第05讲_小尺度衰落与多径效应(1).

述
小尺度衰落，简称衰落，是指无线电信号经 过短时间或短距离传播后其幅度、相位（多 径时延）的快速波动。
多径效应


移动信道的多径传播造成了小尺度衰落效应 衰落是同一传输信号沿两个或多个路径传播， 以微小的时间差到达接收机时 ，信号之间 相互干涉引起的。这些波称为多径波。 三个主要效应


经过短距或短时传播后，信号强度急速变化； 在不同多径信号上，存在多普勒频移引起的随 机频率调制； 多径传播时延引起的时延扩展。

将Hata模型的应用范围扩大到2GHz
(44.9 6.55log ht ) log d CM
L50 (urban） 43.6 33.9log f c 13.82log ht a(hr )
0dB；中等城市或郊区 CM 3dB；市中心
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其它室外模型
三种分集方法

频率分集，Frequency Diversity 时间分集，Time Diversity 空间分集，Space Diversity


发送/接收分集，Transmit/Receive Diversity, 极化分集Polarization Diversity
分集合并方法


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建筑物的穿透损耗

影响因素：

建筑物高度 工作频率 基站天线高度 f↑→损耗↓ 层高的影响：


结论：


其它影响因素：有无窗口（差6dB）、窗体占墙面 的百分比、窗体材料等。
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Walker测试:1～15层：每层减少1.9dB，15层以上递增； Tutkmani测试1～9层：每层减少2dB，9层以上递增；
中值损耗A（f,d)(dB)
50
d / km
10 100 200 300 500 700 1000 2000 3000 频率f（MHz）
Okumura模型的应用

计算自由空间的路径损耗 由Okumura曲线查基本中值损耗 计算或查表得到天线高度增益因子
hte G(hte ) 20log 30m hte 1000m 200




基本中值 Amu(f, d) 与频 率、距离的关系曲线 基准天线高度：基站为 200m，移动台天线高 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 中值都将增加
wenku.baidu.com中等起伏地形上传播损耗的 中值
70 市区 hb ＝ 200 m hm ＝ 3 m 60 d / km 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 3 2 1 100 90 80 70 60 40 50 40 30 30 20 10 20 5 3 2 1
常用传播模型



Longley-Rice Model Durkin’s Model Okumura Model Hata Model PCS extension to Hata Model Walfisch and Bertoni Model Wideband PCS Microcell Model

最大比合并，MRC ( Maximum Ratio Combining) 等增益合并，EGC (Equal Gain Combining) 选择合并，Selection Combining
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卫星中继信道
是无线电接力信道的一种特殊形式，由通信卫星、 地球站、上行线路及下行线路组成。

主要特点：



卫星与地球站之间的电波传播路径大部分在大气 层以外的空间，其传播损耗可近似按自由空间作 估算。 传播距离远，损耗较大，时延较大。 地球站至卫星的仰角较大，不易受地面反射的影 响，缓解了多径效应引起的快衰落。地球站附近 的高大建筑物造成的阴影效应仍会引起慢衰落。 工作频率超过 1GHz 时，因雨雪等原因将产生附 加的传输损耗。
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建筑物的穿透损耗


无论哪种通信系统只要无线电波要穿过墙 壁或楼板才能通信时，就必须存在电波的 穿透损耗，即建筑物的穿透损耗。 人们对电波由建筑物外部进入室内的穿透 损耗进行了大量的测试和研究。通常规定 ，用建筑物附近道路中央的场强与在室内 不同楼层中测得的场强之差表示此穿透损 耗。
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卫星中继信道

卫星中继信道优越性


传输距离远 覆盖地域宽 传输特性较稳定
这些特性对于建立覆盖全球的移动通信网 来说有很大吸引力。因此人们对低轨道卫星通 信系统产生浓厚的兴趣。
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小尺度衰落与多径效应

小尺度衰落的类型 小尺度衰落的模型
概

三种弥散

时间弥散，Time dispersion 频率弥散，Frequency dispersion 角度弥散，Angular dispersion
三种选择性衰落

频率选择性衰落，Frequency selective fading 时间选择性衰落，Time selective fading 空间选择性衰落，Space selective fading
天线高度增益因子 街道走向修正曲线 郊区修正因子 开阔地、 准开阔地修正因子 丘陵地的修正因子 孤立山岳修正因子 斜坡地形修正因子 水陆混合路径修正因子
Okumura 模型的特点与不足





Okumura 模型对地形、地物进行分类，使用完全客 观的实验数据使其能在相应的环境下获得较准确的 预测，因此得到广泛的应用。 完全基于测试数据，不提供任何分析解释。 许多情况通过外推曲线来获得测试范围以外的值， 尽管这种外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑 性。 模型本身也有不足，如对地形的定性划分不可避免 地导致对通信环境的主观判断。 对城区和郊区快速变化的反应较慢。
hre hre 3m 10 log 3 G (hre ) 20 log hre 3m h 10mm re 3
Okumura模型的应用

查表得到环境（地形、地貌）修正因子 修正因子的种类

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Hata模型


Hata模型是针对Okumura图表给出的路径 损耗的经验公式，适用于150~1500 MHz频 率范围。 市区路径损耗标准公式
L50 (urban)(dB) 69.55 26.16log f c 13.82log hte a(hre ) (44.9 6.55log hte ) log d
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航空移动信道的特点


