（通信与信息系统专业论文）wcdma系统仿真传播模型的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着移动通信技术的快速发展，各种环境特别是城区无线信号传播特性成为 一个重要的研究课题。 无线信号在空间传播具有很大的随机性。为了充分合理的利用无线频率资 源，得到最佳的网络性能，许多应用软件和传播模型被用来预测和分析信号能 量的分布。在目前，大多数预测传播模型直接来自国外，这些宏蜂窝模型是基 于经验的静态传播模型，其准确性并不能令人满意。在本论文中，通过理论分 析和现场实际测试，我们对几种典型的传播模型进行了研究，并给出了每种传 播模型的校正参数。在实际系统仿真中，如果利用这些校正后的传播模型，那 么仿真的准确性将会得到改善。 这篇论文对传播模型及其校正给出了简要介绍。通过m a t l a b 仿真软件， 我们对几个典型的经验传播模型进行了仿真，利用仿真结果，我们给出了传播 模型选取的原则和标准。传播模型的校正对w c d m a 系统仿真非常重要，传播 模型通过连续波实际路测数据和电子地图来校正。基于以上理论和研究，本论 文首先给出了一般模型校正算法，接着给出了一种改进的模型校正算法，然后 通过计算，分别用一般校正算法和改进算法得出的结果和实际路测数据进行比 较，结果表明，改进算法更加适合实际无线环境，然后对实验结果和路测数据 进行了分析。 最后给出了一个模型校正的例子。基于以上给出的理论和方法，虽然我们给 出的模型校正算法没有射线追踪法精确，但是由于系统仿真对传播模型校正的 要求不是那么高，利用改进的算法可以使仿真的成本大大的节约。最后，希望 这篇论文能够对w c d m a 系统仿真中传播模型的选取给出指导性建议。 关键宇随机性；传播模型；连续波测试；模型校正 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t a st h er a p i d l yd e v e l o po ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h es t u d yo f p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o ra l lk i n d so fe n v i r o n m e n t s 。e s p e c i a l l yu r b a na r e ah a s b e c o m ea ni m p o r ts u b j e c t n l ep r o p a g a t i o no fw i r e l e s ss i g n a li se x t r e m e l yr a n d o m i no r d e rt oe m p l o yt 1 1 e r e s o u r c eo f f r e q u e n c yr e a s o n a b l ya n dg e tt h eb e s tq u a l i t yo f t h en e t w o r kp e r f o r m a n c e m a n ys o f t w a r ea n dp r o p a g a t i o nm o d e l sa r eu s e dt op r e d i c t i n ga n da n a l y z i n gt h e s i g n a ls t r e n g t hd i s t r i b u t i o n a tt h ep r e s e n tt i m em o s to ft h ep r e d i c t i n gm o d e l s ， a l w a y sd i r e c t l yc o m ef r o m0 t h e rc o u n t r i e s ，f o rm a c r oc e l l u l a ri ss t a t i s t i cm o d e l s b a s e de x p e r i e n c e n l ea c c u r a c yi s n ts a t i s f y i n g b yt l l e o r e t i ca n a l y s i sa n dd r i v et e s t p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e da n ds e v e r a lm o d i f i e dm o d e l sa r ep r e s e n t e di n t h i st h e s i s t h ea c c u r a c yi si m p r o v e db yu s i n gt h en e wm o d e li nt h ea c t u a l e n g m e e r m g t h i st h e s i sg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p ta n dt u n i n go fp r o p a g a t i o n m o d e l b yt h em a t l a bs o f t w a r e s o m ek i n d