（通信与信息系统专业论文）3g网络规划中的海面传播模型及其校正.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 随着3 g 移动通信网络的不断发展和完善，移动网络的服务区域已经扩大到 近海海域甚至视距以外。为了满足近海区域和航道上移动用户对无线通信网络的 需求，在移动通信网络的规划和优化工程中，急需具有合理预测精度并可用于海 面传播环境的无线传播模型。 本文在介绍移动通信无线传播环境和传统的无线电波传播模型的基础上，分 析了海面无线电波传播的特点：移动网络用于海面覆盖的基站站址通常选择在沿 海高处，无线电波可以传播到很远的海面上，地球曲率将对无线电波传播产生影 响。根据此电波传播的特点，依据接收点到发射天线的距离，将海域无线传播距 离分成三个区域：a 段( 从基站到基站可视距离点) 、b 段( 从基站可视距离点 到基站和终端合并的可视距离点) 和c 段( 超过基站和终端合并可视距离点的 地球阴影区域) ，并分别计算了各个区域的路径损耗，提出了海面无线传播模型 算法。 另外，为了验证该海面传播模型的实用性，本文还进行了c w ( 连续波) 测 试，并利用该实测数据，使用两种方法进行传播模型校正：方法一是使用实现该 海面传播模型算法的珠海鼎利公司的无线网络规划蓝i g h tw c d m a ，方法二是 使用实现标准传播模型算法的a i r c o m 公司的网络规划软件e n t e r p d s e 4 1 版。 最后，本文对这两个模型校正的结果进行了比较，证明了该海面传播模型对海面 传播环境具有更好的覆盖预测效果。 【关键词】无线网络规划宏蜂窝传播模型微蜂窝传播模型c w 测试 传播模型校正 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r i t yo ft h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h es e r v i c ea r e ao f m o b i l en e t w o r k h a sb e e ne x t e n d e dt ot h eo f f i n g ，e v e n b e y o n ds i g h t l i n e i no r d e rt om e e tt h en e e d so ft h er a d i oc o m m u n i c a t i o nn a t w o r k u s e r sn e a rt h es e aa n do nt h es e a - r o u t e ，ar a d i op r o p a g a t i o nm o d e lt h a th a s a p p r o p r i a t ep r e c i s ea c c u r a c ya n df i t sf o ro f f i n gp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n ti sn e e d e d b a d l yi nt h er a d i on e t w o r kp l a n n i n ga n do p t i m i z i n ge n g i n e e r i n g b a s i n g o ni n t r o d u c i n gt h er a d i o p r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n tf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o na n dt h et r a d i t i o n a lr a d i op r o p a g a t i o nm o d e l s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er a d i op r o p a g a t i o ne n v i r o n m e mi nt h eo f f i n g t h eb a s es t a t i o n o fm o b i l en e t w o r kf o rc o v e r i n gt h eo f f m gi sa l w a y sl o c a t e da tt h eh i 出a l t i t u d e s a l o n gt h ec o a s ti no r d e rt om a k e t h er a d i ow a v es p r e a d sf a ra w a y , a n dt h ec u r v a t u r e o f t h ee a r t hw i l li n f l u e n c et h ep r o p a g a t i o no ft h er a d i o c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c m e n t i o n e db e f o r ea n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h