硕士论文-基于GIS的信号场强预测算法研究.pdf

哈尔滨理工大学 硕士学位论文 基于gis的信号场强预测算法研究 姓名：钱钊 申请学位级别：硕士 专业：应用数学 指导教师：刘润涛 20070301 哈尔滨埋工大学工学硕士学位论文 基于g i s 的信号场强预测算法研究 捅费 电波传播预测在现代无线通信及广播电视系统中扮演着极其重要的角 色，准确的电波强度预测对于城市小区的建立与维护有着重要的意义。传统 的预测方法是基于测量数据的统计方法，这要求不同小区之间具有统计相似 性。随着系统容量的要求不断提高，使得小区的划分越来越小，甚至出现了 更小的微小区。这直接导致了这种统计相似关系的丢失，从而使传统的统计 方法失效。现在需要一种确定的方法来进行电波覆盖范围预测及传播特性分 析。本文主要是研究了基于g i s 用射线跟踪技术结合几何绕射的信号预测 算法。 本文首先阐述了城市小区概念及传播预测的必要性、传播预测的各种算 法及最新进展，并简要概述了本文研究的主要内容。 随后，对多种模型进行了研究和分析。由于城市电波传播环境的复杂 性，在对电波传播预测的长期研究发展中产生了适应不同环境不同区制的预 测模型。本文对构建方式不同的d p m 和s p m 模型进行了研究和分析。 此后着重研究了射线跟踪模型。目前大多数模型是适用于大区制的电波 传播预测，而现代无线通信的趋势是小区制，本文对适于小区制的射线跟踪 模型进行了深入的研究。通常意义上的射线跟踪计算量极大，因此需要建立 合适的射线跟踪模型。在参照了镜像法、射线管法等射线跟踪思想的基础 上，改进了准三维射线跟踪模型。该模型基于虚拟源方法，通过确定反射 源、绕射源的有效区域，依次找出有效区域内对射线传播可能有贡献的反射 面和绕射点，并以此建立数据源树结构。本文所采用的方法借鉴并延伸了辐 射源树的概念，将接收点也加入到由发射源、反射源和绕射源组成的树结构 中，这样的树结构己经代表了整个传播路径，运算快捷且效率高。 在本文的最后，针对如何解决g i s 电子地图与电波传播模型数据库的 数据存储格式兼容等问题进行了研究。 关键词g i s ；传播预测；射线跟踪；几何绕射： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a l g o r i t h m r e s e a r c h0 i ip r e d i c t i n gt h es t r e n g t ho f f 饧v eb a s e do ng i s a b s t r a c t r a d i op r o p a g a t i o np r e d i c t i o np l a y sa 1 1i m p o r t a n tr o l ei nm o d e mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，r a d i oa n dt e l e v i s i o ns y s t e m s a c c u r a t ep r e d i c t i o n f o rt h e s t r e n g t ho fw a v ep r o p a g a t i n gi n t h em i c r o c e l l si s v e r ys i g n i f i c a n tf o rt h e e s t a b l i s h m e n ta n dm a i n t e n a n c eo far e s i d e n c ed i s t r i c t t r a d i t i o n a lp r e d i c t i o n m e t h o d sa r es t a t i s t i ca n db a s e do n m e a s u r e dd a t a ，w h i c hr e q u i r e s t h a tt h e r e be s t a t i s t i cs i m i l a r i t yb e t w e e nr e s i d e n c ed i s t r i c t s h o w e v e r , w i t ht h ee n l a r g i n go ft h e c a p a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h ed i v i s i o n so fr e s i d e n c ed i s t r i c t sa r eg e t t i n gs m a l l e r ， e v e nm i c r o m i n i a t u r ed i s t r i c t sa p p e a r ，w h i c hc a u s e st h e1 0 s eo ft h er e l a t i o no ft h e s t a t i s t i c c o m p a r a b i l i t yb e t w e e nd i s t r i c t s s ot h a tt r a d i t i o n a lm e t h o d sb e c o m e i n v a l i d p r e s e n t l