（信号与信息处理专业论文）反演传播模型理论研究和网络规划系统软件设计.pdf

摘要 摘要 随着移动通信业务量的飞速增长，对于不断扩容的移动通信网络而言，网 络通信质量保证依赖于合理有效的小区覆盖，而实现合理有效的小区覆盖控制， 全面深入地理解无线信号传播行为进而实现较高精度的电波传播预测模型是关 键的环节。正是在这一技术背景下，作者选择无线通信网络覆盖预测这一理论 与应用紧密结合的课题作为本论文的研究方向，据此开展相关的研究工作。 本文在系统的介绍了电波传播的理论和传播机制的基础上，详细讨论了陆 地移动通信系统中常用的几种电波传播路径损耗预测模型，并分析指出了这些 传播模型对于无线电波传播特性研究的局限性。以此为基础将本文的主要研究 工作集中在如下几个方面：完善了基于反演模式的电波传播模型的基本原理、 建模、求解和覆盖重建方法。提出了对基于反演模式电波传播模型的修正方法 并进行了对比验证。将基于反演模式的电波传播模型应用于室内无线环境覆盖 预测。研制和开发了基于反演模式电波传播模型的网络规划系统软件。 本文研究工作的主要贡献和有所创新的成果如下： ( 1 ) 系统的完善了基于反演模式的电波传播模型的基本原理、建模、求解和 覆盖重建方法。提出了采用天线高度和先验知识对模型进行修正的方法。 并且在运营中的移动通信蜂窝网络中，对模型以及修正后的模型进行了 对比实验。结果表明，该模型具有较高的覆盖预测精度，本文提出的修 正方法能够有效的对模型进行修正，进一步提高了覆盖预测精度。 ( 2 ) 尝试将应用于室外移动通信网络覆盖预测的基于反演模式的电波传播模 型应用到室内无线局域网覆盖预测中。实验结果表明这种模型在应用于 w i f i 网络覆盖预测时，预测误差的标准差一般在8 1 0 d b m 。这表明，室 内无线环境具有自身的特点，将该模型应用于室内环境预测还需进一步 研究。 ( 3 ) 设计实现了基于反演模式电波传播模型的网络规划系统软件平台；以进 一步推动对基于反演模式电波传播模型的研究向更深层次发展。 关键词：基于反演模式的电波传播模型；覆盖预测；网络规划系统 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s s d e v i c e t e c h n o l o g y t h e b u s i n e s si n m o b i l e - c o m m u n i c a t i o ni n c r e a s e dr a p i d l y a st ot h ew i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r k s ， w h i c hi se x p a n d i n gc o n t i n u o u s l y ，e f f e c t i v ec o n t r o l l i n gi nt h ec e l l u l a rc e l l s c o v e r a g e i st ob ev e r yi m p o r t a n tt ot h eq u a l i t yo fs e r v i c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e p r e d i c t i o no fc e l l sc o v e r a g ei s ac r u c i a la n df u n d a m e n t a lt a s ki n d e s i g n i n ga p r a c t i c a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k t a k et h i sb a c k g r o u n da st h ef o u n d a t i o n , t h ea u t h o r c h o s et h e c h a n n e l m o d e l i n g f o r t h er a d i o p r o p a g a t i o n ，w h i c h i sa n a p p l i c a t i o n - o r i e n t e ds u b je c t ，a st h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h et h e s i s ，a n dc a r r i e do u t t h ec o r r e l a t i v ew o r k s s e v e r a lk i n d so ft r a d i t i o n a lp a t hl o s sp r o p a g a t i o nm o d e li nl a n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no f w a v ep r o p a g a t i o nt h e o r ya n dm e c h a n i s m ，as y s t e m a t i cr e s e a r c hi nl o c a l i z a t i o no f t h e s