无线通信原理与应用-49-利用路径损耗模型进行实际链路预算设计课件

Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系第四章第四章 移动无线电传播：大尺度路径损耗移动无线电传播：大尺度路径损耗电气工程学院电气工程学院 通信工程系第四章通信工程系第四章 1Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系4.9利用路径损耗模型进行实际链路预算设计通信工程师通常非常关注以下两个问题：通信工程师通常非常关注以下两个问题：链路损耗预算链路损耗预算用于确定通信系统的基本参数，如发射功率，覆盖范用于确定通信系统的基本参数，如发射功率，覆盖范围和电池使用时长围和电池使用时长根据处于某一位置的接收机的接收功率要求进行设计根据处于某一位置的接收机的接收功率要求进行设计时间扩散时间扩散信号在多径传播中产生延时信号在多径传播中产生延时 信道的时间扩散特性决定了在不使用均衡技术的前提信道的时间扩散特性决定了在不使用均衡技术的前提下所能达到的最大数据率下所能达到的最大数据率电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系4.9 利用路径损耗模型进行实际利用路径损耗模型进行实际2Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系获得传播模型的方法获得传播模型的方法实验方法：收集数据，曲线拟合实验方法：收集数据，曲线拟合理论方法理论方法建立传播过程的数学模型，推导路径损耗方程建立传播过程的数学模型，推导路径损耗方程长距离路径损耗模型长距离路径损耗模型理论和测试模型指出，无论室内还是室外信道，平均接收信理论和测试模型指出，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离的变化而呈对数衰减号功率随距离的变化而呈对数衰减电气工程学院电气工程学院 通信工程系获得传播模型的方法通信工程系获得传播模型的方法3Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系长距离路径损耗模型长距离路径损耗模型对于任意的对于任意的T-R距离，平距离，平均大尺度路径损耗可表示均大尺度路径损耗可表示成距离的函数，其中，成距离的函数，其中，n为路径损耗指数为路径损耗指数n值依赖于特定的环境。值依赖于特定的环境。例如，在自由空间中例如，在自由空间中n为为2，当有阻挡物时，当有阻挡物时，n变大变大(4.68)电气工程学院电气工程学院 通信工程系长距离路径损耗模型对于任意的通信工程系长距离路径损耗模型对于任意的T-R4Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系不同环境下的路径损耗指数环境路径损耗指数,n自由空间2市区蜂窝无线传播2.7to3.5存在阴影衰落的市区蜂窝无线传播3to5建筑物内的视距传播1.6to1.8被建筑物阻挡4to6被工厂阻挡2to3电气工程学院电气工程学院 通信工程系不同环境下的路径损耗指数环境路径损通信工程系不同环境下的路径损耗指数环境路径损5Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系自由空间参考距离的选择大覆盖蜂窝系统大覆盖蜂窝系统经常使用经常使用1km1km的参考距离的参考距离微蜂窝系统微蜂窝系统使用较小的距离，例如使用较小的距离，例如100m 100m 或或 1m 1m参考距离应永远在天线的远场处，以避免远近效应对参考路径损参考距离应永远在天线的远场处，以避免远近效应对参考路径损耗的影响耗的影响电气工程学院电气工程学院 通信工程系自由空间参考距离的选择大覆盖蜂窝系通信工程系自由空间参考距离的选择大覆盖蜂窝系6Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系对数正态阴影对数正态阴影(Log-normal Shadowing)公式4.68未考虑在相同T-R距离的环境下，不同位置的周围环境差别非常大导致了测试信号与预测的平均结果有很大差异测试表明，对任意的d值，特定位置的路径损耗PL(d)为随机正态对数分布电气工程学院电气工程学院 通信工程系对数正态阴影通信工程系对数正态阴影(Log-normal7Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系Xs s 为零均值的高斯分布随机变量，单位为dB，标准偏差为，单位也是dB对数正态阴影路径损耗对数正态阴影路径损耗引入随机变量，X：为距离d处的平均大尺度路径损耗，单位dB通常是在自由空间的假设下在d0处计算得到或通过测量得到4.69a式考虑了由于传播信道中障碍物的阻挡带来的阴影效应。这样的信道，通常建模成对数正态阴影模型(4.69a)电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系Xs 为零均值的高斯分布随机变量，为零均值的高斯分布随机变量，8Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系对数正态阴影模型接收功率对数正态阴影模型的接收功率由下式给出（由4.69a式推导可得）PL(d)中包括天线增益(4.69b)电气工程学院电气工程学院 通信工程系对数正态阴影模型通信工程系对数正态阴影模型接收功率对数正接收功率对数正9Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系对数正态阴影模型n和s s对数正态模型中，接收功率服从均值与距离d相关，方差为s s的高斯分布实际上，n和s s是根据测试数据，使用线性递归使路径损耗的测试值和估计值的均方误差达到最小而计算得出的电气工程学院电气工程学院 通信工程系对数正态阴影模型通信工程系对数正态阴影模型n和和s对数正态对数正态10Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系接收功率低于或高于门限值的概率计算Pr(d)是服从高斯分布的随机变量，均值为 m，标准差为 s。