y , t h e r en e e ds o m en e wi m p r o v e dp r e d i c t i o nw a y si nw h i c ht h e c o v e r i n gr a n g eo fw a v ei sp r e d i c t e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v ep r o p a g a t i o n i sa n a l y z e d i nt h i sp a p e r , g i s b a s e dr a yt r a c i n gp r e d i c t i o nm e t h o dc o m b i n e d w i t hg e o m e t r i cd i f f r a c t i o nt h e o r yi ss t u d i e d a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fa nu r b a nc e l l ，t h en e c e s s i t yo f s e t t i n gu pp r e d i c t i g nm o d e lf o r t h e s t r e n g t ho fw a v ea n ds o m ei m p o r t a n t p r e d i c t i o na l g o r i t h m s ，a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e r a f t e rt h a t ，m a n yp r e d i c t i o nm o d e l sa r es t u d i e d d u et ot h ec o m p l i c a t e d c o n d i t i o n si nu r b a na r e a so fac i t y , t h e r ea r ed i f f e r e n tp r e d i c t i o nm o d e l s ，w h i c h a r es u i t a b l et od i f f e r e n te n v i r o n m e n t sa n dd i f f e r e n td i s t r i c ts t a n d a r d s a n d ，+ t h i s p a p e rs t u d i e sa n da n a l y z e sd p ma n ds p mm o d e l sw i t hd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n w a y s t h e p r e d i c t i o n m o d e lo f r a y tr a c i n g pr o p a g a t i o n i st h e f o c u so f t h i s p a p e r n o w ，m o s tp r e d i c t i o nm o d e l sa r eo n l ys u i t a b l et op r e d i c t i n gt h es t r e n g t ho fw a v e u n d e r b i g d i s t r i c ts t a n d a r d s h o w e v e rt h et r e n do fm o d e mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si sm i c r o - c e l l t h er a yt r a c i n gm o d e ls u i t a b l et om i c r o - c e l li s i n t e n s i v e l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h er a yt r a c i n gi ng e n e r a lm e a n i n g n e e d sal a r g e a m o u n to fc o m p u t a t i o n ，t h e r e f o r e ，w en e e dt of i n da na p p l i c a b l es o l u t i o n b a s e d i i 墼尘鎏墨三查兰士兰堡圭兰堡篁兰 o nm i r r o r - i m a g em e t h o da n dt u b e - ，t r e em e t h o d ，at h r e ed i m e n s i o n a lr a yt r a c i n g m o d e li sp r e s e n t e d i nt h em o d e l ，t h er e f l e c t i o ns u r f a c ea n dd i f f r a c t i o np o i n t s ， a b l et om a k ec o n t r i b