em o d e l sw a sc o n d u c t e d t h em a i na s p e c t so ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ：t h eb a s i cp r i n c i p l e s ，m o d e l i n g ，s o l v i n g ，a n dc o v e r a g er e c o n s t r u c t i n g m e t h o do ft h ei n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e lf o rp r o p a g a t i o nl o s sw e r ec o n s u m m a t e d ；a c o r r e c t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e da n dt h er e s u l t so fv e r i f i c a t i o nw e r ec o m p a r e d ；w e a l s oa t t e m p t e dt oa p p l yt h ei n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e li nt h ec o v e r a g ep r e d i c t i o no f i n d o o rw i r e l e s se n v i r o n m e n ta n dd e s i g n e dt h en e t w o r kp l a n n i n gs y s t e ms o f t w a r e b a s e do nt h ei n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e l t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n s u m m a t i n gt h e b a s i cp r i n c i p l e s ，m o d e l i n g ，s o l v i n g ，a n d c o v e r a g e r e c o n s t r u c t i n gm e t h o do f t h ei n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e lf o rp r o p a g a t i o nl o s si n t h ec e l l u l a r n e t w o r k s ；p r o p o s i n g ac o r r e c t i o nm e t h o d u s i n ga n t e n n a h e i g h ta n dp r i o r ik n o w l e d g ea n dv e r i f y i n gt h ec o r r e c t e dm o d e lc o m p a r e d w i t ht h eo r i g i n a lm o d e li nt h eo p e r a t i n gg s mn e t w o r k s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e o r i g i n a l m o d e lh a sh i g h e r p r e d i c t i o na c c u r a c y i nt h e c o v e r a g ep r e d i c t i o na n dt h ec o r r e c t i o nm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yo p t i m i z et h e m o d e lt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fc o v e r a g ep r e d i c t i o n ( 2 ) a t t e m p t i n gt oa p p l yt h ei n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e li nt h ec o v e r a g ep r e d i c t i o n 1 i i a b s t r a c t o fi n d o o rw i r e l e s sl a ne n v i r o n m e n t ，w h i c hw a su s e dt o a p p l y i n gi nt h e o u t d o o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o v e r a g ep r e d i c t i o n t h ee x p e r i m e n t i m p l e m e n t e