（通信与信息系统专业论文）地域电波传播模型修正的研究.pdf

摘要 经典o l ( u m u r a 模型是传播预测模型中的典范，它提出了种传播预测的方 法，后期出现的传播预测模型都是沿承该方法提出的。但是o k 吼l l r a 模型是一种 统计模型，忽略了特定传播环境的特殊性而得出的一个平均结果，在很多时候与 实测值有很大的差别而未能为我们所应用。 本文阐述了几种传播模型修正的方式，希望能为模型修正理论提供些许新颖 的思路。全文介绍了基于丘陵、建筑、森林等确定性传播环境下的模型修正方法， 采用射线跟踪法进行无线信道的研究，以及基于数学计算的模型本地化这三种模 型修正方式的基础理论知识以及为其提供支持的数学公式和数学方法，然后分别 进行无线信道的建模和仿真并呈现仿真曲线、分析仿真结果。部分修正模型能够 很好的描述当前信道，具有较好的修正效果。 关键词：特定地域传播模型，射线跟踪，传播模型本地化 a b s t r a c t c l a s s i co k u m u r am o d e lp r o v i d e sa p r o p a g a t i o np 川i c t i o nm e m o df 0 1 1 0 w e db v p r e s e n tp r o p a g a t i o nm o d e l s b u tb e c a u s eo ft h es t a t i s t i c a la t t m u t e ，o k u m u l am o d e l l l l u s 仃a t e st 1 1 e a v e r a g ep a t hl o s sr e s u l t s ，w h i c hi 印o r ct h es p e c i f i c 衄v i r o 啪e n t i n f o 加a t i o n s c v 酬m o d i 6 c a t i o nm e m o d so fp r o p a g a t i o nm o d e la r ep r e s e i l t e di nt h ep 印既n l n 仃o d u c e st h es p e c i f i ct e n 痂n p r o p a g a t i o nm o d e lm o d i f i c a t i o n ，w i r e l e s sc h a i u l e l r e s e a r c hb a s e do nr a y 。昀c i n gm e t h o d 锄dp r o p a g a t i o nm o d e ll o c a l i z a t i o nb a s c do n m a t h e i i l a t i c a lm e m o d s ，t o g c t h c rw 油b 嬲i ck i l o w l e d g ea i l d s u p p o n i n gm a t h 锄a t i c a l 叩a t i o n sa n dm 砒o d si nd e t a i l s c h a n n e lm o d e l i n ga 1 1 ds i m u l a t i o n ，s i m u l a t i n gc u e s a i l da l l a l y s e sa r ci l l u s n a t i 耐r e s p e c t i v e l y s o m em o d c lm o d i f i c a t i o nc 锄a c c u r a t e l v i l l u s 仃a t ep r o p a g a t i o ne i l v i r o m c i l ti 1 1g o o dp e r 硒m a l l c e k e y w o r d ：s p e c i f i ct e r r a i np r o p a g a 廿o n m o d e ll o c a l i z a 廿o n m o d e l ，r a y - t r a c i n gm e t h o d ，p r 叩a g a 廿o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：二鸶l 日期2 写阻 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期日。圣，! 旦 日期竺当! ：! 芝 第一章绪论 第一章绪论界一早三酉了匕 电信革命正在全世界范围内兴起， 在的通信连接，这是一种自由的牛活、 这场革命将给人们提供无时不在、无处不 一种自由的革命。 1 1 课题研究的目的及意义 近年来，随着移动通信的迅猛发展，用户数越来越多，使现有的网络和频率 资源越来越紧张。与此同时，用户对网络质量的要求却越来越高。随着我国电信 垄断业的打破，运营商间的竞争日趋激烈，而如何提高网络服务质量则成为竞争 的核心问题之一。