u t i o nt or a d i op r o p a g a t i o ni nv a l i da r e a s ，a r ef o u n db y d e t e r m i n i n gt h ee f f e c t i v ea r e a so ft h er e f l e c t i o ns o u r c ea n dt h ed i f f r a c t i o ns o u r c e ， b a s e do nt h ef i c t i t i o u ss o u r c em e t h o ds ot h a tt h et r e es t r u c t u r eo fd a t as o u r c e c a n b es e tu p t h em e t h o di nt h i sp a p e ru s e st h ec o n c e p to fr a d i a t i o ns o u r c et r e ea s r e f e r e n c ea n di m p r o v e si ta n da d d st h er e c e i v i n gp o i n ti n t ot h et r e es t r u c t u r e c o n s i s t i n go ft r a n s m i t t i n gs o u r c e ，r e f l e c t i o ns o u r c ea n dd i f f r a c t i o ns o u r c e t h e t r e es t r u c t u r es t a n d sf o rt h ew h o l ep r o p a g a t i o np a t h s ，w h i c hm a k e sc o m p u t a t i o n f a s t e ra n dm o r ee f f i c i e n t a tl a s t ，r e s e a r c h e sa r em a d ef o rh o wt os o l v et h ei n c o m p a t i b i l i t yb e t w e e nt h e d a t af o r m a to fs t a n d a r dg i sm a p sa n dt h ed a t as t o r a g ef o r m a to ft h ed a t a b a s eo f r a d i op r o p a g a t i o nm o d e l k e y w o r d sg i s ；p r o p a g a t i o np r e d i c t i o n ；r a yt r a c i n g ；g e o m e t r i cd i f f r a c t i o n 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g i s 的信号场强预测算 法研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 1 i ) | = 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名 钱纠 同期： 2 0 0 7 年3 月矿 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于g i s 的信号场强预测算法研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位j u j i n 在导师指导完下成的硕士学位论文。本沦文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨里1 1 _ - i - 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电予版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存沦文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名 锹刮 同期： 2 0 0 7 年3 月侣 r 导师签名：名岭编嘱同期： 2 0 0 7年岁 月p 日 哈尔滨理丁火学丁学硕f ：学位论文 第1 章绪论 1 1 信号场强预测的意义 伴随着计算机科学，现代数学，测绘学，和计算机图形学等的发展，地 理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 得到巨大发展。它 是近十几年来发展起来的对地理环境有关问题进行分析研究的一门学科，随 着地理信息技术的成熟，地理信息系统已经在通信系统设计与规划方面以及 空间电磁辐射分析等方面显示了广泛而巨大的潜力。 目前，我国广播电视和移动通信的推广普及使得更多的辐射天线被建立 起来，电磁辐射污染日趋严重。尤其在大城市，人口密度很大，电磁污染的 危害也就更加广泛。迄今为止，许多电磁环境方面的问题仍在困扰、制约着 人们的生产和生活。无线电应用的迅猛发展。