移动通信常见电波传播损耗预测模型
合集下载
移动通信中电波传播损耗的预测模型
移动通信中 的一个基本问题就 是计算接收信号的 功率
Pr , 这是 为保证移动通信系统电磁兼容性所必须的。信号在 信道 中传输时总 是有衰减 的: 一方 面, 随 着电波传 播距离 的 增加, 由于球面波的自然扩散会引起衰减; 另 一方面, 周 围的 传播 环境包括各 种障碍物 等对电波的 吸收、散射、绕射或 反 射等作用也会使信号产生衰减。通常用传播损 耗来对电波通 过移动信道时的这种衰减特性进行度量 。
在 第二台计算机上 运行: “开始”→ “程序”→ “N or to n Gho st”→ “M ulticast Ser ver ”。在 SessionN ame 处输入多播 的 节目名 称, 这里 我们 输入 a. 然 后选 中 L oa d T o Clien; 在 Imag e 处 填 入 d: dbak. g ho; 选 择 Disk, 然 后 单 击 [ A cceptClient ] 按钮。
在移动通信的环境中, 传播损耗不仅和频率、距离有关, 还和收发天线的高度有关, 更和地形、地物有关。如何计算电 波传 播损耗, 必须在系 统设计前加 以预测, 这不仅 是模拟 蜂 窝网, 在当前更是数字蜂窝移动通信网组网规划工作中 极为 重要的组成部分。
1 自由空间传播损耗模型
无线 电波在自由 空间中的 传播是电波 传播研 究中最 基 本、最简单的一种, 它是一种理想化的电波传 播方式, 在 这种 空间中传播的电磁波不会产生反射、折射、绕 射、吸收和 散射 等现 象, 也就 是说, 电磁波的总 能量并没 有被上述 作用损 耗
摘 要: 在自由 空间电波 传播损耗模 型基础上, 基于微 小区内电 波传播新特 点, 给出 了电波传 播损耗的一 般预测 模型, 其特点是用最 小拐点距离 D 来统一反映天线高度 和系统工作频率对 电波传播损耗的影 响, 同时对 电波在传播过 程中经过的不同环境, 分别用不同的路径衰减指数 n 来反映。
移动通信电波传播及传播预测模型
xi c
exp(
j2fct)
Rer(t) exp( j2fct)
式中，r(t)为接收信号包络的复数形式。即
r(t)
i
ai
exp( j2
xi )s(t
xi ) c
i
ai exp( j2 i )s(t i )
(↑添上fc)
式中 i
xi c
为时延。
r(t)实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时延都不同的
第15页/共22页
第二章 移动通信电波传播及传播预测模型
第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播
如果令
i 2fc i 2fmt cosi c i D,it
则可得
r(t) ais(t i )e ji (t) s(t) * h(t, )
i
式中，s(t)为复基带传输信号，h(t, )为信道的冲击响应，符号*表示卷积。
一样，就会产生失真。对于数字移动通信来说，要求码元速率小于相关
带宽。
第18页/共22页
第二章 移动通信电波传播及传播预测模型
第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播
2. 频率色散参数与相关时间
频率色散参数是用多普勒扩展来描述。而相关时间是与多普勒扩展相
对应的参数。
多普勒扩展和相关时间描述的是信道的时变特性，是由移动台与基站
器
的
冲
击
响
应
和
传
递
函
数
得
Res(t) cos(2fct) j sin(2fct)
信 道式的中特：f性c为。载设频传,s输(t)信为号复基为带（信实号部 部 分 ）
当信号经过多径信道后，假设第i径的路径
移动通信电波传播和传播预测模型介绍
2.3.1 多径信号
❖ 两径传播模型
A d
接收信号功率 hb
P rP t 4d 2G rG t1 R e (1 R )A e ..2.. 简化后 直射波
相Pr位P 差t4d2GrGt21R l e2 ❖ 多径传播模型
l(A C C B )A B
C
B hm
其P r中，P tN 4 为 d 路 2 径G 数rG 。t1当NN i 1 很1R 大ie时x ，j 无p法i( )用2公式准确计算出
延都不同的各个路径的总和。
再考虑多普勒效应
考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应
设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为 i
路径的变化量 xi vtcosi
输出复包络
r(t) i
aiexpj2xixi stxicxi