so ft y p i c a ie x p e r i e n c ep r o p a g a t i o n m o d e l sa r es i m u l a t e d u s i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w ec a ng i v et h ep r i n c i p l ea n d c r i t e r i o no fs e l e c t i n g p r o p a g a t i o nm o d e l n et u n i n g o fp r o p a g a t i o nm o d e li s i m p o r t a n tf o rw c d m as y s t e ms i m u l a t i o n p r o p a g a t i o nm o d e li st u n e db yd a t a g o t t e nf r o mc o n t i n u o u sw a v e t e s ta n d d i g i t a lm a p b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h i s p a p e rf i r s t l yr e p r e s e n t sn o r m a ia l g o r i t h mo fm o d e lt u n i n g t h e ng i v ear e v i s e d a l g o r i t h mo fm o d e lt u n i n g a f t e rt h a t c o m p a r i s o no fn o r m a la l g o r i t h mo fm o d e l t u n i n ga n dt h et e s tr e s u l t ，r e v i s e da l g o r i t h mo fm o d e lt u n i n ga n dt h et e s tr e s u l t t h e t e s tr e s u l ts h o w s ，t h er e v i s i o nm e t h o d so fp r o p a g a t i o nm o d e la r em o r ef i tf o rr e a l c i r c u m s t a n c et h a nn o r m a la l g o r i t h mo fm o d e lt u n i n g t l l i sp a p e ra l s op i c k su pa n d a n a l y z e sa m o u n to f t e s td a t a a ne x a m p l eo f p r o p a g a t i o nm o d e lt u n i n gi sg i v e ni nt h ee n d w i mt h et h e o r y a n dp r o c e d u r ed e s c r i b e df o r e g o i n g ，t h o u g ht h er e v i s e da l g o r i t h mo fp r o p a g a t i o n m o d e lt u n i n gi s n tm o r ea c c u r a t et h a nr a yt r a c i n g b u tt h es i m u l a t i o nc o s tc a l lb e g r e a t l ys a v e db yu s i n gt h er e v i s e da l g o r i t h mo w i n gt ot h em o r ep r e c i s ei sr e q u i r e di n r a yt r a c i n g i ti sh o p e dt h a tt h i st h e s i s c a l lg i v es o m eg u i d ep r o p o s a lt os e l e c t p r o p a g a t i o nm o d e l i nw c d m a s y s t e ms i m u l a t i o n k e y w o r d sr a n d o m ；p r o p a g a t i o nm o d e l ；c o n t i n u o u sw a v et e s t ；m o d e lt u n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 无线传播模型的发展现状 从七十年代开始，国内外就电磁波传播预测的研究工作就广泛的展开了，并 建立了大量的预测传播模型。根据这些模型多使用的覆盖范围，可以分为大区 模型( 宏蜂窝模型) 、小区模型和微区模型( 微蜂窝模型) 。宏蜂窝模型最常用 的是o k u m u r a h a t a 模型、c o s t 2 3 i - h a t a 模型、c o s t 2 3 1w a l f i s c h i g k a m i 模型 等，但这些模型都有自己的一些缺陷，且不是特别适合我国的国情。