（通信与信息系统专业论文）gsmr干扰评估及定位研究.pdf

j e 塞奎道友堂亟兰焦硷毫生奎埴星 中文摘要 摘要；移动通信系统的干扰是影响无线网络的质量和传输可靠性的重要因素 之一，为了保证移动通信网能够有效地运转，使所有用户能够互不干扰地通信， 必须进行干扰的评估与协调，这是无线通信组网设计中最重要的任务之一，也是 网络初建、改建、扩容、优化各个阶段需要关注的问题之一。本文介绍了g s m r 网络建设前干扰的测试方案及方案的选取原则，并利用电波传播理论提出了一套 全新的查找干扰源的方法。 第一章概述简要介绍了g s m - r 干扰评估在网络建设中的重要性，国内外研究 现状，并介绍了论文要完成的工作； 第二章介绍了电波传播理论及最常用的o k u m u r a h a t a 传播模型根据电波传 播模型结合g s m - r 上下行频段利用m a t l a b 仿真了路径损耗曲线； 第三章论述了干扰的模型与分类，提出了干扰信号的数学模型并且根据干扰 源频率不同将干扰源分类； 第四章论述了干扰评估测试方法的分类及选取原则，结合电波传播理论研究 了动态测试中抽样间隔如何选取问题； 第五章针对g s m - r 干扰主要为中国移动共用频率干扰的特点提出了一套全新 的干扰源查找方法，并利用数学模型结合电波传播理论建模，用m a t l a b 程序实 现并给出了仿真结果： 第六章对全文进行总结，提出进一步研究的方向。 关键词：g s m - r ；干扰评估；测试方案；干扰源定位； 分类号；t n 9 2 95 3 2 韭塞窑强太堂熊兰位i 佥毫 缱5 墅坠! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h em t c eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sa f f e c t i n gt h e q u a l i t yo ft h ew i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n di sb e c o m i n go n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r so fc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y ，mo r d e rt o e n s u r et h a tm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st o o p e r a t ee f f e c t i v e l ya n da l l u s e r sc a l lc o m m u n i c a t e n o n i n t e r f e r e n c e ，w cn e e dt oa s s e s sa n dc o o r d i n a t ei n t e r f e r e n c e ，t h i si so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt a s k s i nt h e d e s i g no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , b u ta l s ot h e b e g i n n i n go ft h en e t w o r kc o n s t r u c t i o n ，a l t e r a t i o n , e x p a n s i o n ，o p t i m i z et h en e t w o r ki sa q u e s t i o nn e e dt oc o n c e r t li nv a r i o u ss t a g e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei n t e r f e r e n c e t e s t i n gs c h e m ea n dt h es e l e c t i o np r i n c i p l eb e f o r eg s m - rn e t w o r kc o n s t r u c t i o na n d u s i n gr a d i ow a v ep r o p a g a t i o nt h e o r yp u tf o r w a r d 盘n e w m e t h o dt os e a f c hi n t e