（通信与信息系统专业论文）无线网络规划中的传播损耗算法分析与改进.pdf

， 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：竺! ! ! 至! ! 呈 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学 校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，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：翌! ! ：；! 生 c 0 、 _叮，00， 无线网络规划中的传播损耗算法分析与改进 摘要 无线网络规划经常借助计算机辅助实现。规划工具正是为了满足 在实际建网前，对网络性能进行分析的需要而产生的。传播损耗是分 析网络性能的基础参考数据。因而，传播损耗的预测是分析网络其他 主要性能的前提，其准确性影响到网络规划的准确性和质量。准确的 传播模型是准确的无线网络规划的前提条件。提高传播损耗算法的性 能能够有效提高网络规划的整体性能和预测效果。 无线电波低频段频率资源紧张，系统容量有限。高频段频率资源 丰富，系统容量大，但是具有传播损耗大、传播距离近、绕射能力越 弱等缺点。u h f 频段与其他频段相比，在覆盖效果和容量之间折衷 的比较好，因此被广泛应用于移动通信领域。 成熟的无线网络规划工具提供单点分析、覆盖分析、基于路径损 耗矩阵的单点分析这几种网络分析方式会需求无线传播损耗预测。预 测的一般方法包括：计算区域测定、地面海拔高度和地物测定、地形 截取、应用传播模型预测结果这几个步骤。区别于大部分工具配合电 子地图栅格的划定法，本文提出的方案建议采用射线模型对分析区域 作截取。以此简化算法结构的复杂性，且方便算法系统引入多精度分 析模式。 本文从运用的角度，简要地介绍了移动通信中的无线传播基本理 论和无线环境预测的数字化方法，通过本文的阅读，有助于了解移动 通信中的无线传播及无线环境预测的基本概念。 关键词：传播损耗网络规划无线环境预测多精度分析 a n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to f a l g o r i t h mo nt r a n s m i s s i o nl o s si n 厂i re l es sn e t w o r kp la n n i n g a bs t r a c t c o m p u t e r - a i d e d i so i t e nu s e di nw i r e l e s sn e t w o r k p l a n n i n g p l a n n i n gt o o l sa r i s ef o rt h i sn e e dt h a ta n a l y s i so fn e t w o r kp e r f o r m a n c e b e f o r en e t w o r k sb u i l d i n g p r o p a g a t i o nl o s si sab a s i cd a t aa sab e n c h m a r k o fa n a l y s i so fn e t w o r kp e r f o r m a n c e s o ，f o r e c a s to fp r o p a g a t i o nl o s s a f f e c t sa c c u r a c ya n dq u a l i t yo fa n a l y s i so fn e t w o r kp e r f o r m a n c ea sw h o s e p r e m i s e a c c u r a t ep r o p a g a t i o nm o d e l se n s u r ea c c u r a t ep l a n n i n gr e s u l t s l o w - f r e q u e n c yr a d i ow a n t sf r e q u e n c yr e s o u r c ew i t hl i m i t e ds y s t e m c a p a c i t y f o rt h eh i g h f r e q u e n c yb a n d ，i t sr i c hi nr e s o u r c e sa n ds y s t e m c a p a c i t y , w i t hl a r