（电磁场与微波技术专业论文）下一代移动通信中电波传播特性和测试方法研究.pdf

上海大学硕士学位论文 原创性声明 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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 备习纷日期：二堕竺互乡 上海大学工学硕士学位论文 下一代移动通信中电波传播特性和 测试方法研究 姓名：王志彬 导师：李国辉 学科专业：电磁场与微波技术 上海大学通信与信息工程学院 2 0 10 年1 月 上海大学硕士学位论文 at h e s i ss u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ri ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho fr a d i o p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c st q m e t h o d a n dl e s te t h o di n l n a r a c t e r l s t l c s n e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s m d c a n d i d a t e ：w a n gz h i b i n s u p e r v i s o r ：l ig u o h u i m a j o r ：e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sa n d m i c r o w a v et e c h n i q u e s s c h o o lo fc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n e n g i n e e r i n g s h a n g h a iu n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 1 0 i v 上海大学硕士学位论文 摘要 在构建下一代移动通信试验网时，首先需要对试验系统进行链路预算和组网 分析，以有效减少测试和组网的盲目性。随着下一代移动通信系统多输入多输出 ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i l l l e - o u t p u t ，m i m o ) 技术、自适应技术的发展，国际上加 大了对无线信道测试模型的研究。鉴于实测模型的适应性，上海无线通信研究中 心在以临空经济园区为代表的城市环境中对3 5 g h z 频段的电波传播特性进行了 实地测量，本文在对路测的结果进行统计分析后，得到了实测传播模型。但实地 测量需要耗费大量的人力、物力和财力。目前国内外对3 5 g h z 频段电波传播特 性的理论研究还很少。基于此，本文应用一种基于入射和反弹射线法( s h o o t i n g a n d b o u n c i n gr a y ，s b r ) 以及一致性绕射理论( u n i f o r mt h e o r yo f d i f f r a c t i o n ，u t d ) 的射线跟踪方法，主要研究了在3 5g h z 频段上发射天线的高度、位置等对城市 环境中路径损耗特性的影响。论文组织如下： 第一章，简述了国内外对传播模型研究的现状； 第二章，简述了几何绕射理论，给出了射线跟踪的原理以及计算直射场、反 射场和绕射场的理论依据； 第三章，根据表征建筑物特征的数据库不同形式，分别讨论了微小区中的电 波传播特性； 第四章，统计分析实测结果，得到了3 5 g h z 频段的路径损耗实测模型。并 将实测模型与自由空间损耗模型、c o s t 2 3 1 模型进行了比较，发现：( 1 ) 实 际测量得出的路径损耗远大于自由空间损耗；( 2 ) c o s t 一2 3 l 模型在3 5 g h z 不 再适用； 第五章，应用一种基于s b r u t d 的射线跟踪方法，主要研究了在3 5g h z 频段上发射天线的高度、位置等对城市环境中路径损耗特性的影响。发现：在 3 5g h z 频段上路径损耗特性对发射天线的高度不敏感，而在这一频段改变发射 天线的位置会引起路径损耗特性产生很大的改变。对实测值和仿真值进行比较后， 发现实测值和仿真值吻合得较好。 关键词：射线跟踪法；入射和反弹射线法一致性绕射理论；路径损耗；传播 模型 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e nc o n s t r u c t i n gat e s tn e t w o r kf o rn e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s ，i t sv e r y n e c e s s a r yt od e a lw i t ht h el i n kb u d g e ta n dn e t w o r k i n ga n a l y s i so ft h et e s ts y s t e m f n s f l yi no r d e rt or e d u c et h eb l i n d n e s so ft e s ta n dn e t w o r k i n g o w m gt ot h e d e v e l o p m e n to fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e