（通信与信息系统专业论文）基于电子地图的无线信道传播预测.pdf

摘要 无线通信中电波传播和场强预测问题是整个无线通信网络规划的基础性问题 之一，准确的传播预测对于基站与移动台的选址有着重要的意义。随着系统容量 的要求不断提高，原先的蜂窝大区制逐渐被微蜂窝甚至微微蜂窝小区制所取代， 在这些无线环境中，建筑物的数量增多，地形的几何尺寸各异，建筑物的平均高 度往往高于基站天线的高度。在这种特定环境中，传统的电波预测经验模型难以 得到足够精度的预测结果。而确定性模型能够充分的利用实际地形信息相对准确 的预测传输损耗，但是确定性模型一般需要比较详细的地理信息。所以基于电子 地图的确定性传输预测模型正逐渐显示出优势。 本文在无线信道传播预测模型的基础之上，详细阐述了对电子地图的开发过 程。重点研究了基于地理信息系统( g i s ) 的电波传播预测模型的建立方法，包括 经验模型和确定性模型的建立。根据实际地形，提出了基于直射、反射和绕射的 确定性传输预测模型算法以及射线跟踪算法，结合无线电传播环境的地理信息数 据库，实现了用计算机仿真的办法来描述不同测试点处的传输损耗情况。通过与 经验模型所测得数据对比，验证了确定性模型算法的正确性。 关键词：地理信息系统场强预测经验模型确定性模型射线跟踪法 a b s t r a c t r a d i op r o p a g a t i o np r e d i c t i o nf o rw i r e l e s sc o m m u m c a t i o n si st h eb a s i ci s s u ef 0 rt l l e w h 0 1 ew i r e l e s sn e 研o r kp 1 础g i ti si m p o r t a n tt om 呔e 锄a c c u r a t ep r e d i c t i o nf o rm e l o c a t i o no ft h eb a l s es t a t i o na 1 1 dm o b i l es t a t i o n w i mm e 伊e a t l yi n c r e 2 l s i n go fu s e r q u 眦i t ) ， i nw i r e l e s s c o m m u i l i c a t i o n s ， t h e p r e c i o u s c e l l u l a r s y s t e m s oc a l l e d m a c r 0 - c e l l u l a rn o wi s r e p l a c e db ym i c r o c e l ls t 印b ys t 印。h 1 t h e s ew i r e l e s s e n v i i o 砌吼t s ，b u i l d i n g sa r en u m e r o u s ，m eg e o m e t r yo ft h et 嘶n si sv 撕o u sa n dm e a v e r a g eh e i 曲to ft h eb u i l d i n g sm a y b eh i 曲e rm a l lt h eh e i 曲to ft l l eb a s es t a t i o na n t e 衄a t h e r e f o r en o 仃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 sc o u l dm e a tm ed e m a i l df o ra d e q u a t e p r e d i “o na c c u r a u c y a n dt h ed e t e r i n i i l i s t i cm o d e lc 锄m e a ti tw i mm ea c t u a lt e r r a i n ， h o w e v e rt h ed e t e 吼诚s t i cm o d e lr e q u i r e sm o r ed e t a i l e dg e o 黟印h i ci 1 1 f 0 n n a t i o n s o ，吐l c d e t e n i 血s t i cm o d e lo n 廿l eb a s i so fe l e c 仃o i l i cm a ph a sm o r es u p e r i o r i 妙 h lt l l i sp 印o nt l l eb a l s i so ft h ew i r e l e s sc h 锄e 1p r o p a g a t i o np r e d i c t i o nm o d e l s 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i s r o b 锄朗to fm e f i e l