（电磁场与微波技术专业论文）无线网络规划中的射线跳跃传播模型研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 传播模型是无线网络规划的基础，其预测结果的精准对规划的精确性与合理性 起着至关重要的作用。在城市微小区中需要一个更加精确的确定性预测模型，而射 线跟踪属于确定性模型中的一种，能够很好的适应这种要求。本文介绍了射线跟踪 的基本理论，简述了无线网络规划中常用的几种传播模型。通过对比，说明了射线 跟踪传播模型比其它传播模型能更好的适用于微蜂窝环境的网络规划中。在广泛查 阅国内外最新资料的基础上，对射线跟踪传播模型的关键技术做了系统研究。 首先分析了测试射线法的高效、简洁，精度低的特点和镜像理论法精度高，在 复杂传播环境中计算困难的特点，结合两者的优点提出了一种改进的射线跟踪算法。 该方法先使用测试射线法快速的找出从源点到场点的粗略路径，然后用镜像技术进 行路径修正。这种方法使得寻找有效镜像点更为容易，适用于任何复杂的传播环境 中，在保证了精度的前提下提高了效率。当传播环境复杂时，如果只使用射线跟踪 法，则计算量大、效率低，因此应该使用加速方法提高效率。 接着本文分析影响射线跟踪效率的因素，提出一种基于历史缓存技术的射线跟 踪加速算法。该方法通过建立一个缓存区存储历史路径信息，用来减少射线与建筑 物的相交次数，以提高射线跟踪的运算效率。然后讨论了这种加速方法与其它空间 分区加速法的结合，进一步提高了射线跟踪的运算效率。 最后本文采用了这些算法建立了射线跟踪传播模型，并用c + + 语言在v i s u a l s t u d i o2 0 1 0 编程平台上进行了编程实现。将本文的加速方法与其它的加速方法进行 了对比，验证了本文加速方法的有效性。使用该模型对典型的微小区进行了仿真计 算，并与实测数据进行对比，验证了该模型的正确性和有效性。同时，使用在微小 区进行网络规划时常用的一种传播模型c o s t 2 3 1 w a l f i s c h i k e g a m i 模型，在同样微 小区中进行了仿真，并与射线跟踪传播模型的预测结果和实测数据进行了对比，验 证了射线跟踪传播模型更适合在微小区的网络规划中使用。 关键词：传播模型；射线跟踪；路径损耗；网络规划 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p r o p a g a t i o nm o d e li st h eb a s i sf o rw i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n g a c c u r a t e l yp r e d i c t i o n r e s u l t sp l a yav i t a lr o l eo na c c u r a c ya n dr a t i o n a l i t yo fp l a n n i n g w en e e dam o r ea c c u r a t e d e t e r m i n i s t i cp r e d i c t i o nm o d e li nm i c r o - d i s t r i c ta n dr a y - t r a c i n gi sak i n do fd e t e r m i n i s t i c m o d e lt h a tc a l lw e l la d a p tt os u c har e q u e s t t h ep a p e rd e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r yo f r a y - t r a c i n ga n do u t l i n e ss e v e r a lc o m m o n l yp r o p a g a t i o nm o d e l su 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 b yc o n t r a s t , w ei l l u s t r a t e st h a tt h er a y t r a c i n gm o d e lc a nb eb e t t e rt h a no t h e r m o d e l sf o rn e t w o r kp l a n n i n gi nm i c r o - c e l l u l a re n v i r o n m e n t t h ep a p e rh a sd o n es o m e s y s t e m a t i cr e s e a r c hw o r ko nr a y - t r a c i n gm o d e la f t e rr e f e r r i n gt om a n yc l a s s i co rn e w m a t e r i a l sa th o m ea n da b r o a d f i r s t l y ，t h et h e s i sa n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a yt e s t i n gm e t