（电磁场与微波技术专业论文）wcdma网络覆盖预测分析与应用.pdf

摘要 覆盖预测是w c d m a 网络规划的重要部分，覆盖预测的效果直接关系到规划的合理 性。我国的g s m 网络覆盖已经比较完善，特别是城市密集地区，基本实现了完全覆盖。 利用g s m 运营商积累的大量路测数据进行w c d m a 覆盖预测，可以提高w c d m a 规划 的效率。 本文以w c d m a 无线网络规划项目为背景，针对规划过程中提出的一种基于g s m 路 测数据的w c d m a 覆盖预测方法进行阐述，并进行了理论上的分析和实践上的验证。 在无线电波点对点的传播过程中，对不同频段的无线电波信号在传播特性上经过适当 的参数修正，可以获得各自的传播路径损耗估计。该方法就是利用这种特性，在g s m 路 测数据的基础上，计算相同路测采样点的w c d m a 信号的路径损耗。与仿真采用的理论传 播模型不同，这里保留了不同采样点路径损耗的差异，因此精确度较高。 论文首先详细推导出在各种环境下g s m 和w c d m a 由于频差所引起的传播路径损耗 的修正参数，并进行仿真分析。然后用m a t l a b 自行设计基于g s m 路测数据的w c d m a 覆盖预测仿真软件，该软件可以批量导入g s m 路测数据，根据经纬度坐标，用图形直观 地展示出修正后的w c d m a 导频信号的接收场强，并能分析出w c d m a 各种业务在路测 采样点的覆盖效果。文章最后根据在惠州实验网的g s m 、w c d m a 实测数据，拟合出预 测接收场强、实测接收场强与基站距离关系曲线图，通过对比，证实了该覆盖预测方法是 有效可行的。 关键词：宽带码分多址g s m网络规划传播模型路测 a bs t r a c t c o v e r a g ep r e d i c t i o np l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti nw c d m a n e t w o r kp l a n n i n g ，a n dt h er e s u l to f c o v e r a g ep r e d i c t i o ni sr e l a t e dw i t ht h er a t i o n a l i t yo fc e l lp l a n n i n gd i r e c t l y i nc h i n a , g s m n e t w o r kc o v e r a g eh a sb e e na l m o s tp e r f e c t a n dc o m p l e t ec o v e r a g eh a sb e e na c h i e v e di nu r b a n a r e a sw i t hah i g hd e n s i t yo fp o p u l a t i o n i ft h ed r i v et e s td a t as a v e db yg s mo p e r a t o r si su s e dt o c a r r yt h r o u g hw c d m ac o v e r a g ep r e d i c t i o n ，t h ee f f i c i e n c yo fp l a n n i n gc a nb ei m p r o v e d b a s e do naw c d m ar a d i on e t w o r kp l a n n i n gp r o j e c t ，am e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ， w h i c hi so nt h eb a s i so fg s md r i v et e s td a t aa n du s e dt op r e d i c tw c d m a sc o v e r a g ei nt h e p l a n n i n gp r o c e s s a n dt h em e t h o di sa n a l y z e di nt h e o r ya n dv a l i d a t e di ne x p e r i e n c e i nt h ep r o c e s so ft h e p o i n t t o - p o i n tr a d i ow a v ep r o p a g a t i o n ，t h es i g n a lp r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fr a d i ow a v e so fv a r i o u sf r e q u e n c i e sa r ec a l i b r a t e da p p r o p r i a t e l yo np a r a m e t e r s a n dc a ng e tt h e i rp r o p a g a t i o np a t hl o s se s t i m a t e