（通信与信息系统专业论文）蜂窝移动通信系统中传播模型校正研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 近几年来，移动通信正经历着有史以来最快速的发展时期。随着各种新业务不断 应用、用户数量不断增加，各地运营商越来越关注移动通信网络的建设。高质量通信 网络的建立，离不开准确的电波传播预测模型，一个相对精确的传播模型有助于准确 估算基站的覆盖范围和网络的覆盖状况。在网络规划中，无线传播预测和覆盖预测都 是基于传播模型进行的，而经典模型无法正确反映某个特定环境的电波传播特性，如 果直接应用这些模型，预测值的误差可能很大。因此，为了得出正确反映当地传播环 境的传播模型，必须进行大量测试以校准无线传播模型。 本文以移动w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波 接入互操作系统) 系统为例，结合国内某中小型城市的网络规划项目，在对经典室外 传播模型进行仿真分析的基础上，提出了一种基于最小二乘法的非线性传播模型校正 算法。然后结合该地区的c w ( c o n t i n u o u sw a v e ，连续波) 测试数据，利用该算法分 别对选取的密集城区、普通城区和郊区三类典型区域进行传播模型校正，并将模型校 正后的预测值与实测数据进行对比。从误差分析和仿真结果来看，校正后的误差和标 准差符合工程上对路径损耗预测相关指标的要求。 为了进一步验证校正算法的实用性，本文结合移动w i m a x 的网络特性，有针对 性地对一些收发射和余量参数进行调整，然后利用校正后的模型对选取的城市进行了 详细的链路预算，计算得到了不同环境下的小区覆盖半径。最后根据无线网络的蜂窝 组网结构，完成了初步的覆盖估算，为今后此类城市的移动w i m a x 无线网络规划提 供了参考依据，具有一定的现实意义。 关键词：传播模型；模型校正；无线网络规划；移动w i m a x a b s tr a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l y i nr e c e n ty e a r s w i t ht h e e m e r g e n c eo fn e wb u s i n e s sa n dn e wu s e r s ，s e r v i c e c a r r i e r sa r ep a ) r i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt ot h ec o n s t r u c t i o no ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k w i t h o u tt h ea c c u r a t e r a d i ow a v ep r o p a g a t i o nm o d e l ，i ti si m p o s s i b l et ob u i l dah ig hq u a l i t yc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ar e l a t i v e l yp r e c i s ep r o p a g a t i o nm o d e li sf a v o r a b l ef o ra c c u r a t e l ye s t i m a t i n gb a s e s t a t i o n s c o v e r a g er a n g ea n df o r e c a s t i n g n e t w o r k sc o v e r a g ec o n d i t i o n i nn e t w o r k p l a n n i n g ，r a d i op r o p a g a t i o na r i dc o v e r a g ef o r e c a s t i n ga r eb o t hc o n d u c t e do nt h eb a s i so f p r o p a g a t i o nm o d e l s ，w h i l et h ec l a s s i c a lm o d e l sc a n n o tr e f l e c tt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fap a r t i c u l a re n v i r o n m e n ta c c u r a t e l y u s i n gt h e s ep r o p a g a t i o nm o d e l sw i t h o u tc a l i b r a t i n g m a yi n t r o d u c es e r i o u se r r o r si n t ot h ep r e d i c t e dv a l u e t h e r e f o r e ，i no r d e rt oo b t a i nt h e p r o p a g a t i o nm o d e lr e f l e c t i