第二章 移动通信信道(三)

2.5.3、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。
LM 69.55 26.16lg( f ) 13.82lg(hb ) a(hm ) 44.9 6.55lg(hb ) lg(d )
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15 m）
1、Clarke信道模型

公式推导
v
z轴

基本理论
多普勒频移：f n
y轴 在x-y平面

cos n
到达移动台的垂直极化波存在E 场强分量：
Ez E0 Cn cos(2f ct n )
n 1 N

MS
x轴
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 2f t
LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)
• 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。
2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗
LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)-ks-kh-kA-kis


2.5.2 Okumura 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。
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 N 示为 h(t ) ai exp( ji ) (t i )
时延扩展在100~1800ns
L 40 （1－4 10- 2h b lg d (18lg hb ) 21lg fc 80 ） dB

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
2.6、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
2.5.6 IMT-2000模型

室内办公环境模型

L 37 30lg d 18.3[( F 2)/( F 1)0.46]
(dB)
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

L 40lg d 30lg fc 49
(dB)
特点是小区小，反射功率低
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。
2.5.1 地形环境分类
1、地形特征定义

（1）地形波动高度 h
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
基站天线

10％ 90% 10km

n依赖于周围环境和建筑物类型，X为正态随机变量。
d ) X d0
考虑建筑物类型影响以及阻挡物的影响，预测偏差小。
PL(d )[dB] PL(d 0 )[dB] 10nSF log( d ) FAF[dB] d0


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。
n n n
1、Clarke信道模型

基本理论 公式推导
E场可用同相和正交分量表示：
Ez Tc (t ) cos(2f c t ) Ts (t ) sin(2f c t )
其中
Tc (t ) E0 Cn cos(2f nt n ) Ts (t ) E0 Cn sin(2f nt n )

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。
第2章 移动信道
现代移动通信
BSS
MS Um OMC-R 操作维护中心 BTS 基站 BTS 收发信机 BTS基站 收发信机 基站 收发信机
MS
BSC 基站 控制器
A接口
MSC 移动交换中心
MS
Abis
第2章 移动信道
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
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
2.5 电波传播损耗预测模型
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。
LM 46.3 33.9lg( f ) 13.82lg(hb ) a(hm ) 44.9 6.55lg(hb ) lg(d ) CM
CM 0dB
CM 3dB
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－－Smaller distances 环境变动大－－Greater environment variability 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
高 度
平均地面高度
h
hb
0
1km
3km
距基站的距离 （km ）
15km
2.5.1 地形环境分类
1、地形特ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
基站天线 平均地面高度
决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类型和窗口数量。

分隔损耗：楼层之间


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：
PL(dB) PL(d 0 ) 1 n log(


衰减因子模型
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

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。
i 1
输入信号 瑞利衰落 仿真器 s(t)
a
1
1
… N
瑞利衰落 仿真器
a2
…
瑞利衰落 仿真器
aN

本章小结
1、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


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－－Highly material dependent 分为软分隔和硬分隔－－Hard versus soft partitions
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。
2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗
PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld 例3.8 某移动通信工作频率为450 MHz，基站天线 高度为50 m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3 m，天线增益为0 dB；在市区工作，传播路径为准平 坦地形，通信距离为10 km。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。
10％ 90% 10km
高 度
h
hb
0
1km
3km
距基站的距离 （km ）
15km
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。

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800 MHz，移动 台天线高度为2 m，通信距离为15 km，求大城市地区的中 值路径损耗。
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。
n 1 n 1 N
N
接收的E场的包络为：
E z (t ) T 2 c (t ) T 2 s (t ) r (t )
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
2、Jakes仿真模型

Jakes仿真模型：
性
本章小结
4、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
5 6 阴影衰落的基本特性 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 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
1、准平坦地形大城市
LM（dB）=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb, d) -Hm(hm,f)

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。
1、准平坦地形大城市
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

小尺度传播特性

对移动信道 有一个全面 深入的理解

第2章 移动信道
本次课教学目的：


1、了解阴影衰落的基本特性 2、了解大尺度路径损耗的计算方法
3、了解多径衰落信道的建模与仿真