h o da b o u tt h ee f f i c i e n t , s i m p l ea n dl o w e rp r e c i s i o n , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m a g em e t h o da b o u th i g h e r p r e c i s i o na n dt h ed i f f i c u l t i e si nc a l c u l a t i n gi nac o m p l e xp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t i t f i r s t l yf i n d st h ea p p r o x i m a t ep a t hf r o mt h es o u r c ep o 缸t ot h es c e n ep o i i i tq u i c k l yb yr a y t e s t i n gm e t h o d , a n dt h e na d j u s t st h ep a t hb yt h ei m a g em e t h o d t og e tap r e c i s ep a t h t h i s a p p r o a c hi sm u c he a s i e rs e a r c h i n gf o rt h ee f f e c t i v ei m a g ep o i n t , a n dc a nb ea p p l i e dt oa c o m p l e xe n v i r o n m e n t w h e ni nt h ec o m p l e xt r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t ，i fo n l yu s i n g r a y - t r a c i n gm e t h o d ，t h e r ew i l lb ea r i s ep r o b l e mo fl a r g ec o m p u t a t i o na n dl o we f f i c i e n c y s e c o n d l y ，t h et h e s i sa n a l y s i ss o m ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ee f f i c i e n c yo fr a y t r a c i n g , a n e wa c c e l e r a t i o na l g o r i t h mo f r a y - t r a c i n gb a s e do nh i s t o r yb u f f e ri sp r e s e n t e dt oi m p r o v e t h e e f f i c i e n c yo fr a y t r a c i n ga l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mc a nr e d u c et h en u m b e ro f i n t e r s e c t i o nc a l c u l a t i o nb e t w e e nr a ya n df a c e sb yu s i n gab u f f e rt os t o r et h eh i s t o r i c a l i n f o r m a t i o n t h e n ，w ed i s c u s e sh o wt oc o m b i n et h i sa c c e l e r a t i o na l g o r i t h mw i t ho t h e r s p a t i a ld i s t r i c ta l g o r i t h mt of u r t h e ri m p r o v ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y f i n a l l y ，t h et h e s i su s e st h e s ea l g o r i t h m st oe s t a b l i s hr a y - t r a c i n gp r o p a g a t i o nm o d e l ， a n du s e sc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g et op r o g r a mi nv i s u a ls t u d i o2 010p l a t f o r m c o m p a r i n gt h i sa l g o r i t h mw i t ho t h e rm e t h o d s ，c o m p a r a t i v er e s u l t si n d i c a t et h ev a l i d i t yo f t h ea c c e l e r a t i o na l g o r i t h