n g t h el o c a lp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n tw i t hh i g ha c c u r a c y , i t r e q u i r e sag r e a td e a lo ft e s t st oc a l i b r a t et h e r a d i op r o p a g a t i o nm o d e l t a k i n g m o b i l ew i m a x ( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) s y s t e m i nt h en e t w o r kp l a n n i n gp r o j e c to fas m a l lc i t ya st h ee x a m p l e ，t h et h e s i sp r o p o s e sal e a s t s q u a r ee r r o rc a l i b r a t i o na l g o r i t h mo fn o n l i n e a rp r o p a g a t i o nm o d e lb a s e do nt h es i m u l a t i o n a n a l y s i so fc l a s s i c a lo u t d o o rp r o p a g a t i o nm o d e l s a c c o r d i n gt oc w ( c o n t i n u o u sw a v e ) t e s t i n gd a t ao ft h ec i t y , t h ec a l i b r a t e dm o d e l so f t h r e ek i n d so fa r e a s ，i n c l u d i n gd o w n t o w n ， u r b a na n ds u b u r b a r eo b t a i n e d a st h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w , t h em e a ne l t o ra n ds t a n d a r d d e v i a t i o no ft h ec a l i b r a t e dr e s u l t sc a r lm e e tt h er e q u i r e m e n to fn e t w o r kp l a n n i n g t of u r t h e rv e n f yt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm o d e l ，o nt h eb a s i so fn e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c so fw i m a x ，t h et h e s i su s e st h ec a l i b r a t e dm o d e lt oo b t a i nt h ed e t a i l e dl i n k e s t i m a t i o no ft h es p e c i f i e dc i t ya n dt h ec e l lc o v e r i n gr a d i u s a c c o r d i n gt ot h ec e l l u l a r n e t w o r ks t r u c t u r e ，t h ep r i m a r y c o v e r a g e e s t i m a t i o ni s a c q u i r e d ，w h i c h c a l l p r o v i d e f u n d a m e n t a ld a t af o rf u t u r ew i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n go fm o b i t ew i m a x k e yw o r d s ：p r o p a g a t i o nm o d e l ；p r o p a g a t i o n m o d e lc a l i b r a t i o n ：w i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n g ； m o b i l ew i m a x 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：竞蝤 日期：向否【x 指剐：彳阳 日期：2d j 口d 多僻 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 结合实际网络规划的需要，在分析现有传播模型校正算法的基础上提出了一种 基于最d , - 乘的非线性传播模型校正算法，并且对算法的可行性和有效性分别进行了 验证； 2 利用校正模型对文中选取的城市进行初步的w i m a x 无线网络规划，主要包括 链路预算和覆盖估计两部分，进一步说明传播模型校正在网络规划中的重要性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：毛唱 日期：f 。