g et r a n s m i s s i o nl o s s e s ，s h o r tt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n d t h ew e a k e rd i f f r a c t i o na b i l i t y u h fb a n dr e s u l t sr a t h e rw e l li na c o m p r o m i s eb e t w e e nc o v e r a g ea n dc a p a c i t yt h a nt h eo t h e rb a n d ，s oi ti s w i d e l yu s e di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d c o m m o np l a n n i n gt o o l ss u p p o r ts o m ea n a l y s i sm o d e sa sp o i n t ， c o v e r a g e ，c o m p l e xt h a tw i l lr e q u e s tf o r e c a s to fw i r e l e s sp r o p a g a t i o nl o s s c o n v e n t i o n a ls t e p sc o n c l u d e ：e d g ed e t e r m i n a t i o n ，a l t i t u d ea n dc l u t t e r d e t e r m i n a t i o n ，t e r r a i nd e t e r m i n a t i o n ，c a l c u l a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e sa p l a nt h a td i f f e r sw i t hr e g u l a rp l a n so nd i s c r e t em e t h o dw h a tc a ns i m p l i f y t h ea l g o r i t h ma n di n c r e a s ea n a l y s i sp a r e m s t h i s p a p e rs i m p l yp r o v i d e s t h eb a s i ct h e o r i e so fw i r e l e s s t r a n s p o r t a t i o na n dc o m p u t e r - a i d e dp r e d i c t i o no f w i r e l e s se n v i r o n m e n ti n t h ev i e wo fu s i n g t h i sp a p e rc a nh e l po n et og e tap r o f i l eo fw i r e l e s s i i 广 ，、 ； t r a n s p o r t a t i o na n dt h ep r e d i c t i o no fw i r e l e s se n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl o s s ，n e t w o r kp l a n n i n g ，p r e d i c t i o no fw i r e l e s s e n v i r o n m e n t ，m u l t y - p r e c i s i o na n a l y z e i i i i v 尸 一 产 目录 第一章绪论1 1 1本课题的研究背景和意义1 1 2无线传播的基础理论1 1 2 1 传播损耗相关概念1 1 2 2 规划常用计算模型4 1 2 3 传播环境的分类标准9 1 3 射线型无线传播损耗预测算法综述1 1 1 4本论文的主要工作1 2 第二章基本设计思路与计算方法介绍1 3 2 1空间传播损耗n 射1 3 2 2 绕射损耗的计算n6 。