ds 嗽l g t hd i s t r i b u t i o ni n d i f e r e n tp l a c e si sr e a l i z e d b yc o m p a r i n gt 0m et e s t i n g d a t au 1 1 d e rt h ee i t l p i r i c a lm o d e l ，t h ev “d 时o fm ed e t 删i l i s t i cm o d e la l g o 五m mi s v e r i f i e d k 叻州o r d ：g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m n e l ds t r e n g t hp r e d i c t i o n e m p i r i c a lm o d e i d e t e r m i n i s t i cm o d e l r a y - t r a c i n gm e t h o d 创新性声明 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，本人承担二切相关责任。 本人签名：煺 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 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： 日期一蛰掣鲫 日期盥啦里 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 电波传播的特性是研究无线通信系统首先遇到的问题。传播特性如何直接关 系到通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算，以及为实现优质可靠 的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。而场强预测是研究传播特 性的基础，场强计算是否合理、正确不仅是基站与移动台选址的重要依据，也关 系到基站与移动台之间的干扰分析、频率指配的可靠性，最终决定有限频率资源 利用的高效性和科学性。 模拟通信阶段的覆盖网络规划是较为“粗放式”的【1 1 ，场强预测采用的是国际电 联( 玎u ) 颁布的i t u r p 3 7 0 建议书，但地形的影响靠实地考察、经验估计，并 最终在纸质地图上标绘。这一方法不仅费时费力，而且场强预测准确性不足，导 致频率指配、干扰分析、覆盖区计算等重要内容缺乏应有的科学性。为改变这种 状况，世界各国纷纷投入相当大的人力和物力研究适合本国的电波传播模型。如 何在电波传播模型中加入地形分析技术，研究适合我国国情的电波传播预测模型【2 】 以提高场强预测的精度，成为国内目前迫切需要解决的问题。 而随着地理信息系统技术的迅速发展，引入了数字地图【3 】的概念，即将传播预 测环境建立在g i s ( g e o 日a p h i ci l l f o n n a t i o ns y s t e m ) 矢量地形图基础上，为无线信 道场强预测提供有效的工具。数字地图包括地形高度、地表覆盖等对电波传播有 重要影响的地理信息。利用数字地图，可以非常直观、准确地查出移动台与基站 之间( 即传播路径) 的距离、地形起伏情况以及基站和移动台的海拔高度，这些 因素在场强分析中都有着不可忽视的作用。g i s 以数字地图信息为载体，通过其强 有力三维显示技术和虚拟现实技术等，可以为台站分析、覆盖分析等提供理想的 可视化服务平台和计算环境，使得场强分析能够自动在计算机上实现，不但提高 了工作效率，而且在很大程度上改进了计算精度。这种精确的描述方式给传统的 无线区域电波覆盖带来新的课题，可以使预测变得更加精确，但同时也增加了预 测算法的复杂度，这将是未来大尺度电波预测模型的一个重要发展方向。 现在，世界范围内通信技术正日新月异地发展，如何能够经济合理的建造符 合质量要求的无线网络，将成为发展的关键。因此在数字地图基础上实施快速准 确的场强预测是无线通信的基础性和关键性课题，也已经成为通信领域研究的热 点问题。 基于电子地图的无线信道传播预测 1 2 研究现状 无线通信传播预测模型对移动通信系统的规划设计的意义已经成为广大通信 和电波传播研究者的共识。随着当今移动通信技术的高速发展，城市电波传播特 性和功率覆盖问题已经成为必须解决的问题，受到了国内外学术界的高度重视。 权威刊物e et r a l l so nv e m c u l a rt e c l l l l o l o g y ，正e et r a n so na n t e n n 2 l sa n d p r o p a g a t i o n s ，以及也e ej o 啪a 1o ns e l e c t e d 心e 2 u si nc o m m u n i c a t i o n s 等，有相当多 的电波预溅的论文发表。