mp r e s e n t e di nt h et h e s i s t h e nu s e st h er a y - t r a c i n gp r o p a g a t i o n m o d e ls i m u l a t i o nc a l c u l a t e st h et y p i c a lm i c r o c e l la n dc o m p a r e sw i t ht h em e a s u r e m e n t d a t a , r e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e li sc o r r e c ta n de f f e c t i v e ，a n db ym e a n so fc o m p u t e r s i m u l a t i o n , w ec o m p a r e st h ec o s t 2 31 - w a l f i s c h - i k e g a m im o d e lt h a to f t e nu s e di n i i 重庆邮电大学硕士论文 m i c r o - c e l ln e t w o r kp l a n n i n gb e t w e e nt h e p r e d i c t i o nr e s u l to fr a y t r a c 吨m o d e la n d m e a s u r e m e n td a t ai ns a m ed i s t r i c t , c o m p a r a t i v er e s u l t ss h o wt h a t t h er a y - t r a c i n gm o d e li s m o r es u i t a b l ef o rn e t w o r kp l a n n i n gi nt h es m a l la r e a k e yw o r d s ：p r o p a g a t i o nm o d e l ，r a y - t r a c i n g ，p a t hl o s s ，n e tp l a n n i n g i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着移动通信系统的日益发展和3 g 网络不断的商用，无线网络承担着比过去 更多的业务和更高的数据传输率，而人们对无线通信质量的要求也越来越高。虽然 硬件设备的改善对通信质量的提高有着重要的作用，但精细的网络规划对通信质量 的好坏却至关重要，决定了网络的基本布局。如果网络没有经过良好的规划，将会 浪费资源，增加建设成本，并在网络投入使用后会产生通信质量上的诸多问题。因 此网络规划在蜂窝移动通信网建设中必不可少，龙其在网络建设的初期。网络规划 的结果确定了网络基本的架构，它的优劣直接影响到网络系统的性能和建设成本。 规划主要目的就是在满足通信质量的前提下，提高无线网络设施使用率，以最少的 投资满足需求，为未来网络的运行，优化和扩容奠定一个坚实的基础。 无线网络规划就是根据无线通信系统的覆盖要求、容量需求和服务质量需求等， 结合要覆盖区域的地形分布特征，设计出合理的无线网络架构。由于无线信道自身 的特性，使得无线网络相比有线网络更加复杂，电波传播跟周围环境的分布息息相 关，同时车流量和终端移动速度、工作频率、其它电磁干扰源也都影响着电波传播。 因此，要想得到精确的网络规划，就必须了解电波传播的特性和据此进行的场强预 测，而传播模型就是用来描述电波传播特性的方法。它主要用于预测地形、障碍物 和人为环境对电波传播中路径损耗的影响。 一个精确传播模型能够准确的估算出基站覆盖范围和网络覆盖状况，从而对满 足网络覆盖目标所需要的基站最优数量和基站的最佳位置提供决策支持，分析出不 同系统间的干扰，同时也为移动通信系统性能的研究提供数据支持。因此传播模型 是移动通信网规划的基础，传播模型选用得当以及模型的精确与否关系到网络规划 是否合理，关系到运营商的投资是否经济合理、是否满足了用户的需求。在我国地 幅广阔，各种地方的地形地貌、建筑物分布和植被等均不同，这些参数直接影响着 网络的质量和信号覆盖的情况。而无线传播环境的千差万别使得没有任何一个传播 模型能够适应所有的传播环境。因此，在网络规划中要想得到精确和合理的结果， 应该针对不同的环境选择合适的传播模型【i j 。 同时随着移动通信业务量的急剧增加，需要提高移动通信网的容量，而频率资 源的有限性成为瓶颈。为了解决这一矛盾，将空间复用，蜂窝移动通信系统变得越 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 来越小，出现了微蜂窝、微微蜂窝移动通信系统，它们在市区和密集市区发挥着越 来越重要的作用。在这种环境中，建筑物分布密集，基站天线高度低于建筑物平均 高度，丢失了蜂窝间统计相似的关系，使得以统计方法为主的传统经验模型不再适 用【2 】，网络规划所需的传播参量( 如路径损耗) 只能通过对现场测量，或者通过确 定性模型对实际几何和物理模型计算得到。因此在这种环境下进行网络规划所采用 的传播模型跟其它环境的有所不同，需要进一步分析和研究。 1 2 研究现状 传播模型对无线网络规划的重要性早已经成为移动通信领域的共识。