er e c e i v e ra n dt h et r a n s m i t t e r , t h er a d i o p r o p a g a t i o nd i s t a n c ei sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：p a r ta ( f r o mb a s es t a t i o n t ot h e s i g h t l i n eo ft h eb a s es t a t i o n ) ，p a r tb ( f r o mt h es i g h t l i 罂eo ft h eb a s es t a t i o nt ot h e s i g h t l i n eo f t h eb a s es t a t i o na n dt h et e r m i n a l ) a n dp a r tc r d l es h a d o wa r e ab e y o n dt h e s i g h t l i n eo ft h eb a s es t a t i o na n dt h et e r m i n a l ) w e w o r k e do u tt h ep a t h l o s s s e p a r a t e l ya n db r o u g h tf o r w a r dt h eo f f s h o r ep r o p a g a t i o n m o d e l i no r d e rt ov a l i d a t et h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h ep r o p a g a t i o nm o d e lf o rt h es e a , t h i s p a p e rd op r o p a g a t i o nm o d e lc a l i b r a t i o nb yu s i n gt h ed a t ao fc w t e s ti nt w ow a y s ， o n ei su s i n gi n s i g h tw c d m a ，t h er a d i on e t w o r kp l a n n i n gs o f t w a r eo f z h u h a id i n g l i c o m m u n i c a t i o nl t d ，w h i c hr e a l i z e dt h ea l g o r i t h mo ft h ep r o p a g a t i o nm o d e lf o rt h e s e a ；t h eo t h e ri su s i n ge n t e r p r i s er e l e a s e4 。1 t h er a d i on e t w o r kp l a n n i n gs o f t w a r eo f a i r c o mc o r p o r a t i o n ，w h i c hr e a l i z e dt h ea r i t h m e t i co ft h es t a n d a r dp r o p a g a t i o n m o d e l a c c o r d i n gt oc o m p a r i n gt h et w or e s u l t so f t h ep r o p a g a t i o nm o d e lc a l i b r a t i o n ， i ti ss h o w nt h a tt h ep r o p o s e dm o d e li sp r a c t i c a b l ei np r o p a g a t i o nf o r e c a s to fp a t h l o s s k e y w o r d s r a d i on e t w o r kp l a n n i n g m a c r o c e l l u l a rp r o p a g a t i o nm o d e l m i c r o - c e l l u l a rp r o p a g a t i o nm o d e lc wt e s t p r o p a g a t i o nm o d e c a l i b r a t i o n 1 1 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和来源 第一章绪论 目前，国内第三代移动通信的发展正处于一个关键时期：新的业务和技术正 不断涌现；客户需求不断增长 设备商之间、运营商之间和服务商之间的竞争也 日益加剧；通信系统越来越复杂，导致专业分工更加明细。从总体上看，3 g 网 络建设是在市场的驱动下，由应用业务引导网络的逐步演进，随着各种新业务的 不断加入，3 g 网络也逐步引入新技术，它呈现出来的是一个清晰的技术发展路 线。 随着人们对移动通信业务的依赖，人们期望在不久的将来能够实现无论何时 何地都可以快捷方便地与任何人通话，运营商也在从城市向农村甚至边远地区不 断地拓展其业务范围。