6 fz 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究意义 第1 章绪论 通信技术对推动社会进步和人类文明的发展有着重大的影响，其发展水平是衡量 一个国家或地区经济文化发展水平的重要标志。随着社会经济的发展，人类交往活动 范围的不断扩大，人们对通信的要求也越来越高。移动通信技术由于解决了人们在活 动中与固定终端或其它移动载体进行通信联系的需求，成为2 0 世纪8 0 年代以来发展 最快的通信领域之一。从图1 1 可以看出全球移动通信用户一直呈现快速地增长【1 1 ，与 此相比，全球固定电话增长非常缓慢，2 0 0 2 年，移动通信用户数量超过固定电话用户 数量。中国也不例外，移动通信用户数量从2 0 0 1 年5 月的8 2 4 0 万用户增至2 0 0 6 年7 月的5 2 亿户( 含小灵通用户数) ，不但远远超过了固定电话用户数量，而且中国也已 经成为世界上移动通信用户数量最多的国家。据统计，2 0 0 9 年底，全球移动用户数量 接近4 6 亿，预计到2 0 1 0 年底，全球的移动用户数量将突破5 0 亿【2 】。移动通信的飞速 发展和广泛使用，已经使其成为经济发展的强大动力。 5 0 4 5 2 0 1 5 1 0 5 移动电话用户 j 固定电话用户一一一一一一= 一二一二，一一 一- 7 一一，7 碳洲尸 ，毒二一。一 1 9 9 9 年2 0 0 1 年2 0 0 3 年2 0 0 5 年2 0 0 7 年2 0 0 9 年 图l - 1 全球电信用户数量示意图 随着我国移动通信事业的蓬勃发展，移动通信在日常生活中的地位日益提高，人 们对通信质量的要求也越来越高。对于通信质量而言，硬件设备的改善固然重要，但 良好的网络规划更加重要。如果没有经过良好的规划，网络投入运行后会产生许多通 话质量上的问题，因此，网络规划是蜂窝移动网络建设过程中一个必不可少的环节。 网络规划设计的好坏对确保实现网络建设的目标( 工期、质量、成本) 、发挥新技术优势、 i g n y 通大学硕士研究生学位论文 第2 页 取得良好的经济效益起着关键作用。 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。在无线 网络规划过程中，无线传播模型用于对无线传播环境的模拟和路径损耗的计算，它是 移动通信网小区规划中非常重要的个部分，是整个网络规划工作的基础。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、运营商是否能够 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，必须特别关注传播模 型问题。 随着移动3 g 甚至4 g 业务的开展，移动通信所承载的数据业务增长迅猛。由于移 动通信电波传输的不确定性和统计特性，数据业务比话音业务在无线传播中更脆弱。 因此，倘使移动通信中高速数据业务具备电信网级别的服务，更需要对特定环境进行 无线传播测量，以修正使用于该环境的无线传播模型，确保覆盖预测和系统仿真的准 确性。 1 2 传播模型研究现状分析 传播模型主要用来计算在某种特定环境或传播路径下电波的传输损耗情况，以预 测接收信号的场强，其主要研究对象是传播路径上障碍物阴影效应带来的慢衰落影响 【3 】。根据无线信道的传播特性和电波传播方式建立合适的传播模型，准确地对传播损耗 做出预测，是无线网络规划和优化的重要条件，会直接影响到系统覆盖和其他性能分 析结果的准确性和可信度h ，5 j 。 从上个世纪七十年代开始，国内外就广泛地开展了对电磁波传播的研究，基本的 方法有以下两种： ( 1 ) 理论分析方法：即用电磁波传播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。在分析中，往往忽略次要因素，突出主 要因素，以建立简化的信道传播模型，所以数学模型对信道的描述都是近似的。比较 有代表性的方法是射线跟踪法【6 。8 j ，即用射线表示电磁波束的传播，在确定收发天线位 置及周围建筑物等环境特征之后，根据直射、反射、绕射、散射、透射等现象直接寻 找出可能的主要传播路线，并计算出路径损耗及其他反映信道特征的参数。虽然通过 这种方法建立的理论模型的精度很高，但是由于其应用比较复杂，而且对数字地图要 求很高，需要带详细建筑信息的三维数字地图，所以实际工程中使用得比较少。在这 种方法基础上建立的传播模型称为确定性模型，适合室内、微小区，尤其是特大城市 的中心区域的模型预测。 ( 2 ) 现场实测法：即在各种典型传播环境中进行发射和接收的试验，现场记录下 接收信号的各种数据包括接收信号幅度、延时以及其它反映信道特征的参数。实测后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用计算机对大量实测数据进行统计分析，寻找出反映传输特性的各种参数的统计特性， 再根据数据分析的结果，建立传播信道的统计模型来进行传播预测。这种方法又称为 冲击响应法。