传播模型 预测结果的精确不仅能合理估算出基站覆盖范围和网络覆盖的状况，而且能对满足 网络覆盖目标所需要的基站最优数量和基站摆放的最佳位置提供决策支持，因此国 内外对电波传播特性和功率覆盖预测的研究已高度重视。传播模型就是用于预测无 线电波在传播过程中因地形特征和人为环境造成的路径损耗特性。根据目前国内外 的研究，传播模型按其特性可以分为：经验模型、半经验半理论模型和理论模型【3 1 。 ( 1 ) 经验模型 经验模型中比较经典是o k u m u r a - h a t a 模型1 4 、c o s t 2 31 一h a t a 模型【卯。这一类 模型是根据特定环境的测量数据，然后统计分析导出的公式，不同的环境必须建立 不同的计算模型。该方法由于是根据统计得出的，不需要给出特定环境的分布情况， 通常只用来预测粗略的路径损耗。随后，由于蜂窝网变得越来越小，基于统计数据 的经验模型已经不太适用，同时也有大量文献 6 - 7 1 研究对原有的传播模型进行校正， 重新获得较为准确的预测模型。但是当环境发生变化时，必须通过专业人员测试校 正，不方便于实际操作。 ( 2 ) 半经验半确定性模型 半经验半确定模型中较为经典的是c o s t 2 3 1 w a l f i s e h - i k e g a m i 模型【8 】。该模型 又称为混合模型，是先使用确定性方法在一般的环境中导出的公式来进行场强覆盖 预测。为了使实测结果与公式相符合，需要对当地环境进行实测并对公式进行修正。 虽然这种模型使用方便、计算速度快，而且在一定程度上考虑了地形特征对电波传 播的影响，但是与经验模型一样，在环境改变时需要专业人员测试修正，预测精度 也不是很高。 ( 3 ) 确定性模型 该模型是直接应用电磁场理论对现场环境进行计算。这种模型不需要人为测试 修正，而且预测精度较高，但因为计算量大、耗时多，以前没有广泛应用。随着通 信技术和计算机的发展，确定性模型易于实现，许多学者前后提出了大量的确定性 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 模型，如时域有限差分法 9 1 ( f i n i t ed i f f e r e n t i a l 吼m ed o m a i n ，f d t d ) 、不变性测试 方程法i l 叫( m e a s u r e de q u a t i o no fh v a r i a n t e ，m e i ) 以及基于几何光学( g e o m e t r i c a l o 砸c s g 0 ) 和几何绕射( 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 ) 、一致性绕射 ( u n i f o r n lt h e o r yo f d i f f r a c t i o n , u t d ) 理论的射线跟踪技术1 1 1 1 ( r a y - t r a c i n g ) 。 f d t d 方法对分布规则、简单的传播环境计算比较简单，但对于形状不规则且 地形复杂的城市环境，则实用性不大。用f d t d 方法可以计算出整个剖分域中的场 值，但是不能计算出特定位置的电波传播路径损耗。m e i 方法计算量小，通常用于 二维预测。同f d t d 一样，不能计算出特定位置的电波传播路径损耗。而射线跟踪 法是将电磁波细划为无数的射线束，近似的模拟出电波在传播过程产生的直射、反 射和绕射现象。因此，它能够根据电磁传播理论计算出到达接收点的多条路径，并 在接收点进行相干叠加再结合天线辐射方向图，计算出特定位置的场强、相位、时 延和极化信息。常用的射线跟踪法有测试射线澍1 2 1 、镜像法f 1 3 】、确定性射线管澍1 4 1 。 但是这些方法都有着一些缺点，近年来许多学者对这些方法进行了研究提出了一些 新改进的方法，如虚拟源树法【1 5 1 、射线管分裂新方法【1 6 】。无论使用何种射线跟踪方 法，都有一些共同的步骤，需要求出每根射线的反射、绕射和折射。当传播环境复 杂时，只使用这些方法是非常费时的，而且效率很低。一些学者针对这些问题进行 研究，提出了一些加速的算法，如空间分区法旧、角度分区法【1 8 】、八叉树分区射线 跟踪法【1 9 】、并行处理的射线跟踪法 2 0 1 和加速多镜像法【2 l 】等。 基于射线跟踪法建立的射线跟踪传播模型克服了其它模型的不足，在2 0 世纪 9 0 年代以来将这种模型运用于无线网络规划中得到了广泛的关注，提出了许多新的 射线跟踪传播模型。例如，在无线网络规划中的室外射线跟踪模型瞄1 以及在3 g 网 络规划中使用的射线跟踪传播模型1 2 3 1 等。 1 3 研究内容与论文结构 本文在查阅了大量文献的基础上，分析了无线网络规划中常用的几种传播模型 的适用范围和优缺点，指出了射线跟踪传播模型在密集城市的网络规划中的优势。 介绍了使用射线跟踪传播模型进行路径损耗预测的理论和方法。虽然射线跟踪传播 预测得到的结果与真实电波传播情况接近，且具有其它传播模型不具备的预测精度， 但射线跟踪传播模型也有自身的难点。第一个难点是如何精确地确定出所有能从发 射线点到接收点的射线传播路径。第二个难点在射线跟踪的大部分时间都用在射线 与建筑物的相交测试上，当传播环境复杂时，需要解决相当大的运算量，效率低下。 