在过去，无线业务主要集中在人口稠密区时，人们主要关 心的是市区传播模型、郊区传播模型和开阔地传播模型，而对海面这种特殊的无 线传播环境研究较少。随着经济的发展，沿海渔业、海上旅游业也迅速发展，尤 其是渔民对移动通信的需求量很大，这些用户已经成为沿海城市运营商争夺的重 点。 目前，很大一部分人认为海面无线信号的传播可以看作自由空间传播，但鼎 利公司的海面测试结果证明，自由空间传播模型并不适用于预测海面覆盖；而采 用o k u m u r a h a t a 模型加修正系数后也不能很好地适用海面传播环境。本论文的 研究工作就是基于上述原因，结合珠海鼎利通信公司3 g 无线网络规划软件开发 的项目展开的。该研究项目是在对海面传播环境进行了深入研究的基础上，提出 了适合于海面传播的海面传播模型，并在广东省汕尾的马宫和田尾角进行了实 测，在此实测的基础上对所提出的传播模型进行了进一步的校正。 1 2 课题意义 基于运营商之间竞争的需要和移动数据业务广阔的发展前景，3 g 移动通信 系统在我国的部署将很快进入实质性阶段。随着3 g 标准的不断发展、完善及3 g 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 设备的不断成熟，如何经济合理地建设3 g 网络已经成为急需解决的问题。 无线网络规划是根据网络质量的要求，通过覆盖预算和容量预算估算基站数 量和配置，直接影响到3 g 网络的性能和建设成本，因而倍受运营商的关注。3 g 无线网络规划包括覆盖规划和参数规划等，由于覆盖范围的大小直接和网络基础 设施投入的大小成比例，无线网络覆盖成为网络质量最重要的度量之一。 在网络规划工作中，对无线电波的传播方式进行建设是其规划的基础，在这 个基础之上，才能有效地完成系统的链路预算和覆盖预测。然而，在移动通信系 统中，由于移动台不断运动，传播信道不仅受多普勒效应的影响，而且还受到地 形、地物等诸多因素的影响，另外移动系统本身的干扰也不能忽视。基于移动通 信系统的上述特性，对移动传播环境进行严格的理论分析很难实现，因此，对移 动环境中电波传播特性可以用某种统计方法描述，并根据大量实测数据进行统计 分析来获得某种变化规律，归纳总结出适合于某种移动环境下的传播模型。 综上所述，传播模型的准确与否将对无线网络规划产生重要的影响。目前常 用的无线传播模型有o k u m u r a h a t a 模型、c o s t2 3 1 - h a t a 模型、c o s t2 3 1 w a l f i s h - i k e g a m i 模型、k e e n a n m o t l e y 模型、规划软件a s s e t 的模型等，这些 模型只适用于陆地无线传播环境，目前适用予海面无线传播环境的传播模型仍然 属于空白。然而，随着移动通信网络的不断发展和完善，移动网络的服务区域已 经扩大到近海海域甚至视距以外，广阔繁忙的近海渔业区和航道上的移动用户对 无线通讯的需求也非常强烈。 为了满足这些用户的服务需求，许多运营商已经开始建设并开通了覆盖近海 区域的g s m 和c d m a 网络，正在建设的3 g 移动通信网络也会考虑海面区域网 络覆盖需求。因此，在海面移动通信网络的规划和优化工程中，急需具有合理预 测精度的无线海面传播模型。 通过该项目的研究与实现，可以填补目前国内尚无海面传播预测模型这一空 白，更好的对海域覆盖进行规划和优化，并且能够进一步推动无线通信网络的发 展。 1 3 内容和结构 本项目的研究工作包括了以下一些方面的内容： 结合本项目的需要，深入学习已有传播模型的理论知识，并分析海面无 线电波传播的特点； 在上述详细理论分析的基础上，提出海面传播预测模型的算法： 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 进行海面上的c w 测试，利用该实测试数据分别用两种方法进行传播模 型校正，并对传播模型校正的结果进行比较，验证该海面传播模型的实 用性。 由于3 g 无线网络的复杂性，在对3 g 无线网络规划中传播模型的研究过程 中涉及了到诸多方面的知识与经验，特别是对于海面传播模型的研究，需要详细 的分析海面无线传播的特点，有着较好的理论价值。另外，在该算法的校正与验 证过程中，需要出海对现有的海域通信进行测试，得出大量的实测数据，证明此 算法在海面无线传播环境中的适用性，并在3 g 无线网络规划软件中编程实现， 具有较好的实用价值。 本论文的主要章节安排如下： 第一章简要介绍了本论文的课题背景和来源、课题意义以及论文内容和 结构。 第二章介绍了移动通信的无线电波传播环境，并详细介绍了无线环境传 播机理； 第三章是在第二章内容的基础上，介绍了传统的无线传播模型，包括宏 蜂窝传播模型和微蜂窝传播模型； 第四章主要分析海面无线传播的特点，在此基础上提出海面无线传播模 型，并在3 g 无线网络规划软件中编程实现： 第五章介绍了海面c w 测试及其测试结果，并使用该测试结果分别用该 海面传播模型算法和标准传播模型算法进行传播模型校正，对两种模型 校正的结果进行了比较，给出项目的结论； 最后对该项目进行了总结，指出其进一步的研究方向。 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 第二章移动通信的电波传播环境 2 i 移动通信的传播环境 移动通信系统的性能主要是受移动无线信道的制约，而移动无线信道又主 要受到无线传播环境的影响。