Pr(d)g 的概率由下式给出Pr(d)g 的概率有下式给出 表示距离d处的平均接收功率（4.71）（4.72）电气工程学院电气工程学院 通信工程系接收功率低于或高于门限值的概率计算通信工程系接收功率低于或高于门限值的概率计算11Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系覆盖面积百分率问题问题对于以基站为中心，半径为对于以基站为中心，半径为R的覆盖区的覆盖区接收信号门限为接收信号门限为g寻找寻找U(g)，为有效服务区域的百分比，为有效服务区域的百分比 即接收信号等于或高于即接收信号等于或高于g的区域百分比的区域百分比电气工程学院电气工程学院 通信工程系覆盖面积百分率问题通信工程系覆盖面积百分率问题12Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系ORrO表示蜂窝的中心r表示移动台到基站的距离0=r g)表示在范围dA内随机接收信号在d=r 处超过门限g的概率那么覆盖面积百分比U(g)可由下面的积分计算得到（4.73）电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系ORrO 表示蜂窝的中心表示蜂窝的中心r 表示移表示移13Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系根据4.73式：距离r处的路径损耗可表示成：O d0 r RPL(O 到 r)=PL(O 到 d0)+PL(d0 到 R)-PL(r 到 R)PL(O 到 r)=PL(O 到 d0)+PL(d0 到 R)+PL(R 到 r)(O 表示基站的位置)即：（4.74）（4.75）电气工程学院电气工程学院 通信工程系根据通信工程系根据4.73式：式：距离距离r处的路径损处的路径损14Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系利用误差函数4.74式可表示如下：使用4.75式可得：（4.76）电气工程学院电气工程学院 通信工程系利用误差函数通信工程系利用误差函数4.74式可表示如下：式可表示如下：15Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系设：则：替换t=a+blog(r/R)（4.77）（4.78）电气工程学院电气工程学院 通信工程系设：通信工程系设：则：则：替换替换t=a+bl16Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系选择信号电平，即(a=0)其中（4.79）简化后的公式给出了在小区边缘处(r=R)的接收功率等于门限值g的假设下的覆盖面积百分比。换句话说，Prob(Pr(R)=g)=0.5 电气工程学院电气工程学院 通信工程系选择信号电平，即通信工程系选择信号电平，即 17Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系例4.9距发射机100m，200m，1km和3km处分别得到接收功率的测量值。测量值由下表给出。假定路径损耗符合对数正态阴影模型，则在d0=100m，求(a)对于路径损耗指数n的最小均方误差估计（MMSE）；(b)计算标准偏差；(c)运用结果模型估计d=2km处的接收功率；(d)预测2km处电平大于-60dBm的概率；(e)在2km半径的小区内，接收信号大于-60dBm的覆盖面积百分比，给定(d)中的结果。电气工程学院电气工程学院 通信工程系例通信工程系例 4.9距发射机距发射机100m，20018Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系距发射机距离接收功率100m0dBm200m-20dBm1000m-35dBm3000m-70dBm解：使用下列方法求MMSE估计。测量与估计值方差和为：电气工程学院电气工程学院 通信工程系距发射机距离接收功率通信工程系距发射机距离接收功率100m0dB19Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系(a)利用式(2-11)，求出求出下面的pi的估计值，单位为dBm：均方差和为：电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系(a)利用式利用式(2-11)，求出求出20Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系(b)n=4.4时，均方差为(c)d=2km处接收功率的估计值为(d)接收信号电平大于-60dBm的概率为电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系(b)n=4.4时，均方差为时，均方差为21Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系zQ(z)zQ(z)zQ(z)zQ(z)0.00.51.00.158662.00.022753.00.001350.10.460171.10.135672.10.017863.10.000970.20.420741.20.115072.20.013903.20.000690.30.382091.30.096802.30.010723.30.000480.40.344581.40.080762.40.008203.40.000340.50.308541.50.066812.50.006213.50.000230.60.274251.60.054802.60.004663.60.000160.70.241961.70.044572.70.003473.70.000110.80.211181.80.035932.80.002563.80.000070.90.184061.90.028722.90.001873.90.00005(e)使用式(2-38)或P81图可以确定88%小区覆盖接收电平大于-60dBm电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系zQ(z)zQ(z)zQ(z)zQ22