针对这些难点，本文分析了测试射线法和镜像理论法各自的特点，在此基础上 将这两种方法的优点相结合，提出了一种新的改进方法。这种方法能用于任何复杂 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的传播环境中，但它的本质还是基于镜像理论的，因此寻找到的路径是点对点的精 确路径。接着本文分析了直接空间分区法和八叉树加速方法，发现这些方法都是在 射线跟踪前期将整个区域划分成若干个子区域，以减少射线与建筑物求交的次数来 提高射线跟踪的效率。在此基础上提出了一种历史缓存加速方法，这种方法是在射 线跟踪的过程中利用历史相似路径来减少射线与建筑物求交的次数。探讨了本文的 加速方法与其它分区加速法相结合的方法，进一步提高了射线跟踪运算的效率。本 文根据这些算法，建立了射线跟踪传播模型，并进行了仿真，最后用预测结果与实 测结果进行对比，验证了本文传播模型的正确性和有效性。 论文的章节组织结构如下： 第二章介绍了无线网络规划中常用的几种传播模型，分析了不同传播模型在网 络规划中的适用场景。介绍了射线跟踪的基本理论以及场强覆盖预测的计算方法。 第三章分析了测试射线法和镜像理论法的各自的特点，在此基础上结合两者的 优点提出了一种新的改进方法。然后分析了影响射线跟踪效率的主要因素，提出了 一种新的射线跟踪加速算法。最后讨论了这种方法与其它空间分区加速法的结合。 第四章详细介绍了仿真的流程，包括地理环境模型的建立，加速技术和射线跟 踪算法实现的过程。将本文的加速方法与其它的加速方法进行对比，验证了本文加 速方法的有效性。然后对微小区进行仿真计算，将预测结果与实测数据进行比较， 验证了本文传播模型的正确性。最后对c o s t 2 3 1 w a l f i s c h i k e g a m i 模型进行了仿真， 并将预测结果与射线跟踪传播模型的预测结果和实测数据进行了对比。 第五章总结了论文完成的主要工作，展望了今后的研究工作，指出了下一步有 待继续研究的方向。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 第二章无线网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 不管是2 g 还是3 g 无线网络，其规划的核心内容都是覆盖规划和容量规划。因 此要想得到精确、合理的网络规划，首先应该选择一个精确的传播模型对基站信号 的覆盖做出较为准确的预测。而传播模型在无线网络规划中的作用就是确定频率的 分配、无线电波的覆盖范围、通信概率和系统间的电磁干扰计算等，它作为无线网 络规划的基础，其预测结果的精确性对网络规划的精确性和合理性有着决定性的影 响。在实际中，无线传播环境是非常复杂的，要想准确预测路径损耗，在传播时除 了要考虑周围地形的分布特征，还需考虑到建筑物的分布、树木及其它阻挡物对电 波的影响。由于传播环境的复杂、多样性，每个传播模型一般都是针对特定的传播 环境设计的，因此在网络规划时应根据自己的需要考虑在不同的环境中使用不同的 传播模型以适应各自的需要。下面将介绍在无线网络规划中常用的传播模型。 2 1 无线网络规划中的传播模型 2 1 1 常用传播模型简介 ( 1 ) o k u m u r a - h a t a 模型 o k u m u r a - h a t a 模型是在19 8 0 年m a s a h a mh a t a 对o k u m u r a 模型进行简化后给 出了拟合公式。这种模型在无线网络规划中是一个经典的、广泛应用的传播模型， 通常用于城市、郊区等地的路径损耗预测。它根据特定环境的测量数据，经过大量 统计分析后导出的公式。适用于工作频率在1 5 0 - 1 5 0 0 m h z 的电波，作用的范围为 宏蜂窝系统，适用于3 0 - - 2 0 0 米高的基站天线和1 - 1 0 米高的移动台天线。 在实际应用中，使用o k u m u r a - h a t a 模型可以粗略预测出市区信号的覆盖范围。 该模型在市区的预测路径损耗公式如下： 厶= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 0 9 f - 1 3 8 2 1 , + ( 4 4 9 - 6 5 5 l o g h , ) l o g d 一口( 砖) ( 2 1 ) 其中， 厂= 载波工作频率( m h z ) ； l = 平均路径损耗( d b ) ； 危= 基站天线的实际高度( m ) ； 允= 接收天线的实际高度( m ) ； d = 发射机到接收机的距离( k m ) ； 口( 玩) = 移动天线高度修正因子( d b ) ，其数值大小由环境决定。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 在中小城市，修正因子为 口( q ) = ( 1 1 l o g f - 0 7 ) 砖- 1 5 6 l o g f + 0 8 ( 2 2 ) 在大城市，修正因子为 d ( 忽) = 3 2 l 0 9 2 ( 11 7 5 h , ) 一4 9 7 ( 2 3 ) 在郊区，o k u m u r a - h a t a 模型的预测路径损耗公式应修正为 丘= l - 2 l 0 9 2 ( f 2 8 ) 一5 4 ( 2 4 ) 移动台天线的位置不同也会对路径损耗产生很大的影响，如天线的位置在室内 的修正值为1 5 d b ，在窗户旁的修正值为3 d b 。