对于航空移动信道来说，电波在空间传播 与在海上传播相似，且还优于在海上传播 。因而在同样条件下，通信距离较远。 空中传播的信号场强会随气象条件的变化 而变化。由于飞机的飞行速度很快，信号 场强将随时间和空间位臵的变化而急剧变 化，并造成场强中值的快速变化。
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L50 (dB) LF Amu ( f , d ) G(hte ) G(hre ) Garea



LF：自由空间传输损耗 L fs dB 32.44 20lgd 20lg f Amu：相对于自由空间的基本中值损耗，中 等起伏地形传播损耗的中值。 G(hte)：基站天线高度增益因子 G(hre)：移动台天线高度增益因子 Garea：环境类型（地形、地物）增益
Okumura模型



使用最广泛的城区信号中值损耗预测模型 适应范围 150MHz~1920MHz，可扩展到3000Mhz 距离1km~100km 基站天线高度30m~1000m
L50 (dB) LF Amu ( f , d ) G(hte ) G(hre ) Garea
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Ericcson多重断点模型
衰减因子模型

nSF同层路径损耗指数，FAF不同层附加损耗
PL(d ) PL (d 0) 10nMF
d PL(d ) PL (d 0) 10nSF log( ) FAF d0
d log( ) d0


nMF表示基于测量的多楼层路径损耗指数 n可以通过查表获得
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其它移动通信信道

背景 随着移动通信业务的发展，移动通信的服务范围也日 益扩大。 在陆地、海上和空中都获得了广泛应用，正逐步由室 外扩展到室内(如办分室、住宅、车间、商场等) 从地上扩展到地下（如地铁、坑道、隧道、矿井等） 从中小城市扩展到边远地区（如矿山、林区、沙漠、 草原等） 要在不同环境中实现移动通信，首先必须了解无线电 波在该环境中的传播方式和传播特性。
Longley-Rice 模型




用地形地貌的路径几何学（主要是双线地面反射 模型）预测地平线以内的信号场强。 用Fresnel-Kirchoff刃形模型估计孤立障碍物的绕射 损耗。 用前向散射理论预测长距离对流层散射损耗 用改进的Van der Pol-Bremmer方法预测双地平线 路径的远地绕射损耗。 适用范围：点对点通信系统，40MHz~100GHz 缺点：没有提供接收环境（建筑物、树叶等）因 素的修正，没有考虑多径传播的影响 改进与修正（城区因子）：接收天线区域的杂波 引起的损耗

a(hre)是移动台的有效天线高度的修正因子 d的单位Km
移动台的有效天线高度的修正因子
中小城市 a(hre ) (1.1log fc 0.7)hre (1.56log fc 0.8)dB 大城市 8.29(log1.54hre )2 1.1dB fc 300MHz a(hre ) 2 3.2(log11.75 h ) 4.97dB fc 300MHz re
Durkin 模型



类似Longly-Rice模型，可用于不规则地形 的场强预测。 优点：利用数字地形图可以计算特定位臵 的传播特性，精度可在几个dB。 缺点：不能充分预测建筑物、树叶以及其 他人为建筑对传播的影响。同样也没有考 虑多径的影响。
2维栅格数据
地形数据的表征
视距传播的算法
多峰绕射的算法
限定空间中的电波传播



限定空间是指无线电不能穿透的场所。在 限定空间中，因为电波的传播损耗很大， 因而通信距离很短。 在限定空间内，为了增加通信距离，常用 导波线传输方式。 常见的导波线有两种：平行双导线和泄漏 同轴电缆。
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海上移动信道的特点


海上移动通信一般是指路上基站与船、舰 之间的通信，其电波传播路径几乎都是海 面，传播条件优于陆地。 当传播路径上没有岛屿等障碍物时，传播 损耗可按平滑球面大地的传播理论进行分 析。

Walfish和Bertoni模型

考虑了屋顶和建筑物高度的影响。

宽带PCS微蜂窝模型

LOS环境，地面反射双线模型最佳 OBS环境，简化的对数距离路径损耗模型最佳
室内传播模型
随着PCS系统的使用，室内无线传播情况受到人们的 重视。 主要特点：(机理同室外：直射、反射、绕射和散射） 覆盖距离小，远场条件难以满足； 环境变动大，如：开关门、物品布局、人员走动等 。 考虑因素： 分隔损耗：同楼层、不同楼层的隔墙材料、类型。 建筑物外部面积/材料、建筑物类型、窗口大小/数 量。
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室内传播模型

对数距离路径损耗模型
n依赖于周围环境和建筑物类型，Xσ标准差为σ 的正态随机变量。n，σ可查表得到。

d PL( dB) PL( d0 ) 10n log( ) X d0
Ericcson多重断点模型
适用于多层办公室建筑。模型假定参考距离处 的衰减为30dB，频率为900Mhz。

郊区与农村的路径损耗

郊区路径损耗
L50 (dB) L50 (urban) 2 log fc / 28 5.4
2

农村路径损耗
L50 (dB) L50 (urban) 4.78 log fc 18.33log fc 40.94
2
Hata模型的PCS扩展