di nt h ew i f iw i r e l e s sn e t w o r k ss h o wt h a tt h es t a n d a r dd e v i a t i o n o fp r e d i c t i o ne r r o ri s8 10 d b m ，w h i c hi m p l yt h ei n d o o rw i r e l e s se n v i r o n m e n t h a si t so w nc h a r a c t e r i s t i c sa n dm o r er e s e a r c ho fi n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e li n t h ei n d o o rw i r e l e s se n v i r o n m e n tw a sn e e d e di nt h ef u t u r es t u d i e s ( 3 ) b a s e do nt h ei n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e l ，d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gt h e n e t w o r kp l a n n i n gs y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r mi no r d e rt op r o m o t et h es t u d i e so f i n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e lt oad e e p e rl e v e li nt h ef u r t h e r k e yw o r d s ：i n v e r s ep r e d i c t i o nm o d e l ；c o v e r a g ep r e d i c t i o n ；n e t w o r kp l a n n i n gs y s t e m 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我二一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：习杨 签字日期：矽7 年，z 月岁。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：习杨 导师签名( 手写) ：) 签字日期：加叩年7 狷歹。日签字日期：寺1 年。月沁日 第1 章引言 1 1 课题背景和意义 第1 章引言 移动通信是当今通信领域中最为活跃和发展最为迅速的领域之一。随着社 会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。移动通信 的发展历程，可追溯n - 十世纪2 0 年代【l 】。到6 0 年代末、7 0 年代初开始出现第一 个蜂窝( c e l l u l a r ) 电话系统，并在8 0 年代初开始真正的运营试验，实现了真正意义 上的蜂窝移动通信。在此基础上二十世纪9 0 年代初各国又相继推出今天称为第 二代( 2 g ) 数字移动通信系统【2 】。如今，全球移动通信产业正由第二代移动通信系 统向着第三代( 3 g ) 移动通信系统转变，这种转变不再仅局限于无线接入技术的革 新，而是与服务需求，服务提供，用户期望等各个方面的发展紧密相关。2 0 0 1 年1 0 月1 日，日本移动通信公司开通了全球第一个3 g 服务。其后欧洲各国也加紧 3 g 的开发和运营工作。在国内，2 0 0 8 年4 月1 日中国移动通信集团公司在北京、 上海、天津、沈阳、广州、深圳、厦门和秦皇岛8 个城市，启动第三代移动通信 ( 3 g ) “中国标准 t d s c d m a 社会化业务测试和试商用。标志着我国第三代移 动通信( 3 g ) 标准t d 的商业化应用正式开始。 在移动通信技术高速发展的背景下，任何一个移动通信网络在组网之初， 都必须对整个网络的组成进行合理的规划，在保证服务质量的同时尽量的降低 组网成本，并且是一个反复迭代，直至网络目标达到的过程。文献 3 】中提出了 一种集成网络规划的方法，在移动通信网络规划实践基础上提出了一些新的观 点如：业务密度不能假定为均匀分布；无线传播也不能假定为均匀分布；基站 位置不能随意选取；业务区域通常情况下需要考虑边界。文献 4 】中也讨论了无 线网络规划的一些实践，并在规划中引入了服务质量( q o s ) 要求所带来的影响， 还提出了小区裂变的思想。 目前蜂窝移动通信网络规划的趋势为规划综合。如利用代价函数取得最小 执行代价的同时提供最大小区覆盖【5 l 。这种方法需要考虑天线方向、扇区数目以 及下倾角的大小。而代价函数则可以使用神经网络来获得【6 】。此外还可以利用遗 传算法进行网络规划综合【| 7 8 l ，这类方法最大的问题在于基站的位置受到实际条 第1 章引言 件限制，因此在实际规划中还要考虑诸多限制条件。