不同的地形也对传输损耗的修正值影 响很大，如在丘陵地区的修正值为1 0 d b ，在开阔地的修正值为2 5 d b 。 ( 2 ) c o s t 2 3 1 h a t a 模型 在建筑物密集的市区，小区半径被划分的越来越小，甚至已经只有几百米大。 在这样的地区直接使用o k u m u r a - h a t a 模型进行路径损耗预测，其结果将会出现更大 的偏差。为了改善偏差，使o k u m u r a - h a t a 模型的预测结果更为合理，欧洲研究委员 会c o s t - 2 3 1 在o k u m u r a - h a t a 模型的基础上提出了一种新改进模型，即 c o s 配3 1 h a t a 模型。该模型预测路径损耗的公式为 乙( d ) = 4 6 3 + 3 3 9 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 h t a o r ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 h r ) l g d + c 0 ( 2 5 ) 式中的c 0 为大城市密集中心的修正因子，= 3 d b 。如果在中小城市和郊区， 其值为o d b 。 c o s t 2 3 1 h a t a 模型同o k u m u r a - h a t a 模型的适用范围一样。同时此模型只能用 在基站天线高度高于周围建筑顶的蜂窝环境中，即小区制蜂窝和大区制蜂窝的无线 移动通信系统中。 ( 3 ) c o s t 2 31 - w a l f i s c h - i k e g a m i 模型 c o s t 2 3 1 w a l f i s c h - i k e g a m i 模型属于半经验半确定性模型的一种，是基于确定 性方法导出的公式。当前，移动用户数量的突飞猛涨，网络容量承受巨大的压力， 为了提高网络容量和频率利用率，蜂窝网被划分的越来越小，密集市区的蜂窝小区 半径不到3 0 0 米。在这种情况下，传播模型必须适应这种新的发展需求。欧洲委员 会c o s t 2 3 1 结合经验模型和确定性模型方法的优点后，提出了一种新的预测模型， 即c o s t 2 31 w a l f i s c h - l k e g a m i 模型。它主要以i k e g a m i 模型和w a l f i s c hb e r t o n i 模型 为基础，考虑了自由空间的路径损耗、建筑物边缘产生的附加损耗和绕射损耗。适 用于预测频率在9 0 0 2 g h z 和小区半径大于0 0 2 k i n 的微蜂窝网。 c o s t 2 31 w a l f i s e h - i k e g a m i 模型分为视距和非视距两种情况进行城市市区路径 损耗预测。 在视距情况下，路径损耗公式为 厶= 4 2 6 + 2 6 1 9 d + 2 0 l g f( 2 6 ) 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 在非视距情况下，路径损耗有自由空间损耗厶、多次屏蔽绕射损耗k 和屋顶 至街道的绕射和散射损耗组成： 上= 厶+ 厶，耐+ 订 ( 2 7 ) 厶= 3 2 4 + 2 0 1 9 d - 4 - 2 0 1 9 f( 2 8 ) 屋顶到街道的绕射和散射损耗公式为 厶= 一1 6 9 1 0 1 9 w + 1 0 1 9 f + 2 0 1 9 + 厶 ( 2 9 ) 式中的参数如图2 1 所示，如吨为建筑物顶到移动台的高度；口为入射波方 向与街道走向的夹角；厶为考虑街道走向后的修正因子，定义为 厶= - 1 0 + 0 3 5 4 a 0 。a 3 5 。 厶= 2 5 + 0 0 7 5 ( a - 3 5 ) 3 5 。口5 5 。 ( 2 1 0 ) 厶= 4 0 1 1 4 ( a - 5 5 ) 5 5 。a 9 0 。 基站天线移动台天线 图2 1 非视距参数定义图 久 多次屏蔽绕射损耗为 k = + 吒+ k dl g d + 01 9 f - 9 1 9 6k 邳 ( 2 1 1 ) 厶甜= 0 吒= 5 4 0 8 k ，d 5 0 0 m ( 2 1 2 ) 吒= 5 4 一1 6 她k ，d 5 0 0 m k ，为电波工作频率对多屏蔽绕射损耗的影响： 七，= _ 4 + o 7 【( 厂9 2 5 ) 一l 】中等城市和郊区( 2 z 3 ) 七，= - 4 + 1 5 ( f 9 2 5 ) - 1 】大城市市中心( 2 1 4 ) ( 4 ) 射线跟踪传播模型 在无线移动通信系统中，基于统计意义上的经验传播模型在以往的郊区和城市 7 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 都得到广泛的应用。这些模型必须在基站天线放置在小区中较高的地方，并且移动 终端被大量障碍物所阻挡的条件下，即典型的宏蜂窝环境中，给出的预测结果较为 满意。但是，话务服务和网络容量日益的增涨，为了充分利用频率资源满足这一要 求，出现了微蜂窝和微微蜂窝网。它的前提是基站天线不像宏蜂窝一样要高于周围 建筑物，而是被放置在低于建筑物的地方。