另一方面，各大运营商都希望发掘现有网络和设备的潜力，在 基本不增加投资的情况下获得更多的收益，同时希望在新建网络和新增设备时尽 可能大地提高投资效率。 如何在已知的某种地理环境下计算其传播损耗昵? 假如移动台在小片区域内 移动，用统计模型计算出的损耗值都是一样的。然而对于某些特殊的环境，损耗 值的差别可能是非常大的。例如： 假设某一移动台绕着一栋高楼移动，在某些位置上高楼无法遮挡电波的传播； 但在其他一些位置上，高楼可能正好位于收发信机的连线上，从而阻挡了电波最 有效的链路。在这两种情况下，如果通信距离近似相等且其他参数不发牛变化， 则用统计模型计算传输损耗的结果近似相等，然而实测值是不相等的。此时，快 速建立适合当前环境的传播模型是十分必要的。相比于信道参数的平均值，通信 服务需要的是对无线信道的准确认识，因此准确进行传播模型参数校正的意义如 下： 我国各地区的无线传播环境千差万别。例如，基站和移动台处于丘陵地区与 处于平原地区相比，传播环境有很大的不同，故传播模型也存在较大的差异。因 此如果仅仅根据经验而无视各地不同地形、地貌、建筑物、植被等的影响，可能 会导致所建成的网络或者存在覆盖、质量问题，或者存在基站建设过于密集的问 题等等，造成资源的很大浪费。 随着我国移动通信网络的飞速发展，各运营商越来越重视传播模型与本地区 环境相匹配的问题。例如c d m a 系统，它是白干扰系统，所有基站在相同的频率 下工作，利用码字来区分用户。相对于g s m 系统，c d m a 系统对网络规划的要求 更加精细和准确，并且在网络建设初期对基站布局的合理性以及天线高度适当性 要求也更高。因此c d m a 网络的建设需要进行有效的模拟仿真，而且对仿真结果 与实际相吻合程度的要求也很高。 仿真结果与真实情况的符合程度在一定意义上就是传播模型和实际情况的符 2 地域电波传播模型修正的研究 合程度。各种无线电波传播模型给出的穿透损耗值通常是统计结果，它和使用者 当地的实际情况并不完全相符。因此各种损耗值必须通过系统的方法在当地校正 后才能使用。如果不经过校正就直接使用默认值，可能使仿真结果和实际情况相 差甚远，进而导致软件对实际建设指导的偏离，达不到网络设计者的要求。只有 经过模型校正后，仿真软件才能计算出符合当天当地实际情况的结果。通过仿真， 我们可获得所规划网络的部分重要性能参数，如导频覆盖、最佳小区、系统负载、 切换区域等，对实际组网有重要的指导和借鉴作用。另外，通过仿真我们还可以 规划基站位置的选择，并对网络的覆盖情况有很好的掌握。 1 2 课题发展现状 要提高投资效率，就需要在通信网络建设时科学地做好规划；要发掘现有通 信网络潜力，有必要对通信网络的某些方面进行重新规划和优化；要提高服务质 量，更需要对通信网络进行优化。网络规划和优化是一个复杂的系统工程，涉及 很多复杂和相互矛盾的方面。在通信网络发展的初期，规划和优化一般由技术人 员凭经验和主观判断手工进行。随着通信网络规模的扩大，依赖人工进行规划已 经非常困难，一方面由于涉及的因素太多，单靠经验和主观判断很难处理好。另 一方面，人工规划效率低，精度也不够高。利用计算的高速度和大存储量进行辅 助或自动规划和优化的方法应运而生。 国外已经开发出多套网络规划系统，典型的如英国m s l 公司的p l a n e t ，l c c 公司的c e l l c ad ，m o t o r o l a 的n e t p l a n ，以及e r i c s s o n 的e e t 等，但是上述系 统价格昂贵，并且不符合我国实际的地理情况。因此，国内许多单位都在进行这 方面的创新研究。本文结合国家项目，期望通过建立一个传播模型库并将多种传 播现象界面化，不但可以完成前期的研究和仿真，还可以应用到实际环境中进行 传播覆盖以及预测等。 1 3 项目简介 1 3 1 项目要求 研究特定环境下无线通信信道传播特性；对环境中多频段无线信道进行特定 的测试和理论建模；分析城市、郊区、山地等多种地形中无线信号传播特性；完 成涵盖多种条件的无线通信信道仿真数据库，进行多种情况下的软件和或硬件平 台信道模拟：能够根据少量实测信号和简易地形信息进行快速无线信道类型定位 和模型校正；为通信系统的快速部署和网络架构提供支持。 第一章绪论 3 1 3 2 模块划分 一、信道仿真模型库 开发较为完善的通信仿真软件信道仿真模型库，建立结构合理的软件平 台。完善各功能模块的协调配合，设计友好的用户界面；由仿真模型和可互连的 仿真结构组成模块集，用以为用户提供可修改及可开发的基础模型，使其更贴近 用户所需仿真的系统。 二、传播模型修正 将现有的传播模型进行修正，提高其对环境变化的敏感程度使之适用于特定 的传播环境；建立特定传播环境下的预测模型，克服统计模型在使用上的局限性； 利用少量实测点信息快速建立当前传播环境的特征，采用模糊的方法大致确定感 兴趣区域内的损耗值信息。 三、传播预测 研究蜂窝移动通信系统和分布式移动通信系统中的传播预测问题，给出基站 部署的方法；在通过对基站的一些参数间关系进行仿真的基础上，针对基站部署 后的基站覆盖效果进行分析；讨论移动台运动过程中的越区切换过程；对分布式 通信系统中的节点间进行通信所需最少跳数进行分析。 