使得电磁环境将越来越恶劣， 越来越复杂，优化电磁环境的重要性越来越得到人们的重视。减小电磁污 染，对其进行合理规划变的十分重要。而电磁环境监测技术是与数学、电磁 场理论、天线技术、电波传播和通讯理论紧密结合在一起的，很多的理论技 术都可以直接应用到电磁环境规划中。同时，电磁环境规划技术的发展又促 进了这些相关理论和技术的发展。随着地理信息系统的发展，可通过建立电 波传播预测模型，在地理信息系统的基础上进行计算机传播模拟分析计算， 监控和减小电磁辐射的污染，从而优化网络，减小电磁辐射的污染，提高效 率【6 l 。 同时地理信息系统在通信系统设计及规划方面也有着较好的应用前景。 无线通信设计是进行移动通信网络规划和优化的一项工程服务。在无线通信 系统的设计、建造和运行时，很重要的一个问题就是要知道系统覆盖地域内 每个接收点接收信号的场强，从而确定每个基站的覆盖范围和干扰问题。 信号在实际传播过程中受地形、地物的影响而衰落，无线网络设计工程需要 应用精确的数字地面模型数据和准确的信号传播模型，对指定站址和小区参 数的基站进行覆盖质量预测，为网络优化提供依据。由于地理环境的复杂， 无线传播的不规则性，如果系统中每个基站的覆盖区域都要进行测量的话， 其花费是巨大的。近来，用计算机辅助系统来预测每个基站的覆盖区域和干 扰问题成为一种趋势，这样的计算机辅助系统一般是基于一种或几种场强预 堕查堡矍三查兰：兰堡兰堡丝三 测方法来进行计算的。在以往的无线通信系统网络优化过程中，信号的覆盖 情况大多是凭经验和实地测量来进行的，费时费力，效率低。以计算机软件 来辅助完成这项工作，用软件模拟实地测量，再把结果可视化，将会在很大 程度上提高工作效率。基于g i s 的信号预测不仅高效、准确，而且成本也相 对较低，因此将具有广泛的应用前景。基于三维的地理信息系统的空间电磁 波传播模型，能够进行三维空间场强预测，帮助移动运营商在各种复杂地形 下准确地预测出信号强度分布，并由此做出最佳的频率规划。使运营商能利 用有限的频率资源，取得最佳的信号覆盖和最大的系统容量。减少手机通信 中的掉线率，增加网络的接通率。但由于移动通信环境的复杂性，预测移动 通信三维空间的电磁波传播模型的精确性仍优待改进。 1 2 信号场强预测算法及研究现状 从七十年代开始，国内外对电波传播预测的研究工作就广泛展开，并建 立了很多分析模型。这些方法采用数学公式来描述信道模型，这些数学公式 是在对各种传输环境中信号场强的大量实测数据进行分析和归纳的基础上推 导出来的，在不同的情况需要采用合适的数学传播模型。世界各国的科学家 对电波传播模型进行了深入的研究，建立了适合不同传输环境下的电波传播 模型：美国陆军部丌发的r o a d 模型【1 2 i 、移动通信中广泛采用的o k u m u r a h a t a f 2 ”模型、美国电磁兼容中心开发的e c a c 模型m 】、加拿大的p a l m e r 模 型、适合市郊环境的m u r p h y 模型和适于小区制的射线跟踪模型等。 根据辐射源的覆盖范围，电波传播预测模型可以分为大区模型、小区模 型、微小区模型。大区模型应用最多的是o k u m u r a 方法，但这种方法有一 些缺陷，后来对其加入了一些修正因子，o k u m u r a 模型的预测精度得到提 高，适用范围也更广。此外还有其他的一些大区预测方法，比如l e e 方法 8 1 ，e g l i n 方法等。各模型都有各自的适用场合，基本上都是由经验公式和 误差修j 下数据组成。 在早期的移动通信系统采用的就是大区制的场强覆盖区，这种系统的设 计目标是实现最大可能的覆盖范围，要求在该范围内接受功率与背景噪声相 比足够强。这种区制的系统设计比较简单，只要将发射天线架设在一个高大 建筑物或塔顶，并发射最大可能的功率就可以了，考虑的因素包括地球曲 率、大气折射及大范围的地形特征。显然，必须要了解区域内电波的传播特 性，并且这种大区制的系统有很大局限：覆盖范围有限、系统容量有限、系 堕! ：堡些三奎兰二兰堡! ：兰竺鎏苎 统设备受限。 图1 i 大区制及蜂窝通讯系统 f i g u r e1 - 1m i c r o e e l l sa n dm i c r o c e l lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 为了提高覆盖区内的系统容量以及有效利用频率资源，提出了小区制 ( c e l l ) 蜂房结构的概念，如图1 1 所示。小区制将一个大区覆盖的区域划分成 若干小区，在每个小区中设立基站，与用户移动台间建立通信。这样由若干 小区构成的通信系统的总容量得到了提高。因为这种结构酷似蜂房，所以将 小区制移动通信系统叫做蜂房移动通信系统。 现代移动通讯系统在系统容量与频率资源的利用得到改善的同时，传统 的基于实测统计的电波传播预测方法由于小区之间失去统计相似性而不再准 确。这就需要一种相对精确得d p m 方法来分析微小区中的电磁环境及其传 播特性，射线跟踪模型就是在此需求背景下产生的。 小区环境中电波传播预测理论模型主要有射线跟踪方法、m e i ( m e a s u r e de q u a t i o no fi n v a r i a n c e ：不变性测试方法) 和f d t d ( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o d ：时域有限差分法) ，计算量太大，而m e i 方 法的计算量虽然较小，但目前只用于二维的预测计算。