国际和一些著名的通信公司如a t & t 等都投入了大量的 资金和人力对此领域进行研究。而国内的著名公司，如深圳华为，大唐移动等也 开始了这一领域的投入和研究。 目前国内外的研究主要有以下几种分类方式。 一、以研究的尺度大小来分，包括大尺度和小尺度两类。大尺度主要研究电 波传播的路径损耗和场强分布，从而解决复杂地形环境下的无线频率覆盖设计， 减少盲区，进行合理的基站规划；小尺度主要研究信道模型中的各种统计参数的 预测。 二、以研究的对象来分，包括室外和室内两类。室外主要研究城市蜂窝小区 中电波传播，它以数字地图为基础，实现城市范围内的路径损耗、场强预测和基 站位置优化。 三、以研究的方法来分，包括经验理论模型和确定性模型两类【4 1 。经验理论模 型比较典型的有o b 删瑚- h a t a 模型、c o s t 2 3 1 模型等，这些模型都是建立在实际 的测试数据上，将测试数据进行统计分析后得到的模型公式，而且经验模型只能 适应特定环境的场强预测，预测结果具有较大误差；确定性模型均基于电磁波传 播理论，它不依赖于测量结果，而是需要大量地形建筑细节，来进行精确的电磁 波的路径损耗预测和场强分布。目前广泛使用的方法是射线跟踪模型以及以 m a ) ( w e l l 方程组的时域有限差分法( f d t d ) 为基础的全波分析。 射线跟踪法【5 】的基本思想是由于电磁波的波长比建筑物尺寸小，因此可将电磁 波假设成光学射线，射线从发射点发出，经过反射、透射、绕射和散射后，到达 接收点。计算每条路径的射线损耗，求和，即可得到准确的电波路径损耗。 全波分析法可以得到非常精确的解，但是耗时往往很长。近年来，随着计算 机硬件能力的飞速增长以及加速算法的日益涌现，这些全波分析方法用在电波路 径损耗也成为可能。作为一种全波分析方法，最大的优势是其精确性。但是由于 c p u 速度和内存的限制，虽然是电波预测的趋势方法之一，但是目前很难进行广 泛的实际应用。 第一章绪论 1 3 课题来源与研究意义 本课题来源于国家预研项目“地域电波传播特性研究”，该项目研究特定环境下 无线通信信道传播特性，对该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，可以进行多种情况下的信道模拟，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。 目前，国内采用的基于数字地图的场强预测软件主要是从国外引入的，在一 定程度上提高了效率，但是存在很大的局限性，主要表现在：( 1 ) 国外软件以其 技术和知识产权为由要价非常昂贵，不可能在我国大面积推广使用；( 2 ) 数据接 口不灵话，数据需要经过转换才能应用；( 3 ) 由于在地形、人口等方面存在很大 差异，使得国外软件的扩展不灵活，不能满足国内需求。 所以，开发出适合国内使用的基于电子地图的场强预测软件是未来发展趋势， 也是十分必要的。 1 4 主要研究的内容 本文的研究重点在于丘陵环境下以及城市街道环境下的传播损耗预测，研究 目标是在现有的研究成果基础上，基于电子地图提出更精确的传播预测模型，使 之更适应实际的需要，从而建立一个实用、快速、高精度的电波预测软件包。 本论文的研究内容概括为以下几点： 第一、基于标准的g i s 地图，建立新的地形数据库模型和丘陵g i s 系统， 包括查询、测距等功能； 第二、针对已经建立好的丘陵g i s 系统，提出新型的确定性传播预测模 型算法。该算法基于反射、绕射和散射等基本传播机制，可以和 地形数据库模型无缝连接； 第三、研究城市街道环境下的射线跟踪算法，并利用该算法进行场强预 测； 第四、丘陵电波预测软件和城市街道预测软件的编写。 本论文的组织结构也是按照以上主要内容安排的。 第二章全面详细介绍了无线信道的传播特性以及一些传播预测模型，阐述了 射线跟踪模型的理论基础。 第三章描述对电子地图数据库的开发。分析了g i s 地图的特点以及应用，详 细描述了地理信息系统的建立方法和结构。 第四章针对丘陵地理信息系统，提出了一种新型的传播预测模型算法，其中 4 基于电子地图的无线信道传播预测 包括地形剖面的提取等算法。而且也对经验模型进行了仿真，通过几种不同模型 的预测结果比较，新算法的有效性得到了证实。 第五章重点研究了城市街道环境下的路径损耗预测。对城市街道进行了建模， 建立了地形数据库，并使用射线跟踪法中的镜像法对信号损耗进行预测。 第六章是仿真结果以及比较分析，验证了确定性模型更加适应实际地形的传 播预测。 第七章对论文成果进行了总结，并对以后的工作进行展望。 第二章无线信道中电波传播特性及预测模型 第二章无线信道中电波传播特性及预测模型 由于移动无线环境中电波传播特性的复杂性和多样性，我们很难用精确方法 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， 而不同的传播预测模型是在不同传播环境的大量实测数据中归纳而得出的，所以 每一种预测模型都有一定的适用范围。