一个详细的无线网络规划 流程如图1 1 所示，从此框图上来看，对于无线传播信道的充分了解以及信道行 为的准确预测是进行网络规划与优化的基础，因为电波传播的许多特性都影响 到移动通信系统的容量和性能，必须依赖于对电波传播物理特性的理解进行预 测，以获得实际环境下有关电波传播规律的参数，作为蜂窝移动通信网络规划， 优化、调整和扩容的基础性参考数据。 覆盖规划与位 置选取 业务分部 服务分布 传鳓覆| _ 二叫 系统特征 盖预测 - 卅 小矾1 叮阻 位置甄别与覆 盖优化 外部干扰分析识 别适应 参数规划 特殊区域 切换机制 最大负载 图1 1 无线网络规划详细流程图 网络规划中的主要参数如，干扰余量和切换因子与无线覆盖预测的准确性 有着紧密的关联。因此在g s m 网络中，无线网络规划重点在于覆盖规划。而高 性能的3 g 网络必将能够灵活的承载和复用大量语音和数据业务，以及从低速到 高速的固定和可变速率数据业务，还能有效的支持i p 业务。这需要一整套无线链 路层模式从而保证从宏小区到微微小区以及室内等多种环境下都能实现很好的 频谱利用率。而这些性能的实现正是建立在对无线电波传播行为进行精确的预 测。所有c d m a 网络都在容量和覆盖、质量之间有一个内在联系1 9 1 。在w c d m a 网络中详细的网络规划不仅要对覆盖进行规划，而且更重要的是要对干扰和容 量进行分析，网络规划就是对受干扰影响的覆盖和容量进行不断研究及调整的 过程。因此如何准确的得到覆盖预测成为网络规划的一个成败的关键。这就需 要对设计工具和从运行网络及时反馈回来的信息进行进一步分析，使得传统的 “先覆盖再增容”的模式不再适用。取而代之的是在初期的规划中同时优化网 2 第1 章引言 络覆盖，但这种模式也增加了规划与优化的复杂度，需要更加高效与实时地分 析工具支持，同时也表明高精度的无线电波传播预测模型在蜂窝移动通信网络 规划与优化中具有重要意义。 此外近年来移动通信提供的移动定位服务l c s ( l o c a t i o ns e r v i c e ) ，或基 于位置的服务l b s ( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 发展迅速。并将为移动通信，g i s 、 g p s 等行业和技术开拓出极有前途新应用和新业务。如个人安全、紧急救助、电 子商务、出行和旅游以及娱乐等各项服务相关业务。移动通信网络运营商可以 通过移动位置定位可以帮助他们更好地监测网络运行状况，了解话务量的分布， 优化网络规划，协助移动用户的越区切换。更为重要的是，移动位置服务本身 构成了一个业务平台，它能帮助移动用户定制各类与位置相关的服务，这无疑 会为移动通信网络运营商找到更多的经济增长点，增强其竞争力。移动用户则 可以在原有的话音服务之外，获得与个人安全、紧急救助、电子商务、出行和 旅游以及娱乐等各项服务相关的业务。 在无线网络定位中，人们已经提出了各种各样的解决方案。使用最广泛的 方法是通过测量基站和移动设备之间的一些通信参数来估计移动设备的位置， 如到达时间( t o a ) ，到达角( a o a ) ，到达时间差( t d o a ) 1 0 , 1 1 】或者接收信号强度 ( r s s ) t 1 2 】。其中接收信号强度( r s s ) 参量是所有无线通信网络中都可以获得的参 数，并且不需要增加额外的硬件设备获取此参量。因此使用r s s 参量进行移动设 备位置的估计成为实现成本最低的定位方案。这一方案一般采用电波传播模型 来对整个区域进行覆盖预测，在得到较为精确的覆盖预测结果的基础上再通过 定位算法进行定位。但是由于无线环境的差异性与电波传播机制的复杂性因此 这一类方法的定位精度完全依赖于电波传播模型的预测结果，要想取得较为满 意的结果就必须找到一个高精度的无线电波传播损耗预测模型。 1 2 国内外研究现状 众所周知，无线信道是移动通信系统必不可少的组成部分。因而对无线信 道的研究是移动通信网络规划的基础。掌握电波传播特性是对任何无线网络规 划提供合理设计、部署和管理策略的基础。在实际工程应用中，由于无线信道 的特性使得无线网络比有线网络复杂得多。电波传播与特定的环境密切相关， 并且会根据地形、工作频率、移动终端的速度、干扰源和其它动态因素发生明 3u 第1 章引言 显的变化。通过主要参数和数学模型对无线信道特性的准确描述，对于预测信 号的覆盖范围、可达到的数据速率、可选信号的特定性能属性和接收方案、分 析不同系统的干扰和决定基站天线安装的最佳位置都是十分重要的【1 3 】。 对于电波传播特性预测方法的研究由来己久，传统研究主要集中于对给定 范围内平均接收场强的预测，和对特定位置附近场强的变化。对于预测平均场 强并可用来估计无线覆盖范围的传播模型被称为大尺度传播模型，这是因为它 们描述的是发射机与接收机之间长距离( 几十米或几百米) 上的场强变化，与 之相对应，描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内的接收场强的快速波 动的传播模型，称之为小尺度衰落模型。其中大尺度传播模型主要包含了随距 离衰落和阴影衰落，体现了发射机在某一点上较长时间内缓慢变化的场强中值 或平均值。而对于通信网络来说，信号受到多径信道的调制，瞬时值起伏不定， 不适宜直接用作工程参数。