d w i t hs u c hp r o p e r t i e s ，t h ep a t hl o s so f w c d m a s i g n a l so ft h es a m ed r i v et e s ts a m p l i n gp o i n t si sc a l c u l a t e do nt h eb a s i so ft h eg s m d r i v et e s td a t a d i f f e r e n tf r o mt h ep r o p a g a t i o nm o d e la d o p t e di ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ，d i f f e r e n c e s o fp a t hl o s so fv a r i o u ss a m p l i n gp o i n t sa r er e s e r v e d ，s oh i g h e rp r e c i s i o nc a l lb ea c h i e v e d i nt h i sp a p e r ，t h ec a l i b r a t i o np a r a m e t e r so fp r o p a g a t i o np a t hl o s sa r ef i r s t l yd e d u c e di nd e t a i l ， w h i c ha r ec a u s e db yt h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c e sb e t w e e ng s ma n dw c d m ai nv a r i o u s e n v i r o n m e n t s a n dt h e ya r ea n a l y z e db ym e a n so fs i m u l a t i o n t h es o f t w a r eb a s e do ng s md r i v e t e s td a t ai sd e s i g n e dt h r o u g hm a t l a b ，w h i c hi su s e dt om a k ew c d m a c o v e r a g ep r e d i c t i o n t h es o f t w a r ec a nb eb a t c h e di n t og s md r i v et e s td a t a , a n dt h er e c e i v ef i e l do ft h ea m e n d e d w c d m ap i l o ts i g n a li ss h o w e dd i r e c t l yi ng r a p h s t h ee f f e c t so fw c d m as e r v i c e sa r e a n a l y z e di ns a m p l i n gp o i n t so f d r i v et e s t f i n a l l yi no r d e rt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h i sc o v e r a g e p r e d i c t i o n ，c u r v e sa r ef i tw i t hr e g a r dt ot h e i ro w nr e c e i v ef i e l da n dd i s t a n c e so f b a s es t a t i o n so n t h eb a s i so fg s ma n dw c d m at e s td a t ao fw c d m at e s tn e t w o r ki nh u i z h o u a n dt h e c o v e r a g ep r e d i c t i o nm e t h o di sp r o v e dt ob er e l i a b l ea n dp r a c t i c a lb yc o m p a r i s o n k e y w o r d s ：w c d m a ，g s m ，r a d i on e t w o r kp l a n n i n g ，p r o p a g a t i o nm o d e l ，d r i v et e s t i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电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作了 明确的说明并表示了谢意。 ：j 研究生签名：f 吉缉 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：监导师签名： 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 第三代移动通信是目前移动通信技术发展的主要方向，其目标是为用户提供高质量的 移动语音、移动宽带数据和移动多媒体服务，它将极大地促进人类社会的信息化。