像 o k u m u r a - h a t a 模型主要是由在日本东京测试的数据而得到的经验模型【1 1 【2 】【3 】。 目前国内外传播模型的研究可以分为两类，一类是基于无线电传播的理论分 析方法，一类是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法。其趋 势从o k u m u r a - h a t a 模型等适用于宏蜂窝的经验模型向适用于微蜂窝移动网络结 构的射线跟踪模型演进，并在移动通信应用需求推动之下不断发展变化。从预 测技术的特征看，以往国内外移动通信系统无线信号场强研究的思路都是通过 正演的方式，建立在传播模型研究的基础上，依赖于三维数字化地图，或者预 测精度偏低，或者运算耗时过长，或者投入太大，结果移动通信系统场强覆盖 研究在我国开展的并不好。至今没有自己独立开发的，适合于国内市场需要的 场强预测软件。 统计模型是将市区环境划分成一定大小的区域，考察区域内建筑物密度和环 境变化来确定该区域内电波损耗大小。统计模型根据路径强度和路径时间的统 计分布规律分析电波传播的多径效应。统计模型的缺点是精度不高。 理论模型多是采用射线跟踪的方法来实现的。射线跟踪【4 】【5 1 【6 】的方法就是将 从信号源辐射出来的波看作一条条的射线，然后跟踪每一条射线的传播轨迹( 可 能经历反射、绕射、散射) ，直到射线携带的能量变的很小甚至可以忽略，或者 射线到达接收点为止，由追踪的结果决定射线是舍弃还是计算入最终的计算结 果。理论模型的精度很高，但计算量相当大。虽然现代计算机技术相当发达， 在一定程度上解决了问题，但在实际应用中，电波传播环境往往极为复杂，采 用传统的射线跟踪法计算量是不可想象的。 实际上，如何确定适合不同环境下的无线传播模型已经成为许多理论分析和 现场实测的课题，并已经得出许多有关其特性的结果。其中有些给出精确的数学 描述，另一些则给出统计模型。然而由于移动通信系统的复杂性，仍有许多待 研究课题。这样不同地区不同城市中的无线信道特性究竟如何，只有在这些环 境中以通用模型为基础并结合实测数据通过校正来确定，传播模型校正的基本 方法是先获得路测数据，计算得到路径损耗大小，然后对这些路径损耗数据进 行处理，以修正原有的传播模型。通常路测的方法有c w 测试法( c o n t i n u o u s w a v e ，连续波) 和现网测试法两种。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 研究无线传播模型的背景和意义 1 2 1 研究无线传播模型的背景 随着第三代移动通信技术的兴起，3 g 的商用已经迫在眉睫，而在网络建设 的初期，网络规划尤为重要，w c d m a 系统，由于引入了多种类型的数据业务， 整网业务特性的复杂程度大大超越了以语音业务为主，辅助以少量低速数据业 务的传统2 g 无线网络。软容量的存在给w c d m a 网络规划带来了困难，难以 通过简单的公式计算，来确定如何才能提供足够的系统容量，因此在网络规划 当中，往往需要特定的w c d m a 网络规划工具对规划结果进行评估。 w c d m a 与传统的g s m 网络有着本质的不同【7 j 【s 】【9 1 ，由此对网络规划便提 出了更高的要求，好的规划能成功地在网络覆盖、容量、质量及建网成本间取 锝良好的平衡，辅助运营商在网络建设和升级扩容的各阶段采取最佳的实施方 案，实现其建网效益的最大化，所以规划的好坏将直接影响到网络性能和建设 成本。无线网络规划对于运营商网络建设具有指导性的意义，而规划仿真又是 网络规划流程的重要组成部分，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、系统负载等，对实际组网有重要的指导和 借鉴作用。所以在各地建设的试验网中都是通过系统仿真来指导网络的建设。 无线网络规划的目的就是根据运营商网络性能要求结合不同设备的技术特 性。充分考虑网络的可扩展性，最终得出最优基站站址选择策略。通常我们在 进行w c d m a 系统无线网络规划时，需要对不同业务进行链路预算，得出系统 允许的最大路径损耗值，然后，选取适合当地情况的传播模型计算小区半径， 有了小区半径，我们就可以结合不同城市的地物分布情况有选择性的进行基站 预选址工作。从上述内容可以看出，传播模型的取定最终决定基站站址位置， 如果传播模型不适合规划地的地物地貌情况，那么得出的规划结果将严重影响 网络性能，为后期无线网络的优化造成很大困难。 在无线网络规划过程中，无线传播模型帮助设计者了解预选站址在实际环境 下的传播效果。设计者可以通过将传播模型运用在规划仿真软件中的方法预测 出所规划的基站的各种系统性能指标。由于这一预测结合了当地的数字地图中 的地形、地物的信息，因此预测的结果从某种意义上来说反映了将来实际网络 的状况，对网络规划有着很大的指导意义。但是由于实际环境中电磁波多径传 播的复杂性，因此能够完全准确地反映实际传播环境的模型并不存在，实际规 划仿真中所涉及的所有模型都是在基于大量的场强测试的基础上，经过对数据 的分析与统计处理找出各种地形、地物下无线传播损耗与移动台( 基站) 的天 线高度、频率、距离等参量的关系的计算公式或图表。设计者可以利用这些公 式或图表通过简单的计算预测出电磁波在空中传播的路径损耗或接收功率的中 值。 