1 5 2 2 1b u l l i n g t o n ( 布灵顿) 算法1 7 2 2 2 e p s t e i na n dp e t e r s o n ( 易普斯丁一彼得森) 算法1 8 2 2 3 d e y g o u t ( 戴高特) 算法1 9 2 2 4a t l a s ( 埃特拉斯) 算法，1 9 2 2 5 射线的绕射计算：2 0 2 2 6 障碍物搜索2 1 2 3 有效发射天线高度算法乜1 l 2 2 2 3 1高于地表高度2 2 2 3 2 高于平均地表高度2 2 2 3 3 相对接收点高度2 3 2 3 4 相对接收点绝对高度2 4 2 3 5 相对接收点斜坡高度2 4 2 3 6 加强相对接收点斜坡高度2 4 2 4 地物损耗2 6 第三章无线环境预测的一般方法2 8 3 1无线环境相关的网络性能预测2 8 3 2路径损耗预测的基本步骤3 1 3 2 i划定计算区域乜引3 l 3 2 3 读取地形信息3 3 3 2 2 测量地面海拔高度和地物3 5 3 2 4 传播损耗预测与结果输出3 6 v 第四章传播预测系统的设计结构3 9 4 1传播预测系统的架构设计3 9 4 2 传播模型管理4 0 4 3 传播损耗计算4 1 4 3 1 两种处理模式4 1 4 3 2 关于双精度计算模式下预测数据有效问题的特殊性4 4 4 3 3 算法部分的构造方法4 5 4 3 4 其他计算机制4 6 4 4结果数据管理4 7 第五章结束语4 9 5 1本文的工作总结4 9 5 2主要遗留问题和需要进一步完成的工作4 9 致谢5 1 参考文献5 3 v i 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 1 1本课题的研究背景和意义 无线网络规划中遇到的现实问题，比如无线传播环境的极端复杂性和庞大的 计算量等特点，网络性能分析带来许多困难，往往需要借助计算机辅助解决。规 划工具正是为了满足在实际建网前，对网络工作情况、受环境类型的影响与其他 各项重要性能进行分析的需要而产生的。其中传播损耗是计算链路指标、分析网 络性能的基础参考数据。因而，传播损耗的预测是分析网络其他主要性能的前提。 正因为传播特性的预测是无线网络规划的基础，其准确性影响到网络规划的 准确性和质量。准确的传播模型是准确的无线网络规划的前提条件。应用传播模 型计算传播损耗的预测值，就是规划工具中传播模型算法的主要职责。提高传播 损耗算法的性能能够有效提高网络规划的整体性能和预测效果【l 】。 1 2无线传播的基础理论 1 2 1 传播损耗相关概念 传播损耗是指传输路径上损失的能量。传播路径是电磁波传输的路径，即从 发射机到接收机。例如：如果某路径的传播损耗是5 0 d b ，发射机的功率是1 0 d b ， 那么接收机的接收信号电平就是，4 0 d b 。 。传播损耗预测就是利用无线电波的空间传播特性对无线信号在传输过程中 的衰减进行预测。而无线传播模型是用来对无线电波的传播特性进行预测的- 种 方法。 无线电波在空中的传输，会随着远离传播源而减弱。传输的电波频率的不同， 无线传播也有不同的传播特征。 表1 1 无线电波的频率分布表 爹琴罗7 兹琴攀罗。箩鬻孥鬣攀菇! 第缪裙孵黟糍；：震鬻黟臻霉移霹臻曙 3 3 0 h z无无 3 0 3 0 0 h z e x t r e m e l yl o wf r e q u e n c y e l f 极低频 3 0 0 3 0 0 0 h z v o i c ef r e q u e n c y v f 音频 3 3 0 k h z v e r y - l o wf r e q u e n c yv l f 共低频 3 0 3 0 0 k h z l o wf r e q u e n c y l f 低频 3 0 0 3 0 0 0 k h zm e d i u mf r e q u e n c y m f 中频 3 3 0 m h z h i g hf r e q u e n c y h f 高频 3 0 3 0 0 m h z v e r yh i g hf r e q u e n c y v h f 甚高频 3 0 0 3 0 0 0 m h zu l t r ah i g hf r e q u e n c y u h f 特高频 3 3 0 g h z s u p e rh i g hf r e q u e n c y s h f 超高频 3 0 3 0 0 g h z e x t r e m e l yh i g hf r e q u e n c y e h f 极高频 3 0 0 3 0 0 0 g h z无无 无线电波分布在3 h z 到3 0 0 0 g h z 之间，这个频谱被划分为1 2 个带【2 】，参见 上表。频率越低，传播损耗越小，传播距离越远；而且频率越低，越过障碍物的 能力越强。但是，低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、 电视、寻呼等系统。 