而且这两种方法很难 堕堡堡些三查兰三兰堡：兰竺堡三 求出微小区两点之间的所有的传播路径，而在忽略幅度较小的传播路径的情 况下，射线跟踪方法可以跟踪每一条射线的传播轨迹。 射线跟踪法是从源辐射出来的波看作一条条射线，然后跟踪每一条射线 的传播轨迹，直到射线所携带的能量变得很小，可以忽略或者射线到达接收 点为止，由跟踪的结果决定射线是舍弃还是计算入最终的计算结果。射线跟 踪方法通常包含几何光学跟踪和几何绕射跟踪两大类型，前者用来跟踪反射 线和折射线，后来用来跟踪绕射线。对于几何绕射跟踪而言，一般采用 u t d ( u n i f o r mg e o m e t r i c a lt h e o r yo f d i f f r a c t i o n 一致性几何绕射理论) 方法 来计算绕射场。而对于几何光学跟踪而言，目前国际上已经出现了不少跟踪 方法，如传统的镜像法、极小光程法、测试射线法、发射反弹射线法和确定 性射线管方法等等。 基于g i s 的电波传播预测系统是以地理信息系统为手段，利用电波传 播预测可对无线电资源包括台站资源，频率资源等进行信息化管理。在电波 传播预测g i s 系统中，电波传播预测与分析是进行各种分析的基础，而地 理信息系统及其提供的准三维数字化地图则是主要得信息来源【5 】。 国外的研究人员目前已经在比较完整的三维数字化城市地形数据库的基 础上开发出了比较稳定的基于射线跟踪算法的电波传播预测g i s 系统。美 国、德国以及西欧其他国家的此方面发展得比较好，这些发达国家的一些研 究单位在已有射线跟踪算法研究成果的基础上开发多种实用的商业化专业软 件包，如f a s p r o 、a e r o t e c h t e l u b 公司的w r a p 和e d x 公司的s i g n a l p r o 等。这些软件能够方便快捷的对城市小区电波传播进行预测，可以较好的解 决城市小区中的电磁波传播问题。国内，国家无线电管理委员会和部分省市 的无线电管理委员会近几年一部分实现信息化，基于g i s 的电波传播预测 系统也在各种规划和管理中得到应用，但总体应用水平还不高。其中国家无 线电管理委员会的地理信息系统是基于m a p i n f o 数据格式的电子地图，正在 建设之中。九十年代以来，跟随国外在这方面的研究进展，在国内许多研究 机构也丌展了一些射线跟踪方法的应用研究工作，取得了一些成果，发表了 不少文献，但缺乏系统性的研究应用，尚没有推出较好应用软件包，与世界 水平仍有较大差距。这与我国当前信息行业的迅猛发展是相矛盾的。 1 3 课题来源 本课题为黑龙江省测绘局地理信息中心预研内容。 哈尔滨理t 大学t 学硕i 学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文对基于地理信息系统的信号场强预测算法进行了研究和应用，主要 包括以下几部分： 1 由于电波传播环境的复杂性，很难用统一的算法或数学模型来对各 种电波进行准确的传播预测。因此对已有不同模型进行了研究，在深入探讨 各种传播预测模型的基础上，分析了不同模型的特点和适用范围。 2 微蜂窝小区半径的不断减小，使得射线跟踪预测方法很适合用来进 行信号传播的计算机分析。但通常情况下使用射线跟踪预测方法需要很大的 计算量，本文对如何减少算法的计算量进行了研究，通过研究发现，射线跟 踪方法的计算大多数都花费在测试哪些建筑物对射线传播有影响。要提高射 线跟踪的运算速度，最重要的是排除那些对射线传播没有贡献的建筑物，这 样减少了需要考虑的建筑物之后，计算量就将大量减小。基于这个思想，本 文提出了改进的算法。在此算法中，反射源和绕射源与辐射源一样被同等对 待，通过确定反射源、绕射源的有效区域，依次找出有效区域内对射线传播 可能有贡献的反射面和绕射点，并以此建立数据树结构。由数据树结构，可 以得到射线的传播路径，求出所有到达场点的射线路径后，就可以求出所有 射线在场点处合成的总场。这样的树结构代表了整个传播路径，直接对数据 源树结构进行遍历就可以得到所有的传播路径运算更加方便，效率随之提 高，对算法进行了优化。 3 本文总结了电波传播模型在信号强度预测g i s 系统中的应用情况， 并且讨论了射线跟踪模型应用在无线电管理g i s 系统中的可行性。建立在 精确的环境数据资料基础上的大规模数据库是射线跟踪方法应用在无线信号 预测g i s 系统的前提条件。在最后，本文研究和分析了适用射线跟踪模型 的信号场强预测g i s 系统的建筑物存储格式。 哈尔滨理t 人学t 学硕 。学位论文 第2 章信号场强预测模型 用计算机辅助系统来预测基站的电波传播进而分析干扰问题和覆盖区域 已成为一种趋势。计算机辅助的电波传播预测系统一般是基于一种或几种场 强预测方法来进行计算的，这些预测方法采用数学公式来描述信道模型，而 这些数学公式是在对各种传输环境中信号场强的大量实测数据进行分析和归 纳的基础上推导出来的。因此，不同模型有不同的特点和适用范围，在不同 的环境应要采用相应的数学传播模型。 2 1 概述 在确定无线系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时，无 线电传播损耗是一个关键参数。