研究移动通信系统，必须首先对无线信道传播模型作出分析，因为它是移动 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 通信系统规划和优化的基础，直接关系到通信系统能力的有效发挥及无线网络 的质量。移动通信系统中无线信道的传播主要受到地形和建筑物、内外界干扰 和多普勒效应等因素的影响，具有较大的随机特性，因此，严格的理论分析很 难实现。在实际应用中，往往需要对移动环境进行近似和简化，针对不同的无 线传播环境分析出不同的传播模型。 传播模型是描述无线电波在介质中传播特性的数学模型，它用于无线蜂窝系 统的规划设计，用于仿真时提供较精确的覆盖预测，从而有助于无线网络的规 划、部署和扩容。传播模型的研究可分为两类i ”】：一类是基于无线电传播理论 的理论分析方法；一类是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方 法。在移动通信系统中，由于移动台不断运动，传播信道不仅受到多普勒效应 的影响，而且还受地形、地物的影响，另外移动系统本身的干扰和外界干扰也 不能忽视。基于移动通信系统的上述特性，严格的理论分析很难实现，往往需 对传播环境进行近似、简化，从而使彳导理论模型误差较大，因此我们一般都使 用统计传播模型。 直接应用电磁理论计算的确定性模型，如射线跟踪技术，也只适合室内或微 小区的模型预测，且其应用比较复杂，计算量很大 1 i j l l 2 1 1 3 】，所以较少使用。因 此，需要针对各个地区不同的地理环境进行测试，通过分析与计算等手段对传 播模型的参数进行修正。最终得出最能反映当地无线传播环境的基于大量测量 数据的统计传播模型，从而提高覆盖预测的准确性。 由于无线网络越来越复杂，移动通信运营商和相关设计、咨询单位均开始采 用先进的无线网络规划软件。借助于规划软件，可对基站信号覆盖做出预测， 在基站信号覆盖预测的基础上，进行站点选择、容量规划、频率规划、网络优 化等。若基站信号覆盖预测不准，所做的一切规划将因误差太大，而失去实际 意义，规划软件也起不到很好的作用。要对基站信号覆盖做出较为准确的预测， 首先必须要有一个准确的传播模型。目前一些传播模型其参数都是在特定的环 境条件下通过测试而得出的经验值，若环境条件发生明显变化，这些模型的准 确性就大打折扣。因此，应该根据每个城市特定的地理环境。校正出能够准确 描述该城市电磁波传播特性的信号传播模型。而传播模型的校正，需进行c w 连续波测试，通过实测数据和预测数据的比较，计算得出传播模型的各个参数， 最终将传播模型的误差控制在可接受的范围内。 1 2 2 研究无线传播模型的意义 无线信道是制约无线通信系统的最关键因素，所有的移动通信系统设计仿真 过程中都无法回避它的存在，无线传播预测模型是在给定的条件下对传播条件 和接收信号的场强给出近似的估算。 在移动通信系统中，由于移动台不断运动，且实际传播环境中存在各种各样 影响电波传播的物体，使得电波的传播既有直射、绕射和衍射，又有反射。这 就造成电波传播的多样性和复杂性，也增大了对电波传播研究的难度。基于移 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 动通信系统的上述特性，严格的理论分析很难实现。 传播模型是移动通信无线网络规划的基础。在移动通信中，传播模型的优劣 直接影响无线网络规划的效果。采用合适的传播模型或校正过的传播模型，可 以提高覆盖预测的准确度，可以针对特定市场的具体传播环境，设计合理的无 线网络建设方案。从而达到提高网络质量，充分利用系统资源，提高运营商效 益的目的。 传播模型的现实意义在于指导移动通信系统无线网络的规划和运行维护。传 播模型的准确与否关系到网络规划是否合理、网络质量是否满足用户要求、运 营商是否以比较经济合理的投资获取较大的收益。在蜂窝移动通信系统中经常 出现的掉话、网络忙、无信号覆盖以及通话质量差等现象，它们在很大程度上 与网络规划初期确定的传播模型不合理有关。因而对运营商来说为了提高用户 满意度，不能不特别关注传播模型问题。 1 3 论文的主要工作及安排 正是在中国移动通信向3 g 发展的大背景下，各通信运营商也开始了网络建 设的平滑过渡准备工作，本论文的研究工作正是在上文所阐述的背景下围绕着 w c d m a 系统仿真及仿真中传播模型的选取问题展开深入分析和探讨。本人于 2 0 0 6 年1 1 月有幸参与了某地w c d m a 系统的仿真工作，期间阅读了大量国内 外参考文献，了解w c d m a 系统无线侧的基本原理，研究无线信号传播特性， 并构建传播模型，在这个传播模型下仿真整个网络的覆盖、负载、导频污染等， 并且在这个仿真结果的基础上对一些参数进行调整，以获取最佳的网络建设方 案，将仿真结果与实际路测数据进行对比，研究如何提高网络仿真的精确度。 作者跟随华为及设计院部分员工通过大量的不同环境的实际测量，获得了大 量的第一手资料，结合理论和经验，通过分析数据，校正了不同地区的传播模 型。 本文首先介绍了无线信号传播模型在w c d m a 系统仿真中的作用以及传播 模型的研究方法和分类，然后重点介绍了几个比较典型的宏蜂窝传播模型如 o k u m u r a - h a t a 模型、c o s t 2 31 h a t a 模型、c o s t 2 31w a l f i s c h i 然a n l i 模型等。 