高频段频率资源丰富，系统容量大；但是频率越高，传播损耗越大，传播距 离越近；而且频率越高，绕过障碍物的能力越弱。另外频率越高，器件产品化的 技术难度越大，系统的实现成本也相应提高。 移动通信系统选择所用频段时要综合考虑覆盖效果和容量。u h f 频段与其 他频段相比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好，因此被广泛应用于移动通信 领域。当然，随着人们对移动通信的需求越来越多，需要的容量越来越大，移动 通信系统必然要向更高频段发展。 。 无线电波在空间的传播，主要通过如下几种方式来传播 3 j 3 ： 企溢 。一 图1 1 直射波及地面反射波 ( 最一般的传播形式) 图1 - 3 山体绕射波 ( 阴影区域信号来源) 2 图l - 2 对流层反射波 ( 传播具有很大的随机性) 图1 4 电离层反射波 ( 超视距通讯途径) 无线 距离损耗：传播距离越远，损耗越大。原理参见自由空间传播模型。 绕射损耗：对障碍物高度和天线高度的一种测量。障碍物高度必须同传播波 长比较。同一障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。 图1 - 5 绕射损耗发生场景示意图 上图体现了无线电波在传播过程中产生绕射的场景。在发射机与接收机之间 的连线上，即视距传输线上出现了阻碍电磁波传输的障碍物。使电磁波无法进行 直线传输。无线电波具有发散性，以发射机为波源进行辐射状传播，虽然直射路 径上的传输受到了遮挡，其他路径的传输却有可能继续。上图表示的就是这种情 况，其中一束波由发射机出发到达障碍物的尖端，在此处发生绕射，并以发生绕 射的点作为新的波源，继续向前传播并最终到达接收机。从结果来看，好像电磁 波在传播过程中走了弯路，“绕过”了障碍物一样。因此这种现象被称作“绕射现 象”。电磁波以障碍物为中继点继续传播时，由于波束再一次分散，能量会发生 损失。这种伴随绕射现象发生的能量损失，被定义为“绕射损耗”。 绕射损耗的特点： 电磁波在发生绕射的地方向各个方向辐散 绕射波将会覆盖除障碍物以外的所有方向 扩散损耗最为严重 一 。 。估计方法复杂；且随不同场景参数变化1 一 r 。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种体现：障碍物高度必须能够同传 播波长进行比较。同一障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。 穿透损耗：代表信号穿透建筑物的能力，不同结构的建筑物对信号的影响区 别非常大。同一建筑物对长波长产生的穿透损耗大于短波长。 物体阻挡穿透损耗为： 隔墙阻挡：5 - 2 0 d b 楼层阻挡：大于2 0 d b 室内损耗值是楼层高度的函数，1 9 d b 层 家具和其它障碍物的阻挡： 2 1 5 d b 厚玻璃： 6 1 0 d b 火车车厢的穿透损耗为：1 5 - 3 0 d b 电梯的穿透损耗： 3 0 d b 左右 茂密树叶损耗：1 0 d b 反射损耗：不同的物体性质，反射系数不同，反射后的频率也不同【5 ，6 】 表1 2 反射损耗经验系数 移虢誉謦霉i + ”粥”斧。霉磺；獠 辩释 ；扩珏”牝+$ ? ? ，t 。”，簪w：j 常影，”戮：彰7 鼍酚。j 呼7 ”妒矿弘僦。? l 一。：? 鬻。穆 ，r ：地面往鹰j ! 一?；7 水蕊 誓，”稻黪”田黔j ；ji ，。，城市、出埯、森彬：羹 魄囊l 象巍_ i 。一。，ij 始疃蕊戆j 磁妊。z 。；一磊i 尊 鞔赢点也。j 蠢t 毽毒ji ，幺：。“垂藏荔i ，电4 她“i i 矗| j _ 。强t 魂，i 灞 等效地面反射系数 0 9 l0 6 - 0 80 3 - 0 50 1 o 2 反射损耗( d b ) o 12 4 6 1 01 4 2 0 地物损耗：由于距离接收点较近的地物与距离接收点较远的地物对路径损耗 造成的影响不同。 在分析山区或者城市中摩天大楼密布的密集市区的传输损耗时，通常需要分 析绕射损耗和穿透损耗。 慢衰落。由障碍物阻挡造成阴影效应，接收信号强度下降，但该场强中值随 地理改变变化缓慢，故称慢衰落。又称为阴影衰落。慢衰落的场强中值服从对数 正态分布，且与位置地点相关，衰落的速度取决于移动台的速度 快衰落。合成波的振幅和相位随移动台的运动起伏变化很大，称为快衰落。 深衰落点在空间上的分布是近似的相隔半个波长。因其场强服从瑞利分布，又称 为瑞利衰落，衰落的振幅、相位、角度随机。 