无线通信系统若不进行科学的频率指配和严 格的系统设计与场强预测，甚至会使系统之间产生严重干扰而不能正常工 作。为了保证无线通信用户的通信质量，确保无线电波发射的覆盖服务区和 电波传播的可靠程度，必须仔细地计算从接收天线到发射天线之间的传播损 耗。理论上讲，在自由空间无线电波的传播损耗大小与传播距离的平方及使 用频率的平方成正比关系，但是在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围 和无线电干扰影响范围时，同时还要考虑在传播路径上存在着各种各样的影 响，如高空电离层影响，高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面 的影响等因而电磁波具有反射、绕射、散射和波导传播等传播方式。在研 究电磁波传播特性时，通常以数学表达式来描述这些传播损耗特性，即所谓 的数学模型。无线电磁波传播模型通常是很复杂的，必须对不同的频段使用 不同的电磁波传播模型，以预测发射台覆盖和传播场强。 电波的传播特性对系统的影响也是至关重要的。对于电波传播特性预测 方法的研究由来已久。最初，基于大区制的原因，采用的是基于测量数据的 统计方法。随后，由于区域的变小，有了基于特定位置( s i t e s p e c i f i c ) 的预测 方法。如不变性测试方程法( m e d 、时域有限差分法( f d t d ) 1 4 4 1 及用射线跟踪 技术( r a y t r a c i n g ) 结合几何绕射( g t d ) 、一致性绕射( u t d ) 论等方法。传 统的统计方法是基于大量的测量数据，由测量数据出发，建立相应的计算模 型进行计算。在计算过程中还需要用测量数据来修正。由于是基于测量数据 的，这种模型的适用范围很窄，对于不同的环境需要建立不同的模型，例如 哈尔演理t 大学t 学硕 学位论文 可分为宏区模型、微区模型以及室内模型。具体来说，就是由这些模型来估 计小区内的路径衰减特性、多径到达分布等等，例如，通过测量发现，对于 被周围建筑物严重阴影的区域，其快衰落为瑞利( r a y l e i 曲) 分布，而对于存 在一条对接受电压有突出贡献路径的场所，其为典型的r i e a n 分布。基于实 测统计的方法包括了对基站天线高度、频率、建筑环境、地形地貌等因素对 接受信号距离关系及快衰落和慢衰落的影响等等一系列研究。这种纯经验的 方法有着极大的缺点： 1 由于这种方法是基于特定环境的测量数据，所以一个计算模型只对应 一个特定环境，而无法应用于其他环境。例如，对于一个由东京的测量数据 得出的计算模型，我们不能保证其在其他城市一样有效。 2 这种方法是统计的，是基于大量的统计群体的，只能做一般情况下的 计算，而不能对特定情况计算。例如，不能用来计算一个特定基站下的区域 的情况。 3 这种方法只能用来计算传播特性中的某一种特性。例如，由区域内场 强的测量数据建立的计算模型就只能对区域的场强进行计算，而无法对其多 径效应进行计算。 f d t d 算法尽管计算比较简单易行，但是由于微小区、微微小区尺寸太 大，导致计算量太大，故目前仅对一些小的、简单的模型进行计算，实用性 不大。m e i 算法的计算量虽较小，但这方面研究并不多，目前文献多为进 行二维预测。并且，它只能计算场强大小，无法得出其多径的结果。而当前 数字通信的发展、研究表明对数字移动通信影响较大的数字信道特征参数 为：多径传播路径损耗( 可用信号幅度表示) 、多径传播的时间延迟扩展和 多普勒频谱扩展。同模拟信号系统相比较，数字信号系统对信道的要求更 高，它不仅对信噪比有要求，而且要求多径效应也要满足一定条件。也就是 说数字信号系统对多径效应的影响更为敏感，因为多径效应造成码问干扰， 产生误码，而有时误码是不可修复的。并且，数字信号系统对信噪比要求不 高。因此，多径效应对数字信号系统的影响要比信噪比的影响大。所以，要 使预测结果能用于分析微小区移动通信系统，例如分析其误码率，就要求预 测结果能用于对其信道进行较全面分析。并且，随着区域划分的越来越小， 小区间的统计相似性的丢失，这种纯经验的方法便不实用了。它们在对特定 位置电磁传播特性的研究中有先天性不足，故对于这两种方法在传播预测中 的应用比较少。 哈尔滨理t 大学t 学硕i 学位论文 2 2 信号场强预测模型 近年来，随着移动通信的发展，频谱资源越来越有限，对系统容量的要 求越来越高，微蜂窝、微微蜂窝系统由于采用了频谱复用技术而得到广泛应 用，这些系统的小区半径小于一千米，至此，微小区之间的统计相似的关系 丢失，从而使传统的统计方法失效。 对无线信号场强预测的研究，发展的趋势从奥村模型等适用于大区制的 经典经验模型( c l a s s i c a le m p i r i c a lm o d e l ) 至0 目前适用于微蜂窝移动通信网而 流行的射线跟踪法等等，并在不断地创新。例如，从预测算法看，在预测算 法研究的初期，基于实测统计的预测模型( s p m ：s t a t i s t i c a lp r e d i c t i o nm o d e l ) 是占主导地位的，但发展到现在，依赖于三维或准三维数字化地图的精确预 测模型( d p m ：d e t e r m i n i s t i cp r e d i c a t i o nm o d e l ) 已被成为广泛研究的重点。 