r f e r e n c e s o u l o e c h a p t e rii n b - o d u e et h ei m p o r t a n c ei na s s e s s i n gg s m - r i n t e r f e r e n c ei nt h ep r o c e s s o f n e t w o r kc o n s t r u c t i o nb r i e f l y ，a n di n t r o d u c et h ep a p e rw o r k ； c h a p t e ri id e s c r i b e st h ew a v ep r o p a g a t i o nt h e o r ya n dt h em o s tc o m m o n l yu s e d o k u m u r a h a t ap r o p a g a t i o nm o d e la c c o r d i n gt or a d i ow a v ep r o p a g a t i o nm o d e lw i t h g s m - r u p l i n ka n dd o w n l i n kb a n d su s i n gm a t l a bt os i m u l a t et h ep a t hl o s sg r a p h ； c h a p t e r i d i s c u s s e st h ei n t e r f e r e n c em o d e la n d c l a s s i f i c a t i o n b r i n g o u t m a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n t e r f e r e n c e ，i nt h ef i g h to ft h ed i f f e r e n tf r e q u e n c yc l a s s i f y d i f f e r e n ti n t e r f e r e n c es o u r o o g c h a p t e ri vl o o n so ni n t e r f e r e n c et e s t i n gm e t h o d sa n dt e s tp a r a m e t e r ss e l e c t i o n , d i s c u s st e s t i n gm e t h o d sc l a s s i f i c a t i o na n ds e l e c t i o np r i n c i p a l ，c o m b i n i n gr a d i ow a v e p r o p a g a t i o nt h e o r yd i s c u s si i id y n a m i cr a n d o mt e s t i n gh o w t h ei n t e r v a l ss e l e c t e d ； c h a p t e rvi nl i g h to ft h em a i ni n t e r f e r e n c eo fg s m - ri sc h i n am o b i l es h a r i n g f r e q u e n c ys op u tf o r w a r dan e wm e t h o d st o s e a r c hi n t e r f e r e n c es o u r c e ，a n du s c m a t h e m a t i c a lm o d e lc o m b i n i n gr a d i ow a v ep r o p a g a t i o nt h e o r ym o d e l i n g ，n s m g m a t l a bp r o g r a ma n dg i v e st h es i m u l a t i o nr e s u l t s ； c h a p t e rv is u m m e du pt h ef u l lp a p e ra n dp r o p o s e df u t u r ed i r e c t i o ns h o u l db e s t u d i e d k e y w o r d s ：g s m r ：i n t e r f e r e n c ea s s e s s i n g ；t e s ts c h e m e ；s e a r c ht h ei n t e r f e r e n c e s o u r c e , c l a s s n o ：t n 9 158 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。