四、电子地图 基于标准的s h a p e 文件格式的电子地图建立了地形信息数据库，并在此基础上 建立特定环境下的g i s 系统，包含查询，测距等简单的地图操作功能；进行场强 预测仿真，加强地理信息系统的规划；利用g i s 数据进行无线环境下的信道建模 和网络规划，提供无线网络规划的辅助保证。 1 4 本文主要研究内容 本文的工作重点在于如何进行无线传播环境的修正或者重新建立对某种无线 信道建模的方法，使传播模型能够准确的描述出当前环境。目标是能够利用少量 的实测数据快速的进行无线信道模型的修正和建立。本文的研究内容包括： 第二章介绍了无线电波的传播机制和几种常用的无线电波传播模型。 第三章提出了特定传播环境下确定性模型的修正方法。这部分主要通过修正 现有传播预测的统计模型，使得传播模型能够在几种特定环境下得出较为准确的 损耗结果，比如山区、林区、建筑区等环境。同时，这里还引入了射线跟踪法的 理论基础和建模方法。 第四章是对模型本地化的研究。这部分引入了一种新颖的模型修正方法。该 方法完全从数学的角度分析数据、处理数据，将模型区域化效应最小化。对于此 种模型修正方法，笔者提出四种具体实施方案，并将其中的两种作为假想环境下 地域电波传播模型修正的研究 的修正模型进行仿真。 第五章节给出了所有的仿真结果，包括仿真环境的介绍、参数的设置、假想 环境的说明、界面设计模式以及程序流程等详细内容。通过图表的方式将模型间 的关系以及模型本地化理论更直观的展现在读者和用户面前，更加有利于对系统 的学习和分析。 第二章无线电波传播机制与传播模型 5 第二章无线电波传播机制及传播模型 在移动通信环境下，电波传播的丰要方式有反射、绕射、透射和散射。在研究 移动信道时，由于不同地形环境具有不同的电波传播特性，因此按照地形特点， 电波的传播环境可以分为准平坦地形和不规则地形；此外，根据建筑物密度和地 面植被状况，电波的传播环境可以分成大城市地区、中小城市地区、郊区、乡村 等环境类型。分类标准不同，模型类型自然有所差异。 2 1 1 自由空间模型 2 1 无线电波传播特性 自由空间是指一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间，电磁波在该介质 中传播时，不发生反射、折射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起 的传播损耗。在自由空间中，若发射点处以球面波辐射，则接收点处的功率为： 只= 器 鲫) 式中，e 为发射点处的发射功率；g ，、g ，分别为发射天线和接收天线增益；旯 为波长；d 为发射天线和接收天线间的距离；是与传播无关的系统损耗因子。 当g f = g ，= 1 ，即天线具有单位增益时，有： 扛_ 1 0 1 甙纠动一1 0 培高虿】 式( 2 。2 ) 由于允= ，则： ) 如_ 1 0 1 9 篙筹 - 3 2 粥+ 2 0 l g “2 0 l g 式( 2 3 ) 由此可知，自由空间中的传播损耗与d 2 成正比。 2 1 2 地面反射与双径模型1 】【2 】 在无线信道中，很少有单一路径传播的情况，一般会出现多径传播的现象。 下面我们将讨论双径传播模型，该模型不仅考虑了空中的直射传播路径，还考虑 了光滑地面或表面均匀粗糙地面的反射路径，参见下图： 6 地域电波传播模型修正的研究 d a | ? 图2 1 双径模型 上述模型的衰减值为： 彳= 一1 0 1 9 - 岛z ( 1 + r 2 2 rc o s ( 兰一c ) ) + q + 以式( 2 4 ) 式中岛。2 是与天线有关的系数，g 口= 1 0 l o g ( 。g d 2 ) 。以是由于大气吸收造成 的衰减，在频率低于1 g h z 时不予以考虑。兄和d 的计算公式为： 尺。：舢( 鱼堕) ；e x p ( 兰罂)式( 2 5 ) g d l 9 0 2 几 d ：( 1 + 关血) 式( 2 - 6 ) 口d t a n 口 一般情况下，c ：0 ，尺寸1 ，盟是与天线相关的系数，令其等于l 。 g o l 9 0 2 口= 口o 1 一o 0 4 6 6 5e x p ( o 0 0 5 5 7 7 m ) 】。1式( 2 7 ) 式中口。为地球半径，一般取值为6 3 7 0 k m 。m = ( 一1 ) 謇1 0 6 ，为地球表面的 大气折射指数。其他各项表达式如下： 硝= 啊一d ? 2 口式( 2 8 ) 绣= 7 1 2 一彰2 a式( 2 9 ) ，2 省绣d式( 2 1 0 ) t a n 矿= 叫西= 绣以 式( 2 1 1 ) 双径模型虽然是多径传播中最简单的一种传播方式，分析起来较为简单，但 是该模型仍具有一定的参考意义：一是从公式上可以很清晰的看出自由空间模型 与双径模型对环境描述的差别，二是双径模型为射线跟踪法提供了计算依据，我 们可以根据实际情况追加更多的射线，使模型更加贴近实际传播环境。 第二章无线电波传播机制与传播模型 2 2 无线电波传播模型 传播模型一般分为三类，分别为经验模型、半经验半确定模型以及确定模型。 经验模型是由大量测量数据的统计分析导出的公式。