2 2 1s p m 方法 利用s p m 进行计算机场强预测的方法，通常可分为以下三类： 1 纯经验模型预测法 先建立地形地物数据库，然后利用各种已有的电波传播预测模型( 例如 奥村模型) 估算各条件传播路径上的场强，进而画出中值场强等值线的分布 图。此种方法由于是用模型预测值来代表真实场强数值的，因此技术简单， 容易实现，但精度不会很高。 2 实测模型预测法 需要建立部分传播路径实测场强的数据库和全部传播路径地形地物的数 据库，并在传播理论的指导下将两者结合起来，针对特定城市传播环境的预 测模型，来计算所有路径的场强分布，并画出场强的等值线图。 出于此方法是以建立对某特定城市传播环境完整的预测模型为基础的， 因此预测的精度相对较高。但需要的工作量比较大，实现起来比较困难。 3 修证经验模型的预测法 此种方法是先建立传播路径的地形地物数据库，并利用已知的预测模型 对若干典型路径建立初测场强数据库，以及根据实测典型传播路径的场强建 立实测场强数据库等，然后对初测和实测场强的数据进行比较和修正已知的 经验预测模型参数，进而计算出所有路径的场强并画出等值线分布图。 因为这类技术是基于实测、初测的场强去修正已知经验预测模型参数 的，而不是从头做起建立整个预测模型，所以工作量适中。由此可以对新模 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 型作进一步的预测及利用实测数据对经验预测模型参数进行修正，进而达到 可接受的精度。 2 2 2d p m 方法 在利用d p m 进行计算机场强预测的过程中，所采用的射线跟踪法与一 致性绕射理论( u t d ) 相结合的场强预测技术，在覆盖小于l k m 的微蜂窝移动 通信网中得到了广泛的应用，因而受到了格外的关注。特别是在如此小的微 蜂窝覆盖区内，建筑群又通常分布不均匀，高矮、结构均有不同，而射线跟 踪法却能找出电波传播的主要路径。因此在小区建筑物模型精确完备和算法 简化程度得到有效控制的情况下，是能获得比s p m 更高的预测精度的。 然而，射线跟踪法与一致绕射理论相结合的场强预测技术，不能避免一 般d p m 方法所具有缺点，即计算量巨大。特别是随着预测区内物体数目的 增加，计算的复杂度会以指数级的数量增长。尽管有许多对射线跟踪法进行 优化和简化的技术被提出来( 如：可见物体列表生成法，菲涅耳区限制，建 筑物结构简化原则，建筑群的层次式盒式结构表示法和八叉树结构表示法 等) ，但计算耗时这一缺点还是大大限制了射线跟踪法在工程中的应用。特 别是在移动通信工程中常常需要对大量的小区进行覆盖预测，如预测耗时过 多，就会使预测变得不那么实用。 综上所述，经典的s p m 精度有限，而且已经不太适用于小区制移动通 信网采用，而d p m 虽然可以有较高的精度，但成本却比较高，计算速度也 比较慢，还需要三维数字地图的辅助，这是很困难且成本很高。 2 3 几种基于实测统计的s p m 模型 2 3 10k u m u r a - - h a t a 模型 o k u m u r a 模型为预测城区信号时使用最广泛的模型，它是奥村等人在东 京近郊用宽范围的频率，几种固定基站天线高度，几种移动台天线高度，以 及在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信号强度。然后，形成一系 列曲线，但由于使用起来不方便，因此h a t a 根据奥村在东京郊区测得的数据 进行曲线模拟和得出了一些经验公式。 厶9 = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 0 9 , o 一1 3 ，8 2 l o g , o f 一一( )、 + 【4 4 9 6 5 5 l o g h j d g l 。d d 6 一d 。 p 1 j 喻尔滨理t 大学t 学碗：卜学位论文 在( 2 1 ) 式中： 厶：城市路径损耗( d b ) ，为发射功率与接收功率之差 眈d 。：基站和移动台天线的增益( d b ) ，：工作频率( m h z ) ，介于1 5 0 m h z 和1 5 0 0 m h z 之间 d ：基站和移动台之间的距离( k m ) ，介于l k m 和2 0 k i n 之间 ：基站天线的高度( m ) ，介于3 0 m 和2 0 0 m 之间 k ：移动台天线的高度( m ) ，介于l m 和1 0 m 之间 a ：与h 。，f 和城市规模有关的参数( d b ) 1 中小城市，建筑物平均高度小于1 5 m ，厂= 1 5 0 1 5 0 0 m h z a = 1 1 l o gj o f 一0 7 协- 【1 5 6 1 0 9 l o f 一0 8 】 ( 2 2 1 2 大城市，建筑物平均高度大于1 5 m ，厂1 5 02 0 0 m h z a = 8 2 9 l o g l o 1 5 4 】 2 一1 1 0( 2 3 ) 3 大城市，建筑物平均高度大于1 5 m ，f = 4 0 0 1 5 0 0 m h z a = 3 2 l o g , o 11 7 5 h 】) 2 4 9 7 ( 2 - 4 ) 4 在郊区，路径损耗厶可以修正为 。= 上，一z ，。g ，。( 丢 2 一s 。 