待 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：善景薷 签字日期：1 b 曰年1 2 月t 6 日 导师签名： 签字日期：d 7 年r l ，月巧日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注_ 平| 致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高鼍毫 签字日期；一2 0 q 年1 1 月拍日 致谢 论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的，朱刚教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来朱刚 老师对我的关心和指导。 朱刚教授和钟章队悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活 上都给予了我很大的关心和帮助，在此向朱刚老师和钟章队老师表示衷心的谢意。 钟章队教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 蒋文怡老师、丁建文老师、李旭老师、张小津老师、吴吴老师对于我的科研 工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 感谢无线通信实验室的全体老师。感谢你们在我学习期间给予我的支持和帮 助，尤其感谢你们对我在实验室的学习和科研给予了极大的支持。 感谢无线通信实验室的全体同学。感谢你们在我学习期间给予我的支持和帮 助，尤其感谢你们对我在实验室的学习和科研给予了极大的支持。 在实验室工作及撰写论文期间，宋甲英、林思雨、张磊、周茜、陈皓、靳慧 年、冯辰、李丹、薛宾等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他 们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j e 宝变逼太芏班堂毽论塞 i l 宣 1 引言 1 1 g s m r 技术 1 1 1 产生背景及其发展 随着我国铁路提速及重载技术的不断发展现有的模拟制式铁路移动通信系 统技术落后、设备陈旧、功能简单，已不能满足现代化铁路发展的需求。使用一 套能够传送列车自动控制信息、列车安全信息、旅客服务信息等方面的数字化铁 路移动通信显得越来越重要，特别是在青藏铁路更需要解决列车位置、运行状态、 监控信息等数据、图像的无线传送和旅客公众移动通信等信息服务。 我国从1 9 9 4 年就开始对专用移动通信技术跟踪研究，当时的重点是对g s m - r 和t e t r a ( 陆上集群无线电通信) 系统进行比较选择，支持两种不同制式的研究 者们在此期间发表各自的论点和论据，集思广益进行讨论，并经过了长期的调研 和考察。由于g s m r 具有更适应铁路运输特点的功能优势，成熟的技术优势以及 符合通信信号一体化技术发展的需要，更重要的是g s m - r 支持铁路通信的可持续 发展，因此最终在2 0 0 0 年底确定将g s m - r 作为我国铁路未来发展的方向，之后 基于g s m - r 的各种铁路特色业务的开发，如无线列调、中国列车监控系统c t c s 、 g p r s 等在各大科研院所纷纷展开，并取得了巨大的成果。g s m - r 也在2 0 0 3 年下 半年获得了专用频段。2 0 0 4 年，北电为青藏铁路线部署了g s m - r 数字无线通信试 验网络，这也是亚洲首条完全基于g s m - r 的测试铁路，以及世界上第一个实施双 网覆盖的g s m r 网络。北电在艰苦的工作环境下如期完成所有测试，并且与国内 开发的铁路应用终端设备成功完成互联互通测试。去年，应用国内首个g s m r 网 络的全长1 1 4 2 公里的青藏铁路线开始运营。g s m - r 网络在中国漫长的铁道线上铺 设完毕后，一个更加便捷和迅速的铁道通信系统将大幅度增强我国的客运能力， 并进一步密切内地和沿海地区的交流。 1 1 2g s m - r 系统的优点 1 具有良好的兼容性。g s m r 系统采用主流技术，它不仅可以实现在最低限 度内改变现有铁路通信方式，而且还具有与公众电信网相融合的发展趋势，这种 良好的兼容性可确保铁路通信体制的标准化程度。 j t 宓窒亟太堂亟堂位论塞 i i 宣 2 具有强大的网络功能。