由于移动环境的多样性，现场实测一直被作为研究无线传播环境的重要 方法瞵j 。基于这种方法建立的传播模型称为统计传播模型( 又称为经验传播模型) ，用 于宏蜂窝信号的预测，它的研究历史悠久，是种比较成熟的技术，得到了包括i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p hu n i o n ，国际电信联盟) 、e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲电信标准化组织) 以及许多著名通信厂商的认可与采用。应用 比较广泛的宏蜂窝电波传播模型有：o k u m u r a h a t a t 9 1 、c o s t - 2 3 1h a m 1 0 1 、c c i r 1 1 】及 c o s t2 31w a l f i s h i k e g a m i 1 2 1 模型等。 上述各种统计传播模型已广泛应用于移动通信系统的网络规划中，但是这些模型 参数都是在特定的传播环境条件下通过测试得到的经验值，如果环境条件发生明显变 化，这些模型的准确性就大打折扣，从而影响网络规划的结果。所以，这些传播模型 在具体环境下使用时，不能直接将现有移动通信系统的传播模型应用到路径损耗预测 中去，而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波传播特 性的预测传播模型。无线传播模型校正的实质是通过对特定环境和频率的测试，对选 区的模型参数进行分析和校正，最后得出修正后的适合于当地传播环境使用的传播模 型，其研究的作用在于对其地形地貌相仿的环境可以得到推广和应用。 目前，各地网络运营商在进行无线传播模型校正时，通常利用专门的规划软件来 完成。业界比较流行的无线网络规划软件主要有中国华为公司的u n e t 软件【l 引、英国 a l r c o m 公司的a s s e t 软件【1 制、英国m a r c o n i 公司的p l a n e t 软件【1 5 】以及法国f o s k 公司的a t o l l 软件【l6 j 等。 1 3 论文主要研究工作及内容安排 随着移动通信的快速发展，人们对通信质量的要求越来越高。网络规划与优化的 质量是建设优质网络的重要保障，而传播模型校正在网络规划中占据着至关重要的位 置，它是网络覆盖规划工作的基础。传播模型的准确性直接影响无线网络规划的效果。 采用合适的传播模型，可以提高覆盖预测的准确性，改善通信网络质量，充分利用系 统资源，进而达到提高运营商效益的目的。 本文在研究各种室外传播模型的基础上，以某城市的网络规划为例，深入研究了 蜂窝移动通信系统中无线传播模型的校正算法及其在无线网络规划的应用。本论文共 分为五章，具体工作安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了无线传播模型的发展现状、研究背景和意义； 第二章介绍了移动环境下无线电波传播的基础知识。在研究无线电波及其传播特 性的基础上，重点分析了几种经典的室外无线传播模型，并对其进行仿真，对比了各 种模型的异同点和适用范围； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第三章在介绍传播模型校正原理及流程的基础上，提出了一种基于最小二乘法的 非线性传播模型校正算法；然后用回归分析方法对校正结果的可信度进行分析，并将 该算法校正得到的模型与线性传播模型的校正效果进行比较，说明了该算法的可行性； 最后通过对某地传播模型的校正实例，验证了该算法的实用性； 第四章为校正模型在移动w i m a x 网络规划中的应用。首先简单分析了移动 w i m a x 的物理层关键技术，然后采用第三章中校正得到的传播模型计算出的小区覆盖 半径分别对移动w i m a x 网络在不同地形的覆盖能力做出了比较合理的估算； 第五章为总结和展望，总结论文所完成的内容和结论，并展望进一步的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第2 章无线传播理论 在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范 围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最后确定无线设备的参数，都必须依靠 对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统工程设计与研究 频谱有效利用、电磁兼容性等课题必须了结合掌握的基本理论。 2 1 无线电波的传播 在无线通信系统中，电波通常在非规则、非单一的环境中传播。在估计信道损耗 时，不仅需要考虑传播路径上的地形地貌，也要考虑到建筑物、树木、电线杆等阻挡 物。不同的传播环境模型适用于不同的环境【1 7 】，图2 1 显示了在不同的环境下接收信 号强度的不同。 接收信号强 图2 - 1 不同环境下接收信号的变化 从图2 1 中可以看出：随着距离的增大，接收信号强度逐渐减小；在不同环境下 衰减的速率是不同的：空间自由传播的情况下衰落速率最小，其次是开阔地和郊区， 城区的衰减速率最大。 