微蜂窝网的出现丢失了小区间统计的相 似性，这时传统的经验模型预测出的结果不能满足网络规划的需要。在这种情况下， 网络规划所需的路径损耗或信号覆盖信息只能通过现场环境的测试，或者通过三维 电子地图与确定性传播模型计算来得到。 射线跟踪是确定性传播模型中较为经典的一种。它不仅能精确预测基站天线到 移动终端之间的路径损耗中值，还能预测出在实际传播环境中多径信号的幅度、时 延和到达角。由于3 g 网络白干扰的特性，在进行规划时需要更加精确的预测结果。 而以经验模型和二维电子地图为基础的2 g 网络规划因没有考虑建筑物的分布及绕 射对信号的影响，精度相对较低，已不能适用于3 g 网线规划。而射线跟踪传播模 型是基于三维电子地图的，通过模拟电波传播的机制并在充分考虑建筑物的分布及 特征对电波传播的影响后，使用电磁理论计算出每一接收点上信号的强度，预测的 精度较高，能更好的满足3 g 网络规划的需要。 射线跟踪传播模型是在2 0 世纪8 0 年代初提出的，它是基于几何光学( g o ) 原理、 几何绕射理论( g t d ) 和一致性绕射理论( u r d ) 。在高频条件下，可以将电磁波 模拟成无数的射线，然后跟踪每条射线来确定电波传播机制中的反射、折射、散射 和绕射等。最后将到达接收点的所有射线相干叠加，从而计算出从基站天线到移动 终端的路径损耗中值、时延、相位和到达角。 射线跟踪传播模型在特定的环境中可以给出比较准确的预测结果，但是计算量 大，效率低，并且随着环境复杂度的升高其计算量成指数上升。通常射线跟踪传播 模型主要应用于较小的环境中，如密集市区的微蜂窝和室内环境中。即使这样，也 要对许多场景进行简化。同时射线跟踪还依赖于精确的三维数字地图，因为射线跟 踪的过程就是射线与建筑物不断求交的过程，所以在地图中需要用几何形状将建筑 物的轮廓和墙壁抽象出来，如用面、线段、点等来表示建筑物。 2 1 2 不同传播模型在无线网络规划中的适用场景分析 o k u m u r a - h a t a 模型是根据大量测试数据统计分析后得出的经验模型，该模型适 用于城区准平坦地形之上进行路径损耗中值预测。o k u m u r a - h a t a 模型是对o k u m u r a 模型的一种改进，没有考虑o k u m u r a 模型对地形修正的那部分。同时也没有考虑基 站天线到移动台之间的地形、地物分布特征，忽略了反射的影响。其公式只有四个 8 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 变量，所以简单、易用，计算速度也很快，通常适用于基站天线比周围建筑物顶和 障碍物都要高的宏蜂窝环境下。o k u m u r a - h a t a 模型的传播损耗主要考虑的是来自移 动台附近区域建筑物顶的绕射，由于在小半径大于i k m 以上的地区郊区和农村地 区，地物分布较稀，电波传播主要来自地面反射和建筑屋的绕射，因此在这种地区 该模型可以给出合理的预测结果。而在小区半径l k m 以下的人口多、建筑物密集 的市区，该模型的误差较大。c o s t 2 3 1 委员会进行了大量的现场测试及模型分析后， 提出了c o s t 2 3 1 h a t a 模型改善了o k u m t t r a - h a t a 模型只能用于宏蜂窝环境下的缺 陷，使之能用于高楼密集的微小区中。但这种模型没有考虑墙面反射和建筑物拐角 绕射等因素，预测的精度仍然不高。后又根据w a l f i s e h 和b e a o m 模型，考虑了多 次屏蔽绕射损耗、自由空间损耗、建筑物绕射损耗和街道方向因子等，提出了半经 验半确定性模型c o s t 2 3 1 w a l f i s c h - i k e g a m i 模型。该模型在预测时分为视距和非视 距两种情况，通常适用于小区覆盖半径为2 0 0 m 到3 k m 的密集城区。但当基站天线 高度与建筑物项高度接近时，预测结果会产生突变。当基站天线高度低于建筑高度 很多时，该模型的性能会变得非常差。同时c o s t 2 3 1 w a l f i s e h - i k e g a m i 模型没有考 虑街道峡谷的波导效应和建筑物拐角的绕射以及建筑物分布的影响，因此预测的精 确性还是不高。 在宏蜂窝环境下，从发射天线到接收天线的距离是非常长的，传播环境中存在 着大量的阻挡物和复杂的散射体，因而电磁波的路径很难确定。另外，在长距离传 输的情况下，菲涅尔半径会变得过大，使用射线跟踪理论来预测宏蜂窝环境下的电 波传播的可信度也不是很大。在这种情况下，电波传播在很大程度是基于统计意义 的，基站周围的环境对对电波传播的影响甚小，因而在宏蜂窝环境下直接使用经验 模型或半经验半理论模型就可适应需要。在微蜂窝环境中，由于存在很少的电波传 播路径，射线跟踪可以计算出从发射机到接收机之间的所有不同的射线路径。 用传统的经验模型在通过大量数据的统计后和实际情况接近，但用射线跟踪传 播模型模拟电波在小区中传播得到的结果与实际的情况更加接近，特别是在密集的 建筑物区域，更能反映出电波传播的真实情况。同时，在室内环境下，由于射线跟 踪是基于详细的地理信息，能够考虑建筑物内部的特征，因此可以对多径信号进行 解析计算，进而精确的预测出室内信号的覆盖情况，而传统的模型在预测室内信号 覆盖时却无能为力。除此之外，、在三维空间进行射线跟踪，射线是按照一定的方向 角和仰角发出的，因此能考虑基站天线辐射方向图对每条射线的影响，还能计算出 到达移动台天线的射线方向角和仰角阱】。