快衰落又可以细分为以下几类： 时间选择性衰落：用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率 扩散，从而引起时问选择性衰落。 空间选择性衰落：不同的地点，不同的传输路径衰落特性不一样。 芦频率选择性衰落i 不同的频率衰落特性不二样，引起时延扩散，从而引 起频率选择性衰落。【刀 1 2 2规划常用计算模型 由于无线传播环境极其复杂，地形地物的种类千差万别，移动通信电波传播 损耗也是错综复杂的，通用的传播模型并不存在。针对不同的传播场景和频率范 围，有不同类型的传播模型。在无线网络规划中，所选取的传播模型是否合适， 直接关系到小区规划是否合理，运营商能否以经济合理的投资满足用户的需求。 - 、 4 因此，在规划的最初阶段，需要对所规划区域的传播环境特性进行考察、分析和 分类，以选择合适的传播模型【8 】。 国内外的研究人员和工程师通过对传播环境的大量分析与研究，已经提出了 许多成熟的经验模型，用于预测无线信号的传播环境。 下面简单介绍在无线网络规划中常用的无线传播模型 自由空间模型【9 1 l o = k l + k 2l o g d + 蜀l o g f ( 1 1 ) 上式中，f 表示频率，单位：兆赫兹。d 表示距离，单位：公里。 k i 值取3 2 4 ，k 2 ，k 3 值取2 0 。 对于一些常用频段，有 l o = 9 1 4 8 + 2 0 1 0 9 d ，f = 9 0 0 m h z( 1 2 ) l o = 9 7 9 8 + 2 0 1 0 9 d ，f = 1 9 0 0 m h z ( 1 3 ) l o = 9 9 + 2 0 1 0 9 d ，f = 2 1 0 0 m h z( 1 4 ) 公式1 1 的结果与距离d 成正比，当d 增加一倍，自由空问路径损耗增加6 d b 。 同时，当减小波长( 提高频率f ) ，路径损耗增大。 这个模型说明传播距离增加和通信频率提高会增加路径损耗。可以通过增大 发射强度和接收天线增益来补偿这些损失。 适用频段：无频段限制 适合的网络类型：无特别限制 适用场景：具有各向同性传播介质( 如真空) 的无线环境 总结：该模型是理想的传播损耗，也是其他所有传播模型的理论基础。该模 型所适用的环境各向同性传播介质，在现实中并不存在，但空气介质可以认 为是近似于各向同性介质的环境。+ 一 o k u m u r a - h a t a 模型【1 0 l l u = k i + k 2l o g f k 3l o g h b a ( h 。) + g k 5l o g h 6 l o g d 上式中，f 表示频率，单位：兆赫兹。d 表示距离，单位：公里。玩表示基 站天线高度，单位：米。以表示移动台高度，单位：米。 k i 值取6 9 5 5 ，k 2 值取2 6 1 6 ，k 3 值取1 3 8 2 ，k 4 值取4 4 9 ，k s 值取6 5 5 。 其中，a ( h m ) 为移动台天线高度修正因子。 5 f ( 1 1 l o g f 一0 7 ) 日。一( 1 5 6 1 0 9 f 一0 8 ) 中等城市 a ( h 。) = 8 2 9 ( 1 0 9 ( 1 5 4 h 。) ) 2 1 1大城市，f 2 0 0 m h z 1 3 2 ( 1 0 9 ( 11 7 5 h 。) ) 2 4 9 7大城市，f 4 0 0 m h z 郊区模型： ， 锄乩炉2 ( 1 0 9 去) 2 - 5 4 ( 1 - 6 ) 乡村半开阔地模型： l r q o = l u 一4 7 8 ( 1 0 9 f ) 2 + 1 8 3 3 1 0 9 f 一3 5 9 4( 1 7 ) 乡村开阔地模型： l r o = l u 一4 7 8 ( 1 0 9 f ) 2 + 1 8 3 31 0 9 f 一4 0 9 4 ( 1 8 ) 适用频段：1 5 0 1 5 0 0 m h z 适合的网络类型：宏蜂窝模型，覆盖半径1 2 0 k m 适用场景：普通城区，郊区，乡村，基站天线高于周围建筑物 其他：l k m 以内预测不适用；频率超过1 5 0 0 m h z 以上时不适用；基站天线 高度在3 0 - 2 0 0 m 之间；移动台天线高度在1 1 0 m 之间。 c o s t2 3 1 h a t a 模型【1 1 】 市区模型 l u ( d b ) = k l + k 2l o g f k 3l o g h 6 一a ( h 。) + k 4 一k 5l o g h 6 l o g d + c m( 1 9 ) 上式中，f 表示频率，单位：兆赫兹。d 表示距离，单位：公里。风表示基 站天线高度，单位：米。