因此在通常的覆盖预测模型中的预测参量为平均或 中值传播损耗( m e a no rm e d i a np r o p a g a t i o nl o s s ) ，即传播路径损耗预测模型。 较早的传播损耗预测模型是用于宏蜂窝的，采用的是基于测量数据的统计 方法建立传播损耗预测模型。随后，由于区域的变小，原有的统计模型越来越 不适用。针对这种情况，有许多人都在研究通过对原有传播模型的校正来获得 较为准确的预测模型。对传播模型的校正通常都有较强的针对性：根据环境、 建筑密集度的不同，需尽量细分成不同的种类进行校正【9 , 1 4 。一般情况下传播损 耗预测模型可粗略地划分为两种类型：经验( 统计) 模型，确定( 理论) 模型。 经验模型是源于大量的测量而得的一组方程式，简单而易于使用。对于与 做测量的地方有相同特点的环境，经验模型很精确。经验模型的输入参数通常 是定性的并不具体，如人口和建筑密集的城区，乡村地区等等。经验模型的一 个主要缺点是它不能原封不动地应用于不同的环境，甚至有时完全无法应用【l5 1 。 确定模型是基于麦克斯韦方程利用数字技术求解空间各点的电磁波传播特 征，缺点是巨大的计算量和对精确的环境数据库或三维电子地图的依赖，这对 于某些复杂环境是行不通的。 在众多经验传播模型o k u m u r a - h a t a 模型【1 6 】在实际工程中使用最为广泛， 并已经成为同其他模型进行参考比较的标准之一。可是，随着日益增长的话务 要求，开始出现微蜂窝或微微蜂窝移动通信系统，发射天线处在较低位置的情 况，这时用统计方式得到的经验模型就不再适用。随着网络的日趋复杂越来越 需要高精度的传播模型。近来有许多学者提出了各种基于特定位置的预测方法， 4 第1 章引言 如：时域有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n t i a lt i m ed o m a m f d t d ) 1 7 l 及用射线跟踪 技术【1 8 1 等方法以及基于实测数据和计算机层析技术的电波传播预测模型【1 9 圳1 。 目前发达国家的一些研究单位在已有国外对射线跟踪算法研究成果的基础 上已经开发成功了几种实用、方便、商业化的专业软件包，如f a s p r o ，c i n d o o r 和e d x 公司的e d xs 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，尤其是e d x 公司的 e d x s i 辨a l p r o 还能对一些信道参数进行分析【3 j 。 电波传播研究在我国虽然开始较早，但是大规模的开展，还是在1 9 5 6 年电 波传播研究列入了国家发展规划之后，特别是在1 9 6 2 年成立中国电波传播研究 所以后，电波传播研究得到长足的发展。多年来向i t u r 提供了几十个信道模型 的建议文稿，多数都被该委员会采用。近年来，城市移动通信网的建设蓬勃兴 起，电波传播界适时地提供了城市传播的预测模型，为我国移动通信网络的迅 速发展做出了贡献【2 2 j 。 近年来由于信道频域弥散、时域弥散以及空时域弥散概念的提出，特别是 采用空间分集技术的智能天线、宽带技术、和多输入多输出系统( m i m o ) 的引入， 除了常规的如路径损耗和延迟扩展等参数外，还需明确信号的空间传播特性、 散射体的空间分布、接收天线上多径分量来波方向角度分布等信息，所以信道 模型必然朝着空时域、空频域信道模型方向发展，以便利用智能天线和m i m o 系 统提高移动通信系统的容量，促进移动通信系统的快速发展。 1 3 本文研究内容 移动通信网络信号覆盖范围预测方法的研究，国内外都一直在进行，其趋 势从早期的适用于宏蜂窝的大尺度经验模型，到目前用于微蜂窝移动网络结构 的基于射线跟踪【l8 】的地传播预测方法，和统计几何模型，在移动通信应用需求 的推动之下不多发展变化。现已有众多的传播预测模型见于文献，其中有些被 实际用于移动通信工程。例如全世界得到广泛应用的o k u m u r a ( 奥村) 模型【2 3 j 等经验模型和用于微蜂窝和微微蜂窝的f d t d 模型1 。7 j 等确定性模型。其他一些电 波传播模型可参看文献【2 4 3 1 】。无论经验模型还是确定性模型都存在的局限性。 本文研究的内容来源于国家自然科学基金项目( n o 6 0 7 6 2 0 0 5 ) 移动通信系统 中基于反演模式的演进型传播预测模型所需解决的工程应用难点之一。主要 5 第1 章引言 应用基于反演模式的电波传播模型针对实际运营的g s m 移动通信网络和室内 w l a n 网络的覆盖情况进行研究，在总结前人工作的基础上，对基于反演模式 的电波传播模型的原理、建模、求解和覆盖重建进行了系统的归纳和完善，提 出采用发射接收天线高度和先验知识对原有模型进行修正的方法并将基于反演 模式的电波传播模型应用在室外蜂窝网络与室内w l a n 网络的覆盖预测中，取 得了一些的有实际工程应用价值的成果。 第二章介绍了移动通信系统的电波传播模型和理论，主要包括大尺度路径 损耗特性和小尺度路径损耗特性。对引起衰落的多径效应进行了解释。同时简 要介绍了目前所使用的传播路径损耗模型并进行了对比分析，为后面对基于反 演模式的电波传播模型的研究提供了理论依据。 第三章详细介绍了基于反演模式的电波传播模型原理。给出了模型建立、 求解和覆盖重建的详细理论方法和实现流程。