本章主要介绍适用于宏蜂窝的一些经验预 测模型以及适用于微蜂窝的经验和确定性预测模型： 2 1 无线信道基本概念 信道，通俗地说，是指以传输媒质为基础的信号通路。信道的作用是传输具 有一定带宽的信号，同时对信号本身产生不同程度的损害。无线信道是指由无线 电线路提供的信号通路。无线信道的传输媒质比较多，它包括短波电离层反射、 对流层散射等。无线信道包括了电波的多径传播、时延扩展、衰落特性以及多普 勒效应，在移动通信中我们要充分考虑这些特性以及解决的方案。 2 2 移动通信传播环境网 移动无线信道主要是受到无线传播环境的影响。对于陆地移动通信系统，由 于移动台本身的移动性，传播环境不断变化，移动台既可以处于城市建筑物群之 中，也可以处于丘陵、山川、森林等地形复杂的区域。因此，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预见，而是具有 很大的随机性，分析起来比较困难。 不同移动环境具有不同的电波传播特性，研究移动信道应该考虑地形特征和 传播环境。从电波传播的角度看，地形可以分为两类，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 0m 以内，且起伏变化缓慢：而不规则 地形是指除了准平坦地形以外的其他地形，比如丘陵地区、孤立山峰、水陆混合 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 度幽来表征各种地形。表2 1 给出各种地形中7 z 的估算值。 6 基于电子地图的无线信道传播预测 表2 1 各种地形对应厅的估算值 地形类型 地形特征甑| m 准平坦地形水平或非常平坦地形 o 5 平坦地形5 1 0 准平坦地形1 m 之o 不规则地形小土岗式起伏地形 2 0 4 0 丘陵地形 4 0 8 0 小山区8 0 1 5 0 山区1 5 0 3 0 0 陡峭山区3 0 0 7 0 0 特别陡峭山区 7 0 0 2 3 移动无线信道电波传播机理 移动无线环境传播包括收发天线之间的直射波、反射波、绕射波、透射波和 散射波，但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路径损耗。当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射， 反射发生于物体的表面，建筑物和墙壁表面。当发射机和接收机之间的无线电波 被一个具有明显不规则的表面或尖利的边缘阻挡时，发生绕射。由阻挡表面产生 的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面，也就是说电磁波能够绕过障碍物传 播( 故称绕射) 。当电磁波在传播中遇到一些尺寸小于波长的建筑目标物或者每单 位的障碍物数目很多时，电磁波便会发生散射。散射的波形由粗糙表面，小目标 物或信道中的其它不规则物产生。在实际传播环境中，树叶、街道路标和路灯杆 等都会引起散射。 2 3 1 自由空间传播 自由空间传播是指接收机和发射机之间完全无阻挡的视距传播，是电磁波中 最简单的情况。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作为各种传播环境的比较标准。自由空间中距发射机d 处辐射功率密度为 p = 尝矽柳2式( 2 1 ) 第二章无线信道中电波传播特性及预测模型 7 式中只为发射功率，g r 为发射天线增益。假设接收天线增益为g ，有效面积a 为 彳= g ，竺 式( 2 2 ) 因此，接收天线的接收功率为 e 叫娟q ( 南) 2 柏 由式( 2 3 ) 可以发现，接收信号随距离的平方衰减。如果路径损耗定义为有效发 射功率和接收功率的差值，自由空间路径损耗厶表示为 厶= 1 0 1 9 罟= 3 2 4 4 + 2 0 1 9 厂+ 2 0 1 9 d 一1 0 1 9 g f 一1 0 1 9g r 式( 2 - 4 ) 式中频率厂的单位为m h z ，距离d 的单位为砌。 2 3 2 反射8 】 当在一种媒介中传播的无线电波入射到另一种媒介表面时，无线电波的部分 能量会反射到第一种媒介，而另一部分能量则被折射到第二种媒介。反射波和折 射波的电场强度通过反射系数r 与原媒介中的入射波联系在一起。反射系数的大 小由波的极化方式、入射角和传播波的频率决定。反射系数定义为反射波场强与 入射波场强的比值。 设入射角度为只，反射角为只，折射角为幺，如图2 。1 所示( 电场极性平行于 入射波平面) 彳， 毛1 o 氏a 图2 1 两种界面间的反射 图中的参数s 、盯分别代表电介质的介电常数、导磁率和电导率。这里的s 与 理想电介质的绝缘常数成正比，即s = 占。s ，其中氏为8 8 5 1 0 “2 f m 。