并利用m a t l a b 对几个模型进行了仿真，并给出了每种传播模型的使用范围，通 过以上结论加上经验，我们给出利用a i r c o m 公司的a i r c o me n t e r p r i s e3 g 仿真 软件对郑州市区的w c d m a 试验网进行仿真选取的传播模型。由于实际无线传 播环境的复杂性，需要对无线传播模型进行校正，通过对无线传播模型校正原 理及流程的详细介绍，我们知道要对实际无线环境进行准确的预测非常复杂且 很难实现，考虑到w c d m a 系统仿真在网络建设之前，并且后面还要进行网络 优化，加上投资效益最大化原则，只要在我们允许的误差范围内，我们建议采 用简化的传播模型校正方法，而不需要通过比较复杂的射线追踪法追求准确性。 本论文详细介绍了传播模型校正的原理和流程，给出了我们仿真中用到的两个 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 传播模型c o s t 2 3 1 h a t a 模型和s t a n d a r dm a c r o c e um o d e l 标准模型的改进校正 方法。最后通过实例说明改进的模型校正算法的可行性。 通过以上介绍，我们把论文工作分为以下几个部分： 第1 章是绪论。主要介绍了无线传播模型的发展现状；研究无线传播模型的 背景和意义：论文的主要工作及安排。 第2 章是无线信号传播模型。首先介绍了无线信号传播模型在w c d m a 系 统仿真中的作用，无线信号传播模型的研究方法及分类：接着介绍了几个典型 常用的宏蜂窝传播模型并对其进行了仿真，给出每种传播模型的使用范围；最 后通过前面的结论，给出实际w c d m a 仿真中不同环境实际传播模型的选取。 第3 章是无线传播模型校正。通过对传播模型校正作用、原理和流程的介绍， 比较详细的给出了场强数据的采集和分析：然后针对w c d m a 系统仿真中选取 的传播模型，给出了常用的传播模型校正算法。 第4 章是一种改进的传播模型校正算法与分析。通过对某地传播模型的校 正，不仅说明了传播模型选取及校正的重要性，也验证了改进简化的传播模型 校正算法的可行性，并对传播模型校正做出了分析，希望能够对系统仿真具有 指导意义。 结论中对传播模型选取及校正进行了总结，希望对运营商网络建设起到指导 作用，并对传播模型的研究进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章无线信号传播模型 在w c d m a 系统仿真中，无线传播模型是一个非常关键的参数【i ”。理论上 讲，在自由空间中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【1 5 】【1 6 1 1 7 】，但考虑到实际环境下多径传播的复杂性，同时还要考虑 在传播路径上存在着各种各样的影响，如高山、湖泊、地面建筑以及植被的影 响等，因而电磁波会产生反射、绕射、散射等多种传播方式，很难用简单的数 学关系式来表示无线电波的传播损耗大小。在网络规划中，一般不会去一一分 析各条多径的传播情况。这就需要一种通过理论研究与实际测试的方法归纳出 无线传播损耗与频率、距离、环境、天线高度等变量的数学关系式。这一数学 关系式称之为传播模型。 2 1 无线信号传播模型在系统仿真中的作用 在无线网络规划过程中，无线传播环境帮助设计者了解预选站址在实际环境 下的传播效果。设计者可以通过将传播模型运用在规划仿真软件中的方法预测 出所规划的基站的各种系统性能指标。由于这一预测结合了当地的数字地图中 的地形、地物的信息，因此预测的结果从某种意义上来说反映了将来实际网络 的状况，对网络规划有着很大的指导意义。但是由于实际环境中电磁波多径传 播的复杂性，因此能够完全准确地反映实际传播环境的模型并不存在，实际规 划仿真中所涉及的所有模型都是在基于大量的场强测试的基础上，经过对数据 的分析与统计处理找出各种地形、地物下无线传播损耗与移动台( 基站) 的天 线高度、频率、距离等参量的关系的计算公式或图表。设计者可以利用这些公 式或图表通过简单的计算预测出电磁波在空中传播的路径损耗或接受功率的中 值。 如上所述，任何传播模型都只是对实际传播环境下的电磁波传播特性的一个 预测，由于实际空问传播的复杂性，完全准确反映实际传播性能的模型并不存 在。即使是经过现场校准过的模型，也会受到采样点的数量、数字地图的精度 等多方面因素的影响而与实际性能存在一定的偏差。 传播模型是移动通信网中小区规划的基础。模型的价值就是保证精度，同时 节省人力、费用和时间。传播模型的现实意义在于指导移动通信系统无线网络 的规划和运行维护。传播模型的准确与否关系到网络规划是否合理、网络质量 是否满足用户要求、运营商是否以比较经济合理的投资获取较大的利益。在蜂 窝移动通信系统中经常出现的掉话、网络忙、无信号覆盖以及通话质量差等现 象，它们在很大程度上与网络规划初期确定的传播模型不合理有关。可以说传播 模型的准确与否关系n 4 , 区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资 满足了用户的要求。因而对运营商来说为了提高用户满意度，不能不特别关注传 播模型问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 无线信号传播的研究方法 众所周知，移动通信系统的性能主要受无线信道的制约，而无线信道的传播 主要受到地形、建筑物、内外界干扰和多普勒效应等因素的影响，具有较大的 随机特性，因此，严格的理论分析很难实现。