并提出了通过天线高度和先验知 识对模型进行修的方法。 第四章通过在广东省珠海市的室外无线环境实验，对基于反演模式的电波 传播模型以及其修正后的模型进行了对比验证。并在江西省南昌市的室内无线 环境中对这一模型在室内无线覆盖预测中的性能进行了测试，并对预测结果进 行了分析。 第五章以m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 作为编程平台实现基于反演模式 的电波传播模型的网络规划系统软件平台。实现了对路测数据的有效管理、核 心覆盖预测算法的实现和扩展以及对覆盖预测结果的评价和存储等主要功能。 最后一章对全部研究成果进行了总结，并提出了今后研究工作目标和方向。 6 第2 章陆地蜂窝通信网电波传播机制 第2 章陆地蜂窝通信网电波传播机制 在陆地无线电通信中，虽然发射天线发出的信号功率是恒定的，但射频信 号通过空间传播到达接收点后，信号电平却可能是不稳定的、随时间变化的， 这种变化是不规则的、随机的，这种现象被称为衰落。接收信号衰落期间，在 绝大多数情况下，接收信号的电平都远低于自由空间接收电平p 。 衰落是无线电通信中一个重要的、严重的问题。为了保证在衰落期间能够 正常地通信，势必要大大提高通信设备的能力以弥补由于信号衰落而引起的数 十分贝的损耗。于是就必须加大发射功率、提高天线增益、甚至还需采用分集 措施等等。由此可知，电波传播引起的衰落现象对无线电通信质量、对工程实 施和设备研制的技术难度以及投资成本等方面都带来极大的影响。 移动通信网络信号覆盖范围预测方法的研究，国内外都一直在进行，其趋 势从早期的适用于宏蜂窝的大尺度经验模型，到目前用于微蜂窝移动网络结构 的基于射线跟踪的地传播预测方法，和统计几何模型，在移动通信应用需求的 推动之下不多发展变化。现已有众多的传播预测模型见于文献，其中有些被实 际用于移动通信工程。本章将在对电波基本衰落特征研究的基础上，简要介绍 目前使用的各种传播路径损耗模型，为之后的研究工作奠定基础。 2 1 陆地移动通信中电波传播基本衰落特征 大多数蜂窝无线系统主要工作在市区，发射机与接收机之间无直接视距路 径，由于高层建筑产生了强烈的绕射损耗。再加上，由于不同物体产生的多径 反射作用，经过不同长度路径的电波相互作用引起的多径损耗。以及，随着发 射机与接收机之间距离的不断增加而引起电波强度的衰减，构成了电波信号在 传播过程中衰减的主要因素。 对于传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测，和 特定位置附近场强的变化。对于预测平均场强并可用来估计无线覆盖范围的传 播模型，由于它们描述的时发射机与接收机之间长距离( 几十米或几百米) 上 的场强变化，所以被称为大尺度传播模型，另一方面，描述短距离( 几个波长) 7 第2 章陆地蜂窝通信网电波传播机制 或短时间( 秒级) 内的接收场强的快速波动的传播模型，称之为小尺度衰减模 型。图2 1 给出了一个室外无线通信系统的小尺度衰减和大尺度变化情况，从 图中可以看出，随着接收机的移动，信号衰落很快，但是随着距离的变化很慢。 下面我们主要分别讨论这两种类型衰落成因以及数学模型。 萎 ；如 鼻 i24li o舯s o l 蕊曩( 蛐 图2 1 某郊区地区中的信号在不同衰落尺度下的特征 大量的测量表明，接收信号的强度表现为三种变化的叠加，即距离关系、 阴影衰落和小尺度衰落。小尺度衰落( s m a l ls c a l ef a d i n g ) 主要是不同路径到达 接收点多个信号幅度与相位的相干叠加，交替地发生有益干涉和有害干涉，造 成接收信号的快速剧烈变化，其中还有一个主要因素是接收终端、移动台以及 周围环境的相对运动导致这种剧烈变化。阴影衰落是由于环境的随机性遮蔽造 成的，使得小区域内( 几十到上百个波长范围) 的平均信号强度或中值信号强 度以某种明显的随机方式发生变化。距离关系给出了信号强度的总平均值随距 离发射台变化的衰减规律，总的来说是由于电波在自由空间或不规则空间的传 播扩散而导致的能量密度衰减。接收信号强度的距离关系和阴影衰落都属于大 尺度衰落( 1 a r g es c a l ef a d i n g ) 。大尺度衰落代表了在大范围内移动时表现出的 平均信号功率损耗或路径损耗。大尺度衰落的统计特性提供了一种将路径损耗 表示为距离的函数的估算方法，这种方法用平均路径损耗( 或称距离衰落，遵 循n 次指数定律) 和阴影衰落的正态分布联合描述。 2 1 1 随距离衰落 8 第2 章陆地蜂窝通信网电波传播机制 基于理论和场强实测的分析结果都指出，在大的尺度上，平均接收信号 强度呈现出对数距离关系。在距离d 上，平均的大尺度接收功率可表示为 j 】 p r ( d ) o c ( 孚) 1 或磊( d ) = 磊( 磊) 一l o y l o g ( a a - - ) ( 2 1 ) “o“o 式中y 为损耗衰减指数，表明路径损耗随距离增长的速率；d o 为参考点与 发射天线之间的距离，该距离要保证处于天线发射的远场内，通常对室内天线 取么为l m ，对室外天线取玩为l o m 。 不同环境下的路径损耗指数是不同的。自由空间中的损耗指数由理论计算 指出为2 ，其它环境中的损耗指数具体数值由实测或理论估算给出。