随着社 会经济的发展，移动通信在日常生活中日益普及，同时人们对通信质量也提出了更高的要 求。如果建设之初没有良好的规划，移动通信网络投入运行后就会产生网络性能上的诸多 问题，从而影响到整个网络的运营和建设成本。合理的无线网络规划可以避免投资浪费， 以最少的投资来满足用户的需求，同时也能提高网络质量。因此，网络规划是蜂窝移动网 ： 建设中必不可少的环节。 第三代移动通信系统( 3 g ) 是基于g s m c d m a 等2 g 系统演进的，空中接口采用 w c d m a 、t d - - s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 = 种制式。3 g 系统工作于2 g h z 频段，支持最高速率 为2 m b i t s ，与第二代移动通信相比，3 g 具有频谱效率高、支持多媒体业务、服务质量高以 及无缝漫游等特点。目前，w c d m a 技术已经得到大规模商用。 由于w c d m a 系统演进于全球应用最为广泛的g s m 系统，自2 0 0 1 年1 月日本开通全球 首个w c d m a 商用网络以来，w c d m a 系统得到快速发展。目前，支持1 0 m b i t s 速率的 h s d p a 已经开发完成并投入商用，h s u p a 也已处于研发阶段。据g s m 协会统计，截至2 0 0 6 年3 月底，全球共发放w c d m a 牌照1 6 3 个，已在4 7 个国家部署了1 0 5 个商用网络，占3 g 牌 照发放总数的2 3 t 。 在w c d m a 即将来临的今天，如何快速有效地进行无线网络规划成为一个新的课题。 我国的g s m 网络发展已经非常成熟，因此怎样利用g s m 的现有资源为w c d m a 建设服务是 一个具有实际意义的课题，这样做既可以节省大量的人力物力，又能实现快速建网。大家 通常关注的是硬件系统的利用，通过实验网的规划证明，在g s m 运营基础上的w c d m a 规 划会出现大量g s m w c d m a 的共站址、共天线的现象。 最大限度的利用原有g s m 网络资源，可以大大减少运营商建设3 g 网络的成本。充分利 用g s m 网络建设过程中的路测数据、站点勘察信息，可以避免网络规划过程中的重复劳动， 既节省规划成本，又可缩短网络规划的周期。 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 本课题领域的研究现状 在通常的w c d m a 网络规划中，覆盖预测首先要通过模型校正。模型校正比较常用的 方法是借助w c d m a 网络规划仿真工具，常见的具有a t o l l 、u n e t 等，这些规划仿真工具 都需要输入站点的位置信息、天线信息、馈线信息、c e l l 信息、s e c t o r 信息、设备和业务信 息、负载大小信息、地理海拔高度信息、地物类型信息、数字地图矢量信息等。其中，数 字地图矢量信息通常包括建筑物分布信息、建筑物三维大小信息、街道信息等1 2 l 】。 仿真工具在进行w c d m a 信号的覆盖预测分析时，可以选用射线跟踪传播模型，它与 传统的c o s t 2 3 1 h a m 传播模型相比，模拟的传播特性更准确。射线跟踪模型利用数字地图 的建筑物矢量信息，模拟发射和接收点的多径发射、折射和衍射特性，计算发射和接收点 之间的传播损耗。射线跟踪传播模型考虑了多径传播特点和地物特征，使得路径损耗的计 算会比传统的c o s t2 3 1 h a t a 模型更准确一些，再加上c w 测试数据的校准，提升了传播路 径损耗计算的准确度，使得网规工具在准确度上有较大提高。 射线跟踪传播模型依然建立在对相似地物特性区域的抽象上，使得区域差异被模糊化 了，必然也会降低某些区域传播特性模拟的准确度，并且射线跟踪传播模型非常依赖于数 字地图的矢量信息，准确的矢量信息才能够为射线跟踪传播模型提供构建多径发射、折射 和衍射的必要条件。对于城区这种复杂传播特性的区域，如果没有数字地图的矢量信息， 射线跟踪传播模型将无法提供合理的传播路径损耗计算值，从而严重影响了网规工具的准 确度【2 】o 利用g s m 路测数据进行w c d m a 网络规划，避免了经典传播模型的不准确性和射线跟 踪模型对数字矢量地图的依赖。在g s m 和w c d m a 共站址、共天线的总体原则下，借助g s m 的路测工具获得g s m 路测数据，可以计算出w c d m a 在路测采样点的e c 和e c i o ，就可以进 行w c d m a 的覆盖预测和分析，从而大大提高了预测的准确度，使得规划方法变得比较简 单和精确。 1 3 论文的研究目标和主要内容 本文的研究目标是提出一种利用g s m 路测数据预测w c d m a 覆盖效果与业务覆盖能 力的方法，并对该方法进行理论分析和验证。 