i
aiexpj2xi expj2vtcosistxci vtccosi
P”
（即
）的次级波前
次级波前 P’
能到 达T接P'收R点R
d 2 / 2
d /2
θ在0º到180º之间变化
T
90
R
到达接收点辐射能量与
P
d
θ成正比
扩展波前
菲涅尔区 基尔霍夫公式
❖ 菲涅尔区
从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大的连续区域
▪ 接收点信号的合成
P”
• n为奇数时，两信号抵消
式中，c为光速； 为波长。
又因为
y (t) R e r (t)e x p (j2fc t)
所以 式中
i r x( t i ) c i为a ie 时x p 延 。j2x i s t x c i ia ie x p j2 fcis t i
2011 LX 移动通信_第二章_移动通信电波传播与传播预测模型 ver3.3 part1
R Re
j
sin z( , ) sin z( , )
f , , , 入射角； 介电常数； 波长
工作频率>150MHz(λ＜2m)时，θ＜1°
反射系数为-1
0 z( , ) R 1 0 z( , )
29
F1 d1d2 / d
举例：工作频率为900MHz，收发间距离 为30Km，求收发之间中点处的第1菲涅尔 区半径 d1 d2 d / 2
1 d F1 d1d2 / d F1 d / 4d 2 c / f
2
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 900e6( Hz ) 2 1 1000 15.8(m) 2
2
传播损耗，也称为路径损耗
定义，L PT / PR
所以，L (4 d / )2 /(GT GR )
因为， c / f
2
当Gt = Gr=1时，自由空间的传播损耗为
L= (4 d / )2
所以，L (4 df / c ) (4 / c ) d f
2 2
前提： 发射功率为Pt 发射天线远离地球，或没有阻挡物 接收天线与发射天线的距离为d
Gr
d
P , Gt t
(a)
(b)
(c )
11
发射天线为各向均匀辐射时， 以发射源为中心，d为半径的 球面上单位面积的功率为：
Save PT (W / m 2 ) 4 d 2
如天线具有方向性（发射天线 增益为GT），在主波束方向通 过单位面积的功率为：
反射波场强的幅度等于入射波场强的幅 23 度，而相差为180°
j
sin z( , ) sin z( , )
f , , , 入射角； 介电常数； 波长
工作频率>150MHz(λ＜2m)时，θ＜1°
反射系数为-1
0 z( , ) R 1 0 z( , )
29
F1 d1d2 / d
举例：工作频率为900MHz，收发间距离 为30Km，求收发之间中点处的第1菲涅尔 区半径 d1 d2 d / 2
1 d F1 d1d2 / d F1 d / 4d 2 c / f
2
1 F1 dc / f 2 1 30e3(m) 3e8(m / s) / 900e6( Hz ) 2 1 1000 15.8(m) 2
2
传播损耗，也称为路径损耗
定义，L PT / PR
所以，L (4 d / )2 /(GT GR )
因为， c / f
2
当Gt = Gr=1时，自由空间的传播损耗为
L= (4 d / )2
所以，L (4 df / c ) (4 / c ) d f
2 2
前提： 发射功率为Pt 发射天线远离地球，或没有阻挡物 接收天线与发射天线的距离为d
Gr
d
P , Gt t
(a)
(b)
(c )
11
发射天线为各向均匀辐射时， 以发射源为中心，d为半径的 球面上单位面积的功率为：
Save PT (W / m 2 ) 4 d 2
如天线具有方向性（发射天线 增益为GT），在主波束方向通 过单位面积的功率为：
反射波场强的幅度等于入射波场强的幅 23 度，而相差为180°
移动通信电波传播理论与模型
Pr
Gt Gr 1
L
4 d
2
L dB
10 lg
4 d
2
(dB)
20 lg
4 d
(dB)
[L]dB 32.44 20 lg f0 20 lg d
f0 为工作频率，单位为MHz；
d 为收发天线之间的距离，单位为km。
18
2.3 基本电波传播机制
3
发射机天线发出的无线电波， 可依不同的 路径到达接收机，当频率f＞30 MHz时，典 型的传播通路如图所示。 沿路径①从发射 天线直接到达接收天线的电波称为直射波， 它是VHF和UHF频段的主要传播方式；沿 路径②的电波经过地面反射到达接收机， 称为地面反射波； 路径③的电波沿地球表 面传播， 称为地表面波。
28
