Hata模型

1️⃣ Hata模型介绍

Hata模型是当今最常用的路径损耗模型，适用于市区、郊区和开阔地。由日本工程师Hata Masaharu在1980年提出

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2️⃣ 原理

Hata模型是路径损耗模型，那什么是路径损耗呢？

路径损耗是发射信号功率和接收信号功率的比值，使用分贝（dB）表示：
$$PL[dB]=10{\log }_{10}\left(\frac{P_{\mathrm{t}}}{P_{\mathrm{r}}}\right)$$其中，$P_{\mathrm{t}}$是发射信号功率，$P_{\mathrm{r}}$是接收信号功率，$PL$是路径损耗(单位是dB)。

因此一句话描述路径损耗：发射信号到接收信号的衰减程度

接下来看一下对于Hata模型的具体分析：

2.1 市区环境中Hata模型

市区环境中Hata模型的路径损耗为：

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{Hata},\mathrm{市区}}(d)[dB]=69.55+26.16{\log }_{10}{f}_{\mathrm{c}}-13.82{\log }_{10}{h}_{\mathrm{Tx}}-C_{\mathrm{Rx}}+(44.9-6.55{\log }_{10}{h}_{\mathrm{Tx}}){\log }_{10}d$$
其中：

• ${\mathrm{PL}}_{\mathrm{Hata},\mathrm{市区}}(d)[dB]$：市区环境的路径损耗，单位是dB
• $f_c$：载波频率，单位是MHz
• $h_{\mathrm{Tx}}$：发射天线高度，单位是米
• $C_{\mathrm{Rx}}$：与接收天线相关的系数，取决于覆盖范围的大小
• $d$：发射天线和接收天线之间的距离，单位是米

看一下$C_{\mathrm{Rx}}$这个变量，它是与接收天线相关的系数，取决于覆盖范围的大小。对于中等大小的覆盖范围（区域半径小于50KM），$C_{\mathrm{Rx}}$为：
$$C_{\mathrm{Rx}}=0.8+\left(\begin{array}{c}1.1{\log }_{10}{f}_{\mathrm{c}}-0.7\end{array}\right)h_{\mathrm{Rx}}-1.56{\log }_{10}{f}_{\mathrm{c}}$$
其中，$h_{\mathrm{Rx}}$为接收天线的高度，单位是米。

对于大的覆盖范围，$C_{\mathrm{Rx}}$取决于载波频率，例如：
$$C_{\mathrm{Rx}}=\{\begin{array}{ll}8.29\left({\log }_{10}\right(1.54h_{\mathrm{Rx}}){)}^2-1.1,& 150\text{MHz}⩽f_{\mathrm{c}}⩽200\text{MHz}\\ 3.2\left({\log }_{10}\right(11.75h_{\mathrm{Rx}}){)}^2-4.97,& 200\text{MHz}⩽f_{\mathrm{c}}⩽1500\text{MHz}\end{array}$$

2.2 郊区环境中Hata模型

对于郊区，Hata 模型表示为

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{Hata},\mathrm{郊区}}\left(d\right)\left[\mathrm{dB}\right]={\mathrm{PL}}_{\mathrm{Hata},\mathrm{市区}}\left(d\right)-2{\left({\log }_{10}\frac{f_{\mathrm{c}}}{28}\right)}^2-5.4$$

2.3 开阔地环境中Hata模型

对于开阔地，Hata 模型表示为

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{Hata},\mathrm{O}}\left(d\right)\left[\mathrm{dB}\right]={\mathrm{PL}}_{\mathrm{Hata},\mathrm{市区}}\left(d\right)-4.78{\left(\log f_{\mathrm{c}}\right)}^2+18.33{\log }_{10}{f}_{\mathrm{c}}-40.97$$

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3️⃣ 代码

3.1 新建一个Hata_plot.m

clear all;
%% 初始化变量
% 载波频率MHz
fc=1000;
% 发射天线高度m
h_tx=30;
% 接收天线高度m
h_rx=10;
% 覆盖范围，即区域半径km
r=25;
% 发射天线和接收天线之间的距离
d=1:2:1000;
%% 计算市区、郊区、开阔地的Hata模型
PL_urban=Hata(fc,h_tx,h_rx,d,r,'URBAN');
PL_suburban=Hata(fc,h_tx,h_rx,d,r,'SUBURBAN');
PL_open=Hata(fc,h_tx,h_rx,d,r,'OPEN');
%% 作图
figure
semilogx(d,PL_urban,'b-s',d,PL_suburban,'r-^',d,PL_open,'k-o');
title('不同区域hata模型中路径损耗随距离d的变化曲线');
xlabel('distance(m)');
ylabel('path loss(dB)');
legend('城市','郊区','开阔地');

3.2 新建一个Hata.m

function [PL] = Hata(fc,h_tx,h_rx,d,r,type)
%% 确定C_rx，该变量是与接收天线相关的系数，取决于覆盖范围
if r<=50
    C_rx=0.8+(1.1*log10(fc)-0.7)*h_rx-1.56*log10(fc);
elseif fc>=150&&fc<=200
    C_rx=8.29*(log10(1.54*h_rx))^2-1.1;
elseif fc>=200&&fc<=1500
    C_rx=3.2*(log10(11.75*h_rx))^2-4.97;
end
%% 确定路径损耗模型
% 市区环境Hata模型
PL = 69.55+26.16*log10(fc)-13.82*log10(h_tx)-C_rx+(44.9-6.55*log10(h_tx))*log10(d);
% 郊区环境中Hata模型
if strcmp(type, 'SUBURBAN')
    PL = PL - 2*(log10(fc/28)) - 5.4;
% 开阔地环境中Hata模型
elseif strcmp(type, 'OPEN')
    PL = PL - 4.78*(log10(fc))^2+18.33*log10(fc)-40.97;
end

3.3 结果分析

• 可以看出，由于城市障碍物更密集，因此其路径损耗更大
• 随着距离增加，路径损耗会变大

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4️⃣ 总结

两句话：

• Hata模型是最常用的路径损耗模型
• 路径损耗指的是发射信号到接收信号的衰减程度

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5️⃣ 参考

《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》1.1.2