2 1 1 频段划分介绍 无线电波分布在3 h z 到3 0 0 0 g h z 之间，在这个频谱内划分了1 2 个带，如下表， 在不同频段内的频率具有不同的传播特性。对于移动通信来讲，我们只关心u h f 的频 段。 表2 1 频段划分表 亘奎耋望查兰至圭量塞圭兰堡丝耋矍：至 续) 表2 - 1 频段划分表 2 1 2 无线电波传播方式 在一个典型的蜂窝移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑 物或其他物体所阻挡，所以，在u h f 频段从蜂窝基站到移动台之间的移动无线环境 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l ”删，如下图所示： 。2 l 釜 生。 圉2 - 2 无线电渡传播方式 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。 反射波是电被遇到比波长大得多的物体时发生的，比如地面、建筑物墙体表面的 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：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，即可将地面看做是平坦地面的 反射。目前当蜂窝移动通信系统的半径在几千米以内时，我们就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有边缘光滑且不规则的阻挡物体的情况 下。由阻挡面产生的二次渡出现在整个空间中，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阻挡物产生弯曲波。 堕雪銮鎏态耋至圭至塞兰耋堡笙塞里：至 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。 散射渡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、小散射体或其他不规则物体引起的，比如城市环境的树叶、街道广告牌和灯 柱等就是散射体。 2 13 无线电波的衰落 无线电波在传播中，由于受到距离、阻挡及地形地物的影响，必然存在着传播损 耗( 又称之为衰落) 。 他捅距高 目2 - 3 无线电披的衰落 在陆地移动通信中，通常队三种传播机制来描述无线信号，这三种传播机制是根 据距离尺度大小来区分】：大尺度的传播机制用来描述区域均值，它具有幂定律传播 性，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比关系：中尺度的传播机制描述的 是阴影衰落，他是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化，当用分贝表 示时，这种变化趋向于正态分布，因此又称对数正态阴影；小尺度的传播机制用于描 述多径衰落，它通常服从瑞利概率密度函数，又称为瑞利衰落。 2 14 自由空间路径损耗 在自由空间( 各向同性、无吸收、电导率为零的均匀介质) 中，电波的传播规律 服从下式1 1 ”： c 毋川s 鲁一吣c 若黔 n ，j 其中，兄。表示传播路径上的功率损耗，只和c 分别表示发射功率和接收功率：6 和g ，分 别表示发射天线增益和接收天线增益；d 表示发射天线与接收天线之间的距离。 从上式可以看出，在自由空间电渡传播的损耗与电波的频率f 的平方成反比，也 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 与传播距离d 的平方成反比。当不考虑发射与接收设备的增益时，只从电波传播的空 间环境来考虑时，上式可以简化为下式： ( 如) = 1 0 1 8 万p - l o l g 高】= 3 2 4 4 + 2 0 l g 厂+ 2 0 1 9 d 其中，频率厂的单位为m h z ，距离d 的单位为k r n 。 根据在实际工程测试中的数据进行分析，发现在实际传播环境中， 耗与自由空间中的电波损耗有很大的f f , a 。大致有如下一些规律【2 0 1 ： ( 2 2 ) 电波传播的损 对于常规宏蜂窝小区，当传播距离为l k m 在城市蜂窝小区中，传播损耗近似正比于传播距离d 的2 7 3 5 次方； 建筑物内的视距直线传播损耗近似正比于传播距离d 的1 6 1 8 次方； 在电波传播路径上有普通建筑物阻挡的传播损耗正比于传播距离d 的3 5 次 一 方； 在电波传播路径上有高达建筑物阻挡正比于传播距离d 的4 “次方。半径小于 一公里的个人通信系统。 2 2 室外传播模型 在蜂窝移动通信网的规划阶段和优化期间，最重要的传播问题就是路径损耗，它 代表大尺度传播特性，具有幂定律的特性。路径损耗是移动通信系统规划设计的一个 重要依据，对蜂窝设计中的覆盖范围、信噪比都有影响。因此，在移动通信网络最初 规划阶段或今后的扩容、网络优化期间都需要进行路径损耗预测。从理论上讲，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和使用频率的平方成正比，但是 考虑到实际环境下多径传播的复杂性，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。