对于移动通信系统丽言，由于移动台本身的移动 性，传播环境不断发生变化，以动态既可以处于城市建筑物群之中，也可以处 于丘陵、山川、森林、海洋等地区，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂， 从简单的视距传播到遭遇各种各样复杂的地物，如建筑物、山川和树林等。因 此，移动无线信道不像有线信道那样固定并可以预见。而是具有很大的随机性， 分析起来比较困难。 由于移动无线环境中电波传播特性的复杂性和多样性，很难用精确的方法 描述移动通信信道。因此，对移动环境中电波传播特性可以用某种统计方法描 述，即根据大量实验数据进行统计分析而获得某种变化规律。理论分析和实验 统计结果表明，在移动环境中接收信号的幅度在非视距传播条件下服从瑞利分 布，而在视距传播条件下服从莱斯分布。 然而，移动环境的千变万化，用某种传播模型来描述各种传播环境是不可 能的，往往不同的传播模型是从不同传播环境的大量实测数据中归纳而得出的， 因此，每种模型都有一定的适用范围。 由于不同移动环境有不同的电波传播特征，因此在研究移动信道时可以根 据地形的主要特征将移动环境按地形特征和传播环境进行分类。实际地形尽管 千差万别，各种各样，但从电波传播的角度看，可以分为两类，即准平坦地形 和不规则地形。准平坦地形是指区域地形波动高度在2 0 m 以内，且起伏变化缓 慢的地形；而不规则地形是指除了准平坦地形以外的其它地形，比如丘陵地区、 孤立山峰、水路混合地形、倾斜地形等。但不管是准平坦地形还是不规则地形， 都可以用地形起伏高度 来表征，表2 1 给出了各种地形中幽的估算值。 影响电波传播的因素除了上述地形条件外，还有建筑物以及森林树木等。 根据建筑物分布密度和地面植被状况，还可以把传播环境分为以下五类： 大城市地区：建筑物高而密集，街道较窄； 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 m t n ! = = 口= = e = _ 中小城市地区：建筑物较多，有商业中心，也有高层建筑物，但数量 比较少； 郊区地带：有分布不很密集的平房及小树林： 乡村：没有居民的开阔区域、小道和公路； 自由空间：传播环境没有障碍物。 表2 - 1 各种地形对应a h 的估算值 地形类型地形特征 a h ( m ) 水平或非常平坦地形 0 5 准平坦地形平坦地形5 1 0 准平坦地形 1 0 2 0 小土岗式起伏地形2 0 4 0 丘陵地形4 0 - 8 0 小山区8 0 1 5 0 不规则地形 山区1 5 0 3 0 0 陡峭山壁 3 0 0 7 0 0 特别陡峭山壁 7 0 0 对于不属于上述传播环境地区的衰减指数，可以利用模糊逻辑方法获得， 即利用模糊推理概念通过一组已知传播环境表征一个未知传播环境，由于本文 不涉及该知识，在此不多做介绍。 移动无线环境的另一个重要现象就是人为噪声和无线电干扰。人为噪声主 要是指汽车的点火噪声，因此，对于车载台或在汽车内使用手机的用户来说， 接收信号不仅要受到本身所在汽车点火噪声的影响，还要受到周围车辆点火噪 声的影响。 2 2 移动无线环境的传播机理 在移动环境下，电波传播的机理是多种多样的，但最终可以归结为直射波、 反射波、绕射波、透射波、散射波和衍射波，其中影响最为显著的是直射波、 反射波、绕射波和散射波。 直射波一般发生在视距传播条件下。当直射线远离阻挡物时，可以认为是 自由空间传播，也即传播损耗就是自由空间的路径损耗。 反射波是在电波遇到比波长大得多的物体耐发生的，比如地面、建筑物墙 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 体表面的反射等。当收发天线之间距离足够远时，地面反射要考虑到地球的曲 率影响，例如后面所讲的海面电波传播：当收发天线之间距离很近时，可以忽 略地球表面曲率的影响，也可以将地面看作是平坦地面的反射。目前，当移动 通信系统的蜂窝半径在几千米以内时，就可以认为地面的反射是平坦地面的反 射，即不考虑地球曲率的影响。 绕射波通常是发生在发射机和接收机之间视距路径受到阻挡的情况下。有 阻挡面产生的二次波出现在整个空间中，甚至当发射机和接收机之间不存在视 距路径时，在阻挡物的阴影区内会绕过辍挡物产生弯曲波。描述绕射特征的参 数就是绕射系数，与绕射体的形状以绕射点入射波的幅度、相位等有关。 透射波主要发生在室外向室内传播的情况下，而在室外由于透射传播方式 的信号与其他传播方式相比显得很弱，因此往往不考虑。 散射波是发生在电波传播时遇到许多尺寸小于波长的散射体的情况下，主 要由粗糙表面、小散射体或其它不规则物体引起的，比如城市环境的树叶、街 道广告牌和灯柱等就是散射体。 2 3 自由空间传播 所谓自由空间，通常是指充满均匀、无损耗媒质的无限大空间。自由空间 传播是指在接收机和发射机之间完全无阻挡的视距传播，是电波传播中最简单 的情况。电波在自由空问传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生 反射或散射。 尽管在实际环境中很难找到理想的自由空间，但在研究移动通信环境电波 传播问题时往往将其作为各种传播环境的比较标准。 