文章共分为五章，主要内容分别如下： 第一章概述了移动通信技术的发展现状和w c d m a 技术的基本情况，并介绍了常规网 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 络规划仿真软件的覆盖预测方法。 第二章刘无线电波传播的基本知识和常用的宏蜂窝小区传播模型o k u m u r a h a t a 模型、 c o s t2 31 h a t a 模型及c o s t2 31w a l f i s c h i k e g a m i 模型给予介绍。 第三章着重分析了基于g s m 路测数据对w c d m a 覆盖效果的预测方法。本章首先提出 这种预测方法的基本思路。并通过这种方法推导w c d m a 导频信道接收信号e c 和导频信道 接收信干l l e c i o 的预测方法，最后分析了w c d m a 导频信道的e c 、e c i o 和w c d m a 业务信 道各种业务覆盖能力之间的关系。 第四章阐述了路测设备和路测过程，然后介绍了笔者设计的基于g s m 路测数据的 w c d m a 覆盖预测软件，并且使用该软件进行w c d m a 网络覆盖预测。文章最后根据在 惠州实验网的g s m 、w c d m a 实测数据，拟合出预测接收场强、实测接收场强与基站距 离关系曲线图。通过对比，证实了该覆盖预测方法是有效可行的。 第五章对本文做了总结。 南京邮电大学硕士研究生学位论义第二章无线电波传播基本理论 第二章无线电波传播基本理论 无线电波传播知识是发展完善无线系统的基础，现在已进行了大量研究，以获得关于 传播损耗、功率的空间分布以及延迟扩展等知识。一般来说，对于一个无线信道很难预测 其性能，传统上无线信道模型是根据实际传播的测量数据采用统计的方法构建的。通常， 无线运行环境中信号的衰落可以分解为三个分量：一个是大范围的路径损失；另一个是中 等范围慢变化的分量，呈对数正态分布；还有一个小范围快变化的分量。上述三类模型都 可用来描述无线通信系统运行环境：第一类区域为平均功率，取决于从发射机至接收机之 间范围内路径损失的特性；第二类区域为平均功率慢变化，可用对数正态分布来表征；第 三类区域为瞬时功率，按莱斯分布或i 己a y l e i 曲( 瑞利) 分布的快衰落【3 1 。 2 1 移动无线电波的传播环境 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无线传 播环境的影响。对于移动通信系统而言，由于移动台本身的移动性，传播环境不断发生变 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、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来描述，即根据大量实验 数据进行统计分析以获得某种变化规律。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，通常不 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 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线电波传播基本理论 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 h 来表征，表2 1 给出了各种地形中h 的估算值。 表2 1 各种地形对应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 特别陡峭山壁 7 0 0 影响电波传播的因素除了上述地形条件外，还包括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，可以把传播环境分为以下五类： 1 ) 大城市地区：建筑物高而密集，街道较窄； 2 ) 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； 3 ) 郊区地带：有分布不太密集的平房及小树林； 4 ) 乡村：没有居民的开阔区域、小道和公路； 5 ) 自由空间：传播环境没有障碍物。 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。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【引。 2 2 移动无线传播的传播机制 在移动通信系统中，影响传播的三种最基本传播机制是反射、绕射和散射。接收功率 ( 或它的反面，路径损耗) 是基于反射、绕射和散射的大尺度传播模型预测的重要参数。这 南京邮电大学硕士研冤生学位论文 第二覃无线电波传播基本理论 三种传播机制也描述小尺度衰落和多径传播。 当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、大型自然障碍 物、建筑物和墙壁表面。 当接收机和发射机之间的无线路径被阻挡物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，甚至于阻挡体的阴影区。当发射机和接收机之间不存在视距路径时， 围绕阻挡体也产生波的弯曲。移动台移动到阻挡物的阴影区时，接收场强虽然衰减非常迅 速，但绕射场依然存在并常常具有足够的强度。