非理想介 质会产生能量损失( 被电介质吸收) ，其绝缘常数为 g 2 岛鼻一j 式( 2 5 ) 基于电子地图的无线信道传捅预测 式中 ：里 国 式( 2 6 ) 咒：g 一崩型唑! 磐竺丝 式( 2 7 ) s ，s i n 口+ v s ，一c o s 2p 而垂直极化波的反射系数为 r ：伊m ：堕堕磐竺丝 j s i n 臼+ 、占，一c o s 2 目 f 式( 2 8 ) 式中心、r 和唬、丸分别为平行极化和垂直极化反射系数的幅度和相位，p 为入 射角，而占，为反射点平面的复相对介电常数，表示为 j “ s ，= 一6 0 积 式( 2 - 9 ) 式中为反射点平面的相对介电常数，仃为电导率，五为波长。 2 3 3 绕射【7 】【8 】 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，即绕射场强。 惠更斯定律认为，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。 ( 1 ) 菲涅尔区域 应用惠更斯定理，可以从一个波前点求得空间任何一点的场强。对于任何形状 的波表面s ，利用基尔霍夫等式，有 岛= 刮巨杀( 孚) - 孚鲁卜 式c 2 m ， 式中，e 是波面场强，翘锄是与波面正交的场强导数。为了得到任意点的 场强，必须知道波面场强与波面正交的场强导数。假设水平面和垂直面同相位传 播，则可以在i 江场建立一个球面，并通过式( 2 1 0 ) 得到场强。为了求出场中点尺 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。 由图2 2 可知，距离础= 戤+ 五2 ，即4 点同4 l 点的相位相差1 8 0 度。同 理m = 眠+ 2 名2 ，即4 点同以点的相位相同。这些点在球面上形成的一系列 圆组成了一个圆锥，任意两个圆之间的区域为菲涅尔区域。菲涅尔l 区是以半径以 的圆围住的球面区，4 和彳：之间的区域为菲涅尔2 区，依次类推。由于每个菲涅 尔区的相位差为1 8 0 度，则球面上的菲涅尔相邻区正负轮流变化，因此产生了高 第二章无线信道中电波传播特性及预测模型 9 次区的电波相互抵消。 4 图2 2 球面距离计算 当菲涅尔区的阶数变大时，高次区的电波抵消表现的更为明显，且在第2 州 阶菲涅尔区的场强之和是全部场强总和的1 2 。因此，第1 菲涅尔区的场强是全部 场强的1 2 ，若发射机和接收机的距离略大于第1 菲涅尔区，则大部分能量可以到 达接收机。 彳 彦 t d in an o d2n r 图2 3 菲涅尔区域半径计算 在任意形状表面均可建立菲涅尔区。如图2 3 所示，选择与射线路径t r 正交 的平面，则菲涅尔区的半径为 z 4 r = z + 4 只= 面+ 如+ 五2 式( 2 1 1 ) 和 假设“ 矾。和“ 厶。尺，有 = 丽盔 ，+ 瑶2 a l 式( 2 1 2 ) a r = 、= 蕊吐+ 碥2 吃 式( 2 1 3 ) 将上述两式代入式( 2 1 1 ) ，有 。 ”番+ 磊+ 半 北“， 因此， 1 0 基于电子地图的无线信道传播预测 6 = 在式( 2 1 5 ) 中取= 1 ，就可以得到第一菲涅尔区的半径 岛= 鼯 拥6 ， ( 2 ) 刃形边缘传播 无线电波在山区传播时，直射波常常会被山脊阻挡，这时的主要传播方式是 地波传播，产生的传输损耗称为绕射损耗。同一障碍物( 如山脊) 对长波长的绕 射损耗小于对短波长的绕射损耗。在预测路径损耗时，把这些障碍物看成是尖形 障碍，因此称之为“刃形”。 在经典的电磁理论应用中，设计刃形的绕射无线电波的场强可表示为： 生：f e j 酗 毛 式中，是不存在刃形绕射时的自由空间电磁场， 直射波路径的相位差。由于绕射损耗为： 孝= 2 0 1 0 9 ， 式中 ，是绕射系数，而是相对于 5 + u 5 ， = = 一 2 s i n ( + 刀4 ) 在f 的定义中， 班耐( 游圳4 而c 和s 是菲涅尔( f r e s n e l ) 积分，表示为 c = f c 。s ( 詈x 2 胁 s = 扣( 詈x 2 边 式( 2 1 9 ) 式( 2 2 0 ) 式( 2 2 1 ) 式( 2 2 2 ) 刃形传播有两种方式，即图2 4 所示的负高度模式和正高度模式。 在负高度模式中，发送天线和接收天线比障碍物高丑，因此我们可以假设障 碍物高度为坷。在正高度模式中，发送天线和接收天线比障碍物低日，因此我们 可以假设障碍物高度为何。绕射常数v 为 v ：一日 兰 v 旯( 1 d l + 1 d 2 ) 第二章无线信道中电波传播特性及预测模型 i1 j h -l 1 2 ( 4 ) 负高度因子 |d | h b j d ， 、一 l 、 1 ( 6 ) 正高度因子 图2 4 经过刃形的无线传播 在负高度模式中v 是正数，从而可以求得绕射系数尸o 5 ，在正高度模式中， ，为负，从而可以求得绕射系数，在5 之间。 