g s m - r 系统不仅可以实现现有的全部铁路通信业务， 而且还能够满足未来对铁路无线通信系统的一般要求，如无线列车调度、站场无 线调度、作业移动通信，区间移动通信和公务移动通信等。 3 具有可扩充性和灵活性。随着g s m 技术的不断发展g s m r 系统的性 能也会不断得到扩充。例如，已投入商用的g p r s 技术可以使g s m r 系统为铁 路部门提供商速无线分组数据业务，实现诸如网上订票、查询、车站信息自动播 报等功能。又如，g s m r 系统也可以通过智能网( i n ) 平台引入各种铁路新业务。 4 具有高容量、高可靠性和高接通率。由于g s m - r 系统采用成熟可靠技术， 它能适应高速铁路通信的需求能够为时速高达5 0 0 k i n 的列车提供诸如列车自动 控制等信息发送和接收的优质通信服务。 5 系统操作简便。成本低廉。由于g s m - r 系统无需考虑铁路的特殊要求， 因此，不仅其操作方式要比公用移动通信网简便得多，而且可以减少建设投资， 系统日常维护成本也比较低。 1 1 3g s m - r 系统的功能 1 无线列车调度通信。g s m - r 系统可以实现铁路调度员与列车司机间的话音 通信和数据信息传输功能完成列车运行统一调度和指挥，确保行车安全、准点。 2 列车自动控制。g s m - r 系统可以实现列车与地面站之间的列车运行控制数 据信息的功能。为列车自动控制系统( a t e ) 通过移动闭塞控制列车按设定时图运行 提供有效可靠的传输通道。 3 站场调度作业。g s m - r 系统可为车站调度人员与机车司机之间建立通信联 络，其中包括调车员之间、机车司机之间、不同平面内调车作业人员之间的通信 联络，并能实现不同优先级的组呼、紧急呼叫等功能。 4 站场通信业务。g s m - r 系统可以为车站范围内有关铁路作业人员提供各种 通信业务。如车站值班人员、车辆检修人员、信号上、养路j 二、j 二程施上人员等 与各自业务部门进行联络。也可以进行跨部门的通信联络。 5 区白j 通信业务。g s m ，r 系统可以为在铁路沿线作业的铁路员丁提供公务通 信业务。其中包括紧急救援、应急抢险指挥等通信联络。可满足铁路线长点多的 通信需求。 6 特殊通信业务。g s m r 系统还可以为各业务部门提供特殊通信业务如列 车司机通过数据信息反馈可以随时检查列车尾部的风压状态：货运调度人员借助 g p s 定位系统与g s m r 系统传送同来的车号信息随时掌握车辆的具体位置：列车 工作人员通过g s m r 系统客票数据的收发可及时为车上旅客提供订票、订房服务。 韭宝窑逼太堂亟堂僮论塞i l 宣 我国铁路g s m - r 网络的发展目标是在全路建立一张移动通信网络，利用通信 的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接，确保列车平稳、高速、安全地 运行。同时，我国中长期铁路网规划中，计划到2 0 1 0 年，全国铁路运营里程 达到l o 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化率均达到5 0 ，运 输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平， 这一规划为g s l 4 - r 在中国的发展提供了宽广的发展空间。 1 2g s m r 干扰评估意义 我国现在已经建成了分别代表高原、重载和繁忙干线的青藏线、大秦线和胶 济线三条g s m - r 线路，客运专线的建设也已经进入了实施阶段。虽然g s m r 具 有功能完善、传输可靠、交换灵活、容量大等特点，在全球各国取得了良好的发 展，并在各国的铁路发展中扮演着越来越重要的角色，引导着全球铁路事业向着 数字化、智能化、网络化和综合化的方向发展，但在我国还有许多亟待解决的问 题，其中网络建设前的干扰评估就是其中需要解决的一个问题。由于我国g s m - r 使用的频段为：8 8 5 8 8 9 m h z ( 上行) 、9 3 0 9 3 4 m h z ( 下行) 共4 m 带宽，该频段 与中国移动公众移动通信系统按地域共用，其共用范围为：在直辖市、省会城市 和计划单列市的城区，g s m - r 系统协调的覆盖范围应小于铁路两侧各2 k m ：在其 他地域协调的覆盖范围应小于铁路轨道两侧各6 1 a n 。因此g s m - r 系统比公众移动 通信系统的干扰要复杂，除了系统自身特性外还可能会受到g s m 系统及c d m a 系统基站的干扰。