sw h i c hw e r eu s e di nt h en e wg e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o n ss y s t e ms u c ha sm i m oa n da d a p t i v ee q u a l i z a t i o n , t h ei n t e r n a t i o n a l c o m m u n i t ys t e p p e du pt h er e s e a r c ho f r a d i oc h a n n e lm o d e l s h a n g h a ir e s e a r c hc e n t e r f o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa l s oh a daf i e l d t e s t i n g o fr a d i o p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa t3 5 g h z ，h a v i n gl i n k o n ge c o n o m i cz o n ea sad e p u m f i o no fa c a t e g o r yo fc i t ye n v i r o n m e n ti nt h i st h e s i s ，ap r o p a g a t i o nm o d e lh a sb e e no b t a i n e db y a n a l y z i n gt h ep a t hm e a s u r e m e n ts t a t i s t i c a l l y b u ti t sw e l lk n o w n t h a tf i e l dt e s t i n gw i l l c o n s u n l eal o to fm a n p o w e r , m a t e r i a la n df m a n c i a lr e s o u r c e s a tp r e s e n tt h e f u n d a m e n t a ls t u d yf o rr a d i op r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sv e r yl i t t l e s ot h i sp a p e r m a i n l yd e a l sw i t hh o wt h et r a n s m i t t e rh e i g h ta n dt r a n s m i t t e rl o c a t i o ni n f l u e n c et h e p a t hl o s sr e s p e c t i v e l y , u s i n gar a y - - t r a c i n gm e t h o db a s e do ns h o o t i n g - a n d - - b o u n c i n g r a y ( s b r ) u n i f o r mt h e o r yo fd i f f r a c t i o n ( u t d ) t h et h e s i si so r g a n i z e da sb e l o w ： i nc h a p t e ri ，t h es t a t u so f p r o p a g a t i o nm o d e la th o m ea n da b r o a di so u t l i n e d ； c h a p t e r2s u m m a r i z e st h eg e o m e t r i c a lt h e o r yo fd i f f r a c t i o ni n b r i e f 1 1 k p r i n c i p l e so fm y - t r a c i n gm e t h o da n dt h e o r i e sf o rc o m p u t i n gt h ef i e l d s ，s u c ha sd i r e c t f i e l d , r e f l e c t i n gf i e l da n dd i f f r a c t i n gf i e l da r ea l s od i s c u s s e d ； c h a p t e r3t h e o r e t i c a l l ys t u d i e st 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 so fm i c r o c e l lw h e n t h ec i t yb u i l d i n g sa r ec h a r a c t e r i z e du s i n gd i f f e r e n td a t ab a s e i nc h a p t e r4 ，am e a s u r e dp r o p a g a t i o nm o d e lo fp a t hl o s si so b t a i n e db y s t a t i s t i c a l l ya n a l y z i n gt h em e a s u r e dr e s u l t s a n dc o m p a r i s o n sb e t w e e