不同绕射损耗的近似值为 ( 据) = o p 1 ) 2 0 l g ( 0 5 + 0 6 2 y )( o v 1 ) 2 0 l g ( o 5 p o 4 5 ) ( 一l ，o )式( 2 2 4 ) 2 01 9 ( o 4 一石j i i 石二i 石1 i 面) ( 一2 4 v 一1 ) 2 0 l g ( 一o 2 2 5 ( 1 ， 一2 4 ) ( 3 ) 多重刃形绕射 在很多情况下，传播路径上有不止一个障碍物，这样不能单纯的套用上述单 个刃形障碍物的传播模型。人们利用一个近似的障碍物来替代多个障碍物，用这 个方法求出传输损耗。下面介绍一些普遍使用的方法，如布灵顿( b u r l i n 昏0 n ) 法、 易普斯丁彼得森( e p s t e 证p e t e r s o n ) 法、埃特拉斯( a t l a s ) 法等。 图2 5等效于单个刃形的b u n m 鲈0 n 结构 在布灵顿等效刃形法中，a 点和b 点的障碍物被电波交界处c 点的一个等效 刃形障碍物替代，而a 点和b 点的障碍物可以忽略，如图2 5 所示。 易普斯丁彼得森法把损耗分成2 个阶段进行计算，然后相加。在图2 6 中， 计算a 点的绕射损耗时，高度日是a 点和接收机与b 点和发送机之间的连线的 1 2 基于电子地图的无线信道传播预测 高度差；计算b 点的绕射损耗时，高度日口是b 点和发送机与a 点和接收机之间 的连线的高度差；总损耗是这两个损耗之和。当障碍物的距离d 很大时，这种方 法得到的结果比较准确；当障碍物的距离较小时，这种方法的误差较大。 阻挡体 a胬 图2 6 易普斯丁彼得森等效刃形绕射 在埃特拉斯法中，点a 处的绕射损耗计算方法与易普斯丁彼得森法相同。 计算b 点的损耗时，延长a b 直到与发射机的轴线相交于点r ，日丑是b 点高于丁r 的值。2 个损耗的和为总损耗，如图2 7 所示。 图2 7 埃特拉斯法等效刃形绕射模型 2 4 移动通信传播损耗统计预测模型简介 无线网络规划中，无线传播损耗是一个非常关键的参数。直接影响覆盖效果， 它决定着网络规划结果的正确性、可信性。由于实际应用中的无线传播环境是非 常复杂的，需要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、天线高度等参量的数学关系式。下面介绍用于场强预测的各种传播模型。 第二章无线信道中电波传播特性及预测模型 1 3 2 4 1 传播预测模型分类 由于移动通信所在环境的多样性，所以每个预测模型一般都是针对某特定类 型环境设计的，一般可根据预测模型的应用环境进行分类，如表2 2 ，一般可分为： 宏小区( 大区) 、微小区、微微小区【9 1 。 表2 2 小区类型 小区类型小区半径基站天线位置 宏小区1 3 0 l 室外：基站天线通常假设在周围建筑物的上方 微小区0 1 1m室外；基站天线的高度可以和周围建筑物相同或略高于或低于 微微小区o 0 1 o 1i 口n 室外或室内：基站天线在屋顶下面或在建筑物内。 目前，根据传播预测模型的性质大致可分为三种模型：经验模型、确定性模 型以及前两者的结合，即半经验或半确定性模型。 经验模型主要是根据大量的测量结果统计分析后导出的公式。依靠测量而得 到的预测数据。其优点在于对于环境的隐含因素都在模型的考虑之中，模型的精 确度主要依赖测量的准确度和所应用的环境与测量环境之间的相似程度。但是该 方法不能提供准确的路径损耗估算值。 确定性模型主要是基于对具体的现场环境直接应用电磁理论计算。基于物理 基本原理对路径损耗进行预测，从而可以应用于不同的环境而不会降低预测模型 的准确度。确定性模型的建立主要基于对环境的描述和电磁波传播损耗的电磁计 算方法，环境的描述可由不同的精度等级的地形地物数据库中得到，目前通常使 用的电磁计算一般都是基于射线跟踪的方法，如几何绕射理论( g t d ) ，物理光学 ( p o ) ，以及积分方程法( 匝) ，有限差分时域法( f i ) t d ) 等。 半经验或半确定性传播模型是将用于普遍情况下的确定性模型的公式，根据 特定环境下的实验数据，对公式进行修正，使公式保持和测量结果的一致性。 一般来说，经验模型和半确定性模型适合于均匀的宏小区，确定性模型由于 计算相对复杂，计算时间较长，比较适合于微小区和微微小区。 2 4 2 宏小区传播预测模型 一、o k l l m _ u r a h a t a 模型【1 0 】【1 1 1 g s m9 0 0 m 王z 主要采用c c 瓜推荐的o l ( u m u r a h a t a 电波传播衰减计算模型。 该模型是以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考，对其他传播环 境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。不同地形上的基本传输损 耗按下列公式分别预测。 