在高频段，绕射和反射样，依赖于物体 的形状，以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常大时，发生 散射。散射波产生于粗糙表面、小物体和其它不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、 街道标志和灯柱等都会引发散射。 在移动无线电环境中，郊区一般都有1 0 3 0 米宽和5 2 0 米高的建筑，市区则有更大和更 高的建筑。如果这些大厦和住宅的尺寸达到传播频率的若干个波长以上，则成为固有的散 射体，并在这个频率上产生反射波。在这种环境中，虽然基站的天线一般都架设在楼房顶 上，而且通常架设时都避开周围环境的影响，但移动台天线却很低，一般离地只有1 5 米。 因此，电波传播始终处在移动台周围环境的影响下。这样，到达移动台天线的将是一个直 射波和多个反射、绕射波，或者只有反射和绕射波的迭加。 因此，在移动无线电环境，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，其天 线将接收从多条路径传来的信号，再加移动台本身的运动，使得移动台与基站之间的无线 信道多变且难以控制【6 】 9 j 。 ( 一) 阴影衰落 陆地移动通信中接收信号场强会遭受两种衰落：快衰落和慢衰落。这里将讨论慢衰落 的一些特性。所谓慢衰落是接收天线处的场强中值随移动台运动时周围地形、建筑物等的 变化而出现的波动，其变化速率较为缓慢。当电波在传播路径上遇到起伏的地形、建筑物、 植被等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时， 就构成接收天线处的场强中值的变化，从而引起衰落，所以这种衰落又称为阴影衰落。 慢衰落相对于快衰落而言是宏观变化，是以较大的空间尺度来度量的。相比之下，快 衰落是微观变化，在较小的空间尺度内信号幅度会发生急剧变化。慢衰落的衰落速率与频 率无关，这一点与快衰落不同。慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包 括山丘起伏、建筑物的分布与高度、街道走向、基站天线的位置与高度以及移动台速度。 6 南京邮电大学硕士研冗生学位论文第二章无线电波传播基本理论 慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。频率 较高的信号比频率较低的信号更容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号具 有较强的绕射能力。 阴影衰落会使所预测的路径损耗产生相当大的变化。阴影变化是由基站和移动台之间 的地形地物，如在宏小区中的建筑物和丘陵以及在微小区中像车辆这样较小的物体所产 生。在宏小区中，障碍物的有效变化尺度一般为几百个波长，所以阴影的影响在几十个波 长内基本上保持不变。如果围绕一条以基站为圆心的圆形路线( 也就是保持基站和移动台之 间的传播路径长度不变的路线) 上收集数据时，在正态概率纸上画出的用分贝表示的平均接 收功率将是线性分布，因而称为对数正态一阴影传播机制。 表2 - 2 阴影衰落分布的标准差吒( d b ) 吒( 如) 频率 准平坦地形不规则地形h ( m ) ( i h z ) 城市郊区5 01 5 03 0 0 1 5 03 5 , - - 5 54 791 11 3 4 5 067 51 1 1 51 8 9 0 06 581 4 1 82 1 对数正态一阴影传播机制是由于基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响，在信号 到达的时候，己经历了多次反射或绕射，每次反射或绕射都可以用衰减来表征，也就是每 个单独的信号都是某种程度上衰减的随机变量，因此最后由多个随机变量( 即以基站为圆心 的圆形路线上各点的值) 叠加后的接收信号值就是对它们取对数后进行相加( 用d b 表示) 。由 中心极限理论可知在一般情况下其和的分布是正态分布，因而显示出高斯统计。在自然单 位中( 即不采用d b 表示) 其和对应于对数正态分布。如果把路径损耗和阴影变化结合起来， 在离基站距离为d 处的几十个波长间隔上的平均接收功率为： = p o 如一l o l g d + q ，( 扭) ( 2 1 ) 这里的阴影变化电平q ，( 扭) 应该是具有o d b 均值( 心= 0 d b ) 的正态分布量，并与所在位 置有关。另外，如果在同样距离d 的另一些位置上测量平均功率的话，虽然不同的障碍物 7 堕室些皇奎兰堡主婴壅竺兰垡笙壅笙三童垂垡皇婆堡塑茔查墨垒 在起作用，但将会发现画出了类似的高斯( 正态) 信号集合。 除了阴影效应外，大气变化也会导致慢衰落。比如一天中的白天、夜晚，一年巾的春 夏秋冬，天晴时、下雨时，即使是在同一地点上，也会观察到路径损耗的变化。但在测量 的无线信道中，大气变化造成的影响要比阴影效应小得多。表2 2 列出了阴影衰落分布的标 准差，其中的吒( d b ) 是阴影效应的标准差。 ( 二) 多径衰落 ( 1 ) 多径衰落重要概念 接收信号的短时起伏是由多径传播引起的，称为小范围的衰落。