自由空间中距发射机距离为d 处的辐射功率密度为： p ：墼w m 2 ( 2 1 ) p = j m k p l ， 4 z r d 式中只为发射机的发射功率，g ，为发射机的天线增益。假设接收天线增益 为g ，有效接收面积爿为： j 2 a = g 二l ( 2 - 2 ) 4 万 则接收天线的接收功率为： 6 西北工业大学坝士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 只= 硝邓p ( 毛) 2 沼s ， 由式( 2 - 3 ) 可以发现，接收信号的功率随距离的平方衰减。如果路径损耗 定义为有效发射功率和接收功率的差值，则自由空间路径损耗厶表示为： 口 l o2 l o l g 专- = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 f + 2 0 1 9 d 一1 0 1 9 g , 一1 0 1 9 g ( 2 4 ) 式中，频率- 厂的单位为m h z ，距离d 的单位为砌。 如果不考虑收发天线增益，则自由空间路径损耗表示为： l 。= 3 2 4 4 + 2 0 1 9 f + 2 0 1 9 d ( 2 5 ) 对于9 0 0 m h z 蜂窝频带，有2 0 培( 9 0 0 ) “5 9 0 8 d b ，则自由空间路径损耗为： l o 汹) = 9 1 5 2 + 2 0 1 9 d ( 2 6 ) 或者 l o ) = 爿+ 1 0 7 1 9 d ( 2 7 ) 该式为直线方程，其中a = 9 1 5 2 为截距，y = 2 为斜率。 2 4 地面反射的传播 自由空间传播中的有关公式只能用在非常严格的条件下，而实际的移动无 线传播总是受到障碍物的阻挡或地面反射的影响，本节将讨论无线传播受到地 面反射的情况。 本节讨论收发天线处于视距条件下的电波传播。考虑两种情况，第一种就 是球顽反射的电波传播，即收发天线之间距离足够远，以致必须要考虑到地球 表面的曲率影响；第二种是平坦地面反射的电波传播，即收发天线之间距离足 够小，以致可以忽略地球表面的曲率影响。不管是否考虑地球曲率影响，接收 信号总是由直接射线和地反射线共同组成的。 2 4 1 地面反射系数 地面反射波的幅度和相位取决于反射点的反射系数。实际地表面是一种有 耗介质，其反射系数取决于介电常数占和电导率仃。表2 2 给出了lg h z 频段典 型地面的电导率和相对介电常数。 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 表2 - 2 1g h z 频率地面电导率和介电常数 地面电导率盯 相对介电常数s ， 半干燥地面0 0 3 31 5 潮湿地面0 1 53 0 海水 57 0 淡水 1 0 - 28 0 水平极化波的反射系数为： e 哪= 嚣s i n 筹c o s 沼幻 f + 、f 占，一 一 垂直极化波的反射系数为： 灾，=。-j冉=：船0 c o s c 2 ， s i n + 、套一 占 式中r h 、0 和九、九分别为水平极化和垂直极化反射系数的幅度和相位。0 为入射角，而毒，为反射平面的复相对介电常数，可表示为： 善，= g ，一j 6 0 c r ；t ( 2 1 0 ) 式中，占，为反射点所在平面的相对介电常数，盯为电导率，五为波长。 魁 罂 窖 蘸 垛 舞 呕 趔 罂 g 籁 1 j 4 s 捣 堪 入射角，度 入射角度 一盯= 1 0 ，占，= 1 5 一一仃= 0 0 1 ，占，= 1 5 盯= o 0 1 ，占，= 5 图2 - 1 反射系数幅度和相位与入射角、反射表面介质的关系 由公式( 2 1 0 ) 可见，地面反射系数是复数，且反射系数的幅度和相位不 仅与入射角口有关，还与地面的电导率和介电常数有关。图2 - l 给出三种典型 8 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 相对介电常数和电导率情况时的反射系数幅度和相位与入射角的关系，很显然， 垂直极化的反射系数大于平行极化的反射系数，其中对应最小反射系数的角就 是通常所谓的b r e w s t e r 角。对比较大的入射角，从图2 - 1 中可以很清楚地看到， 水平极化和垂直极化的反射系数约为o 5 。 2 4 2 球形地面的反射 当通信距离较大时，地面上有效反射区的范璺也相应增大，这时就不能再 视地面为平面而必须考虑地球曲率的影响。地球曲率对电波传播的影响有二： 其一是在利用直射波和反射波干涉的概念计算接收点场强时，球面地上的直射 波和反射波的波程差与平面地不同；其次是电波在球面上反射时有扩散作用， 因此必须考虑由此引起的电场强度的变化。 图2 - 2 给出了等效半径为r e 的地球表面视距传播的情况。相对于地球表面 的天线高度分别为均和 ，对反射点像切面的天线高度分别为噬和 i 。 图2 - 2 光滑球面反射 根据图2 - 2 中的几何关系得到： 反2 ：【r 。+ ( 魂一群) 1 2 一r 。2 = 弛，一群y + 2 r 。弛，一h ) - - = 2 r 。q ，一缉) 类似地可以得到下列关系式： d ：22 r 。0 ，- h ；) 由式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 可以得出： 弘绣一采昝”瓦d 2 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) 西= 1 ：3 2 业大学硕士掌位论文 第二章移动通信的电波传播环境 假设d l ，d 2 鱼，h r ，发射点可以由入射角和反射角相等来确定。