nt h i sm e a s u r e d m o d e lw i t ht h ef r e es p a c el o s sm o d e l ( f s l ) a n dc o s t _ 2 31m o d e lh a v eb e e n c o n d u c t e d ，r e a l i z i n gt h a tp a t hl o s sf r o mt h em e a s u r e dm o d e li sm u c hh i g h e rt h a nt h a t o ff s la n dc o s t 2 31m o d e li sn o ta p p l i c a b l ea t3 5 g h z v i 上海大学硕士学位论文 u s i n gam y 4 r a c i n gm e t h o dw h i c hi sb a s e d0 1 1s h o o t i n g - a n d - b o u n c i n gr a y ( s b r ) u n i f o r mt h e o r yo fd i f f r a c t i o n ( u t d ) ，c h a p t e r5m a i n l yr e s e a r c h e sh o wt h e 缸a n s m i t t e fh e i g h ta n dt r a n s m i t t e rl o c a t i o ni n f l u e n c et h ep a t hl o s sr e s p e c t i v e l y ni s s h o w nt h a tp a t hl o s si sn o tv e r ys e n s i t i v et ot r a n s m i t t e rh e i g h t , a n dw ea l s of r e dt h a t t h el o c a t i o no ft r a n s m i t t e rw i l la f f 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 se x t r a o r d i n a r i l y f i n a l l y , t h er e s u l t sb e t w e e nt h ef o r e c a s t sa n dm e a s u r e m e n t sa r ep r e s e n t e d a n dt h e p r e d i c t e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e do n e k e y w o r d s ：r a y - t r a c i n gm e t h o d , s h o o t i n g a n d - b o u n c i n gm y u n i f o r mt h e o r yo f d i f f r a c t i o n , p a t hl o s s ，p r o p a g a t i o nm o d e l v i l 上海大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1课题来源1 1 2课题研究的目的和意义l 1 3国内外研究概况2 1 3 1 基于实验数据建立的宏小区模型2 1 3 2 微蜂窝传播模型5 1 3 3 基于射线跟踪法的微小区模型6 1 3 4 室内模型9 1 4 本论文的主要内容和工作1 1 第二章几何绕射理论1 2 2 1 引言1 2 2 2 射线跟踪1 2 2 2 1 直射射线追踪1 2 2 2 2反射射线追踪1 3 2 2 3 绕射射线追踪15 2 3电磁场的计算1 8 2 3 1 直射场的计算1 8 2 3 2 反射场的计算1 8 2 3 3 绕射场的计算2 1 第三章城市微小区中的电波传播特性2 5 3 1 引言2 5 3 2 一般场合中的电波传播特性2 5 3 2 1 排间距与建筑物高度一致时传播特性的计算2 5 3 2 2 排间距与建筑物高度各不相同时传播特性的计算2 9 3 2 3 屋顶形状的影响3 0 3 3 特定场合中的电波传播预测3 0 3 3 1 使用二维建筑物数据库的室外预测3 1 3 3 。1 1 二维s b r 法3 2 v l 上海大学硕士学位论文 3 3 1 2 射线对总功率的贡献3 3 3 3 2 使用三维建筑物数据库的室外预测3 4 第四章 3 5 g h z 频段电波传播特性测量3 6 4 1 引言3 6 4 2 测量环境3 6 4 3 4 4 4 5 测量线路。3 7 测最系统3 8 3 5 g h z 频段实测电波传播模型3 9 4 6 小结4 1 第五章 3 5 g h z 频段城市环境路径损耗特性研究4 2 5 1 引言4 2 5 2 射线跟踪理论模型4 3 5 2 1 电磁波传播环境。4 3 5 2 2 s b r 射线跟踪4 3 5 2 3 u t d 场强计算“ 5 3 3 5 g h z 路径损耗特性研究4 5 5 4 实测与比较。5 l 5 5 小结5 2 结束语5 3 参考文献。5 5 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文6 0 作者在攻读硕士学位期间所参与的项目6 l 致谢6 2 i x 上海大学硕士学位论文 i i 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市重大科研攻关专项“新一代网络通信关键技术研发和集 成测试环境建设 子课题，课题编号：n o 0 7 d z l 5 0 0 6 。 