该方法简单，且不需要详 细的环境信息，使用起来容易快捷，但该方法估算路径损耗的精度不高。 确定性模型是基于电磁理论直接用于特定环境的求解，该特定环境的描述是由 建筑物和地形数据库来完成的。对于确定性模型，环境描述的精度决定确定性模 型的精度。大多数确定性模型还是基于射线跟踪方法，这部分内容将在3 4 节中介 绍。 半经验半确定模型先从确定性模型导出的公式入手。为了改善预测路径损耗精 度，使理论预测与实验测量一致，需要从实验上对模型进行校正。这类模型相比 于经验模型则要求更详细的环境信息，但又少于确定性模型所要求的环境信息。 下面四个小节介绍的传播模型都是统计模型，即经验模型。这里选择了四个最 具代表性的u r a 模型、u r a h a t a 模型、e 西i 模型和d u 凼n 模型来介绍宏 蜂窝传播模型。在宏蜂窝传播模型中，统计模型的应用最广泛也最具实用性。 2 2 1o h m u r a 模型【3 】 o k u m u r a 模型适用于v h f 和u h f 频段，该模型的特点是：以准平坦地形大 城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素 用校正因子加以修正。 一、准平坦地形大城市地区的中值路径损耗 o l ( u m u r a 模型中准平坦地形大城市地区的中值路径损耗( d b ) 由下式给出： 三j | i f = 三如+ 彳。( 厂，d ) 一6 ( j i l 6 ，d ) 一日。( j i l 。，厂) 式( 2 一1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，k 为自由空间路径损耗，由式( 2 3 ) 给出；厶( 厂，d ) 为在大城市地 区当基站天线高度k = 2 0 0 聊、移动台天线高度 。= 3 m 时相对于自由空间的中值损 耗，又称基本中值损耗；玩( 玩，d ) 为基站天线高度增益因子( d b ) ，即实际基站天线 高度相对于基准天线高度玩= 2 0 0 m 的增益，为距离的函数；h 。( k ，厂) 为移动台 天线高度增益因子( d b ) ，即实际移动台天线高度相对于基准天线高度j l 。= 3 朋的增 益，为频率的函数。以( 厂，d ) 、乩( 吃，d ) 、日。( 。，厂) 在模型中通常是以图表形式 给出，详见参考文献 3 】。 二、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗 以准平坦地形中的中值路径损耗作为基础，针对不同传播环境和不规则地形 中的各种因素，用修正因子加以修正，就可得到不规则地形及不同环境中的中值 路径损耗，可以用下式表示为： 地域电波传播模型修正的研究 上肘= 三缸+ 彳。( 厂，d ) 一厶乙( j l l 6 ，d ) 一日。( j i l 。，厂) 一t 一后 一后一一j i 缸 式( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，恕为郊区修正因子，吒为丘陵地形修正因子，一为斜坡地形修正 因子，k 为水陆混合传播路径修正因子，式中其余部分与式( 2 - 1 2 ) 相同。丸、吒、 j i 。和墨。的值可由图表查出。 另外，还有开阔区校正因子、城市道路走向及道路宽度校正因子、孤立山丘 校正因子和植被校正因子等。这些校正因子均可从计算图表中查出，再根据情况 记入式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 中。 2 2 20 k u m u r a h a t a 模型【3 】 o h l i l l u r a h a t a 模型是根据测试数据统计分析得到的经验公式，其适用频率范 围是1 5 0 m h z 一1 5 0 0 m h z ，适用于小区半径大于1k m 的宏蜂窝系统，基站有效天线 高度在3 0m 2 0 0m 之间，移动台有效天线高度在1m 1 0m 之间。o h l m u r a - h a t a 模型以市区传播损耗为标准，在此基础上对其它地形做了修正。 实测中在基本确定了设备的功率、天线的高度后，可利用0 h l l l l u r a h a t a 模型 对信号覆盖范围作一个初步的测算。在市区，o k u m r a h a t a 经验公式如下： 厶= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l g 厂一1 3 8 2 l g ( 魂) 一日( 绋) + 4 4 9 6 5 5 l g ( 忽) 1 9 d 式( 2 - 1 4 ) 式中，厂是载波频率；忽是发射天线有效高度；j j l ，是接收天线有效高度；d 是 发射机与接收机之间的距离；口( j l l ，) 是移动天线修正因子，其数值取决于环境因素。 对于中小城市有： 口( 以) = ( 1 1 1 9 一0 7 ) 绋一( 1 5 6 1 9 厂一o 8 ) ( d 8 ) 式( 2 1 5 ) 对于大城市分两种情况： j 口( 以) = 8 2 9 1 9 ( 1 5 4 咿一1 1 ( 招) 厂 3 0 0 舰 。