由入 射角和反射角相等可以得到： 臼= 芋d = 芋d 1 1 由式( 2 - 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 及d = d l + d 2 可以导出d l 满足下列一元三次方程 2 吐3 3 幽2 + k 2 2 r 。仇+ ， f i l + 2 r 。h , d = 0 ( 2 1 5 ) 求解该方程可以得出d ，的近似解为： 小表 q - 1 6 ) 1 + ”叱 为了计算接收点场强，通常假设因直射波和地面反射波之间的路径差引起 的衰减差异可以忽略不计，但两条路径的相位差不能忽略。直射波路径长度很 容易计算得： 州 t + 学 k 地面反射波路径长度为： 妒d + 学 兑 ：咄= d 1 + 学h + 学旷 如果d 、群，上式可以简化为： 月：2 h ；h ； 对应的相位差为 妒等雠= 昔4 rr 埘 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 设到达接收天线的直射波场强为e 。，即自由空间传播时场强值为e 。，那 么总接收场强为： = e 。a + i r f e x p - j ( a r p 一_ 9 ) 】) ( 2 - 2 2 ) 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 其中，r 表示平面反射系数，h 和妒分别表示反射点处反射系数的模值和 相位。 应该注意到，式( 2 2 2 ) 中反射系数是在平坦地面上推导出来的，而没有 考虑球面反射的扩散效应。因此，用球面反射系数d ，x ，代替平面反射系数， 其中扩散因子d ，表示为： d ，“k 2 d i d 2 训 z ， 式中r ，= 枷，其中r 为地球半径，k 为大气折射指数。 2 4 3 平坦地面的反射 当前移动通信的发展使得蜂窝越来越小，蜂窝半径仅为数百米甚至数十米。 对距离在数公里以内的情况，地球曲率的影响可以忽略，可以认为地面反射是 平坦地面的反射，如图2 - 3 所示。 l rh 。椰 一一i 圈2 - 3 平坦地面反射 若d h j 、群，则入射角很小，以致司以假设反射系数，= 一1 ，于是公式 ( 2 2 2 ) 简化为： e = 凰【1 一e x p ( - l a y ) ( 2 2 4 ) 则场强幅度为： i e 5 = l e 。 i + c o s 2 矿一2 c 。s a l 9 0 + s i n2 妒弘 ( 2 2 5 ) 对于平坦地面，w = 鱼，h h r ，把式( 2 - 2 1 ) 代入上式得到： 忡阱i n f 笔争 沼z s ， 于是接收功率为： 酬e | 2 _ 4 只( 南 2 g 刑n 2 ( 鼍争 弦：， 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 如果d 州、群，则有： 蝣n f 警卜警 沼z s ， l 埘 材 、 式( 2 2 7 ) 变成： 纠g 一( 警 2 根据路径损耗定义，平坦地面路径损耗为： l 。= 4 0 1 9 d l o l g g 。一1 0 1 9 g ，一2 0 1 9 h r 一2 0 1 9 h ， 如果不考虑收发端天线增益，平坦地面路径损耗表示为： 三。= 4 0 1 9 d 一2 0 1 9 h , 一2 0 1 9 h ， 2 4 4 粗糙地面的反射 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 前面讨论球面或平坦地面反射均把地面看作光滑的镜面反射，但实际的地 面很难找到这样的理想情况，除非风平浪静的水面。因此，对粗糙地面，由于 粗糙表面对入射波呈现许多小平面，因此，该表面的反射不可能为镜面反射， 而是机理类似于散射的漫反射。由于地表面的随机特性引起的不可预测性，用 简单复反射系数是不合适的。在这种情况下，可能只有很少一部分能量散射到 接收天线方向上，即地面反射波对接收信号的影响可以忽略。 但如何判断一个地表面是光滑的还是粗糙的呢? 在某种频率或入射角条件 下，地面反射接近光滑表面反射特性，而在另一些条件下又可能是粗糙地面特 性，因此地面是否是粗糙地面也不是一成不变的，而是随条件的改变而变化的。 判定这个条件的准则称为瑞利准则。图2 - 4 给出实际地表剖面情况和理想粗糙 表面剖面。 蘧滔刺么蠛 ( a ) 实际地面情况 图2 4 粗糙地面反射 2 ( b ) 瑞利准则导出的模型 西北工业大学硕士学位论文第二章移动通信的电波传播环境 设射线以口角入射到粗糙地面，且粗糙表面的局部凸起部分有同样的高度。 若不是这样，可采用高起的平均高度，实线表示该处是最低边界，虚线表示该 处最高边界，两者高度差为幽，如图2 - 4 所示。从图中可以看出，电波在上、 下两边界处反射的波程差为： a i = ( 爿b + b c ) 一( 爿b + b c ) ：旦f 1 - c o s 2 0 ) ：2 厅s 洫口 2 s i n 目、 由此引起的c 和c 之间的相位差为： a a ：三! ，：4 z a h s i n a( 2 3 3 ) a 如果高度差肭与波长z 相比很小，则相位差a a 也很小，此时地面看起来 似乎是光滑的，将产生镜面反射。