多径信号不同的传播 路径长度产生不同的传播时延。按多径信号到达接收机相位的不同，它们可能相加，也可 能相互抵消。为了对多径衰落信道建立模型，其特性需要加以表征。延迟展宽、相干带宽、 多普勒扩展，以及相干时间等概念则用来对多径信道加以描述。 时延展宽 在多径传播情况下，由于接收来自各个方向的反射波的路径时延差，对于不连续的数 字脉冲信号将产生时延展宽现象。接收到的脉冲响应的典型时延包络为e ( f ) 。平均时延乃和 时延展宽可用式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 计算： 乃= f t p ( t ) d t ( 2 2 ) ( 2 3 ) 对于3 0 m h z 以上的频率，时延展宽与频率无关。时延展宽是决定相关带宽的唯一因 素，也是产生码间干扰的主要原因。在无线传播模型校正和移动通信网络规划中，使用的 平均时延展宽的数据如表2 3 所示： 表2 3 平均时延展宽 环境类型开阔区郊区市区 时延展宽( u s ) 0 2 0 53 相关带宽 当两个频率彳与五的l 8 - j n 大于相关带宽时，两个信号的衰落不相关和相关系数较小； 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章无线电波传播基本理论 如果两个频率彳与五的间隔小于相关带宽，则两个频率的信号衰落相关。如果取两个频率 的信号衰落的相关系数p 0 5 作为标准，则相关带宽色等于： 皿= 丽1 ，( 两个衰落幅度变化不相关) 毽= 丽1 ，( 两个随机相位变化不相关) ( 2 4 ) ( 2 5 ) “( 2 4 ) 式用于计算频率分集时两个频率的间隔。将表( 2 3 ) 平均时延展宽代入式中则可 以求得；对于市区，频率间隔应大于5 0 k h z ；对于郊区，频率间隔应大于3 0 0k h z ；对于开 阔区，频率间隔应大于7 5 0 k h z 。由于开阔区没有严重衰落而不需要采用分集，所以在市区 和郊区采用频率分集时，可采用频率间隔为3 0 0 k h z 的两个频率。 码间干扰 码间干扰是由于在多径媒质中相对大的时延展宽或相对高的传输比特率所引起的。所 以，在数据传输系统中，传输比特率受到时延展宽的限制。在瑞利衰落环境中，对于二进 s j p s k 系统，不产生码间干扰的传输比特率兄应低于由下式计算的值： r 去 式中：为时延展宽，对于市区a = 3u s 则： r 赤= 5 3 x l 咖州s ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在实际计算中，民应根据误比特率指标决定，而误比特率与时延展宽有关。当取定容 许的最低误比特率指标为1 0 一时，市区的兄 3 1 8 3 b i t s 。 延迟展宽的均方根值是一个统计量，它告诉我们多径扩展关于信道的平均延迟。最大 延迟展宽则告知在功率延迟断面中第一个和最后一个多径分量的差别。相干带宽则是信号 间传播特性相关时最大的频率差。相干带宽反比于延迟扩展，即延迟扩展越小相干带宽越 大。如果信号的传输带宽大于相干带宽，则信号将经受频率选择性衰落。如果信号的传输 带宽小于相干带宽，则成为平衰落信道。由上述可知，延迟扩展和相干带宽是从不同的角 9 塑室坚塑盔兰堡主翌塞竺兰垡笙茎 兰三兰歪垡塑鎏堡堡董查堡丝 度来描述多径衰落信道的特性。 相干带宽足分散性的量度，应用于r a k e 或均衡接收机。较小的相干带宽意味着较高 的分散性。如果相干带宽等于传输带宽，则整个接收频谱将遭受衰落。最大延迟扩展可用 来计算在信道存在多少可分解的路径可用于r a k e 接收机。移动台的运动产生多普勒扩展， 它是未调制载波传输时观察到的频谱宽度。如果从移动台到基站只有一条路径，基站将观 察到零多普勒扩展及载波频率简单的偏移，即多普勒频移。多普勒频移随移动台相对于基 站运动的角度不同而变化。多普勒功率谱非零值的范围称为多普勒扩展。多普勒频移的倒 数是信道相干时间的量度。相干时间是信道在此时间内其性能没有多大变化。相干时间与 设计接收机信道估值、差错控制、交织方案及t d d 帧长等方案有关。 ( 2 ) 多径信道特性 接收信号起伏衰落的深度取决于信道的类型。信道瞬时功率的分布可用分布函数来描 述，它们决定于无线运行环境。所谓瑞利衰落信道，其衰落很深，不存在为主传播的路径。 而莱斯衰落信道的衰落深度较浅，由于存在为主的路径，再加上一些散射路径，典型的为 主的路径存在于微小区和微微小区，如存在视距的传播。 如果我们在时变多径信道上发射一个非常短的脉冲，理想情况下是一个冲激，则接收 信号将是一系列的脉冲。所以，多径传输的一个性能是引起传输信号的时间扩散。第二个 特性是由于传输介质的时间变化特性，多径传输也有随机时变的特性。这就是说，如果我 们重复脉冲测试实验多次，我们将观察到接收脉冲系列的变化，其包括脉冲幅度的变化和 脉冲相对时延的变化。而且，时变的特性对信道的用户是不确定的。因此，用统计的方法 研究时变多径信道是合理的。通常，传输信号用下述方法表示： s ( f ) = r e s ，( f ) p 7 2 卢】( 2 8 ) 我们假定有多个传播路径，同每个传播路径相联系的是传播延时和衰减因数。