、 在郊区，o k u m r a - h a t a 经验公式修正为： 厶= 三( 市区) 一2 1 9 ( 厂2 8 ) 】2 5 4 式( 2 - 1 7 ) 在农村，o k 啪r a h a t a 经验公式修正为： 厶= 三( 市区) 一4 7 8 ( 培厂) 2 + 1 8 3 3 l g 厂一4 0 9 8 式( 2 - 1 8 ) 在覆盖距离超过1 k m 的情况下，o k l l m u r a h a t a 模型和o k l l m 啪曲线的结果很 接近。o l ( u m u r a h a t a 模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不到1 k m 的个人通信系统。 o k u m u r a 模型和o l ( u m u r a h a t a 模型的适用范围如下： 第二章无线电波传播机制与传播模型 9 1 5 0 纰厂1 5 0 0 纰 3 0 研以2 0 0 朋 l 白竹d 2 0 概 传播环境的衰落有瑞利衰落和正态衰落两种，对应的余量储备如表2 1 所示。 表2 1 不同衰落类戮对。的修正 衰落类型 余量储备( d b ) 瑞利衰落0 8 正态衰落 6 根据基站收发信机的发射功率和灵敏度、馈线的损耗、天线的增益、用户终 端的发射功率和接收灵敏度，再考虑以上的各项修正值，可以计算出不同情况下 的无线覆盖预测距离。 2 2 - 3e g h 模型【4 】 在9 0 1 0 0 0 m h z 频率之间对不规则地形进行一系列测量后，e g l i 观察到一个小 区域的中值信号强度随距离按四次幂规律变化的趋势。因此，他很自然的从平坦 地面的双径模型扩展出一种新模型。e 百i 观察到双径模型的预测公式还需要附加损 耗，该附加损耗取决于频率和地形特征。考虑到这些因素，e 西i 模型的路径损耗公 式为： = 一8 8 4 0 l g d 一2 0 l g 厂+ 1 0 1 9g f + 1 0 l g q + 2 0 l g 啊+ 2 0 l g 绋式( 2 - 1 9 ) 式中g f 、g ，分别表示发射天线增益和接收天线增益，d 的单位为虹，厂的单 位为m h z ，忽和办，的单位为m 。 应该注意到，尽管e g l i 模型包括了地形因子，但与地形因子的关系是由经验 公式给出的，显然没有考虑到绕射损耗。 e 蛳模型的适用范围： 0 ：7 咒d 6 4 j i ：7 ，z 4 0 勉觇厂4 0 0 必娩，可扩展到1 g h z 地形起伏高度小于1 5 m 的丘陵地带 当地形起伏变化超过上述范围时，可以引入校正因子，该校正因子与丘陵平 均起伏高度的关系图见参看文献 4 】。 2 2 4d u r k i n 模型【3 】【5 】【1 8 】 d u r l ( i n 模型由e d w a r d s 、d u r k i n 和d a d s o n 提出，描述了不规则地形的场强预 测方法。该模型预测了大尺度路径损耗，同时也提供了不规则阻挡物体损耗的预 1 0 地域电波传播模型修正的研究 测方法。 d 咄i n 模型仿真器包括两部分。第一部分是访问传播路径中的地形数据库， 并根据所得数据重构地形地貌信息，本部分假设只有视距传播和阻挡体沿径向绕 射两种传播模式，没有考虑周围其他物体反射和散射的影响，因此，本模型不适 合“峡谷”地区；第二部分计算了径向方向上的路径损耗。这样，仿真的接收机可以 被放置到小区的不同位置，以测试信号在各点的场强。 d u r k i n 模型中的地形数据库是一个二维矩阵。矩阵中的每一个元素都代表着 传播路径上的一个点，元素值即该点的海拔高度。由于所得到的是一系列离散的 取值，因此为了得到完整、连续的地形数据，必须借助线性内插的方法来实现。 为了增加精度，线性内插重构由3 条插值路线决定，如图2 2 所示。 冠 吐 d 2 以 2 ： 图2 2 发射机和接收机之间的重构地形图 在图2 2 中，每个点的高度是对角线、垂直方向和水平方向由线性插值得到的 高度的平均值。从图中可以得到距离矩阵和相应的径向高度，使得地形计算变成 了一维的点到点的链路计算。这样我们就可以利用刃形绕射技术来计算路径损耗 了。 在利用d u r k m 模型计算路径损耗时，首先必须确定发射机和接收机之间是否 有视距传播。因此，应当首先计算发射机和接收机之间的高度差仃，。在图2 3 中， 如果任意点的盯，均为正值，则视距传播路径不存在，反之，若盯，存在负值，则我 们认为视距传播路径是存在的。若视距传播路径存在，则本算法可以检测能否获 得无阻挡的第一菲涅尔区【3 1 。如果第一菲涅尔区不存在，那么空间传播的损耗近似 于自由空间损耗。若阻挡体刚好接触到发射机与接收机之间的连线，则空间传播 的损耗与自由空间损耗相比大6 d b ，显然损耗的增大和场强的减小是阻挡物造成 的。 第二章无线电波传播机制与传播模型 d id 2 d j 图2 3 视距传播图 为了确定是否存在无阻挡的第一菲涅尔区，首先应根据式( 2 2 0 ) 计算每个路径 元素的菲涅尔绕射系数v ： ，= 式( 2 2 0 ) 若对任意路径，始终有，_ 0 8 ，则空间传播损耗近似于自由空间损耗。