与传统的传播模型相比，射线跟踪传播模 型能够分析处理具体位置的电磁特性，而在统计方面，两种模型相差无几。在实际 的无线网络规划中应该根据不同的需要和不同传播模型的优缺点选择使用射线跟踪 传播模型还是传统的传播模型。由于射线跟踪传播模型还无法考虑移动车辆、人流 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 量大小和植被对电波传播的影响，因此在预测前，需要对地理环境进行一定的简化， 这也引入了一定的代价。另外，射线跟踪传播模型的计算量也比其它传播模型的计 算量大的多，虽然算法不断在改进，效率也在不断的提高，但是比传统的模型计算 量还是很大。如果在所有的区域都使用射线跟踪传播模型进行预测，运算量将大的 惊人，显然行不通。 从上面分析可以得出，射线跟踪传播模型适用于密集城市的网络规划，而在一 般的城市或郊区考虑成本等因素，使用传统的传播模型就可以了。 2 2 射线跟踪基本理论 射线跟踪传播模型属于确定性模型中的一种，其预测结果是通过电磁场传播理 论计算得出的。需要考虑的是基站天线辐射电磁波形成的覆盖区域以及受到地面、 建筑物等阻挡时产生的反射和绕射。但是要详细、完备的描述在任意环境中的这些 电磁场问题是一个非常复杂的，要按照给定的初始条件及边界条件去求解m a x w e l l 方程或波动方程。只有当散射体的形状吻合于一个可分离的坐标系，并且有严格的 级数解时，这种方法才能得出解析解。因此要得到严格的解析解是件非常困难的事， 通常要用近似的方法。 2 2 1 高频场中电磁波的几何光学近似 当电磁波的工作频率处于高频时，波长会很短，媒质在空间的变化十分缓慢， 这时电磁波的传播和散射具有局部特性，也就是说在一个给定观察点附近的场不需 要由初始表面上场的分布来求得，仅需要该表面上某一有限部分的场分布来求得【3 j 。 例如，对反射场起主要贡献的是反射点附近的第一菲涅尔区。于是可以在局部上将 电磁波的波阵面看成是平面波，即垂直于电磁波传播方向上的平面。由于高频场的 局部特性，使得利用几何光学来分析处理电磁波的传播问题成为可能。 几何光学是将光看作光能量传播方向上的几何线，以光在均匀媒介中的直线传 播定律和光在不同媒介面上的反射、折射定律为基础，用几何运算的数学法来研究 光的传播【2 5 1 。几何光学研究的范畴只是光抽象的客观表现，没有研究光的内在本质， 只是波动光学( 以电磁理论为基础，认为光波也属于电磁波) 在波长趋近于零时的 一种近似。下面将从光的电磁理论出发，来阐述电磁波的波长趋于零时如何过度到 几何光学。 对于各向同性非均匀的介质，标量电磁场的波动方程为 1 0 重鏖塑皇盔堂堡圭迨壅 箜三童玉垡网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 二= - = 二二二= _ 二二二二= 二= = 二：= ：詈：= ：= a 2 ua 2 “a 2 材 1a 2 “ 丽+ 矿+ 虿2 虿 ( 2 1 5 ) 其中，v - v ( x ，y ，z ) = d n ( x ，弘力是介质中的波速，刀= n ( x , y ，z ) 是各向同性非均 匀介质的折射系数，c 是自由空间中的光速。在一般情况下，该方程的解可以表示为 u = a ( x ，y ，z ) e 成y 卜川 ( 2 1 6 ) 波前方程确定于9 ( x ，y ，z ) - v t = 0 。由于i l 和1 ，在均匀介质中为常数，因此波前方 程为9 ( x ，y ，z ) = 常数。 而对于非均匀介质，波前方程的条件可表示为 9 ( 而y ，z ) - v ( x ，y ，z ) t = 0 ，印( x ，j ，z ) 一d = 0 即 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 1 f ，= 砷( x ，y ，z ) = 常量 其中，1 f ，= y ( x ，y ，z ) 为相位函数。 因此，波动方程的解式( 2 17 ) 又可以表示为 甜：彳( 而y ，z ) p 7 “几帅1 ：撕，z ) p 埘掣一，l 若假设q = c r = 叫捍在一个波长范围内变化很小时，有 塑= - i d a e m ( 粤：趣2 彳p 倒和 宴：掣口倒詈- + j f 2 a o ve m 印 o x o xc t g x 害= 可g q 2 ap f l a ( e c - t ) 埘詈罢豢p 艇) + 詈么丽0 2 驴rf i n ) 一等么尝炜皿( 和 ( 2 2 0 ) 类似的，有 等。可c 3 2 ap i n ( e f - i ) + 2 詈考詈e 廊拦c _ f ) + 詈彳害p 廊( ) 一等钺c 3 砂矿，2 e j o ( ) ( 2 2 1 ) 警= 萨c 0 2 a g i n ( e c - t ) 坦了f 2 西0 a i & gp 厕印+ 詈彳軎p 倒) 一垡c 2 彳e 心倒) ( 2 2 2 ) 代a ( 2 1 5 ) 式，由虚部、实部分别相等，可以得 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络规划中的传播模型与射线跟踪基本理论 v 2 a 一- - w a ( v v , ) 2 _ _ r 2 】- 0 ， n 2 v a