瑞利准则认为相位差小于z 4 ，即路径差 ， a 8 ，反射是镜面反射。于是镜面反射的最大高度差为： 幽m “= 1 6 兰s i n a ( 2 - 3 4 ) 即蝴。a h 。该准则指出在一定波长旯和入射角p 下，能够把地面当作光 滑反射面的地形最大起伏程度。但上式所表示的瑞利准则并不是唯一的，若将 两条射线引起的路径差引起的相位差定为小于疗8 ，那么a h = 。= 磊兰j ，此 j z s m 秽 时，条件要严格些；若将相位差定为丌2 ，那么k2 西南，条件要宽一 些。因此，实际中入们所引用的瑞利准则有如下的变化范围： ， 幽一= ( 8 - 3 竺2 ) 一s i n e 2 3 5 在不满足瑞利准则的情况下，地面对波的影响比镜面要复杂的多。在实际 情况中，每个小平面的取向是随机的，接收点合成场强的相位只能用统计的方 法进行计算。由于小平面取向的随机性，入射波的能量可以被反射到各个方向。 因此，粗糙表谣的反射实质上是散射，光学上成为漫反射。考虑到这种散射的 作用，应该用一个小于1 的因子乘以镜面反射系数r ，该因子称为散射系数成。 针对粗糙表面的散射系数，有很多的模型，比较典型的就是a m e n t 提出的表面 起伏高度为具有局部平均值的商斯分布的随机变量，n 为： 成= e x p b 8 b s i n o 2 ) 2 ( 2 3 6 ) 式中，盯。为表面起伏高度的标准偏差。 为了简便起见，引用下列的经验公式，该公式适用于小入射角时包括散射 13 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 系数在内的等效反射系数r ，( 即p , r ，) ： 耻e 坤 一丁4 0 a h ) ( 2 - 3 7 ) 式中0 的单位为弧度。 2 5 地形障碍物的绕射 2 5 1 惠更斯原理 绕射使得无线信号绕地球曲表面传播，且能够传播到障碍物后面。尽管以 动态处于障碍物的阴影区内，且接收场强衰减非常迅速，但绕射场仍然存在且 足以能够通信。绕射现象可以由惠更斯原理解释，即波前上所有点可以作为产 生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。绕射是由次 级波的传播进入阴影区而形成的，阴影区绕射波的场强就是围绕障碍物所有次 级波的矢量和。 ： ， 、 j 1卫 鞍火： 谑 专二x 丫阴影区 - 4障碍物 图2 - 5 障碍物边缘绕射 设障碍物为完全吸收屏，则从图2 5 可以看出，在障碍物后面只有半无限 波前c c7 存在。简单的射线理论表明，在虚线b c 以下的阴影区不存在电磁场， 西北工业大学硕十学位论文第二章移动通信的电波传播环境 但惠更斯原理表明从b b 上所有点产生的次级波源( 即p ) 能够传播到阴影区， 且在该区内任意点上的场是所有这些次级波源干扰的合成场，称为绕射场。 2 5 2 菲涅尔区 为了引入一些与绕射有关的概念，考虑自由空间的发射机丁和接收机r 及 与它们之间连线垂直的平面，如图2 - 6 所示。在该平面上，构造任意半径的同 心圆。显然，从r 通过这些同心圆上任意点传播到震的波均经过比t o r 更长的 路径。按照几何特性，假设h e 的情况。在电波传播中，对次级波的阻 挡产生的绕射损耗仅有一部分能量绕过阻挡物，即一些菲涅尔区发出的次级波 被阻挡。根据阻挡物的几何特征，接收能量为非阻挡菲涅尔区所贡献能量的矢 量和。 2 5 3 绕射损耗 设发射机r 和接收机矗之间放置一个完全吸收屏，如果吸收屏顶端位于视 距路径之下很多，则吸收屏对场的影响几乎可以忽略，即接收点r 的场是自由 空间的值玩。随着吸收屏高度的增加，接收场开始震荡，此时接收屏阻挡，视 距路径之下更多的菲涅尔区。震荡幅度增加直至阻挡物边缘刚好处于发射机丁 和接收机昱连线上，在该点上场强是无阻挡时场强值的一半。 圈2 7 单刃峰绕射 西北工业火学硕士学位论文第二章移动通信的电波传播环境 利用静电绕射理论定量地表达出这种变化关系，如图2 7 所示。根据惠更 斯原理，由吸收屏平面顶端以上所有二次惠更斯源之和来确定r 点的接收场强 为： 鲁：f ( v ) ：掣。f e x p 卜咖：) 2 切 ( 2 - 4 4 ) 该式被称为复菲涅尔积分，其中v 为菲涅尔基尔霍夫绕射参数，如式( 2 - 4 0 ) 所表示。显然，v 与d 2 、d 2 和h 有关。对于该积分的计算，若用对数表示上式， 则绕射损耗表示为： 三( v ) = 2 0 l g l e e o i ( 2 - 4 5 ) 要 耀 嘱 娆 留 厘 惴 血 皿 靛 罩 图2 - 8 单刃峰绕射损耗与参数”的关系 图2 - 8 表示由式( 2 4 4 ) 给出的相对于自由空间的绕射损耗。当到达接收 点的信号处于受地面障碍物严重阻挡的阴影区时，损耗光滑地增加；当到达接 收点的信号处于视距内时，路径损耗围绕着自由空间值震荡，震荡的幅度随p 的 减小变得越来越小。当直接射线刚好与阻挡物边缘相切，则将有6 d b 损耗，即 场强为二e ，但观察图2 - 8 表明，如果v m 一0 8 ，可以忽略阻挡物引起的损耗。 当v 很大时，式( 2 - 4 4 ) 可以近似地表示为： l ( v ) = 2 0 l g i e e o f ：竺 v 2 4( 2 4 6 ) 。 