第2讲-大尺度衰落信道

LOGO赵军辉无线通信与移动计算实验室知行大厦412，[e-mail]资料邮箱：[e-mail]1无线信道第2章主要内容电波传播概述大尺度路径损耗阴影衰落小尺度路径损耗无线信道容量第一部分电波传播概述概述（1）移动通信信道的3个主要特点传播的开放性接收环境的复杂性（市区、郊区和农村地区）通信用户的移动性（准静态、慢速和高速）接收信号的3类损耗路径传播损耗阴影衰落引起的慢衰落损耗多径衰落引起的快衰落损耗移动通信信道中的3种电磁波传播：反射：当电磁波遇到比其波长大得多得物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射：当接收机与发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。概述（2）概述（3）4种主要效应阴影效应远近效应多径效应多普勒效应概述（4）reflectionscatteringdiffractionshadowingrefraction绕射使得无线电信号能够传播到阻挡物后面，绕射损耗可用费涅尔区解释。费涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距长度大nλ/2的连续区域。费涅尔区的半径为：2121ddddnrn概述（5）概述（6）由于不同物体间的反射、绕射和散射，产生了：大尺度路径损耗——幂定律小尺度路径损耗——瑞利分布，莱斯分布，Nakagami分布等对数正态阴影衰落——正态分布概述（7）概述（8）示意图Pr/Ptd=vtVeryslowSlowFast第二部分大尺度路径损耗大尺度路径损耗发射机与接收机之间长距离（几百米或几千米）上的场强变化，几十个甚至上百个波长尺度上的，秒级时间上的，长期统计平均的结果；决定了系统的覆盖范围只能通过增加发射功率来克服传播模型经验模型：根据大量的测量结果统计分析后导出的公式，如HATA模型、COST231模型；确定性模型：对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法，如自由空间模型；半确定性模型：基于确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的等式，如WIM模型。/2015大尺度路径损耗路径损耗和路径增益Pathloss:Pathgain:自由空间传播模型预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强适用范围：卫星通信系统和微波视距无线链路自由空间路径损耗为：2224log10)(rtGGddBPL射线跟踪技术在射线跟踪（RayTracing）技术中考虑有限个反射体，其位置和介电性质都已知。把波前（wavefront）近似为粒子，用几何方程取代Maxwell方程。两径模型：适用于少量反射体的孤立区域，如道路，一般不适用于室内环境。十径模型：由Amitay提出的城市微小区模型，尤其适用于街道和走廊。射线跟踪技术两径模型：射线跟踪技术射线跟踪技术十径模型信道的经验模型非常复杂，要用到很多知识，而且计算也非常艰难，常常得不到闭合解。因此人们根据实测结果提出了经验模型，包括城市宏小区、微小区以及室内模型。哈塔模型COST231模型COST231-Walfish-Ikegami模型奥村模型折线模型室内模型简化模型HATA模型适用范围：适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。频率f：150～1500MHz距离d：1～20km基站天线高度hb：30～200m移动台天线高度hm：1～10m路径损耗公式：市区：L(dB)=69.55+26.16logf-13.82log(hb)+[44.9-6.55log(hb)]log(d)-a(hm)•中小城市：a(hm)=(1.1logf-0.7)hm-(1.56logf-0.8)•大城市：a(hm)=3.2(log11.75hm)2-4.97HATA模型郊区：L(dB)=L(市区)-2[log(f/28)]2-5.4乡村（准开放）：L(dB)=L(市区)-[log(f/28)]2-2.39(logf)2+9.17logf-23.17乡村（开放）：L(dB)=L(市区)－4.78(logf)2+18.33logf-40.94HATA模型频率基站高度移动台高度900MHz50m1.5mHATA模型COST231模型适用范围：HATA模型的扩展，适用于宏小区，但不适用于微小区和微微小区。频率f：1500～2000MHz距离d：1～20km基站天线高度hb：30～200m移动台天线高度hm：1～10m路径损耗公式：L(dB)=46.3+33.9logf-13.82log(hb)+[44.9-6.55log(hb)]logd-a(hm)+Cm•a(hm)与HATA模型相同•Cm=0dB中等城市和郊区Cm=3dB大城市中心COST231模型COST231-Walfish-Ikegami模型适用范围：适用于宏小区和微小区，但不适用于微微小区。频率f：800～2000MHz距离d：0.02～5km基站天线高度hb：4～50m移动台天线高度hm：1～3m路径损耗公式：视距路径：L(dB)=Lfs+10.19+6logd其中，Lfs=自由空间损耗=32.45+20logd+20logf非视距路径：L(dB)=Lfs+Lrts+LmdsLrts=从屋顶到街面的衍射和散射损耗Lmds=多遮蔽物衍射损耗COST231-Walfish-Ikegami模型Okumura模型适用范围：适用于城市宏小区。频率f：150～1500MHz距离d：1～100km基站天线高度hb：30～100mOkumura模型PL：预测对象：路径损耗的中值(dB)。预测条件：频率范围：150MHz～1920MHz（高端可扩展至3000MHz）；距离范围：1～100km；基站天线高度30～1000m，移动台天线高度1～10m。Okumura模型Okumura模型的使用方法Okumura模型在自由空间路径损耗基础上，首先在天线高度给定情况下，给出了中等起伏地形、市区的路径损耗修正曲线，根据该曲线可以对路径损耗值进行修正；然后再根据实际的天线高度和地形、地物情况利用相应曲线进行进一步的修正，最终可以获得特定传播环境下的路径损耗中值。