此 时接收功率为自由空间传播的接收功率： 只：燃 式( 2 - 2 1 ) 1 7 ( 4 p ) 2 d 2 、7 如果存在，使v ， _ o 8 成立，则可能是非视距传播，也可能是非无阻挡第一 菲涅尔区的视距传播。 对于非无阻挡第一菲涅尔区的视距传播，首先要用式( 2 3 ) 计算自由空间传播 功率，然后利用平地传播公式计算接收场强： p = 只g f g ，篙竽 式( 2 2 2 ) 式中吃是发射机高度，i i l ，是接收机高度。最后，将式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 进行比 较，其中较小者为接收功率。 对于非视距传播的情况，可能是单绕射边、双绕射边、三绕射边或多绕射边。 可以通过计算发射机和接收机之间连线与接收天线到重构地貌点间连线的角度来 测算绕射边的数量。这里将角度最大的点标记为( 喀，吩) ，然后在( d ，| i l ，) 中找到角度 最大的点。如果d ，= d ；，则该地形为单绕射边。 如果不满足单绕射边的条件，可检验该地形是否为双绕射边。测试方法与单 绕射边相同，只是需要寻找彼此可见的两边，如图2 4 所示。其中双绕射边的损耗 是两条边的损耗之和。其中第一损耗是以发射机为源点的由第一绕射边造成的第 二绕射边的损耗，第二损耗则是以第一绕射边为源点、第二绕射边造成的接收机 处的损耗。由阻挡体造成的损耗取两者中较大的个，加到自由空间损耗或者平 地损耗上。 地域电波传播模型修正的研究 图2 4 双绕射边模型 在三绕射边的情况中，外面的绕射边中包含着单绕射边。若两个外绕射边之 间的阻挡体穿过外绕射边间的连线，则第三绕射边存在，如图2 5 所示。对多于三 绕射边的情况，外面两个阻挡体之间的地貌可以由单个虚拟刃形近似。 图2 5 三绕射边模型 d u r k i n 模型可以产生信号场强轮廓，在几个d b 范围内十分有效。但是该模型 不能精确预测由于树叶、建筑物或其他人造建筑造成的传播效应，而且不能消除 地面反射之外的多径传播，因此经常要增加附加损耗因子。 第三章确定性传播模型的修正及建模 第三章确定性传播模型的修正及建模 3 1 引言 经验模型是由大量测量数据经过统计分析而推导出的公式，应用起来方便快 捷，但是统计模型具有先天的弱点。经验模型跟它的产生地有很大的关联，若要 满足当前的环境要求则需要添加修正因子；另外，模型应用方便是因为模型在使 用时需要的参数相对较少，对环境信息的了解不需要很多，同时也说明经验模型 本身忽略了传播环境的差别，是统计平均值，可能在很多环境中使用时无法满足 实际要求。 为了在计算的准确性与简单性间进行折中，我们需要将无线信道模型修改得 更加具体，使它在一定精度范围内有更广泛的应用。关于本章的模型修正主要包 含以下几个方面： 1 ) 对现有经验模型进行修正，或使其原有适用范围变大，或使其能够在更多无线 传播环境中应用。 2 ) 针对某一传播环境，将环境要素综合整合到传播模型公式中去，公式要求的参 数增多，其中包含了特定地域的新的参数因子。不同环境下，传播模型的表达 式可能完全不同，这是将修正因子整合到数学公式中的缘故。 3 ) 采用射线跟踪法进行无线信道研究，在某一特定环境下进行无线信道建模。 3 20 k u m u r a - h a t a 模型的修正 5 】 3 2 1 i t u rp 5 2 9 3 模型 i t u rp 5 2 9 3 模型引入了一个幂指数为6 的距离修正因子，从而将公式适用 的距离范围扩展到1 1 0 0 虹。模型在d 2 0 砌式( 3 。3 【6 = 1 + ( o 1 4 + 1 8 7 奎1 0 - 4 宰+ 1 0 7 宰1 0 - 3 幸) 木( 1 9 ( d 2 0 ) ) o 屉d 2 0 砌 。”。7 巧= 见( 1 + 7 木1 0 巧宰砰) 2 式( 3 4 ) 对于郊区和开阔地的修正情况与o k 眦u r a - h a t a 模型是完全一致的，这里就不 地域电波传播模型修正的研究 再赘述了。 i t u rp 5 2 9 3 模型的适用范围： 1 5 0 此眈厂1 5 0 0 必 3 0 所j 1 1 s 2 0 0 聊 1 m 办，1 0 聊 1 砌d 1 0 0 砌 3 2 2e r c6 8 模型 该模型的频率覆盖范围涵括了o l ( u m u r a h a t a 模型的频率范围，并进一步对 o k u m u r a - h a t a 模型的基站天线高度的进行了修正，在d 2 0 砌式( 3 。6 ) 口( 以) = ( 1 1 l g 一o 7 ) 木m i n ( 1 0 ，饵) 一( 1 5 6 l g 厂一o 8 ) + m a x ( 0 ，2 0 l g ( 吃2 0 ) ) 式( 3 - 7 ) 6 ( 吃) = m i n ( 0 ，2 0l g ( 7 i f 3 0 ) ) 式( 3 - 8 ) 对于郊区和开阔地的修正情况与o l ( u m u r a - h a t a 模型是完全一致的，然而对于 大城市、林区和农村的情况并未找到相关文献。