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路径损耗 与频率、距离、环境、天线高度等变量的数学关系式，这一数学关系式被称为传播模 型。目前比较著名且应用较广泛的模型大多是统计模型，比如：o k u m u r a h a t a 模型、 c o s t - 2 3 1h a t a 模型、c c i r 模型、c o s t2 3 1w a l f i s h i k e g a r n i ，这里简要地对这几种模 型加以介绍。 2 2 10 k u m u r a 模型 o k u m u r a 模型是最早被提出的传播模型，它是o k u m u r a 等人根据在东京采集到的 大量测试数据统计出来的o k u m u r a 曲线图集，其预测方法是把“准平坦地形”作为分 析和描述传播机制的基准【9 1 。o k u m u r a 模型的适用范围为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 频率范围：1 5 0 1 9 2 0 m h z ； 基站天线有效高度：3 0 1 0 0 0 m ； 通信距离：1 - 1 0 0 0 k m ； 适用地形为城市和准平滑地形。 使用o k u m u r a 模型时，首先应确定自由空间路径损耗，然后从所给曲线中读出中 值损耗值，并加入代表地形的修正因子。具体模型公式如下式所示： l 5 0 ( d b ) = l f + 以。( 厂，d ) 一g ( h t e ) 一g ( 九) 一 ( 2 3 ) 其中，l 5 。为传播路径损耗5 0 处的值( 即中值) ，l f 为自由空间传播损耗，以。为相 对于自由空间的衰减中值，g ( 玩) 为基站天线高度增益因子，g ( 钆) 为移动台天线增益 因子，g 傩。为环境类型所带来的增益。 对于宽频段的厶。( 厂，d ) 和g 4 删曲线如图2 - 4 和图2 - 5 所示。 委 霉 曼 矗 图2 4 在准平滑区域上的自由空间中值损耗 f v l h z 图2 5 不同地形的修正因子 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 另外，o k u m u r a 模型的测试结果表明：g ( 玩) 以2 0 如1 0 倍程的速度变化； 对于高度小于3 m 的情况以1 0 如1 0 倍程的速度变化： g ( 玩) = 2 0 l 。g ( 5 3 办- 6 ) l o 。o 聊 吮 3 。聊 fl o l 。g ( 冬)k k 3 聊 g ( 九) ( 2 4 ) ( 2 5 ) o k 啪u r a 模型为成熟的蜂窝和陆地移动无线系统路径损耗预测提供了最简单的解 决方案。它的实用性很强，已经成为日本现代无线系统规划的标准。但由于o k 啪u r a 模型是一种纯粹的实验统计模型，以。( ，d ) 来自统计测试，因此只能以曲线方式表述。 这样就会造成不同的人依据自己的认识得到不同的数值，不利于科学计算。 2 2 2 0 k u m u r a h a m 模型 o k 吼w a - h a m 模型【9 , 1 0 1 是在o k u m u r a 模型的基础上发展起来的，它是由m a s a h a r u h a m 在1 9 8 0 年根据o k u i i l m 曲线进行拟合，得到的近似数学表达式。在h a m 模型中 加入了修正因子用以修正不同的地形特征( 市区、郊区、农村、山区) 、天线高度、建 筑物特性( 高度、材料等) 、街道的形状与方向及水面等环境。 2 2 2 1 模型介绍 o k 啪u r a h a m 模型适用于宏蜂窝( 小区半径大于1 k m ) 系统的路径损耗预测，其 适用范围为： 频率范围：5 0 1 5 0 0 m h z ； 基站天线有效高度：3 0 2 0 0 m ； 移动台天线高度：l 1 0 m ； 通信距离：l 2 0 m 。 o k 啪u r a h a t a 模型以市区传播损耗为标准，对于其他地形地区的应用需要在此基 础上进行修正。在市区，该模型的传播损耗经验公式为： 三。砌。= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 ( 矗。) 一口( 死) + 4 4 9 6 5 5 1 9 ( 玩) l g d ( 2 石) 式中，为载波频率；玩为有效发射( 基站) 天线高度；k 为有效接收( 移动台) 天 线高度；d 为发射机与接收机之间的距离；口( 九) 为有效移动天线高度修正因子，是覆 盖区大小的函数，其表达式如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 i ( 1 1 l o g f o 7 ) k ( 1 5 6 1 0 9 f o 8 ) ( d 8 ) 口( k ) = 8 2 9 ( 1 0 9 1 5 4 h , 。) 2 1 1 ( 招) 1 3 2 ( 1 0 9 11 7 5 九) 2 4 9 7 ( d b ) 适用于中等城市 适用于大城市，彤3 0 0 m h z ( 2 7 ) 适用于大城市，髟3 0 0 m h z 为获得郊区的路径损耗，标准的h a m 模型修正为 k 砷= 乞r 6 。- 2 1 0 9 ( f 2 8 ) 2 - 5 4 对于农村地区，公式修正为 ( 2 8 ) 三。