第2讲-大尺度衰落信道

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第2章 无线信道
赵军辉
无线通信与移动计算实验室 知行大厦412，junhuizhao@bjtu.edu.cn 资料邮箱：bjtuwireless@163.com
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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
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。
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
HATA模型
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)2-4.97
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：30～100m
Okumura模型
PL：
Okumura模型
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。
Fast
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Very slow
d=vt
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
大尺度路径损耗 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、COST 231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。
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。
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
COST231- Walfish-Ikegami模型
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+Lmds Lrts = 从屋顶到街面的衍射和散射损耗 Lmds= 多遮蔽物衍射损耗
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)＞0 dB；反之，当hm＜ 3m时，Hm(hm, f)＜0 dB。 当移动台天线高度大于5 m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3 dB。
HATA模型
频率 基站高度 移动台高度 900MHz 50 m 1.5 m
COST 231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
rn
n d 1d 2 d1 d 2
概述（6）
概述（7）
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（8）
示意图
Slow
Pr/Pt
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）
shadowing
reflection
refraction
scatteri ng
diffraction
概述（5）
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：
COST 231模型
路径损耗公式： L (dB)=46.3+33.9logf-13.82log(hb)+ [44.96.55log(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- Walfish-Ikegami模型
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
15
/20
路径损耗和路径增益 Path loss:
Path gain:
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：
4 2 d 2 PL(dB) 10 log 2 GG t r
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
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。
概述（2） 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。
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
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 0.07 H 式中， H的单位为m。
HATA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 +9.17logf23.17 乡村（开放）： L(dB)=L(市区)－4.78(logf)2 +18.33logf-40.94
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10 km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。
射线跟踪技术 在射线跟踪（Ray Tracing）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。
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。