在某些限 定空间中，由于波导效应等，损耗指数小于自由空间中的2 ，这表明在这种情 况下平均信号强度随距离的衰减比自由空间中更缓慢。但是在大多数情况下， 有障空间( 不规则空间) 中电波的损耗指数都大于2 ，即使存在着直接的视距 传播，这与f r e s n e l 区的阻挡有关。表2 1 列出了不同的无线环境下典型的路径 损耗指数： 表2 1 不同的无线环境下典型的路径损耗指数 州：境路径损耗指数环境路径损耗指数 自由空间2建筑物内视距传播 1 6 1 8 市区蜂窝 2 每，3 5酱通建筑物阻挡4 “ 市区蜂窝阴影 3 5 ：厂建筑物阻挡 2 3 2 1 2 阴影衰落 阴影衰落又称对数正态衰落，因为它通常呈对数正态分布。如果移动用户 沿着与基站等距离的路线移动，所接收到的以分贝表示的本地中值信号将围绕 着总的中值( 5 0 ) 信号强度起伏变化。如果以这种变化的幅度为自变量，可 做出其概率密度分布函数。大量的测试结果表明，这种分布在市区呈现为高斯 分布，即信号强度呈对数正态分布。在郊区和丘陵地带，信号强度也近似服从 对数正态分布。阴影衰落变化的空间尺度同周围环境的主要阻挡体的尺度相当， 如相当于建筑物的或丘陵的宽度，通常为几十米到几百米。 描述阴影衰落的参量为其高斯分布的标准偏差( 以分贝为单位) 。该参量 9 第2 章陆地蜂窝通信网电波传播机制 也被称为位置变化( 1 0 c a t i o nv a r i a b i l i t y ) ，因为它表征了本地中值信号强度随着 位置而变化的统计规律。仃，的大小与天线高度和环境有关，在不同的环境中具 有不同的值( 通常在5 1 2d b 之间) ，一般而言它在郊区的值最大，而在开阔 地区的值最小。 对实测数据的统计分析还表明，同一地点场强中值随时间的变化也服从对 数正态分布，用另一个参数玩表征，取值一般在2 - - - 1 4d b 之间，海面上场强中 值的时间变化最大，标准偏差正可达2 0 d b 。场强中值随时间变化的原因是大气 折射条件的变化使多径信号相对时延变化，另外，市区环境中的运动物体等也 对此造成影响。 因此，场强中值同时随地点和时间变化，但随时间变化要较随地点变化慢 得多。表2 2 给出了测得的场强中值阴影衰落的标准差【3 2 】。 表2 2 阴影衰落的正态分布标准偏差吒 频率 位置分布的标准偏差盯 时间分布的标准偏筹仃 ( m h z ) 准平滑地形不规则地形a h ( m ) d ( k m )5 01 0 01 5 01 7 5 市区郊区 5 01 5 03 0 0 5 0891 0陆地257 1 5 03 5 5 54 79l l1 3 海面91 42 0 4 5 067 5l l1 51 8 水陆混合 9 0 0 6 5 8 1 41 82 1路径 379l l 在实际中，并非所有的损耗都对总路径损耗起着同样大小的作用，很有可 能是那些最接近移动端的损耗产生的影响较大。此外，研究表明，单独的衍射 体的作用不能够简单地相加，因此上面关于各个损耗独立的假设并不严格成立。 尽管如此，考虑到建筑物的不同高度、间距和结构，以及树木等的影响之后， 这一假设还是相当有效的，对数正态分布的结果也非常接近于实际情况的【3 3 ，3 4 】。 阴影衰落的统计特性显示它对频率的依赖关系很小，至少是缓慢的。 m o g e n s e n 等人1 3 5 】同时对9 5 5 和1 8 4 5 m h z 测量的结果表明，两个频率的阴影衰 落之间有着很小的标准方差( 0 1 d b ) 。这一统计特性说明了阴影衰落对这两个 频率的低依赖关系。但是更为广泛的研究揭示，仃，有着随频率的增加而升高的 趋势，并有下面的经验关系： 吼= 0 6 5 ( 1 0 9 f 。) 2 - 1 3 l o g f c + a( 2 2 ) 1 0 第2 章陆地蜂窝通信网电波传播机制 式中a 是与环境有关的参数，在市区和郊区分别为5 2 、6 6 ，载波频率，：的 单位取m h z 。该关系对2m h z 至2g h z 的频率都有效，但是因为这是根据对 特定地区宏蜂窝的测量总结出来的，对于微蜂窝可能不适用，应用到其它地区 时也会与实际值之间产生一定的差异。根据上面的经验关系，9 0 0m h z 和1 8 0 0 m h z 两个频率的阴影衰落标准方差之间的差异为o 8 3d b ，比m o g e n s e n 给出的 结果稍大。 另外一些实验还表明，盯，是距离的函数，并且随距离的增加而增加。然而， 在大多数情况下，可以只用一个常数代表阴影衰落的标准差。对于室外( 街道) 环境这个值常取8 d b 。 2 1 3 小尺度衰落 小尺度衰落或简称快衰落，指无线电信号在经过短时间或短距离传播后， 幅度的快速变化，致使大尺度路径损耗的影响可以忽略。这种衰落是由于同一 传输信号沿两个以上路径传播，以微小的时间差到达接收机时，信号的相互干 涉所引起的。陆地移动无线电信号一般使用u h f 频段，波长从1 5 c m 到6 0 c m ， 因此，即使不同传播路径长度发生微小的变化，相位也会产生较大的变化。接 收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度由多径波 的强度、相对传播时间及传播信号的带宽等因素决定。由于多径传播引起的衰 落一般称为多径衰落( 有时也称为包络衰落) ，多径衰落的时间速率决定于移 动台的速度，多径衰落包络的随机变化在统计特性上服从瑞利分布、莱斯分布 或m 分布。 