因此，对于大城市环境我们不做 修正，除此之外我们均采用奥村及其修正模型。 e r c6 8 模型的适用范围： 1 5 0 必毖厂1 5 0 0 膨眈 1 聊忽2 0 0 聊 l m 允2 0 0 棚 1 幻，z d 1 0 0 砌 3 3 某个特定环境下传播损耗的计算 3 3 1 单一山体阻碍损耗【1 】 一、不包含地面反射的单一刃形障碍损耗 在山体的宽度相对高度较小的情况下，可以将该山体称为刃形山体( 即类似刀 第三章确定性传播模型的修正及建模 1 5 刃的形状) ，此时山体宽度对传播损耗的影响可以忽略不计。刃形山体损耗主要考 虑的是绕射损耗，可以用绕射原理进行分析和计算，但是若从原理上进行计算是 非常繁琐和复杂的，即使结果非常精确，相对其计算难度来讲并不是很合适的。 所以我们参考文献 1 】，直接给出简化的计算结果。 图3 1 单一刃形障碍 单一刃形阻挡可以分为刃形山没有阻挡收发视距通路和刃形山阻挡了收发视 距通路两种情况，如图3 1 所示。表示发射天线与山体顶端的连线长度，厂2 表示 接收天线与山体顶端的连线长度，表示收发天线连线长度。这里我们引入一个变 量v ： v = 2 施：而= 板芴i 品i 五瓦而或v = 2 5 8 3 p 也瓣 式( 3 9 ) 正负号分别对应上述阻挡和未阻挡视距通路的两种情况。其中厂的单位为 m h z ，d 的单位为k m ，= 吒+ 吒一= 口2 4 畋( 2 d ) 。 由绕射引起的附加损耗公式如下，计算总的路径损耗需要再加上自由空间损 耗部分。 彳( v ，o ) = 6 0 2 + 9 0 1 ，+ 1 6 5 v 2 彳( 1 ，o ) = 6 0 2 + 9 1l v 一1 2 7 1 ，2 4 ( v ，0 ) = 1 2 9 5 3 + 2 0 l 0 9 1 ， 二、不包含地面反射的单一柱形障碍损耗 一1 8 1 ，0 o 1 ，2 4 式( 3 1 0 ) v 2 4 图3 2 单一柱形障碍 如图3 2 所示，表示发射天线与山体顶端切线的连线长度，2 表示接收天线 l 与山体顶端切线的连线长度。公式应用条件：砌 2 ( 知) 】j l ，七= 2 万旯，是柱 ll 形障碍的半径，单位为h ， = m i n ( 【( 吒+ ，2 ) j 一，】， ( 以+ ，2 ) j 一，】) 。 1 6 地域电波传播模型修正的研究 损耗彳( 1 ，p ) = 彳( v ，o ) + 彳( 0 ，p ) + u ( 1 ，p ) ，同样，总的路径损耗需要加上自由空 间损耗。其中，的单位妣，厂的单位m h z ，1 ，同式( 3 9 ) 。 !j ! p = o 6 7 6 ，3 6 p ( ，i 吒) 】2式( 3 1 1 ) lu ( 1 ，p ) = 11 4 5 + 2 1 9 2 一o 2 0 6 3 6 0 23 u ( v ，p ) = 1 3 4 7 + 1 0 5 8 2 一o 0 4 8 3 6 0 23 5 3 3 2 丘陵地带的建筑区模型【3 】【7 】 本节引入丘陵环境下的建筑区模型，如图3 3 。这里主要介绍传播环境以及起 主要作用的特殊地形对无线传播信道的影响机理，损耗计算公式参照参考文献 3 】 7 】。 | + j k 第三章确定性传播模型的修正及建模 其中，吒是表面高度的标准方差，s i i l 毋是入射角正弦。 二、在无建筑物和树木的楔形山上的绕射【6 】 对于图3 3 中位于b 的用户而言，考虑到传播中的山峰造成的绕射，式( 3 1 4 ) 必须加以修正。如果山峰的绕射角9 很小或者山峰的峰顶角度很小，则可以用刃形 绕射或者楔形绕射来替代。在这种情况下，应该采用刃形绕射路径损耗模型。当 绕射角很小的时候，需要考虑u t d 绕射系数珥，此时的路径损耗为： 一文器1 0 l g 磊b _ l o l 艘嘞汗柳6 ， 式( 3 1 6 ) 中的蜀，r ：和尺= 蜀+ 尺：分别表示收发天线顶端到山体顶端的距离。 如果墨、恐和月的水平分量远远大于垂直分量的话，可以只考虑它们的水平分量。 这里的g 口同样可以在已知的情况下求得。刃形边缘绕射系数珥的计算方法参看 参考文献 3 】。 三、在无建筑物和树木的柱状山上的绕射 若山坡比较平坦，坡面上没有树和建筑物，且绕射角较大，则绕射波更接近 于近表面波。一座表面平滑、无建筑物或树木覆盖的山上的近表面波如图3 4 中的 最点所示。近表面波场沿着山坡的表面，其能量则有一个沿着山坡切线方向的分 量，如图3 4 中的只点所示。 _ f 。 y h 近表面波的场强随占按指数变化，舀是用弧度表示的。当痧( a 衅) “3 时， 近表面波的场强可以用其表达式的第一项来近似。系数日和y 。取决于波的极化性 以及圆柱体半径r h 和波长a 的比值。如果地面比较粗糙或者树木较多的话，y 。和 n 的值就会受到很大影响。 式( 3 1 6 ) 中的绕射系数d r 应该用d 1 e 叫- 口代替，此时的路径损耗为： 拉川g i 勰- 1 0 l g 斋蚓圳艘唏汗胡7 ， 四、柱形山坡背面的绕射 1 8地域电波传播模型修正的研究 当用户位于图3 3 中c 点的位置( 山坡的背面) 时，对一排连续的建筑物而言每 个屋顶都位于上一个屋顶的阴影区域。 