，口f = 乞棚- 4 7 8 ( 1 0 9 f ) 2 + 1 8 3 3 1 0 9 f 一4 0 9 4 ( 2 9 ) 尽管o k u m u r a h a t a 模型不像o k u m u r a 模型那样可获得特定路径的修正因子，但上 述几个公式还是很有实用价值的。在d 超过l k m 的情况下，该模型和o k u m u r a 曲线所 得的结果很接近。o k u m u r a h a m 模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不 到i k r n 的个人通信系统。 2 2 2 2 模型仿真 场景一：频率参数为函数变量的仿真 表2 2 仿真参数 参数 取值 发射天线高度 移动台接收天线高度 3 0 m 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 - 6 所示。 1 一1 6 0 口 - j 犍 骣 密 到 辎 摆 啦 扣f = 6 0 0 m h z 仁4 0 0 m h z 图2 - 6 不同工作频率下o k u m u r a - h a t a 路径损耗曲线图 场景二：基站高度参数为函数变量的仿真 呻穷髟寸叶i；_； 形矿， 一 一 +；罗尹：_i 一；巧荔 柏 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 利用m a a b 仿真路径损耗与传播距离的关系如图2 7 所示 ”。 一! 爹i 一 一 1 ：爹盏 一。1 m 一垂 一 1 1 0 l l = 二! 型! 叫 图2 - 7 不同基站天线高度下o k u m 啪- h a t a 路径损耗曲线图 场景三：地形环境为函数变量的仿真 表2 4 仿真参数 参数取值 基站频率 发射无线高度 移动台接收天线高度 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 - 9 所示 1 1 1 7 。 1 11 j ! ”o ， ”r t t r t l l 笋警等i r k * d ( k m ) 图2 - 8 不同环境下o k u m u r a h a t a 路径损耗曲线图 一姗：至 9 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 从上面三个仿真场景可以看出：( 1 ) ，当基站天线高度、移动台天线高度、电波传 播环境和传播距离不变时，传播损耗值随着系统中心频率的增加而变大。也就是说， 当系统允许的路径损耗一定的情况下，随着系统中心频率的增大，小区的覆盖半径相 应地变小；( 2 ) 当系统中心频率、移动台高度和传播距离固定不变时，传播损耗值随 着基站高度的增加而变小。也就是说，当系统的允许路径损耗一定的情况下，随着基 站高度的增大小区的覆盖半径相应的增大；( 3 ) 当系统中心频率、发射天线高度和传 播距离固定不变时，传播损耗值随着地形环境的复杂而变大，也就是说，当系统参数 相同的情况下，在城市环境中小区的有效覆盖半径要比农村环境中覆盖半径小。这主 要是因为在城市环境中，市区建筑物密集，且高度、密度和体积较大，电波的传播途 径比较复杂，包括反射、绕射、散射和透射等多种传播方式；而在农村环境中，建筑 物比较分散，且高度、密度和体积有限，电波的传播途径主要为直射波和绕射波；郊 区的建筑物分布情况介于城市和乡村之间，建筑物高度、密度和体积较小，电波传播 途径与市区类似，但是由于建筑物密度较低，传播损耗较市区要小：( 4 ) 同一地区的 路径损耗随着距离的增加而增大。 2 2 3 c o s t 2 31h a t a 模型 上小节所述的h a t a 模型频率适用范围为1 5 0 m h z 基站天线有效高度：3 0 - 2 0 0 m ； 移动台天线高度：1 l o r e ； 通信距离：1 - 2 0 k m 。 c o s t 0 2 3 1h a m 模型路径损耗公式为1 1 】： l p ( a b ) = 4 6 3 + 3 3 9 l o g f - 1 3 8 2 1 0 9 玩一口( k ) + ( 4 4 9 - 6 5 5 l o g 忍。) l o g d + c h ( 2 一l o ) 式中，c l 为大城市中心校正因子：在大城市中心，c 0 = 3 d b ：在中等城市和郊区，c 0 = 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 c o s t - 2 3 1h a m 模型与o k u m t w a h a t a 模型的丰要区别在于频率衰减因子不同， c o s t - 2 3 1h a t a 模型的衰减因子为3 39 ，而o k u m u r a h a m 模型的频率衰减因子为2 61 2 。 另外，c o s t - 2 3 1h a m 模型增加了一个大城市中心校正因子c 。，使得太城市中心地区 的损耗增加了3 d b 。 2232 模型仿真 图2 - 9 为c o s t 2 3 1 - h a t a 模型下的传播路径损耗仿真图仿真结果与o k u m u r a h a m 模型类似：在其他参数相同时，传播损耗值随着地形环境的复杂而变大。 