1 2 课题研究的目的和意义 随着对下一代移动通信技术研究的日益深入，如何在下一代移动通信系统中 进一步提高频谱利用率、为用户提供更好的业务体验成为了研究者首要关心的问 题。在构建新一代移动通信网络试验环境时，为了有效地减少测试和组网的盲目 性，首先进行试验系统的链路预算和组网分析是极其必要的。 链路预算可分为大区域路径损耗和小区域衰落统计，其中路径损耗信息在确 定基站的覆盖范围和优化方面至关重要。一般来说，这些参数的估计都是通过实 地测量获得的。为了构建4 g 试验网，上海无线通信研究中心在以临空经济冈区 为代表的城市环境中，对3 5 g h z 频段的电波传播特性进行了实地测量，本文对 路测结果进行了统计分析，以期得到实测传播模型，进而为试验网的进一步建设 提供理论依据。 但实地测量要耗费大量的人力、物力和财力，测量结果所估计的参数只适用 于被测区域和与其结构相近的地区，实用范围很小，并且测试结果受当时测试条 件的影响。 而且现代城市环境非常复杂：包括密集建筑群、环形道路、高速直道、高架 路和开阔地等：电磁波的传播形式多种多样：有直射、反射、散射、衍射和透射 等；大部分传播环境下不存在视距路径，使得城市环境下的时延扩散比较大；车 辆行驶时引擎点火产生的电磁波会带来很高的噪声，对接收信号造成定的干扰； 这些都使得在城市环境中研究下一代移动通信的电磁波传播特性变得非常困难。 并且目前国内外对3 5 g h z 频段电波传播特性的理论分析还很少，本文将就这一 领域开展初步的探讨。 上海大学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 从目前国内外的研究成果来看，我们可以将描述路径损耗特性的传播模型分 为两类：一类是建立在大量测试数据基础上的实测统计模型；另一类是基于电磁 波传播理论和方法的确定性模型，如基于几何光学理论( g e o m e t r i c a lo p t i c s ，g o ) 、 几何绕射理论( g e o m e t r i c a lt h e o r yo fd i f f r a c t i o n ，g t d 2 ) 和一致性绕射理论 ( u n i f o r mt h e o r yo f d i f f r a c t i o n ，u t d 3 】) 的射线跟踪法【( r a yt m c m gm e t h o d ， r t m ) 等。目前一些电磁计算方法也开始应用于通信链路预算，如不变性测试方 程法 4 1 ( m e i ) 、时域有限差分澍5 1 ( f d t d ) ，等等。 由于各种电磁波计算方法和理论各有优缺点，且城市环境异常复杂，根据通 信区域大小，将已有的传播模型大致分为二类：宏小区模型( r 一- 2 0 k m ) 和微小区 模型( r 3 0 0 0 m h z 、。 z ( m h z ) 是工作频率，( 埘) 、k ( 小) 分别是基站和移动台有效高度， ， 是基站和移动台之间的距离( o n ) ，修正因子对于大城市f 7 , 3 d b ，x c q 口d , 城市 和郊区取0 d b 。 ( 2 )c o s t 一2 31 - w a l f i s c h i k e g a m 模型 c o s t 2 31 w a l f i s c h - l k e g a m 模型1 1 l 是基z j ：w a l f i s c h b e r t o n i 模型建立的，在非 视距情况下它由三部分构成： 厶= 位十k + 凌：乏三善 m 5 ， 其中厶为自由空间损耗，k 是屋顶到街道的绕射和散射损耗，k 则为多屏前 向绕射损耗( m u l t i s c r e e nd i f f r a c t i o nl o s s ) 。自由空间损耗由下式给出： 厶= 3 2 4 + 2 0 1 0 9 i od + 2 0 l o g i of ( 1 6 ) 踞路径长度( 砌) ，促工作频率( m h z ) ；屋顶到街道的绕射和散射损耗k 对 应慢衰落，它由式( 1 7 ) 给出： 五恤= 一1 6 9 一l o l o g l o w + 1 0 1 0 9 l o f + 2 0 l o g i o + 三撕( 1 7 ) w 是街道宽度( m ) 。j ；妣是基站天线位于其上的建筑物的高度k 与移动台 高度k 龇之差：= k 一地 f 一1 0 + 0 3 5 4 4( o 。 4 3 5 。) 二州= 2 5 + 0 0 7 5 ( 4 3 5 ) ( 3 5 。 l m ：颤。) ：楼层穿透损耗系数；：慢衰落余量，取值与覆盖概率要求以及 室内慢衰落标准差有关。 对于l o s 情景： p 乞o s = 2 0 l o g ( 厂) + 2 0 l o g ( d ) 一2 8 d b + k( 1 2 2 ) 表i 3r r u r p 1 2 3 8 室内传播模型距离损耗系数取值 距离损耗系数取值( ) 频率( g i - i z )住宅办公室商场 1 8 gs n m z2 83 0 2 2 1 0 上海大学硕士学位论文 表1 - 4i t u - r p1 2 3 8 室内传播模型楼层穿透损耗系数取值 楼层穿透损耗系数取值( ) ) 频率住宅办公室商场 9 0 0 仍z 9 ( 1f l o o r ) 1 9 ( 2f l o o r ) 2 4 ( 3f l o o r ) 1 8 gs n m z4 n 1 5 + 4 ( n - 1 )6 + 3 ( n - 1 ) 1 4 本论文的主要内容和工作 第一章和第二章，概述了国内外电波传播模型的研究概况，介绍了几何绕射 理论一致性绕射理论的基本原理，第三张分析了微小区中的电波传播特性； 第四章在对路径损耗实测结果进行统计分析后，得到了适用于上海临空经济 园区3 5 g h z 频段的路径损耗实测模型。