这些传 播延时和衰减因数随时间变化是由于传输介质结构不断变化引起的，因此，收到的带通信 号可用下列形式表示： x ( f ) = p ) j ( f 一乙( ，) ) ( 2 9 ) 式中，o ) 是第刀个路径上接收信号的衰减因数，而0 ( f ) 是第刀个路径的传输延时。把式 ( 2 8 ) 中的s ( t ) 代入式( 2 9 ) 得： 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线电波传播基本理论 x ( f ) = r e ( ( f ) p 印斫柏s t t - r ( t ) e 7 2 卿) ( 2 1 0 ) 由( 2 1 0 ) 可以看出等效低通接收信号为： r a t ) = ( f ) e 2 艰啪s 屉一毛( f ) 】 ( 2 1 1 ) 因为“t ) 是等效低通信道对等效低通信号u ( t ) 的响应，所以等效低通信道可用其时变冲激响 应，式( 2 1 2 ) 来描述： c ( f ，f ) = ( f ) p 川碰柏研卜毛( f ) 】 一 ( 2 1 2 ) 现在，我们研究频率为z 的未调制波的传输。这时对所有的f ，s t ( t ) = l ，所以式( 2 11 ) 中的接收信号在多径时简化为： 乃( f ) = ( f ) p 川磋柏= ( r ) p 一豫 ( 2 1 3 ) 一n 这样，接收信号由大量幅度为( f ) 和相位为o a t ) 的时变矢量( 相位矢量) 之和组成。值 得注意的是，传输介质的大范围变化，引起( r ) 相当大的改变，导致接收信号的明显变化。 在另一方面，每当毛变化1 f c 时，幺( f ) 将变化2 万弧度。但是1 f c 是很小的量，所以，当传 输介质运动比较小时，包( r ) 可能有2 石弧度的变化。我们也预料到不同途径上的信号时延 ( f ) 的变化是随机的，这暗示我们，式( 2 1 3 ) 的接收信号也是一个随机过程。当路径数很 多时，就可以用中心极限定理。这样，r t ( t ) 就模拟成一个复高斯随机过程。这意味着这个 时变冲激响应c ( r ，t ) 是时变复高斯随机过程。 多径信道传输模型体现在式( 2 1 3 ) 的接收信号中产生了信号衰落。这个衰落模型基本上 是相位包( f ) 的时变特性的结果。也就是说，这些矢量 ( f ) p 一胞7 ) 中的随机时变相位包( ，) 时常破坏这些矢量的相加。当发生衰落时，接收的合成信号r t ( t ) 是非常小或为零。而另一 南京邮电人学硕士研究生学位论文第二章无线电波传播摹本理论 些时刻，这些矢量 ( ，) p j o , 。) 相加后的接收信号也很大。这样，我们把由信道时变多径 特性而造成的接收信号幅度变化称为信号衰减。 当冲激响应c ( r ，f ) 被看为零均值的复高斯过程，则任意瞬时值t 的包络c ( r ，t ) 呈瑞利分 布。这种信道被称为瑞利衰落信道。假如在介质中除了随机运动的散射外，还有固定的散 射体或信号反射体，则e ( r ，f ) 就不能用零均值模拟。另外，c ( r ，f ) 的包络是莱斯分布的，则 信道被称为莱斯衰落信道。 ( 3 ) 信道衰减的统计模型 衰减信道的统计模型有几种可能的分类模型。当信道上有大量的散射时，接收端信号 的贡献不同，中心极限定理的应用导致信道冲激响应的高斯过程模型。如果过程为零均值 过程，任何瞬间信道响应的包络呈瑞利分布，其相位在( 0 ，2 万) 内不规则分布，即： 式中： 最( r ) = 面2 石r ，。 q = e ( r 2 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 我们观察到瑞利分布由参数e ( r 2 ) 决定。 另一个可供选择的信道响应包络模型是n a k a g a m i - m 概率密度函数。与瑞利分布相对 应，瑞利分布有一个参数衡量信道衰减的统计特性，而n a k a g a m i m 有两个参量，包括m 参 量和q = e ( r 2 ) 参量。 作为一个总结，这种分布提供了对观察信号的统计特性更复杂更精确的描述。在信道 衰减模型中，n a k a g a m i m 分布比瑞利分布的描述更为严格，包括瑞利分布的特殊情况m = l 时。例如，t u r i n s u z u k i 等人己经证明n a l ( a g 锄i m 分布对数字信号在郊外中的无线多径信 道是最佳的。 莱斯分布也是两参数分布，它的参数是s 和仃2 。在c h i s q u a r e 分布等式中s 也叫不确定 参数，它表示非衰减信号响应功率，有时也称为接收信号的特殊响应。还有许多其它无线 衰减信道，包括与多径响应第二反射相联系的l o s 通信，或周围地形的信号路径。在这些 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线电波传播基本理论 信道中，多径响应的数量是少的，所以信道被模型化为简单的模式。 2 3 传播模型介绍 由于传播路径的复杂性和不确定性，精确地预t , i i 定点的接收信号强度几乎是不可能 的，所有的传播模型都只是对接收信号的场强均值进行估计。通常，传播模型是一套数学 表达式、图表或算法，代表了所给定环境的无线电波传播特性，能够对指定地点的接收信 号强度进行估计。