一1 0 l g ( 糕卜g 斋j 式3 舶， 式中的足是从基站天线到入射波与坡面的切点的距离，巩是绕射系数，y 是 衰减系数。适当选择d h 和少后，式( 3 1 8 ) 可用来计算背向基站的坡面场强。 3 3 3 大城市建筑区街道模型【1 】【8 】 c o s t2 3 1 w i 模型广泛用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境。c o s t 2 3 1 w i 模型适用的范围为：8 0 0 m h z 厂2 0 0 0 m h z ， 0 0 2 k m d 5 k m ， 4 m j l l ，5 0 m 。 在视距传播的情况下，有： o 墨= 4 2 6 + 2 6 l g d + 2 0 1 9 厂 式( 3 - 1 9 ) 式中，d 的单位为h ，厂的单位为m h z 。 非视距m l o s ) 环境的参数如图3 5 所示： k 盥 a 自，m s 扭e 哉把惦m o l 翊番 a n 抚坪蚋。 图3 5c o s t2 31 一w i 模型( 非视距环境) 图中，玩为基站天线高出地面的高度，单位为m ( 4 5 0 m ) ；九为移动台天线高 度，单位为m ( 1 3 m ) ；为建筑物屋顶高度，单位为m ；j i 。= 一为基站天线 高出建筑物屋顶的高度，单位为m ；j l 。= 一 。为移动台天线低于建筑物屋顶的 高度，单位为m ；6 为建筑物间隔，单位为m ( 默认值为2 0 5 0 m ) ；w 为街道宽度， 单位为m ( 默认值为6 2 ) 。 在非视距传播的情况下有： k = 譬钳k落乏三三； 地。， 式中，詹为自由空间路径损耗；k 为从屋顶到街面的衍射和散射损耗；k 为多遮蔽物衍射损耗。公式的具体计算表达式参见文献 1 8 。 第三章确定性传播模型的修正及建模 1 9 3 3 4 树木遮挡模型【3 】【1 7 】 树木和枝条对u h f 和微波信号造成了明显的衰减。当把树叶和枝条的分布设 为随机分布时，可以计算出信号的衰减值。电磁场由一个一致场和一个散射场组 成，一致场与通过单个叶片和枝条的前向传播有关，散射场则由前向散射产生。 当无线电波进入随机分布的介质时，最初的一致场是固定的；然而由于存在树叶 和枝条对电波的吸收，一致场以相当快的速率衰减并逐渐变成散射场。一致场通 过几个奈培( 衰减单位) 的衰减后，散射场逐渐占据主导地位并以较低的速率继续衰 减。 一致场通过树叶和枝条的传输常数为尼。= 后+ k ，其中七是空中电磁波的个数 ( 即距离与波长的比值) ，变量k = k l 塍”有一个正实部和一个负虚部。图3 6 显 示了k = r e ( k ) 和k ”= 一砌( k ) 随着频率变化的趋势。 l _ i 戳f ， ， 层7 j 厂7 ； | f f i ：僦 7 l f ， ，。i ，7 ：；， 每i ，。； ( a ) k 随频率的变化趋势( b ) k ”随频率的变化趋势 图3 6 k 的实部和虚部 关于树木遮挡模型以及后续的仿真，主要考虑以下的情况：森林区域、林中 小块空地以及树木成行排列的近郊区。森林区域是指收发信机都位于森林中，我 们考虑的都是移动台天线高度低于树木高度的情况，至于基站天线高度会分成高 于和低于树木高度两种情况分别讨论；林中空地情况下，阻挡电波传播的树木可 以近似成刃形山体，当然等价的刃形山的高度是否与树木高度相等还要看树木枝 叶的种类以及枝叶的茂密程度，对于阔叶林来说夏天与冬天的情况显然是不同的； 近郊区的建筑物可视为造成幅度变化的吸收壁，成行排列的树木则可以看成部分 衰减壁，树木的枝条和树叶则会造成附加相位变化，这部分的内容比较复杂，具 体理论介绍和公式推导请见参考文献【3 】。 3 3 5 各模型子函数介绍 在各传播预测模型程序实现过程中，笔者将该模型计算公式复杂的表达式按 照不同的意义进行了函数划分，采用函数间调用的形式给出最终的计算结果。将 2 0 地域电波传播模型修正的研究 复杂公式拆分成子函数的好处有： 1 ) 每个子函数具有一定的物理意义，比如柱状山体阻挡损耗公式可以拆分成自由 空间路径损耗、刃形山体损耗和柱状山体顶端带来的附加损耗。每个模型函数 都可以拆分成若干个子函数的形式，能够清晰的表达出公式对传播环境的描 述。 2 ) 各子函数间相互调用便于程序编译和维护。如果计算结果出现错误，可以通过 增加输出接口的形式检查每个子函数的结果是否正确，非常方便的将错误锁定 到具体的位置。 3 ) 前面四个小节介绍的特定传播环境的路径损耗公式从整体看上去差别很大，但 综合模型的理论分析发现，公式有很多部分是相同的：山体损耗都是采用了自 由空间损耗加上修正因子的形式；丘陵地带的建筑区都大体分成两部分，山体 阻挡部分和建筑阻挡部分，其中山体阻挡又可以按照刃形、柱形和楔形进行分 类；大城市建筑区模型可以分成自由空间路径损耗、屋顶到街面的衍射和散射 损耗、多遮蔽物衍射损耗等等。每个模型计算公式都会与其他传播模型或多或 少有