玩表示移动台高度，单位：米。 k l 值取4 6 3 ，k 2 值取3 3 9 ，墨值取1 3 8 2 ，k 4 值取4 4 9 ，k 5 值取6 5 5 。 其中， 。 。 锄：j o 【3 a ( h 。) = ( 1 1 l o g f 一0 7 弘r 彳珊一( 1 5 6 1 0 9 f 一0 8 ) 中小城市 大城市中心 ( 1 - 1 o ) 郊区和乡镇的修正模型与o k u m u r a h a t a 模型相同。 适用频段：15 0 0 2 0 0 0 m h z 适合的网络类型：宏蜂窝模型，覆盖半径1 - 2 0 k m 适用场景：普通城区，郊区，乡村，基站天线高于周围建筑物 其他：将o k u m u r a h a t a 模型的频率范围扩展到2 g h z ；l k m 以内预测不适 6 用；频率超过2 0 0 0 m h z 或低于15 0 0 m h z 时不适用；基站天线高度在3 0 2 0 0 m 之间；移动台天线高度在1 1 0 m 之间。 c o s t2 31w a l f i s h i k e g a m i 模型【1 2 】 基站与移动台之间无可视路径( n o n l o s ) f ，1 “ l b 。l o + l 恤+ l 岫d ) 其中，厶表示自由空间传播损耗，k 表示屋顶到街道的绕射散射损耗，k 表示多重屏障损耗。 当k + 0 时，厶= 厶。 移动台 k ，a 妇 阿 一6 刊k ，珊 图i - 6c o s t2 3 1w a l f i s h i k e g a m i 模型n o n - l o s 场景示意图 上图简单展示了密集城区街道非视距传输模型的典型场景。图中分信在基站 与移动台之问的矩形代表电磁波传播路径上的建筑物。图中基站的位置比较周围 建筑物的位置要高，但这并不是唯一的场景。实际上在密集城区基站分布集中， 布站密度很大，每个基站覆盖半径非常小( 小于1 0 0 0 米) 。但即使这样，在建筑 物密集的地区电波传递仍然以非视距传输为主。接收天线高度低于周围建筑物的 用户，其收到的信号主要经由屋顶绕射达到接受机，因此屋顶到街道的绕射散射 损耗取有效值的前提条件是接收天线挂高低于周围建筑高度。基站天线高度低于 周围建筑物的基站，其发射信号主要经由建筑物表面反射达到接受机。当距离基 站很近时( 距离不足2 0 0 米) ，传播损耗很接近空间自由传播损耗。 l r l $ = - 1 。6 肛1 0 1 0 9 w + 1 0 1 0 + 2 0 1 0 9 乞争( 1 1 2 ) f - 1 0 + o 3 5 钇 o 口 3 5 l s 删= 2 5 + 0 0 7 5 ( a 一3 5 ) 3 5 口 5 5 其中， 【4 0 0 1 1 4 ( a 一5 5 ) 5 5 细 客观性。在目前的规划工作中，无线传播环境的量化依据仍然难以获取。 底层数据容易获取。例如地理信息，如果具备精度足够的数字地图或有 条件做简单的环境勘测这一条并不困难。 结果可验证。基于此分类方式得到的区域划分，可以使用传播特性预测 结果进行检验。 可以从以下四个方面对无线传播环境进行分类和概括： 地形。可以通过数字地图或简单的环境勘测获得。这里体现的数据特征 主要是分析区域的海拔高度情况。 地物类型与密度。可以通过数字地图或简单的环境勘测获得。粗略的方 法是可以通过统计电子地图中地物类型信息来推定。 地物高度。可以通过数字地图或简单的环境勘测获得。地物高度一般只 需要考虑平均地物高度，但是也有需要考虑到地物高度分布的情况。 天线高度和周围平均建筑物高度之间的相对关系，可以通过简单的环境 勘测获得。 根据地形地物分布的典型特征对无线传播场景划分为以下几类： 表1 4 典型无线传播场景分类 篆场景名称 象二誊乏纛盏纛瀚摸熬豢薹鍪滋东鬟耄麓褫，。，i m ? 。，? 密集城区，其特征主要表现为地物分布普遍比较密集，l o 层以上的高楼很多。 密集城区 我国省会城市的商业中心和写字楼比较集中的区域划分为该类场景。天线的 微蜂窝 高度通常低于平均建筑物高度，甚至安装在低于建筑物的位置上，周同有较 多的遮蔽物。电波主要以反射和绕射传播。小区半径通常在一两自米以内。 密集城区，其特征主要表现为地物分布普遍比较密集，l o 层以上的高楼较多。 密集城区一般我国省会城市的大部分区域和普通城市的中心区域可以划分为该类场 。宏蜂窝 景。天线的高度接近平均建筑物高度，周围仅有少数的遮挡物。电波主要通 过屋顶的绕射传播。小区半径通常在5 0 0 米以内。 普通城区，其特征主要表现为建筑物相互之间一般有比较清晰的街道或者绿 普通城区地区分开来，一般只有少数高楼零星分布。