不同场景下不同频率范围的无线电波，其传播方式和特性有很大差别， 传播模型往往是受限于某一频率范围和某种场景构造，因而每一种传播模型都有一定的适 用频率范围和适用场景。传播模型有理论模型( 确定模型) 和经验模型( 统计模型) ，或 者是二者的组合，即半经验模型。经验模型是基于测量数据的统计模型，而理论模型则来 自于对无线电波传播环境的理论分析。 在经验模型中，所有环境影响都被隐含地考虑了，无论这些影响是否可以被单独考虑。 模型的精确性不仅取决于测量数据的精确性，而且所预测的环境和为了构造模型而做测量 的环境的相似程度也对模型的精确性存在很大影响。经验模型通常使用二维的数字地图， 使用简便，计算效率也比较高，但经验模型的精度较差，也无法得到无线信道的时延和多 径特性。 确定性模型基于理论分析，可以在不同的环境下应用而不影响其精确性。但是理论模 型的实现需要获得关于环境特性的庞大的数据库以及精确的三维数字地图，而这在很多情 况下是不切实际甚至是不可能的。理论模型的算法也往往非常复杂，计算效率很低。因而， 理论模型的应用通常局限于小范围的计算，比如密集城区微蜂窝和室内环境。但是如果理 论模型能够被合理应用的话，与经验模型相比，其预测的精确性将会大幅度地提高。而且 使用确定性模型，还可以获得时延和多径特性。理论模型主要有射线追踪法和时域有限差 分( f d t d ) 法。 由于g s m 网络是异频系统，不存在同频干扰，所以传统的g s m 网络规划主要考虑的 是网络覆盖以及频率复用等，对传播模型的要求并不是很高，一般情况下修正的经验模型 就可以基本满足网络规划的需要。而w c d m a 网络是共享系统带宽的，是一个白干扰系统， 因而w c d m a 网络规划不仅要考虑网络覆盖，还需要考虑干扰控制。w c d m a 网络规划 需要更加精确的传播模型，一些确定性模型比如射线追踪模型，在w c d m a 网络规划中得 到了应用。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线屯波传播基本理论 2 3 1o k u m u r a - h a t a 模型 o k u m u r a - h a t a 模型是预测城区信号使用最广泛的模型，应用的频率是1 5 0 - 1 5 0 0 m h z 2 _ 间，后来测试结果又被扩展至0 1 0 0 3 0 0 0 m h z 的频率上。适用距离在l k m - 1 0 0 k m ，天线高度 在3 0 m 1 0 0 0 m 之间。 o k u m u r a - h a t a 模型以准平坦地形为基准，并按照地形地貌分为开阔地、郊区和城区。 开阔地：指传播路径上没有大的障碍物的开阔地带，以及前方数百米内没有任何阻挡 的区域。开阔地路径损耗的计算公式为： 厶= 厶( 市区) 一4 7 8 ( 1 9 f ) 2 + 1 8 3 3 1 9 f 一4 0 9 8 ( d b ) ( 2 1 6 ) 郊区：在传播路径上分布有少量的不太密集的障碍物以及障碍物的高度比较低的区域。 郊区路径损耗的计算公式为： 厶= 厶c 市区，一2 ( 1 9 去) 2 5 4 c d b ， ( 2 1 7 ) 城区：指传播路径上集中分布着两层楼或以上的建筑物，或者有茂密的森林。城区路径 损耗的计算公式为： 厶= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 h b a ( h m ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 h b ) l g d ( 拥、 ( d b ) ( 2 1 8 ) 式中，口( ) 是引入的有效移动天线修正因子 口( 九) = ( 1 1 l g f - o 7 ) h o - 1 5 6 1 9 f + 0 8 ( 中、小城市) 8 2 9 ( 1 9 1 5 4 h m ) 2 1 1f 3 0 0 m h z ( ) ( ：t 喊市) ( 2 1 9 ) 3 2 ( 1 9 l1 7 5 h ) 2 4 9 7 厂3 0 0 m 眈( 大城市) 1 4 堕塞堕皇奎兰堡生笙壅生堂垡堡塞笙三空垂垡垒婆堡塑董查里笙 为了使o k u m u r a - h a t a 模型能适用于一些特殊地区，如丘陵地、斜坡地和水陆混合地区 等，o k u m u r a h a t a 模型定义了基站的有效天线高度，应用于无线电波传播模式中。 通常在我们使用的各种规划软件中，将该模型进行了修正，使得该模型更能适用于实 际工程和更便于计算机进行模拟计算，具体将在2 3 4 节介绍。 因此，使用o k u m u r a - h a t a 模型首先需要对所研究的地区进行分类，即把所研究地区按 照物的分布划分为：开阔地、郊区和城区、密集市区等，然后根据不同的地形分类来进行 实际的连续波测试，再通过模型校正得到关于o k u m u r a h a m 模型在当地的修正因子。这样 就得到能够比较精确反映当地路径损耗的预测结果。 该模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反映较慢，预测和