目前，大规模的g s m - r 网络建设即将展开对g s m - r 网络进行 干扰评估测试可以发挥如下作用： ( 1 ) g s m - r 作为一种应用在铁路上的新技术，国内还没有成熟的网络建设经 验，干扰测试是g s m - r 无线网络规划流程中的重要一环，该环节的进展情况直接 影响到工程的实施。通过干扰测试有利于在发现干扰的地段采取可行的屯磁干扰 防护措施( 比如天线类型的选择、分集技术的采用等) ；有利于为工程的顺利开通 提供技术保障和后期网络优化提供参考。 ( 2 ) 对g s m r 系统进行实地干扰测试，并对测试数据做迸一步的分析处理会使 我们得到直观、可靠的分析结果，便于查找在g s m r 系统的工作频带内，铁路沿 线哪些基站设备站址存在干扰，有利于合理设置铁路沿线基站站址：同时对确定 干扰源的产权单位有帮助，便于双方协商制订频率协调措施，为g s m - r 系统频率 的分配提出科学、合理的建议。 ( 3 ) 移动通信系统的干扰足影响无线网络的质量和传输可靠性的重要因素之 一，为了保证移动通信刚能够有效地运转，使所有用户能够互小干扰地通信，必 韭宝窑通太堂亟堂僮论塞i i 宣 须进行干扰的评估与协调，这是无线通信组网设计中最重要的任务之一，也是网 络初建、改建、扩容、优化各个阶段需要关注的问题之一。在g s m r 系统中，干 扰将引起误码增加、话音质量f 降，数据传输差错增加。干扰严重时，会使无线 信道由于干扰电平达到门限值而阻塞，引起频谱资源的浪费。g s m r 移动通信系 统作为铁路专用移动通信系统，与公众移动通信系统不同的是它要求系统具有更 高的可靠性和q o s 来保障列车的安全运行。因此，在g s m r 移动通信网络建设 中应特别注意解决干扰问题，以便g s m - r 网络更好地发挥作用。 1 3 国内外研究现状 关于干扰评估的相关文献研究主要是针对干扰源及干扰的排除，本文的主要研 究方向是评估测试故未对干扰源来源及排除方法进行深入研觅而干扰评估测试与 场强测试都是通过仪器测量得出相应的场强值收集数据对网络环境进行的评价，可 以为网络建设及优化提供可靠而有效的数据。故可以借鉴其研究成果，而以往场 强测试的研究主要是针对数据处理和测试间距的选取，针对这两方面有相关的研 究如参考文献 2 1 1 3 1 ，而对于测试方法的分类和测试方法的选取原则没有论述，而 测试方法的正确选取会对测试工作量和测试的有效性产生极大的影响，故本文针对 这些问题提出了自己见解。 国内针对g s m - r 网络建设前的干扰定位未查阅到相关文献研究报道国内对 于g s m 公用移动通信网干扰源的查找的相关研究主要集中在网络建设完成后的网 络优化阶段，其干扰定位集中于同频干扰，而g s m - r 电磁环境的复杂性也是由于 它所使用的频段是与中国移动分地域共用。故其干扰评估主要也是针对同频干扰， 所以可以借鉴g s m 公用移动通信网的研究方法来进行研究。由于欧洲g s m - r 采 用的上行频段8 7 6 8 8 0 m h z ，下行频段是9 2 1 9 2 5 m h z ，是专门分配给铁路无线通 信使用，没有遇到和其他系统共同使用频率资源的词题干扰评估相对简单。在全 球最大的电子类数据库i e e e 上输入关键词“g s m r ”和“i n t e r f e r c n c e ”没有相关 研究文献。在查阅相关的g s m 干扰评估时也没有与本文中干扰源定位类似的思想 和方法。 对于公用移动通信网g s m 的干扰定位研究主要集中于以下几类： l 利用测试数据进行干扰源识别，如果是网外于扰利用频谱分析进行定位，如 果是网内干扰再判断是否是同频干扰如果是则利用解码的b s i c ( 基站识别码) 结 合网络规划数据进行相应的十扰排除措施1 4 1 | 5 , 步骤如下图1 1 所示： 2 利用网管系统数据、蜂窝小区规划数据以及路测数据查找干扰源【6 i ，对原网 络规划进行相应修改，消除干扰。 韭塞窑亟盍兰亟堂焦j 金塞 i i 宣 3 通过测试发现有干扰信号，在对干扰信号进行定位时采用定向天线进行逐步 逼近的方式查找1 7 1 。 圈iig s m 网络中干扰信号识别定位 f i g u r e lii n t e r f e r e n c es i g n a li d e n t i f i c a t i o na n dp o s i t i o n i n gp r o c e s si ng s m n 。t w o r k 对于以上几种干扰定位方法进行分析，我们发现方法1 需要网络的b s i c 数据 或者接收信号频谱数据，对于本文的研究主体来说主要是删络建设前的干扰评估 和定位故没有相关的b s i c 信息，此方法不适用：对于方法2 同样需要网络相关 规划数据而我们g s m r 在网络建设前的清频虽然主要针对中同移动g s m 的共用 频段干扰，但是我们无法拿到中嗣移动的网络规划数据，只有通过测试奁找，故 j e 塞窑通太堂塑堂毽途奎 i i 直 该方法对于我们也不适用。