在实际应用中，往往需要对移动 环境进行近似和简化，针对不同的无线传播环境分析出不同的传播模型。所以， 研究移动通信系统，必须首先对无线信道传播模型作出分析，因为它是移动通 信系统规划和优化的基础，直接关系到通信系统能力的有效发挥及无线网络的 质量。 目前国内外传播模型的研究可以分为两类，一类是基于无线电传播的理论分 析方法，一类是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法。宏蜂 窝模型、微蜂窝模型都可分为理论模型和统计模型。 l 、基于无线电传播的理论分析 用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种数学 模型来描述移动信道。往往要提出一些假设条件使信道数学模型简化，所以， 数学模型对信道的描述都是近似的，即使这样，信道的理论模型对人们认识和 研究移动信道仍可以起指导作用。 理论模型多是采用射线跟踪的方法来实现的。射线跟踪法的基础是几何光学 理论( g t 0 ) 、几何绕射理论( g t d ) 和一致绕射理论( u t d ) 0 s i l 州【2 。为了确 定射线的传播轨迹，很多模型多采用镜像法，找出镜像源点，以此确定反射射 线轨迹。对于绕射波，采用一致绕射理论进行射线轨迹追踪，这方面的理论非 常成熟。射线跟踪的方法就是将从信号源辐射出来的波看作一条条的射线，然 后跟踪每一条射线的传播轨迹( 可能经历反射、绕射、散射) ，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，由追踪的结果决定射线 是舍弃还是计算入最终的计算结果。 理论模型的精度很高，但计算量相当大。虽然现代计算机技术相当发达，在 一定程度上解决了问题，但在实际应用中，电波传播环境往往极为复杂，采用 传统的射线跟踪法计算量是不可想象的。 2 、大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法 在不同的传播环境中，对电波传播做实测实验。测试参数包括接收信号幅度、 延时以及其它反映信道特征的参数。对实测数据进行统计分析，可以得出一些 有用的结果。由于移动环境的多样性，现场实测一直被作为研究移动倍道的重 要方法，也就是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法。其趋 势从奥村模型等适用于大区制的经验模型向适用于微蜂窝移动网络结构的射线 跟踪模型演进，并在移动通信应用需求推动之下不断发展变化。从预测技术的 特征看，以往国内外移动通信系统无线信号场强研究的思路都是通过正演的方 式，建立在传播模型研究的基础上，依赖于三维数字化地图1 2 ”，或者预测精度 偏低，或者运算耗时过长，或者投入太大，结果移动通信系统场强覆盖研究在 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 我国开展的并不好。至今没有自己独立开发的，适合于国内市场需要的场强预 测软件。 统计模型是将市区环境划分成一定大小的区域，考察区域内的建筑物密度和 环境调整( 如树木多少，是否有草地等) 来确定该区域内电波损耗大小。统计模 型将具有相同时延的射线作为一个值考虑，考察射线的时延分布，由此建立电 波传播环境的特性参量，这样把环境等效为一个线性滤波器，根据路径强度和 路径时间的统计分布规律分析电波传播的多径效应。统计模型的缺点是精度不 高。 无线信道的计算机模拟法是近年来随着计算机技术的发展新出现的研究方 法。如前所述，任何理论分析，都要假设一些简化条件，而实际移动传播环境 是千变万化的，这就限制了理论结果的应用范围。现场实铡，较为费时、费力， 并且也是针对某个特定环境进行的，计算机在硬件支持下，具有很强的计算能 力，能灵活快速地模拟各种移动环境。因而，计算机模拟越来越成为研究移动 信道的主要方法。 在许多实际研究工作中，这些方法用于研究进程的不同阶段。实际上，如何 确定适合不同环境的无线传播模型已经成为许多理论分析和现场实测的课题， 并已经得出许多有关其特性的结果。其中有些给出精确的数学描述，另些则给 出统计模型。然而由于移动通信系统的复杂性，仍有许多待研究课题。这样不同 地区不同城市中的无线信道特性究竟如何，只有在这些环境中以通用模型为基 础并结合实测数据来确定。 2 3 无线信号传播模型的分类 传播模型分为室外传播模型和室内传播模型两种。室外传播模型又分为宏蜂 窝和微蜂窝传播模型。 常用的传播模型可以分为两大类：经验模型( 根据大量的测试结果统计分析 后导出的公式，它不需要相关的环境的详细信息，但是不能提供非常精确的路 径损耗估计值，如o k u m u r a h a t a 模型、c o s t 2 3 1 h a m 模型、s t a n d a r dm a c r o c e l l m o d e l 标准模型等) ：确定性模型( 对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的 方法，在市区、山区和室内的环境情况下，确定性的无线传播预测是一种及其 复杂的电磁问题，如射线跟踪、几何绕射理论等方法) 。 