绕射发生在当接收机和发射机之间的无线路径被 尖利边缘阻挡时，由阻挡表面产生的二次波散布于空 间，即波在传播的过程中，行进中的波前上的每一个 点，都可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起 来形成传播方向上新的波前。另外，当发射机和接收 机之间不存在视距路径时（LOS，line of sight，指移 动台可以看见基站天线；NLOS，非视距是指移动台 看不见基站天线），围绕阻挡体也会产生波的弯曲。
34
图3 – 4 绕射损耗与余隙关系
35
散射发生在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。散射波产生于粗糙表面、小物体或 其他不规则物体，反射能量由于散射而 散布于所有方向。
36
i
当入射角为 i 时，则表面平整度的参数高度为：
hm 8sini
如果表面上最大的突起高度小于 hm，认为该表面
第2章移动通信电波传播与传播模型预测
1
如果电磁波传输到理想介质表面， 则能量都将反射回来 反射系数（R）
1
2
1
2
入射波与反射波的比值
入射角 1 2
0 cos2 z 0
sin z R sin z
表面光滑的反射
(垂直极化）
0 j60
其中，ε为介电常数， σ为电导率，λ为波长。
只有夹角为θ（即TP ' R ） 的次级波前能到达接收点R T 每个点均有其对应的θ角， θ将在0º到180º之间变化 θ越大，到达接收点辐射能量越大
P
d
R
扩展波前
Hale Waihona Puke 图2-3 对惠更斯－菲涅尔原理说明 哈尔滨工业大学（威海）
菲涅尔区
菲涅尔区
基尔霍夫公式
从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长 d 3 / 2 度大 n / 2 的连续区域 次级波前
l (r , ) r 1010 传播路径损耗和阴影衰落 10log l (r , ) 10m log r 分贝式 式中, r 移动用户和基站之间的距离 ， ζ 由于阴影产生的对数损耗 （dB），服从零平均和标准偏差σdB的对数正态分布 m 路径损耗指数 实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB，是合理的
r (t )
哈尔滨工业大学（威海）
再考虑多普勒效应
传播预测模型的建立 为实现信道仿真提供基础
基本方法
理论分析方法（如射线跟踪法） 应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预测 模型 现场测试方法（如冲激响应法） 在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统计 分析，来建立预测模型
哈尔滨工业大学（威海）
自由空间的电波传播
如果电磁波传输到理想介质表面， 则能量都将反射回来 反射系数（R）
1
2
1
2
入射波与反射波的比值
入射角 1 2
0 cos2 z 0
sin z R sin z
表面光滑的反射
(垂直极化）
0 j60
其中，ε为介电常数， σ为电导率，λ为波长。
只有夹角为θ（即TP ' R ） 的次级波前能到达接收点R T 每个点均有其对应的θ角， θ将在0º到180º之间变化 θ越大，到达接收点辐射能量越大
P
d
R
扩展波前
Hale Waihona Puke 图2-3 对惠更斯－菲涅尔原理说明 哈尔滨工业大学（威海）
菲涅尔区
菲涅尔区
基尔霍夫公式
从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长 d 3 / 2 度大 n / 2 的连续区域 次级波前
l (r , ) r 1010 传播路径损耗和阴影衰落 10log l (r , ) 10m log r 分贝式 式中, r 移动用户和基站之间的距离 ， ζ 由于阴影产生的对数损耗 （dB），服从零平均和标准偏差σdB的对数正态分布 m 路径损耗指数 实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB，是合理的
r (t )
哈尔滨工业大学（威海）
再考虑多普勒效应
传播预测模型的建立 为实现信道仿真提供基础
基本方法
理论分析方法（如射线跟踪法） 应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预测 模型 现场测试方法（如冲激响应法） 在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统计 分析，来建立预测模型
哈尔滨工业大学（威海）
自由空间的电波传播
移动通信中的电波传播与天线第四讲_电波传播模型.