无线信道的多径特性导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为： ( 1 ) 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化： ( 2 ) 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起的 随机频率调制； ( 3 ) 多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 在市区，由于发射机天线的高度比周围建筑物矮很多，因而不存在从发射 机到接收机的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这样一条视距传播路 径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍会发生。入射电波以不同 的传播方向到达，具有不同的传播时延。空间任一点的接收机所收到的信号都 第2 章陆地蜂窝通信网电波传播机制 由许多平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成 分被接收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。即使接收机处于 静止状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中的物体的运动而产生衰落。 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由接收机产生，则衰落 只与空间路径有关。此时，当接收机穿过多径区域时，信号的空间变化可以看 作瞬时变化。在空间不同点的多径波影响下，高速运动的接收机可以在很短时 间内经过若干次衰落。更为严重的情况是，接收机可能停留在某个特定的衰落 很大的位置上。在这种情况下，尽管可能由行人或车辆改变了场模型，从而打 破接收信号长时间维持失效的情况，但要维持良好的通信状态仍非常困难。天 线空间分集可以防止极度衰落以至于无效的情况。图2 2 显示了当接收机在几 米范围内移动时，由于小尺度衰落引起的接收机信号的典型快速变化。 图2 2 小尺度衰落对接收信号的影响( v = 1 0 m s ) 由于接收机与发射机的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。 移动引起的接收机信号频移被称为多普勒频移。它与移动台的运动速度、运动 方向，以及接收机多径波的入射角有关。对于移动无线系统，因为发射机与接 收机之间的相对运动造成传播路径变化，所以信道是时变的，这些传播特性的 变化率决定了信号的衰落速率。小尺度衰落包含几种衰落模式，其中一种为 r a y l e i g h 衰落。当反射路径很多并且没有可视路径( l o s ) ，接收信号包络由 r a y l e i g h 过程描述；当有一个支配路径存在时，例如可视传播路径，那么小尺 度衰落可以由r i c e 过程描述。 2 1 4 电波传播路径损耗模型 由于移动通信信道的各种参数是随机变化的，这使得移动通信信道是快速 1 2 第2 章陆地蜂窝通信网电波传播机制 变化的多径传播信道，统计特征极其复杂，接收信号的场强幅度随接收点位置 的变化快速而剧烈的起伏。移动台接收到的场强是具有时域和空域变动特性的 随机量，需要用中值和瞬时值两个特征量联合表征。场强中值从统计意义上标 志了信号的大小。在实际工程计算中，场强中值是基本的特征量。由上文所述， 接收信号的衰落主要由随距离的衰落、阴影衰落和小尺度衰落构成。其中小尺 度衰落是在很短时间内很短距离上的快速变化，而随距离衰落和阴影衰落是实 在较大范围内信号的总体衰落变化。因此工程中用于覆盖预测的电波传播路径 损耗主要是由随距离衰落和阴影衰落共同作用的结果。针对无线信号场强覆盖 的预测实际上指中值场强的预测。而各种场强覆盖预测模型也就是针对电波传 播路径损耗进行预测和建模。 传播路径损耗预测模型可粗略地划分为三种类型：经验模型，半经验或半 确定模型和确定模型。经验模型是源于大量的实测数据而得到的一组方程式， 简单而易于使用。对于与实测环境有相同特点的环境，经验模型可以得到精确 的预测结果。经验模型的输入参数通常是由地理环境的差异决定的，如人口和 建筑密集的城区，乡村地区等等。经验模型的一个主要缺点是它们不能原封不 动地应用于不同的环境，甚至有时完全不能移植到另一个区域。例如，宏蜂窝 经验模型不能用于室内微微蜂窝网络。 半经验或半确定性模型是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中 导出的等式。有时候，为了改善它们和实验结果的一致性，则根据实验结果对 等式进行修正，得到的等式是天线周围地区某个规定特性的函数。半经验或半 确定性模型的应用同样很容易、速度很快，因为和经验性模型一样，结果是从 闭式中得到。 在理论上，电磁波的传播特征能够从麦克斯韦方程来求解，但是这种方式 需要极为复杂的数学表达和强大的计算能力，使得该方法只适用于简单的无线 环境。随着计算机的飞速发展和数字地形地物，