Okumura模型市区传播损耗的中值Am(f,d)在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。由电波传播理论可知，传播损耗取决于传播距离d、工作频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm等。在大量实验、统计分析的基础上，可作出传播损耗基本中值的预测曲线。下图给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f,d)与频率、距离的关系曲线。Okumura模型基准天线高度：发射天线的有效高度为200m，接收天线的有效高度为3m。曲线上读出的是基本损耗中值大于自由空间传播损耗的数值。随着频率升高和距离增大，市区传播基本损耗和中值都将增大。Okumura模型基站天线修正因子Hb(hb,d)如果基站天线的高度不是200m,则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb(hb,d)来修正。下页左图给出了不同通信距离d时，Hb(hb,d)与hb的关系。显然，当hb＞200m时，Hb(hb,d)＞0dB；反之，当hb＜200m时，Hb(hb,d)＜0dB。Okumura模型Okumura模型移动台天线修正因子Hm(hm,f)当移动台天线高度不是3m时，需用移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)加以修正，见上页右图。当hm＞3m时，Hm(hm,f)＞0dB；反之，当hm＜3m时，Hm(hm,f)＜0dB。当移动台天线高度大于5m以上时，其高度增益因子Hm(hm,f)不仅与天线高度、频率有关，而且还与环境条件有关。例如，在中小城市，因建筑物的平均高度较低，故其屏蔽作用较小，当移动台天线高度大于4m时，随天线高度增加，天线高度增益因子明显增大；若移动台天线高度在1～4m范围内，Hm(hm,f)受环境条件的影响较小，移动台天线高度增高一倍时，Hm(hm,,f)变化约为3dB。Okumura模型街道走向修正因子Kal和Kac市区的场强中值还与街道走向(相对于电波传播方向)有关。纵向路线(与电波传播方向相平行)的损耗中值Kal明显小于横向路线(与传播方向相垂直)的损耗中值Kac。这是由于沿建筑物形成的沟道有利于无线电波的传播(称沟道效应)，使得在纵向路线上的场强中值高于基准场强中值，而在横向路线上的场强中值低于基准场强中值。下页图中给出了它们相对于基准场强中值的修正曲线。Okumura模型Okumura模型郊区修正因子Kmr郊区的建筑物一般是分散、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子，记作Kmr，它与频率和距离的关系如下页图所示。由图可知，郊区场强中值大于市区场强中值。或者说，郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。Okumura模型Okumura模型开阔地、准开阔地修正因子Qo和Qr下页图给出的是开阔地、准开阔地(开阔地与郊区间的过渡区)的场强中值相对于基准场强中值的修正曲线。Qo表示开阔地修正因子,Qr表示准开阔地修正因子。显然，开阔地的传播条件优于市区、郊区及准开阔地，在相同条件下，开阔地上场强中值比市区高近25dB。为了求出郊区、开阔地及准开阔地的损耗中值，应先求出相应的市区传播损耗中值，然后再减去由图查得的相应修正因子即可。Okumura模型Okumura模型丘陵地的修正因子Kh丘陵地的地形参数用地形起伏高度Δh表征。它的定义是：自接收点向发射点延伸10km的范围内，地形起伏的90%与10%的高度差即为Δh。这一定义只适用于地形起伏达数次以上的情况，对于单纯斜坡地形将用后述的另一种方法处理。Okumura模型Okumura模型孤立山岳修正因子Kjs当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时，若求山背后的电场强度，一般从相应的自由空间场强中减去刃峰绕射损耗即可。但对天线高度较低的陆上移动台来说，还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗。由于附加损耗不易计算，故仍采用统计方法给出的修正因子Kjs曲线。下页图给出的是适用于工作频段为450~900MHz、山岳高度在110~350m范围，由实测所得的弧立山岳地形的修正因子Kjs的曲线。Okumura模型Okumura模型其中，d1是发射天线至山顶的水平距离，d2是山顶至移动台的水平距离。图中，Kjs是针对山岳高度H=200m所得到的场强中值与基准场强的差值。如果实际的山岳高度不为200m，则上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数α，计算α的经验公式为式中，H的单位为m。H07.0Okumura模型斜波地形修正因子Ksp斜坡地形系指在5~10km范围内的倾斜地形。若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角为+θm；反之为负斜坡，倾角为-θm，如下页图的下部所示。Okumura模型Okumura模型水陆混合路径修正因子KS在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，接收信号的场强往往比全是陆地时要高。为估算水陆混合路径情况下的场强中值，用水面距离dSR与全程距离d的比值作为地形参数。此外，水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有关。下图中，曲线A表示水面靠近移动台一方的修正因子，曲线B(虚线)表示水面靠近基站一方时的修正因子。在同样dSR/d情况下，水面位于移动台一方的修正因子KS较大，即信号场强中值较大。如果水面位于传播路径中间，则应取上述两条曲线的中间值。Okumura模型Okumura模型任意地形地区的传播损耗中值LA=LT-KT式中，LT为中等起伏地市区传播损耗中值：LT=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)KT为地形地物修正因子：KT=Kmr+Qo