第5章移动通信系统中的场强预测模型☐场强预测——所谓场强预测是指根据移动通信的不同环境得到通信范围内的场强分布（路径损耗），建立电波传播的模型，以便对通信网进行规划和设计（天线、基站站址、小区半径、频率……）☐传播模式——分为经验模式、半经验或半确定模式、确定性模式。
经验模式是根据大量测量结果统计分析后导出的公式，应用经验模式可以容易和快速地预测路径损耗，不需要有关环境的详细信息，但是不能提供非常精确的路径损耗估算值。
确定性模式是对具体现场环境直接应用电磁场理论进行计算，如射线追踪方法，环境的描述可以从地形地物数据库中得到。
半经验或半确定模式是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的公式，为了改善半经验或半确定模式和实验结果的一致性，有时需要根据实验结果对公式进行修正，得到的公式是天线周围某个规定特性的函数。
传播环境——蜂窝移动通信的最大特点就是小区制。
小区的大小和范围直接和传播条件有关，可以根据需要选择小区的大小和范围。
移动通信系统中主要采用宏小区、微小区（微蜂窝）和微微小区（微微蜂窝）三种形式。
经验模式或半经验模式对具有均匀特性的宏小区是合适的。
半经验模式还适用于均匀的微小区，在那里模式所考虑的参数能很好的表征整个环境。
确定性模式适合于微小区和微微小区不管它们的形状如何。
确定性模式对宏小区是不能胜任的，因为对这种环境所需的计算机CPU时间使人无法忍受☐四种电波传播模型——电波传播模型是指通过对电波传播的环境进行不同方法的分析后所得到的电波传播的某些规律、结论以及具体方法。
利用电波传播模型不仅可以估算服务区内的场强分布，而且还可以对移动通信网进行规划与设计。
统计模型（Statistical Model）——通过对移动通信服务区内的场强进行实地测量，在大量实测数据中用统计的方法总结出场强中值随频率、距离、天线高度等因数的变化规律并用公式或曲线表示出来。
实验模型（Empirical Model）——通过实验方法得出某些电波传播规律，但不像统计模型那样用公式或曲线表示出来。
Chp02-移动通信电波传播与传播预测模型
第二章移动通信电波传播与传播预测模型目录概述1自由空间的电波传输2三种基本电波的传播机制3路径损耗模型和阴影衰落4电波传播损耗预测模型5移动无线信道及特性参数62.1.1 电波传播的基本特性移动信道：基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移直射、反射、绕射和散射以及它们的合成复杂的无线电波传播环境研究对象衰落的原因无线电波传播方式衰落的表现移动信道的基本衰落特性信道的分类信道的分类大尺度衰落模型▪根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{小尺度衰落模型▪大尺度的特点：慢衰落小尺度的特点：快衰落用距离和时间分别定义衰落的类型大尺度衰落t小尺度衰落衰落特性的算式描述服从大尺度衰落小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落2.1.2 电波传播特性的研究电波传播特性的研究基本方法•理论分析方法（基于电磁场理论）•现场测试方法（适于大覆盖区域）应用成果•传播预测模型的建立•为实现信道仿真提供基础考虑问题•衰落的物理机制•功率的路径损耗•接收信号的变化和分布特性2.2 自由空间的电波传播自由空间接收功率传播损耗接收换算rA P P G =自由空间电波传播[]32.4520log r L d=2.3 三种基本电波传播机制♦阻挡体比传输波♦产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体♦阻挡体为尖利边缘反射散射绕射2.3.1 反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来反射系数（R）极化特性极化电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态电磁波的极化形式线极化、圆极化和椭圆极化线极化的两种特殊情况▪水平极化（电场方向平行于地面）▪垂直极化（电场方向垂直于地面）▪移动通信系统常用垂直极化天线多径信号两径传播模型接收信号功率接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率ABh bdθβ2.3.2 绕射和散射绕射▪当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，也称衍射。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
CCIR模型
• 该模型由原CCIR（现ITU-R）提出，综合考虑了自由空间 传播和地形效应损耗对于无线电波传播的影响 • 经验公式 Lm=Lm（Hata模型）-B 该公式是Okumura-Hata模型在城市传播环境下的应用，校 正因子为： B=30-25log（地面建筑覆盖率） 路径损耗随建筑物密度而增大
式中L(v)为由山坡等地形引起的衍射损耗
• 水面反射
2 Pr P0 ( ) 4d
其中a为由于移动无线通信环境引起的衰减因子
COST 231 Walfisch-Ikegami 模型（WIM模型）
• 应用 （1）用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境 （2）常用于移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS）设 计 （3）可计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物 等不同情况的路径损耗 • 两种情况 （1）视距传播情况，路径损耗
LEE模型
• 优点 （1）模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合本地 无线传播环境，准确性高 （2）路径损耗预测算法简单，计算速度快 • 应用 无线通信系统 • 分类 LEE宏蜂窝模型 LEE微蜂窝模型
LEE宏蜂窝模型