并将实测模型与自由空间损耗模型、 c o s t 2 3 1 模型进行比较后发现：( 1 ) 实际测量得出的路径损耗远大于自由空 间损耗；( 2 ) c o s t 2 3 1 模型在3 5 g h z 不再适用； 第五章应用一种基于s b r u t d 的射线跟踪方法，主要研究了在3 5g h z 频段 上发射天线的高度、位置等对城市环境中路径损耗特性的影响：其中应用s b r 实 现从发射天线到接收点的射线查找，然后应用u t d 计算与每条射线相关的复电场， 最后对实测值和仿真值进行了比较，结果显示实测值和仿真值较为吻合； 第六章对下代移动通信中备选频段3 5 g i - i z 频段的电波传播特性研究和测 试方法进行了总结。 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章几何绕射理论 几何绕射理论口- 3 4 1 ( g e o m e t r i c a lt h e o r yo fd i f f r a c t i o n ，g t d ) 采用下述概 念：在高频极限时电磁能量沿射线传播，且在均匀、各向同性和不导电媒质中射 线是直线，其射线轨迹由费马定理和费马定理的推广形式确定。费马定理嗍认 为：从源点艇0 场点f ( 假设两点均在折射率为n ( f ) 的媒质中) 的射线就是能使 积分 尸= r 刀扩 ( 2 1 ) 取极值的积分路程。这里我们只考虑均匀媒质，假设以( f ) = l ，则式( 2 1 ) 变成 p = r 协 ( 2 2 ) 此时射线路程就是连接距0 蹦的直线段。下面详细讨论在一些几何结构上如何确 定各种射线。 2 2 射线跟踪 2 2 1 直射射线追踪 直射射线就是从源点踞0 场点殊受阻挡的射线。在我们所讨论的情况下，直 接射线就是连接卿f 的直线段，因此仅存在一根这样的直接线段。但是，如果有 一个绕射物体，则在物体挡住场源的空间中存在一个阴影区。这时在源点卿阴 影区中的场点f - z 间就不存在直接射线。阴影区是由一锥体界定的，此锥体是由s 点和从s 点看去时物体外边界的闭合曲线所构成的，如图2 1 所示。当物体是多 面体时，此边界是一个角锥面，阴影区是一角锥。如果场点在阴影锥外，那就可 能有一条直接射线【3 3 1 。 1 2 上海大学硕士学位论文 2 2 2 反射射线追踪 影区 图2 1 场源和绕射物体 图2 2 所示的一次反射射线是从源点瀣过物体表面上的一个反射点r 到达场 点f 的。 z 图2 2 曲面上的反射 曲面取为z = f ( x ，y ) ，并假设s 和f 的坐标分别为( j c i ，咒，z i ) 和( 屯，奶，z 2 ) ，则从滩 过曲面上任意一点g ( x ，y ，z ) 到f 的距离为 j ：_ + j ：；石i ：5 f ：i 歹：j i 产j 而+ 石i 二i 5 f ；i 歹二了j 芦j 而( 2 - 3 ) 从费马定理出发，使该距离取驻定点来确定反射点。考虑反射面是平面的简单情 况，可以假设z = 0 为反射平面且源点的坐标为( o ，0 ，毛) ，可得反射点坐标 ( x ，y ，z ) = ( 型l ，卫生，0 ) ( 2 4 ) s t + s ! s t + s t 也即反射点可以通过源点在反射平面中的镜像和简单的几何关系求得。 接着考虑上面已讨论过的曲面z = f ( x ，y ) 上的反射问题。假设反射点已经确 定，则在反射点处于曲面垂直的矢量万可给定为 万= ( 一，一，1 ) ( 2 5 ) 上海大学硕士学位论文 其中 = 塞； = 考 眨d 而单位矢量盒和龟给定为： 计算矢量万鼋和万龟，其中前一个矢量与由万和s 决定的入射平面垂直； 而第二个矢量则与由万和尸决定的反射平面垂直。利用式( 2 5 ) ，( 2 6 ) 和( 2 7 ) 可以证明： n x s i + 万龟= 0 ( 2 8 ) 上式意味着：( 1 ) 入射平面和反射平面在同一个平面内； ( 2 ) 入射角等于 反射角。所以我们可以得出结论：如果在反射点曲面用反射点的切平面来代替， 则斯奈尔反射定律对曲面也是正确的。 下面讨论由两个平面构成的反射系统。假设两平面的夹角为w ，并且令它们 的交线为z 轴。应用投影法，投影法依据这样一个事实：当平面三角形投影到与 三角形的一条角等分线平行的平面上时，此角等分线就投影到投影三角形的角等 分线段上。当三角形投影到一个水平面和一个垂直面上时，在面上的二维搜索问 题可以转换成在两个投影平面上的两个一维搜索问题。现在把两平面投影到 z = o 平面上，得到图2 3 。第一个平面的反射可以通过坐标为( i ，一一) 的镜像点墨 求出， 圣 。l 心 一 、 一 穆第 豇 图2 3 两个平面的反射 1 4 ，l p “ t + ” 渺 、j y 办 7 1 一： ” 魄 o i “ h 礼 弦 、j r 硝 一， 一： 即 魄 ( 日 阶 “ l1墨一屯 上海大学硕士学位论文 结果得到射线墨r f 。二次反射射线可以通过爿点在第二个平面的镜像点求得。 g 的坐标为 x = ：x z a c o s 2 0 ) - y lsin2toy s i n 2 t o + y i c o s 2 t o ( 2 9 ) 【= z ”“7 这样就可以求得先在第一平面再在第二平面上连续发生二次反射的两个反 射点的坐标表达式，如果应用投影法投影到一个垂直平面上，就可求出反射点的 z 坐标。可以用同样方法求出从第一平面的反射开始的所有可能的高阶反射射线。 需要指出的是：对反射场完整的射线跟踪还应包括先在第二平面上反射的所有反 射场。