一般我国省会城市的部分区域、 一般城市的大部分区域以及南方少数发达的乡镇可以划分为该类场景。 郊区，其特征主要表现为建筑物的排布比较稀疏，同时多以低矮建筑物为主。 郊区 一般我国城市边缘地带、人部分乡镇以及一般的 ：业区可以划分为该类场景。 农村 农村，其特征主要表现为建筑物的排布非常稀疏，同时多以民房为主。一般 l o 我国大部分的农村区域和少数不发达的乡镇可以划分为该类区域。 特殊场景包括山区、海面、高速公路和隧道等场景。 针对不同的传播场景，应该选用相应的传播模型。 推荐使用的传播模型列表如下： 表l - 5 各类场景的推荐传播模型 黪孑? 搿扩“9 0 辨“犍澎嘶 瑟三薹鬈爰薹篝糖蓼鬟三薹三量羹要蒙k 崖舞魏幺 密集城区微蜂窝 c o s t2 31w a l f i s h i k e g a m i 密集城区宏蜂窝s p m ( 计算c l u t t e rh e i g h t ) 普通城区s p m 郊区s p m ，c o s t 2 3 1 - h a t a ( 注1 ) 农村 s p m ，c o s t - 2 3 1 - h a m ( 注1 ) 特殊场景特殊场景的传播模型 1 3 射线型无线传播损耗预测算法综述 常用无线网络规划工具对无线传播损耗一般有3 种预测需求： 单点预测：提供对发射机、接收机的概要指标以图形化显示的功能，支 持在电子地图上的任何位置实时地显示用户定义的接收机的相关预测 信息。 覆盖预测：可以将预设分析区域的每一个采样分析点看作是存在一个潜 在的接收机。因此，所覆盖的区域也就相当于是能够正确接收，达到接 收信号标准的区域。 基于路径损耗矩阵的单点预测：可以在预设的分析区域内，为位于任何 位置的虚拟接收机提供其在覆盖分析中的相关预测值( 接收场强，路径 损耗，信号载干比等覆盖性能参数) 。 以上三种常见的预测都会涉及到传播环境的预测，其一般的预测步骤如下： 分析区域划定 地面海拔高度和地物测量 地形边缘选取 应用传播模型预测结果 在进行计算区域划定与地形边缘选取时，本文提出的方案与一般常用的做法 有所区别。与常规的配合电子地图栅格进行预测的方法不同，本文建议采用射线 型模型进行分析区域的限定与截选。在建立模型时为了接近电磁波的实际传播方 式而放弃了d t m ( 数字地形模型) 地图使用的笛卡儿坐标系统，改为使用极坐 标系统。在地理信息统计时引入了坐标转换步骤，同时以此为代价简化了算法结 构的复杂性，对于地形信息提取效率也提供了优化的可能性。而且使算法系统能 够非常方便地引入多精度复合分析模式。 1 4 本论文的主要工作 本文从运用的角度，系统介绍了移动通信中的无线传播基本理论和无线环境 预测的数字化方法，通过本文的阅读，可以对移动通信中的无线传播及无线环境 预测建立一个较为完整的概念。 本文的主要内容： 第一章主要介绍传播环境预测对无线网络规划的意义和传播环境预测的基 础知识，包括电磁波传播的基础理论、传播损耗的成因和经验模型、传播环境的 分类标准等。 第二章主要介绍传播损耗预测的主要思路和基本概念，包括基本的测定准 则、与计算相关的约定、计算过程中涉及的等效算法等。 第三章比较详细地介绍了传播损耗预测的实施步骤，并且较系统地说明了进 行预测时对一些常见问题的处理方法的建议和约定。简单介绍了与预测实施有关 的一些概念。 第四章针对传播损耗预测的实现思路，从计算机仿真角度提出一个无线网络 规划中传播环境预测的模拟系统的设计方案。着重从结构性与功能性两个方面介 绍计算机模拟的方式实现第三章提到的算法的实现方法。但限于篇幅，不会深入 地介绍细节地实现过程。 。 第二章基本设计思路与计算方法介绍 2 1空间传播损耗 在无线网络规划中，计算两点间或某条直线( 线段) 上的路径损耗是最基本 的要求。 由于在实际计算中不可能穷尽线段上的所有点，通常情况下，可以根据电子 地图的精度或自行设定的精度进行抽样计算。 实际中的处理方法为：以设定精度为间隔将发射点到接收点间的线段等分为 若干个区间，获取每个区间段的中点，获取其位置信息及地理信息计算出该点的 路径损耗，通过这些采样点做出路径损耗曲线，作为所求线段上的路径损耗结果。 发射 收点 所设定盼计算精度( 采样间隔) 图2 - 1 理论上的直线传播模型 ( 接收点位于与发射点相距采样间隔整数倍的位置) 如图1 所示，线段上所标注的黑点为实际处理时计算的点。 当发射点与接收点间的距离无法由设定的处理精度等分时，从发射点出发进 行区间划分，即使长度小于计算精度，距离接收点最近的区间段也作为一个区间 进行计算。 