2 2 4 c c i r 模型 22 4 1 模型介绍 一；：；：；。 一e 镕# ! ! ! 丝苎堡 图2 - 9 不同环境下c o s t 2 3 1 一h a t a 路径损耗曲线图 c c i r 模型综合考虑了自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗对无线电波传播 的影响，其计算公式为： l = 6 95 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3s z l g 轧口( k ) + ( 4 49 - 6 5 5 1 9 。) l g d b ( 2 一1 1 ) 由上述计算公式可以看出，此模型为h a m 模型在城市传播环境下的应用，式中b 为地物覆盖校正因子，b = 3 0 2 5 l g ( 被建筑物覆盖的区域的百分比) 。 c c i r 公式中的简单校验因子b 和h a t a 模型中的校正因子c 训所起的作用是一样 ” 日p v j#igd鼙 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的，都是为了在公式与建筑物密度之间建立一种聪系 2242 模型仿真 图2 1 0 为c c l r 模型下的传播路径损耗仿真结果，参数取值与o k u m u r a o h a t a 模型 中的一致。从仿真图可以看出，传播损耗值随建筑物密度增大而增大，也就是说，当 系统参数相同的情况下在建筑物密度大的小区的有效覆盖半径要比建筑物密度小覆 盖半径小。 1 1 8 。 盎伽 ： ”o 霪御 酬 举 塞“。 1 3 0建轭物覆* 串为4 d 建氧物爱m $ 女6 0 厅广丁1 磊 图2 - 1 0 不同环境下c c i r 模型的路径损耗曲线 2 2 5 c o s t2 31w a l f i s h - i k e g a m i 模型 c o s t2 3 1w a l f i s h - i k c g a m j 是欧洲科学与技术合作委员会会除了c o s t 2 3 1 - h a t a 模 型外推出的另外一个模型，它也属于经验模型。在此之前提到的模型对于小区覆盖半 径较大或天线高度较高的系统比较实用。但对于那些小区覆盖半径小于l k m 并且很少 有视距传播信号到达的通信系统不太台适。c o s t 2 3 1w a i f i s h l k e g a m i 模型就是开发用 来计算典型市区环境下路径损耗的，这个模型即考虑了视距传播环境也考虑了非视距 传播环境。该模型的适用范围如下。 频率范围：8 0 0 2 0 0 0 m i - l z ： 基站天线有效高度：z 卜5 0 m ； 移动台天线高度：i - 3 m ： 通信距离：0 0 2 - - 5 k m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 2 2 5 1 模型介绍 该模型分为视距传播( l o s ) 和非视距传播( n - l o s ) 两种情况计算路径损耗。对 于视距传播环境，路径损耗类似于自由空间传播损耗公式，即： 乞= 4 2 6 4 + 2 0 1 9 f + 2 6 1 9 d ( 2 - 1 2 ) 式中，厂的单位为m h z ，d 的单位为k r n 。 对于非视距传播环境，该模型主要由以下三部分组成： 自由空间损耗( l o ) ； 屋顶到街道的绕射与散射损耗( k ) ； 沿着建筑物多屏绕射损耗( 三删) 。 该模型的表达式为： = l o + 钳l o k l k m + l r a s d 三 ( 2 1 8 ) f 1 8酏 0 l 髟5 11 8 - 1 5 竽酏 发射机：能够进行连续波( c w 波) 发射的发射机，要求发射机可 率； 接收机：能够进行r f 射频接收的宽带扫频接收机，能完成干扰测 ： 的数据采集，要求对c w 波的接收灵敏度不低于1 2 0 d b m ； 发射天线：要求采用全向垂直极化的天线，要求能够提供准确的天 3 1 2 选点和路线确定 选点也就是选出满足模型校正韵站点。为此，在选点中首先要求我们 的基站分布进行分析，初步划分区域范围，并大致选定各类站点所在的区i 通常是在电子地图或者当地的旅游图上完成的，如果有卫星影像图或者航 助于确定模型的分类区域) ，然后对初步确定的站点进行现场勘察，进行第 在对选定的基站进行详细记录，并按照路线选择的原则确定该站的测试路l 的流程如下图f 2 5 】： 尽可能选择服务区内具有代表性的传播环境，对不同的人文环境如密集城区、 一般城区、郊区等等，需分别设置站点，而不能在同一个站点完成多种人文环 境的测试口7 j ： 测试站点条件必须能代表典型站点条件。这里的象件包括天线挂高、周围地物 地貌类型等等： 路线选择上要求尽可能经过各种地物、测试数据分布尽量均匀、测试距离主要 由信号的场强来决定，对于定位不准，路面有起伏的路线不能选择； 本论文中c w 测试所选定的站址如国3 3 所示。根据上述原则，在进行测试的时 候，主要将区域分为密集城区、普通城区和郊区三个部分。 3 13 站点架设和数据采集 图3 3 c w 测试点示意图 站点架设和数据采集是整个模型校正工作中至为重要的一步，站点架设的合理与 否、采集的数据是否达到要求将直接对模型校正结果产生影响。根据无线