• 基本思路 先把城市当成平坦的，只考虑人为建筑物的影响，在此基 础上再把地形地貌的影响加进来 • 地形地貌影响的三种情况 无阻挡 有阻挡 水面反射
• 无阻挡
h1' r f Pr Pr1 log 0 20 log n log r0 h1 f0
式中：r0为1公里，f0为850Mhz h1'为天线有效高度，h1为天线实际高度 当f<f0时，n=20；当f>f0时，n=30 • 有阻挡
Pr Pr1 log r f 0 L(v) n log r0 f0
移动通信常见电波传播损耗预测模型
作者：李少勇 郭凯 学号：2220101078 2220100420 时间：2013-10-13
电波传播损耗预测
• 目的 掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化 特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础 • 方法 根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此 基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确 • 确定传播环境的主要因素
L=42.6+26log(d)+20log(f)
(2)非视距传播情况，路径损耗
L=L0+L1+L2 其中L0—空间损耗 L1—由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗
L1 16.9 10 log( w) 10 log( f ) 20 log(ht hr ) L11
L2—沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）
（1）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等） （2）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性 （3）该地区的植被特征 （4）天气状况 （5）自然和人为的电磁噪声状况 （6）系统的工作频率和移动台运动等因素
常用的电波传播损耗预测模型
• Hata模型 根据应用频率的不同，分为Okumura-Hata 模型和COST 231 Hata模型 • CCIR模型 • LEE模型 • COST 231 Walfisch-Ikegami 模型（WIM模型）
Okumura-Hata模型
• 日本科学家奥村通过对城市进行大量无线电波传播损耗的测量， 得出一系列经验曲线用于无线蜂窝网络的规划设计。在这些经验 曲线的基础上，得出了简化的Hata模型 • 适用范围
频率范围f:150-1500MHz 基站天线高度Hb:30-200m 移动台高度Hm:1-10m 距离d:1-20km
• 路径损耗计算的经验公式
LM 69.55 26.16 log( f ) 13.82 log(ht ) a(hr )
式中：f-工作频率 Ccell-小区类型校正因子 ht-基站天线有效高度 Cterrain-地形校正因子 hr-移动台天线有效高度 a(hr)-有效天线修正因子 d-基站天线与移动台天线水平距离
[44.9 6.55 log(ht )] log(d ) C cell Cterrain
校正因子
中小城市 [1.11 log( f ) 0.7] hr [1.56 log( f ) 0.8] 2 f 300Mhz 大城市 郊区乡村 a (hr ) 8.29[log(1.54hr )] - 1.1 3.2[log(11.75h )] 2 4.97 f 300Mhz r
Hata
Okum 宏蜂窝 ura COST 宏蜂窝 231
宏蜂窝 宏蜂窝
150-1500 1500-2000 150-2000 450-2000 450-2000
CCIR
LEE
微蜂窝 分LOS和NLOS 0.02-5km 分LOS和NLOS
WIM
800-2000
Hata模型 （1）参数易获得，模型易使用 （2）但未考虑建筑物的高度和密度、街道的分布和走向 等重要因素的影响，预测值和实际值的误差较大 • CCIR模型 （1）考虑了建筑物密度的影响，引入参数B（被建筑物覆 盖区域的百分比），且易获得LEE模型 （2）适用于有测试数据时。主要参数易于根据测量值调 整，准确性高 （3）算法简单，计算速度快 • COST 231-Walfisch-Ikegami 模型 （1）用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境 （2）发射天线可以高于、等于或低于周围建筑物
• 经验公式
Lm'=Lm+Cm 其中Cm为大城市中心校正因子 中等城市和郊区为0dB，大城市中心为3dB
两种Hata模型的主要区别
• COST-231Hata模型适用于1500－2000MHz，在1km以内预 测不准 Okumura-Hata适用于1500MHz以下的大于1公里范围的宏 小区 • COST-231Hata模型频率衰减因子为33.9 Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16 • COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减，大城市 中心地区路径损耗增加3dB
L2 L21 k a k d log(d ) k f log( f ) 9 log(b)
传播模型的适用范围
适用范围 宏蜂窝（>1km） 频率（Mhz） 传播模型 微蜂窝（<1km） 天线高度（m） 基站：30-200 移动台：1-10 同上 同上 城区/郊区/乡 村 城市、郊区、 乡村 城市、郊区、 乡村 城市、郊区 城市、郊区、 乡村 城市、郊区 基站：4-50 移动台：1-3
C cell
0 城市 2[log( f / 28)] 2 5.4 郊区 4.78[log( f )] 2 18.33 log( f ) 40.98 乡村
COST 231-Hata模型
• 适用范围
频率范围f:150-1500MHz 基站天线高度Hb:30-200m 移动台高度Hm:1-10m 距离d:1-20km