o k u m u r a h a t a 模型是预测数据统计分析得出的经验公式，应用频率在15 0 1 4 基于电子地图的无线信道传播预测 1 5 0 0 m h z 之间，适用于小区半径大于1 k m 宏蜂窝系统，基站有效天线高度在3 0 2 0 0 米之间，移动台有效天线高度在1 1 0 m 之间。o k u m u r a h a t a 模型路径损耗计 算的经验公式为： 上口( 招) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l g 丘一1 3 8 2 l g 丸一口( w ) 式( 2 2 5 ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 k ) l g d + c 岛+ c ：。抽 式中：f 为工作频率，单位符号：m h z 。 五。为基站天线高度，单位符号：m ，定义为基站天线实际海拔高度与基站沿 传播方向实际距离内的平均地面海拔高度之差，即k = k k 。 五，。为移动台有效天线高度，单位符号：m ，定义为移动天线高出地表的高度。 d 为基站天线和移动台天线之间的水平距离，单位符号：蛔 口( 厅。) 为高效天线修正因子，是覆盖区大小的函数， f 中小城市 ( 1 11 l g z o 7 ) k 一( 1 5 6 i g z o 8 ) 烈2 p 市、翘乡州茹翟豁2 j 刍锚麓 li j z l l 2 l i ，) ，z j 一y ，2 j u u 爿z 式( 2 2 6 ) c 乙为小区类型修正因子， f o = - 2 蛾，卜4 l l - 4 7 8 ( 1 9 正) 2 1 8 3 3 l g 丘一4 0 9 8 城市 郊区 式( 2 2 7 ) 乡村 g 一新为地形校正因子。地形分为：水域、海、湿地、郊区开阔地、城区开阔 地、绿地、树林、4 0 1 1 1 以上的高层建筑群、2 0 4 0 m 的规则建筑群、2 0 m 以下的 高密度建筑群、2 0 m 以下的中密度建筑群、2 0 m 以下的低密度建筑群、郊区乡镇 及城市公园。地形校正因子反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响，如 水域、树木、建筑等，合理的地形校正因子取值可以通过传播模型的测试和校正 得到，也可以人为设定。 二、c o s t - 2 31 h a t a 模型【1 2 】 c o s t - 2 3 l h a t a 模型是由e i 瓜o c o s t 组成的c o s t 工作委员会开发的h a t a 模型扩展版本，应用频率在1 5 0 0 2 0 0 0 m h z 之间，适用于小区半径大于1 m 的宏 蜂窝系统，发射有效天线高度在3 0 2 0 0 m 之间，接收有效天线高度在1 1 0 m 之 间。c o s t - 2 3 1h a t a 模型路径损耗计算的经验公式为： 氏( 扔) 24 6 3 + 3 3 9 1 9 z 一1 3 8 2 1 9 吮一口( k ) 式( 2 2 8 ) + ( 4 4 9 6 5 5 l g 丸) 1 9 d + c 乙+ q 。胁+ c ：j l ， 第二章无线信道中电波传播特性及预测模型 1 5 式中，c 材为一个大城市中心校正因子， io 扭中等城市和郊区 c m = 13 拈大城市中心 式2 2 9 c o s t - 2 3 1 h a t a 模型和o k u m u r a _ h a t a 模型主要的区别在频率衰落的系数不同， c o s t 2 3 l h a t a 模型的频率衰减因子为3 3 9 ，o l c u m u r a h a t a 模型的频率衰减因子为 2 6 1 6 。另外还增加了一个大城市中心衰减c m 。大城市中心地区路径损耗增加了 3 d b 。 三、c o s t 2 3 1 w a l f i s c h 墩e g a r n j 模型f 1 3 j c o s t 2 31 w a l f i s c h 一取e g 姗i 模型( 如图2 。8 所示) 基于w a l f i s c h b e n o i l i 模型 和( e g 锄i 模型，广泛地应用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，经常在移 动通信系统( g s m p c s d e c t d c s ) 的设计中使用。在高基站天线情况下采用理 论的w a l f i s c h b e n o n i 模型计算多屏绕射损耗，在低基站天线情况下采用测试数据 计算损耗。这个模型也考虑了自由空间损耗，从建筑物顶到街面的损耗，以及受 街道方向影响的损耗。因此，可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑 物等不同情况的路径损耗。 