1 v 利用查表法及线性插值，由式( 2 4 5 ) 估算出绕射损耗的表达式为： 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 0 2 0 l g ( 0 5 0 6 2 v ) l ( d ，d ：， ) = l ( v ) = t 2 0 l g o 5 e x p ( - 0 9 5 v ) 】 2 5 4 多刃峰绕射 z 。，s0 4 - 0 s 。 2 0j g ( o 2 2 5 v ) ( 0 3 8 0 1 v ) 。弘 上述的单缝阻挡物绕射理论推广到两个或多个阻挡物不是一件很容易的事 情。这样的问题在数学上是很复杂的，但该问题可简化为每个单峰平面上的双 重菲涅尔积分。为了便于工程使用，对多刃锋绕射问题，仍可以利用近似解。 下面给出几种近似方法。 b u l l i g t o n 等效方法 设发射机丁和接收机r 之间有若干陡峭山峰，如图2 - 9 所示，b u l l i n g t o n 等 效方法处理这样的多刃绕射问题的过程是：由发射机r 向对r 具有最大仰角的 山峰顶端作切线，如图中膨，同样有接收机丑向对丑具有最大仰角的山峰顶端 作切线，如图中耽。分别延长两条切线，相交于m ，则肘就为等效阻挡物 的顶点。多刃锋绕射损耗等于该等效刃峰的绕射损耗，可由式( 2 4 7 ) 的单刃 锋绕射公式给出。此时d ，和d ，分别为等效刃峰到发射机和接收机的距离，h 为 等效刃峰至直视线t r 的距离。有时候该方法可称为等效障碍法。 图2 - 9b u l l i g t o n 等效刃峰 用该方法处理多刃锋问题比较简单，但往往忽略了重要阻挡物，从而容易 产生很大误差。一般地说，b u l l i n g t o n 方法低估了路径损耗，并因此对接收点场 强产生乐观的估算。实验数据表明，该方法计算的绕射损耗甚至偏小达1 0 d b 。 钉二 麓川盘 v 0 0 西北工业大学硕士学位论文第二章移动通信的电波传播环境 e p s t e i n p e t e r s o n 方法 b u l l i n g t o n 等效方法的主要局限性就是忽略了多刃锋的重要阻挡物，而 e p s t e i n p e t e r s o n ( 如图2 1 0 ) 方法就可以克服这种缺点。该方法处理多刃锋绕 射问题的步骤为：先连接r 和m ：峰顶端的直线t m ：，利用式( 2 4 7 ) 计算m 1 峰 对m 2 点场强的绕射损耗为l ，= ，p ，d 2 ，h 。) ，式中h 。为m 。峰相对t m ：的等效高 度：同理，连接m ，峰和m ，峰直线肘，肘，此时假设m ，峰位发射峰，m ，峰为 接收峰，利用式( 2 - 4 7 ) 计算由m ：峰引起的相应绕射损耗为l ：= ，p 2 ，d ，h ：) ， 其中为m ，峰相对m 。m ，直线的等效高度；最后连接m ：峰和胄直线m ：r ，利 用式( 2 - 4 7 ) 计算，峰的绕射损耗厶= 厂d 3 ，d 。，吃) ，其中托峰为m ，峰相对该 直线m ，r 的等效高度；最后得出该路径的总绕射损耗为= z 1 + ：+ 厶。在上 述距离中，所有障碍物均处于阻挡情况。如果超过一个以上处于非阻挡情况， e p s t e i n p e t e r s o n 方法仍然适用。 图2 - 1 0e p s t e i n - p e t e r s o n 绕射构造 实验结果表明，该方法预测的绕射损耗比上述b u l l i n g t o n 等效方法预测的 结果更接近实际值，但仍然有些偏小。 对三峰绕射情况，如果有两个峰在空问上很接近，那么需要给出因两峰相 接近而引起的附加损耗为： 如s 沼4 s ， 式中d ，为很接近的两山峰之间距离，而d t 和d ，为很接近两山峰之外的距 离。 d e y g o u t 方法 利用三峰路径来说明d e y g o u t 方法，如图2 - 1 1 所示。首先单独计算每个刃 峰的v 参数，即分别计算路径t m ，r 、t m ，r 和t m ，r 的v 参数，具有最大的v 值的刃峰称为主峰，其对传播路径上绕射损耗起主要作用。对该图例，m ：为主 西北工业大学硕士学位论文 第二章移动通信的电波传播环境 峰，其绕射损耗按上述式( 2 4 7 ) 计算为l 。= s ( d ，+ d ：，d ，d 。，h 2 ) ，其中h 2 为 主峰m ：对m 2 点场强的绕射损耗为l 1 = 厂碣，d 2 ，h 。) ，式中h i 为m 。峰相对t m ： 的等效高度：最后再连接m ，和r 直线m ，r ，同样计算出m ，峰对r 点场强的绕 射损耗l ：= s ( a ，d 。，h 3 ) ，其中h ，为m ，峰相对于m ：r 的等效高度。把厶和厶与 厶。相加即得到总绕射损耗为l = 厶+ l 2 + 三。对于多于三个障碍物的更一 般情况，首先根据上述判断过程寻找主峰，然后根据主峰划分的区间再在每个 区域内寻找二级主峰，再根据主峰和二级主峰划分的区间再每个区域内寻找三 级主峰，依次类推，一直重复这样的过程直至估算完各个障碍物的绕射损耗， 然后将各个绕射损耗相加即估算总绕射损耗。 图2 - 1 1d e y g o u t 绕射构造 实验数据表明，按这种主障碍法估算的路径绕射损耗比实际值略大些， 但该法比前述的b u l l i n g t o n 等效方