c z s ， 5 在农村地区，路径损耗可以修正为 l i n = l s q - 4 ，s 7 ( 1 0 9 l o f ) 2 - 1 8 3 3 1 0 9 l o f 一4 0 9 8( 2 - 6 ) o k u m u r a h a t a 模型为成熟的蜂窝和陆地移动通信系统路径损耗预测提供 最简单和最精确的解决方案。该种模型的缺点是对城区和郊区快速变化的反 应较慢，没有考虑地形的具体轮廓，即忽略了绕射的作用，所以随着地形复 一杂度的提高，预测准确性急剧下降。 2 3 2 c o s t 2 3 1 一w a l f i s h i k e g a m i 模型 欧洲研究委员会c o s t 2 3 1 提出了一种新的预测模型：c o s t 2 3 1 模型，它 哈尔滨理t 大学t 学硕j 。学位论文 考虑了自由空间的路径损耗、绕射损耗以及由建筑物边缘引起的附加损耗， 这个模型是w a l f i s h 模型和i k e g a m i 模型”的结合，它将应用范围推广至低基 站天线所发电波在街道上作视距传播的情形。 c o s t 2 3 1 w a l f i s h i k e g a m i 模型适应范围： 工作频率厂：8 0 0 m h z s 厂玉2 0 0 0 m h z 基站和移动台之间的距离d ：2 0 k m s d 5 0 k m 基站天线高度h b ：4 m h b 5 0 m 移动台天线高度h 。：l m h 。3 m 视距传播时的路径损耗： 厶= 4 2 6 + 2 0 l o g , o f + 2 6 l o g l o d ( d b ) ( 2 - 7 ) 非视距传播时的路径损耗： 在非视距传播时路径损耗主要由自由空间传播时的路径损耗巧、电 波的多屏损耗和电波经屋顶至街道的绕射和散射损耗工三项组成。即： 岛= 厶+ 上刎+ 三“ ( 2 8 ) 1 自由空倒传播时的路径损耗 历23 2 4 5 + 4 5 + 2 0 垤i 。厂+ 2 0 垤i 。d ( d b ) ( 2 9 ) 2 电波的多屏损耗 钿= l b , h + k a + k j l o g i o 卜k d l 弧o g i o d - 00 蚴 ( 2 - 1 。)上“，h。r00矿 ( 2 1 1 ) 6 ，。吖l 、 式中h 为建筑物顶高度( m ) 。 瞄表示为当基站低于周围建筑物屋顶时路径损耗的增加： f5 4 ( d b ) h 。 瑚， 乜= 5 4 - 08 h a 一 刖，】( d b ) h a 脚，d o 5 k m ( 2 1 2 ) 【5 4 0 s h 一 叫】( d b ) h 岫，d h,oo,r-4+07f925-1孔? 。， k ；= ；中等城要蠹詈喜；：! i ： 。 3 电波经屋顶至街道的绕射和散射损耗电波经屋项至街道的绕射和散 射损耗为： k p “ 1 0 垤m + 1 o 址l o g , o l 。岍叫儿。哟) 式( 2 1 4 ) d pw 表示街道宽度( m ) ，表示考虑街道走向的经验修正因子， 定义为： 0 。s 妒3 5 。1 3 5 。s 伊s5 5 。 ( 2 1 5 ) 5 5 0s 舻9 0 0 l 式( 2 一1 5 ) 中伊为电波入射角的余角。 注意，如果等参数未知，则建议采用下列数据： b = 2 0 5 0 m ，w = b 2 ，妒= 9 0 “ ，n 州= 3 楼层数+ 屋顶高度 、 如果是尖屋顶，屋顶高度取为3 m ；如果是平屋顶，则取为0 m 。 c o s t 2 3 1 一w a l f i s h i k e g a m i 模型已被证实适应于9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 频 段的频率以及无线电路径长度从1 0 0 m 左右到3 k m 。但由于该模型中的参数 b ，w ，伊并没有按照对微蜂窝小区有实际意义的方法来考虑，因此对微蜂窝的 预测误差可以是相当大的。 2 3 3 对数距离路径损耗模型 研究表明，无论室内或室外信道，平均接收信号功率随距离的对数衰 减。而室内路径损耗遵从公式： 儿= p l ( a o ) + ，。一切。( 罢 + 以c a b ， c z 一， “ r 一 巧 茸吣 一撕们 k 堕查堡竺三奎兰三兰竺! ：兰堡篁三 式( 2 1 7 ) 中，n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率，它 依赖于周围环境和建筑物类型。以为近地参考距离，e l ( d 0 ) 为参考路径损 耗，山测试决定；d 为收发天线之间距离。鼻表示标准偏差为盯的正态随 机变量，考虑环境杂乱因子。几种视距和非视距情况的室内环境，且对每种 情况从测量数据获得不同频率的数值。对9 0 0 m h z 和1 4 0 0 m h z 之间的几种 频率，n 值在1 6 和3 3 之间变化，盯值在3 0 和1 4 1 之间变化。由于该模 型的简单性，因此已经广泛地用于室内环境的路径损耗预测。并且该模型可 用于无线系统设计和分析过程中，对任意位置接收功率进行计算机仿真。 上述统计型电波传播模型大多是用经验公式或曲线表示，使用简单。在 这些模型中路径损耗公式一般只有收发天线的高度、它们之间的距离、工作 频率以及一些与环境有关的修正参数等因子。对于一些复杂的传播环境，路 径损耗很难用某一具体公式表示，许多学者用实验的