方法3 通过利用定向天线测试对干扰信号进行逐步定 位。该方法费时费力效率低，没有充分利用电波的传播特性。 1 4 本论文的主要工作与贡献 本文以电波传播理论为基础，在深入分析电波传播大尺度衰落和小尺度衰落 的基础上，结合g s m r 特定的使用频段和其电磁环境复杂性针对g s m - r 干扰评 估一系列问题进行了研究，通过以上问题的探讨和分析，本论文主要在以下几个 方面对该课题的发展做出了贡献： 1 ) 利用最常用的o k u m u r a - h a t a 模型针对g s m - r 上下行频段仿真了路径损耗 曲线，虽然各种教科书有很多关于o k u m u r a - h a t a 模型的路径损耗曲线图，但是没 有专门针对g s m - r 上下行频段的，本文的干扰源定位也需要利用路径损耗值，故 仿真该曲线便于利用。 2 ) 提出了干扰评估与场强覆盖测试的异同点及测试方法的分类。有很多关于 干扰评估和场强覆盖测试的文章，但是尚没有关于二者异同和测试方法分类的相 关研究，本文提出了自己的见解。 3 ) 提出静态测试和动态测试的选取原则。动态测试和静态测试作为两类重要 的测试手段，如何选取目前尚无依据，本文根据实际应用并结合工作量等其他因 素提出一个测试方案的选取原则。 4 ) 提出g s m r 干扰评估方流程和方法。干扰评估在g s m - r 通信系统的设 计阶段是一项重要的内容。由于g s m r 系统使用的频段和中国移动公用所以其干 扰更加复杂，因此很多针对g s m 公网的测试手段不适合g s m - r 的应用；因此针 对g s m - r 需要提出干扰评估方法。 5 ) 提出全新的干扰源查找办法。干扰评估的最终目的是要查找干扰源并排除 干扰，因此本论文拟结合干扰评估得到的数据和电波传播理论利用数学计算方法 定位干扰源，提出全新的干扰源查找办法。 j e 壶变通太堂鲤圭茔僮盈塞 生蕉篮撞鲤盈厘鱼丛：b 堕丝揖搓曲线笾直。 2 电波传播理论及g s m r 路径损耗曲线仿真 2 1概述 本章主要论述电波传播理论及常用的o k u m u r a h a t a 电波传播模型，为测试方 案参数的选取和干扰源定位定提供基本理论和分析方法。同时也对g s m - r 特定频 段路径损耗仿真了路径损耗曲线图。 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 复杂的地形地物，如建筑、山脉和树林等。测试仪器在运动过程中，地形环境不 断变化，使得无线信道具有极度的随机性。对于无线信道的建模一般利用统计方 法，井根据特定频带上的无线电波测量值来进行。 对传播模型的研究，主要分为两个方面： 大尺度传播模型，描述的是发射机和接收机之间长距离上的平均场强的变化 用于平均场强的预测。在工程应用中，平均场强采用的是场强中值。 小尺度衰落模型，描述的是短距离( 波长级) 或短时间( 秒级) 内接收场强 的快速波动。当发生深度衰落时，会造成系统的误码，严重时会造成通信的中断。 因此，在进行系统设计时，场强覆盖要有余量而且要通过选择合适的调制方式、 均衡、信道编码以及分集等技术来克h i 4 尺度衰落带来的影响。 2 2大尺度路径损耗特性 电磁波传播的机理总体上可归结为直射、反射、绕射和散射。下面就对这四 种传播方式的路径损耗逐一进行分析，以总结和归纳出电波传播大尺度路径损耗 的一般规律9 l 。 2 2 1 直射波损耗 电波在理想的、均匀的、各向同性的自由空间中传播时，存在因电磁场能量 扩散而引起的传播损耗。如图2 1 所示，在o 点有一个各向同性的辐射器，均匀 的向各方向辐射，辐射功率为p t ， 则在离波源为d 处的功率密度等于 s = 岳 ( 2 1 ) 图2 1 自由空间中各肉同性的辐射 f i g u r e 2 ii s o l t o p i cr a d i a t i o ni nt h ef r e es p a c e 收信天线的接收功率p r 为 只= s o a( 2 2 ) 式2 2 中a 为接收天线的有效面积。对于各向同性天线来说， 4 = ( 2 3 ) 4 万 可得接收功率p r 为 。= 器 综合考虑天线增益、系统损耗等因素，得到自由空间中距发射机d 处天线的 接收功率为1 7 1 ： 只= 器 ( 2 5 ) 1 4 万口l 式2 5 就是f r i i s 公式。其中，p r 是接收功率；g t 是发射天线增益；g r 是接收 天线增益；d 是t - r 间距离；l 是系统损耗因子；a 为波长。注意，f r i i s 自由空间 模型仅适用于距离为天线远场值的情况，以忽略远近效应对路径损耗的影响。