由于传播环境的差异性，通用的传播模型是不存在的，大多以统计模型为基 础，然后通过针对具体环境进行实际路测，根据路测数据对统计模型进行校正 来得到更加符合实际环境的传播模型。最著名的统计模型要数o k u m u r a 模型， 它是o k u m u r a 以其在日本的大量测试数据为基础统计出的以曲线图表示的传 播模型。在o k u m u r a 模型的基础上，利用回归方法拟合出便于计算机计算的解 析经验公式，这些经验公式有适用于g s m 9 0 0 宏蜂窝的o k u m u r a - h a t a 公式、适 用于g s m l8 0 0 宏蜂窝的c o s t 2 3 卜h a m 公式等等肛“。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 4 典型无线信号传播模型 传播模型是由在不同环境和路径距离情况下的大量测试数据经曲线拟合而 来的一个公式，公式输出的路径损耗值代表的是大量测试结果的均值，也就是 说传播模型预测的无线电波传播路径损耗是实际路径损耗的均值，因此我们称 传播损耗模型为中值路径损耗模型。几种常用的中值预测传播模型如下： 2 4 1o k u m u r a - h a t a 模型及仿真 o k u m u r a ( 奥村) 通过对日本城市进行大量的无线电波传播损耗的测量，得 出一系列经验曲线用于蜂窝系统的规划设计，在模型中加入了修正因子用以修 正不同的地形特征、天线高度、建筑物特性、街道的形状与方向等环境。随后， 在这些经验曲线的基础上，拟和出了其近似数学表达式，简化为h a t a 模型 2 4 1 2 5 ( 见表2 - 1 ) 。计算公式如下： 工0 理) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 h t a ( h r ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 h t ) l g d k 表2 - 1h a t a 模型参数表 区域类型a ( h r ) 足 乡镇 ( 1 1 l g f 一0 7 ) h r 4 7 8 ( 1 9 f ) 2 1 8 3 3 1 9 f + 4 0 9 4 郊区 一( 1 5 6 1 9 f 一0 8 ) 2 1 9 ( f 2 8 评+ 5 4 中小型城市 o 大城市0 冬4 0 0 m h z ) 3 2 ( i g t1 7 5 h r ) 2 4 7 9 o 式中： ：从基站到移动台的路径损耗，单位d b ； 厂：工作频率( 载波频率) ，单位m h z ； 厢：发射天线( 基站天线) 高度，单位i l l ； 加：接收天线高度( 移动台接收天线) ，单位m ： a ( h r ) ：接收天线高度修正因子； d ：传播距离( 基站到移动台之间的距离) ，单位k m ： 髟：用于小型城市的郊区和开阔地的校正因子。 l 、该模型的适用范围 该模型适用于1 5 0 1 5 0 0 m h z 宏蜂窝预测，传播距离从1 - 2 0 k m ，基站天线 高度从3 0 2 0 0 m ，接收天线高度1 - 1 0 m 。所以该模型不适于进行w c d m a 系统 的网络规划仿真，同时，由于该模型适用的天线高度和终端高度适合小型城市、 乡镇区域的地物情况，因此，我们认为该模型适合小型城市及乡镇区域的 1 5 0 0 m h z 以下的无线网络规划。 2 、该模型仿真分析 当系统参数厂分别取4 0 0 m h z 、6 0 0 m h z 以及9 0 0 m h z 时，发射天线高度研 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 2 4 2 扩展的h a t a 模型( c o s t 2 3 1 h a t a ) 及仿真 在进行1 5 2 g i - i z 无线网络规划时，我们常常发现h a t a 模型经常低估路径 损耗。用于网络规划时，基站站址设置密度较稀，不易达到网络预期的设计指 标。因此，欧洲研究委员会( c o s t 2 3 1 ) 在h a t a 模型的基础上进行了修正，通 常我们认为c o s t 2 3 1 h a m 是h a m 模型在2 g h z 频段的有效扩展【2 6 j 【2 ”。计算公 式如下： 三船= 4 6 3 3 + ( 4 4 9 - 6 5 5 1 9 h t ) l g d + 3 3 9 1 9 f 一口恤，) 一1 3 8 2 1 9 h t + k 式中： 三。：从基站到移动台的路径损耗，单位d b ： 厂：工作频率( 载波频率) ，单位m n z i h t ：发射天线( 基站天线) 高度，单位m ； 衙：接收天线高度( 移动台接收天线) ，单位m ； 口( 加) ：接收天线高度修正因子( 与o k u m u r a - h a t a 模型相同) ； d ：传播距离( 基站到移动台之间的距离) ，单位k 1 2 q ； k ：在中型城市及其郊区时，取o ；在密集城区时，取3 。 1 、该模型适用范围 该模型适用于8 0 0 - 2 0 0 0 m h z 宏蜂窝预测，传播距离从o 2 5 k m ，基站天线 高度从4 5 0 m ，接收天线高度l 3 m 。由于该模型是在h a t a 模型的基础上，对 2 0 0 0 m h z 频段无线传播特性进行的修正，在应用到不同类型的城市中均能达到 预期的效果，因此，我们认为该模型适用于城市和郊区的无线网络规划。 