图2 ，8c o s t 2 3 1 - w 砒6 s c h 一c e g 锄i 模型参数 c o s t 2 3 1 一w a l f i s c h 一取e g 锄i 模型使用的有效范围是8 0 0 脱眈厂2 0 0 0 枷z ， 4 聊5 0 m ，1 m k 3 m ，o 0 2 白竹d 5 j | b ，l 。 c o s t 2 3 1 w 甜f i s c h 一攻e g a m i 模型分为视距传播( l o s ) 和非视距传播( n l o s ) 两种情况近似计算路径损耗。 ( 1 ) 视距传播情况 此情况下的路径损耗( 类似于自由空间传播损耗) ： 三= 4 2 6 + 26l gd + 20l g 厂式( 2 3 0 ) ( 2 ) 非视距传播情况 1 6 基于电子地图的无线信道传播预测 此情况下的路径损耗： 三= 厶+ 厶+ 厶 式中：厶为自由空间损耗； 厶为屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗， 三1 = 一l6 9 1ol gw + l g 厂+ 2 0l g ( 五旯一五。) + 上l l ( 矽) 式( 2 - 3 2 ) 其中，w 为接收机所在的街道宽度，单位符号：m ；为建筑物的平均高度， 单位符号：m ；k 为接收天线的高度； j 一1o + o 3 5 7 1 0 。 矽 3 5 。 三1 l ( 矽) = 2 5 + o 0 7 5 ( 矽一3 5 。)3 5 。5 5 。 l 4 一o 11 1 4 ( 矽一5 5 。) 5 5 。矽9 0 。 ( 是由街区轴线与连接发射机和接收机天线的夹角) 。 厶为沿屋顶的多重衍射( 除了最近的衍射) ， 厶= 厶l + 吒+ 屯l g d + 尼r1 9 厂一9 1 9 6 鼽 耻p 甙1 言笺啦峨 i5 4 丸= 5 4 一o 8 ( 一) 并且矗o 5 加 1 5 4 一o 4 ( 一) 并且d o 5 砌 f1 8 铲卜w 足 七，= - 4 + 式( 2 3 4 ) 式( 2 3 5 ) 式( 2 3 7 ) n 7 去一：中等城市和郊区 式( 2 - 3 8 ) 1 舣去一1 ) 大城市 上面各式中，以为发射天线高度，b 为相邻行建筑物中心的距离。 该模式的特点是：从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内 的电波损耗模式。 四、i t u rr e c p 3 7 0 和i t u rr e c p 5 2 9 模型【1 4 】【1 5 】 i t u r 的建议r e c p 3 7 0 给出了场强与距离的实测曲线，每个图中对于不同的 发射天线高度画出了不同的曲线。经拟合，l 沁c p 3 7 0 建议的中值场强曲线可以表 示为：( 移动台天线高度通常假定为1 5 m ) 第二章无线信道中电波传播特性及预测模型 1 7 厶= 1 0 6 7 + 7 9 l l g 厂一2 6 2 4 l g 玩+ ( 2 2 4 5 + 9 3 7 l g 厂+ 2 1 3 l g ) l g d ( 妇) 式( 2 3 9 ) 式中，厶为基本传输损耗中值，单位为招；厂为频率，单位为朋恐；为基站 等效天线高度，单位为肌：d 为距离，单位为砌。 2 4 3 微小区传播模型 一、地面反射( 双线) 模型 很多室外的传播模型都是建立在基本的传播模型如反射、绕射等的基础上， 地面反射( 双线) 传播模型所基于的假设为：从发射天线到接收天线有两条路径， 一条是视距传播，一条是地面发射。 由双线模型可得：距离发射机距离为d 的接收机处的总的场强为七d jv m ， 式中七是与发射机场强、天线高度和波长有关的常数。d 处的接收功率反比于距离 d 的四次方。因此，当距离很大时，接收功率是随着距离成四次方衰减，比自由空 间衰减得要快的多。当d 很大时，接收功率和路径损耗与发射频率无关。该模型的 路径损耗为【1 4 】： 三( d 8 ) = 4 0 1 9 d 一( 1 0 1 9g r + 1 0 1 9 g ；+ 2 0 l g 砖+ 2 0 l g 以) 式( 2 4 0 ) 其中忽为基站天线有效高度( m ) ：见为移动台天线有效高度；g ，为发射机增 益；g ，为接收机增益；d 为发射机与接收机之间的距离( 胁) 。 二、射线跟踪模型 射线跟踪方法【1 6 】通常包含几何光学跟踪和几何绕射跟踪两大类型，前者用来 跟踪反射线和折射线，后者用来跟踪绕射线。目前国际上已出现了不少跟踪方法， 归纳起来，大致上包括这五种：传统的镜像法、极小光程法、测试射线法、发射 反弹线法和确定性射线管法，本文重点介绍镜像法的原理【1 7 】【1 8 】【1 9 】。 ( 一) 镜像法原理 射线跟踪的镜像方法是基于光学的镜像理论，且提供了一种用于在小平面模 拟的环境中计算反射线的有效技术。给定源点s 和一个小平面，小平面上反射线 可以认为是由虚拟源点直接发射的射线，称为镜像源i 。镜像源对小平面与s 对称， 如图