发射 一 ， 一一一一一 一 一一! f 1 1 莨二营毒7 接收点 所设定的计算精度( 采样间隔) 图2 - 2 实际的直线传播模型 ( 接收点位于与发射点相距采样间隔非整数倍的位置) 对发射机与覆盖范围边缘之间的路径进行采样时，务必保证需要预测的距离 范围被包含在测定范围之内。由于采用极坐标系统进行区域分析，对某个发射机 1 3 进行传播损耗预测就需要首先对发射机计算范围作扇形分割。这样问题就落到计 算每个扇形中线上的传播损耗曲线的实现上。即计算一条已知有限长线段上各点 的传播损耗。如果发射机的计算半径是预测分辨率的整数倍( 例如，计算半径 5 0 0 米，预测分辨率5 0 米) ，将采样区域限定在发射机覆盖边缘即可。但是一般 为了容许地图坐标位置上存在一定程度的误差，建议在选区计算区域时再向外扩 张l 2 个分辨率距离。如果发射机的计算半径不是预测分辨率的整数倍，将采样 区域限定在超过发射机覆盖边缘的第一个采样点处。( 例如，计算半径5 0 0 米， 预测分辨率6 0 米，实际的分析区域半径取5 4 0 米) 。对于双精度计算模式，发射 机远场计算区域为环形( 详细说明见第三章介绍) ，限定计算区域的原则同上， 只是分析区域的近站边缘需要时要向内扩张。 当不考虑地形地物影响时，可以认为电波传播是各向同性的，因此可以认为 扇区的覆盖区域是以扇形( 圆) 为基本形状的。 这一假设与电子地图中地物信息的栅格式存储方式相冲突，因此必须考虑如 何基于电子地图栅格状信息计算扇形的路径损耗f 1 5 1 。 由于常用传播模型在计算路径损耗时只考虑从发射点到接收点问剖面上的 地形地物影响，可以采用等角度采样的方式，在需要计算的扇形区域中抽取径向 线段。 电子地田精度 ，一i 一一“ 、 气鼍，? & 。r2 q 、。蟛训心7 、 、 、 ， 。式罚 、 、 吣 、 | 严 炎溆羽 、， 计辫| x 域 f f ， 卜谶 、 1 f 1 f r 、 发射甄 j il 图2 3有限大区域空间传播损耗估计：区域离散化模型示意 区域内的计算步骤如下： 确定扇形区域的外接矩形。 根据计算精度，将外接矩形划分为边长为计算精度的栅格，当计算精度 与地图精度相等时，所绘制的栅格与地图栅格图层的栅格重合。 按照计算精度，计算角度间隔： a ， a 0 ：竺 ( 2 1 ) d 其中，d 为扇形半径，为采样间隔，a 0 为角度间隔。 1 4 以a 0 为间隔，从发射点出发，按顺时针顺序，在扇形内作径向线段。 在每条径向线段中从发射线出发，以计算精度刖为问隔取点，如上图中 所示；判断实际计算点所处的栅格，凡是包含有实际计算点的栅格，提 取栅格中心的地理线信息，计算该栅格的路径损耗值。在计算下一条线 段时，从未计算过的栅格开始计算。 直至所有包含有预计计算点的栅格计算完毕，则获得扇形区域内路径损 耗的整体结果。 可以看到，这种计算方法的准确性依赖于计算精度、栅格中心地理信息的提 取方法以及当计算精度小于电子地图精度时的插值方法。 2 2绕射损耗的计算【1 6 】 移动通信网络所使用的频段通常属于v h f ( 甚高频) 频段，频段范围为 3 0 0 m h z 3 g h z ，这一频段内的传播特性以反射和绕射为主，在计算该频段内路 径损耗时，必须考虑无线电波在地面、自然的或人造障碍物上的反射，以及由于 山峰、建筑物等引起的绕射。 绕射使无线电波能够穿过障碍物，在障碍物的后方形成场强，也即绕射场强。 h u y g e n 定律认为，这是由于处于障碍物前方的各点可以作为新的波源产生球面 次级波，次级波在障碍物的后方形成的场就是绕射波场。 应用惠更斯定理( h u y g e n sp r i n c i p l e ) ，可以从一个波自 f 点求得空间任何一 点的场强【1 7 1 。对于任何形状的波表面s ，利用基尔霍夫( k i r c h h o f f ) 等式，有 耻石- 1 肛杀一孚等卜 ：仁2 ，： a e s 其中，e 是波面场强，锄是与波面正交的场强导数。如图4 所示，t 为发 射点，r 为接收点，为了得到任意点的场强，必须知道波面场强和与波面正交的 场强导数。为了求出场中点r 处的场强，必须求出波面每一点( 包括从r 看不 到的区域) 与该点的距离。 r 图2 - 4菲涅尔区示意图 图中，距离r a l = r a 0 + l 2 ，即a 1 点同a 0 点的相位差1 8 0 0 。同理 r a 2 = r a 0 + 2 l 2 ，即a 2 点同a 0 点的相位相同。这些点在球面上形成的一系列圆， 与r 点相连就组成了一系列圆锥，任意两个园与球面相交围成的区域即为菲涅 耳区。第一菲涅耳区是以半径t a l 的圆围住的球面区，a l 和a 2 之问的区域为 第二菲涅耳区，之后的以吡类推。 每个菲涅耳区的相位差