2 、该模型仿真分析 ( 圭；专= 尹 彳芽二中一 i 一 j 厂 七一。 l 一 7 一 ：爹譬荔喜藿器毳 可i 图2 3 不同环境c o s t 2 3 1 - h a t a 路径损耗曲线图 当系统参数，取1 8 0 0 m h z ，发射天线高度m 取5 0 m ，移动台接收天线高度 取1 5 m ，利用m a t l a b 仿真路径损耗与传播距离的关系如图2 3 所示，由图2 3 和图2 2 比较可以看出，当系统中心频率由9 0 0 m h z 增加至1 8 0 0 m h z ，在发射 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 天线高度、移动台接收天线高度和距离固定不变时，传播损耗值处于不同地形 环境下也相应变大。也就是说，i $ 0 0 m h z 的电磁波要比9 0 0 m h z 的电磁波传播 能力弱。 2 4 3c o s t 2 31w a l f i s c h - i k e g a m i ( w i m ) 模型及仿真 欧洲研究委员会( c o s t 2 3 1 ) 在研究g s m 和p c s l 8 0 0 的过程中，发现 c o s t 2 3 1 h a t a 模型应用于高楼密集的城区时误差很大。为了改善c o s t 2 3 l 模 型使之也能适应于高楼密集城区的链路计算，欧研会进行了大量的现场实测和 模型分析，认为在该种区域中基站天线高度相对周围楼层高度要低，电波传播 有两种情况，一种是视距传播，另一种是非视距传播，非视距传播有“峡谷效 应”。因此，欧研会将c o s t 2 3 1 模型分成三个部分：自由空间传播损耗、屋顶 到街道衍射和散射损耗、多次屏蔽损耗【2 8 】【2 9 1 。该模型称为c o s t 2 3 1 w a l f i s c h - i k e g a m i 模型。 在w i m 模型中按照无线电波传播的特性分为视距传播和非视距传播两种模 型： 第一种：视距传播也就是传播路径上没有障碍物时的w i m 模型的计算公式 如下： k = 4 2 6 4 + 2 6 1 9 d + 2 0 1 9 f , d o 0 2 从上述公式我们可以看出，上。和2 6 1 9 d 成正比关系。 = 3 2 4 5 + 2 0 1 9 d + 2 0 1 9 f l ，= l h + 6 1 9 ( 5 0 d ) 式中： 厂：工作频率( 载波频率) ，单位m h z ： d ：传播距离( 基站到移动台之间的距离) ，单位k m ； l i o m ：基站天线和终端天线间没有障碍物时的路径损耗； 上。；自由空间损耗： 第二种：非视距传播也就是传播路径上有障碍物时的w i m 模型的计算公式 如下： 当m + 础0 时，三眺哪= l i , + 上m + 上腑 当上船+ 抽 0 时，上也艚= 三套 式中： 三。：自由空间损耗； l r t s ：屋顶到街道衍射和散射损耗； 三。：沿建筑物多屏绕射损耗： 厶。= 一1 6 9 1 0 1 9 c a + 1 0 1 9 f + 2 0 l g a h m + 三 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 式中： 缈：街道宽度，单位m ： a h m = 矗。一以； 当0 。妒3 5 。工。= - 1 0 + o 3 5 4 4 当3 5 0缸= 5 4 当吃s 0 同时d 0 5屯= 5 4 - 0 s a h , 当觇on 时d 0颤= 1 8 当哦0 k a = 1 8 - 1 5 ( ) k ，是频率因子： 中型城市及郊区： _ = - 4 + o 玎乡幺5 一1 1 大型城市： i ，= _ 4 + 1 5 f 乡幺5 一1 在没有建筑物详细资料的情况下，c o s t 2 3 1w i m 建议采用下列参考值： b = 2 0 5 0 m ： = ； k 咖= 3 建筑物层数+ 矗呵，矗耐= 3 m ( 尖顶建筑) ，_ i ，脚，= o ( 平顶建筑) ； = 9 0 。； 1 、该模型适用范围 图2 4 2 4 4p i 图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 只。：发射功率； 墨：固定偏移量； 丘：距离增加因子； 置，：与发射天线有效高度相关的因子： 丘：与衍射相关的因子； 毛：与l g 吼，i g d 相关的奥村哈塔型因子： 瓦：与接收天线有效高度相关的因子； d ：到基站接收端的距离； 月。：基站天线有效高度； d i f 劳a c t i o n ：衍射损耗； j r m 。：地貌修正因子： 。，：接收天线有效高度； 表2 - 2p l a n e t 标准模型参数表 市区 k lk 2 k 3 乜 k jk 6 3 6 3- 3 77o 2 7 o 郊区 k ik 2 k 3 乜恐 x 6 3 5- 3 2 56o 86 ，5o 乡镇开阔地 k lk 2恐 k l k 5 ，3 63 1 55 5o 8 56 ，20 上述公式通过采用k 配及k 。，对不同基站位置、不同终端位置及不同城 市不同地貌下的路径损耗进行修正，该公式的准确性建立在实测的基础上。一 般情况下，我们应当对需要规划的地区进行连续波( c w ) 测试，通过对规划区 域进行