章移动信道对移动信道有一个全面深入的理解本次课教学目的：1、了解阴影衰落的基本特性2、掌握大尺度路径损耗的计算方法3、理解多径衰落信道的建模与仿真第2章移动信道2.4阴影衰落的基本特性阴影衰落：通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）长期衰落（大尺度衰落）特点是衰落与无线电传播地形和地物的分布、高度有关BTS设计无线通信系统时，首要问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强。分析和实验相结合的方法分析——了解各因素的影响实验——找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率、天线高度之间的关系实验方法的优点——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。实验方法的不足——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。2.5电波传播损耗预测模型2.5.1地形环境分类1、地形特征定义（1）地形波动高度在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度。定义为：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hbh平均地面高度3km1km015km高度基站天线10km10％90%h距基站的距离（km）2.5.1地形环境分类1、地形特征定义（2）天线有效高度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。基站天线有效高度定义为沿电波传播方向，距基站天线3～15km的范围内平均地面高度以上的天线高度bh平均地面高度3km1km015km高度基站天线10km10％90%h距基站的距离（km）2.5.1地形环境分类2、地形分类准平坦地形和不规则地形准平坦地形是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。不规则地形是指除准平坦地形之外的其它地形。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。各类地形主要特征是地形波动高度。3传播环境分类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1～2层楼房，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。2.5.2Okumura模型Okumura模型是根据测试结果绘成经验曲线构成的模型。测试方法：使用不同频率，不同天线高度，选择不同的距离进行一系列测试。基础：中等起伏地形的市区，基站有效天线高度hb为200米，移动天线高度hm为3米的传播损耗基本中值的预测曲线,其它地形通过修正因子来修正。Okumura模型适用条件：100MHz－1500MHz；基站天线高度为30－200m，移动台天线高度1－10m，传播距离为1-10m，传播距离为1-20km。1、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。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)1、准平坦地形大城市•当基站或移动台天线高度不是基准高度时，通过修正因子Hb(hb,d)或Hm(hm,f)进行修正。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗Ks为郊区修正因子，kh为丘陵地形修正因子，kA为斜坡地形修正因子，kis为水陆混合传播路径修正因子。LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)-ks-kh-kA-kis2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗例3.8某移动通信工作频率为450MHz，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。PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld2.5.3、Hata模型Hata模型：根据Okumura模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式。1.中小城市修正因子2.大城市修正因子（建筑物平均高度超过15m）单位适用范围3.Hata模型的经验公式例题：设基站天线高度为40m，发射频率为800MHz，移动台天线高度为2m，通信距离为15km，求大城市地区的中值路径损耗。69.5526.16lg()13.82lg()()44.96.55lg()lg()MbmbLfhahhd2.5.4、扩展Hata模型欧洲科学与技术研究协会工作委员会对Hata模型进行扩展，使它适用于PCS系统，适用频率也达到2GHz。46.333.9lg()13.82lg()()44.96.55lg()lg()MbmbMLfhahhdC0MCdB3MCdB2.5.5室内传播模型室内无线信道的特别之处：覆盖距离小－－Smallerdistances环境变动大－－Greaterenvironmentvariability受建筑物的布置、材料结构和建筑物类型等因素的强烈影响机理与室外传播相同，即反射、绕射和散射，但条件不同。较小的传播距离使得天线的远场条件难以满足。室内信道分类：视距（LOS）、阻挡（OBS）室内传播模型（2）分隔损耗：同楼层主要考虑墙和家具等等－－Walls,furniture,etc与材料和频率有关－－Highlymaterialdependent分为软分隔和硬分隔－－Hardversussoftpartitions分隔损耗：楼层之间决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类型和窗口数量。损耗因子随楼层数目的减小而减小。损耗因子的增加值随随楼层数目的增加而减小。室内传播模型（3）对数距离路径损耗模型室内路径损耗遵从公式：n依赖于周围环境和建筑物类型，X为正态随机变量。衰减因子模型考虑建筑物类型影响以及阻挡物的影响，预测偏差小。nSF为同层测试的指数值。不同层的路径损耗可通过附加值FAF值获得。XddndPLdBPL)log(1)()(00][)log(10])[(])[(00dBFAFddndBdPLdBdPLSF2.5.6IMT-2000模型室内办公环境模型特点是小区小，反射功率低时延扩展在35~460ns室外到室内徒步环境特点是小区小，反射功率低时延扩展在100~1800ns车载环境特点是小区较大，反射功率较高时延扩展在0.4~12ms[(2)/(1)0.46]3730lg18.3(dB)FFLd40lg30lg49(dB)cLdf40lg(18lg)21lg80dBcLdf-2bb（1－410h）h2.6、多径衰落的建模和仿真大尺度衰落:分析信道的可用性选择载波频率越区切换移动无线网络规划小尺度衰落传输技术的选择数字接收机的设计信道建模和仿真是研究移动通信中的各种技术和网络规划的基础和关键2.6.1、平坦衰落信道的建模和仿真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：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：nnvfcos到达移动台的垂直极化波存在E场强分量：)2cos(10ncNnnztfCEEnnntf2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qn为1、Clarke信道模型x轴z轴y轴MS在x-y平面基本理论公式推导E场可用同相和正交分量表示：)2sin()()2cos()(tftTtftTEcsccz其中)2cos()(10nnNnnctfCEtT)2sin()(10nnNnnstfCEtT接收的E场的包络为：)()()()(22trtTtTtEscz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原理框图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。2.6.2、频率选择性衰落信道的建模与仿真对于频率选择性信道，可用抽头延时线模型建模。在假设抽头系数只在远大于传输数据的一个符号周期内才发生变化，即信道是慢衰落信道或准静态信道的情况下，信道的冲击响应可以表示为1()exp()()Niiiihtajt瑞利衰落仿真器瑞利衰落仿真器瑞利衰落仿真器…1N…s(t)输入信号1a2aNa1、概述原因、机制、方法、模型、分类2、VHF、UHF电波传播特性电波传播方式：直射波（自由空间、大气中的电波传播）、绕射、反射、散射3、多径传播特性小尺度衰落（多径、多普勒频移）、多径接收信号的统计特性、衰落信号幅度的特征量本章小结4、多径信道冲激响应模型5、描述多径衰落信道的主要参数时延扩展与相干带宽多普勒扩展与相干时间角度扩展与相干距离多径衰落信道的分类本章小结6阴影衰落的基本特性7电波传播损耗预测模型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2）Okumura模型1、准平坦地形大城地区中值路径损耗2、不规则载形及不同环境中的中值路径损耗3）Hata模型4）扩展Hata模型5)室内传播模型6）IMT－2000模型8多径衰落信道的建模与仿真1）平坦衰落信道的建模和仿真2）频率选择性衰落信道的建模和仿真本章小结