远 场区的定义为： d d r = 2 1 ) 2 丑 ( 2 ，6 a ) 且满足条件： d ， d( 2 6 b ) d ， 五( 2 6 c ) 式2 6 中的d 为天线的最大物理线性尺寸。 当测定参考点的路径衰耗值p l ( d o ) 后，可得天线远场任意一点的路径损耗平 均值： p l ( d l d = 一p l ( d o ) + 1 0 1 0 9 怒 ( 2 7 ) 把p r ( d ) 带入f r i i s 公式，得： 瓦( 招) ：瓦i 历+ 2 0 1 0 9 ( _ d ) ( 2 8 ) 口o 可以看出，在理想的自由空问，电波传播过程中没有发生反射、折射、散射、 j 宝窑道左堂亟堂焦盈塞盟蕴佳撞堡监厘鱼巡堑丝翅盏鹊垡值羞 绕射的情况下，直射波的平均路径损耗随平方距离对数成正比。 2 2 2 反射波损耗 电波在不同性质的介质交界处，尤其是当电磁波遇到比波长大得多的物体( 如 地球表面、建筑物、墙壁表面等) 时，会发生反射，反射波的强度取决于费涅尔 ( f r e s n d ) 反射系数( r ) ( j e l ： e r = re i ( 2 9 ) 反射系数的大小与介质、极化方向、入射角、频率有关。具体计算如下： 垂直极化时，r ，= 堡罢譬# 尝 ( 2 1 0 ) 珑$ 1 1 1 q + $ 1 1 1 q 水平极化时，r j ：r l z _ s i n _ 目- , - r l s - i n i o s ( 2 i t ) 伤s i n 彰+ 珏$ 1 n 够 f 其中，= f 丛表示特定介质中平面波的电场磁场比率，i 为磁导率( h m ) ， v i 为介电常数( f m ) 。0i 为入射角，e 。为折射角，两者的关系满足s n e l l i u l 定理： 描毛s i l l ( 9 0 - o , ) f f i 岛s m ( 9 0 e ) ( 2 1 2 ) 电磁波垂直极化的情况下，当介质分界面上的入射角o 。大于b r 目, v s t c r 角eb 时，反射系数为0 ，即此时没有反射波。b r e = 、= v s t e r 角eb 满足： 螂，= 磊 ( 2 1 3 ) 地形是平面大地的无线信道，基站和移动台之间除了自由空间的直射波外， 还存在一条地面反射路径，这样在接收端的电波场强是两条路径电波的叠加，从 而得到双线模型，适用于远距离的场强预测。因为在近距离的情况下，直射波易 受到远近效应对路径损耗的影响：而且在近距离的情况下，电波在平面大地的入 射角ei 大于b r e w s t e r 角0b 时，对于垂直极化波，不存在反射波：同时在推导双 线模型时，也是在假定传播距离d ( 1 8 一) 五的条件下，作了相应的近似和简化。 所以双线模型适用于远距离的场强预测。 双线模型的路径损耗为： p l ( d b ) = 4 0 l o g d 一( 1 0 l o g g ；+ 1 0 l o g g ，+ 2 0 1 0 9 h , + 2 0 1 0 9 h ，) ( 21 4 ) 式中g t 是发射天线增益，g r 是接收天线增益，d 是t - r 间距离，h t 是发射天 线高度，i i r 是接收天线高度 为波长。 可以看出，在电波远距离传播的情况下，路径损耗与4 次方距离对数成正比。 2 2 3 绕射波损耗 绕射现象可由h u y g c n 原理解释，波前上的所有点可作为产牛次级波的点源， 这些次级波组合起来形成传播方向上的新的波前。在阴影区绕射波场强等于围绕 阻挡物所有次级波的矢量和。 费涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距路径长度大i i 2 的连续区域。在移动通信系统中，根据阻挡体的几何特征，接收能量为非阻挡费 涅尔区所贡献能量的矢量和。绕射损耗就根据阻挡物阻挡的费涅尔区进行计算。 第n 个菲涅尔区半径r l ： ，：巫匝 1 、吐+ 吐 ( 2 1 5 ) 式2 1 5 中 为信号频率，d 1 为发射点到障碍物的距离，d 2 为接收点到障碍物 的距离。 绕射参数u 为： 一再孚 ( 2 1 6 ) 在高频绕射时，绕射现象和反射现象一样，只取决于绕射点附近的几何形状、 物理性质和入射场性质，而和距绕射点较远的物体的性质无关在一般情况下反 射点周围的第一菲涅尔区的性质对反射场的结构起主要作用。 对于刃形障碍物来说，当阻挡物离开第一菲涅尔区绕射损耗则可忽略不计； 当阻挡物落在第一菲涅尔区，绕射损耗不能忽略，而且损耗随着阻挡物高度的增 加而增加。 2 2 4 散射波损耗 当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于各个方向。 能量有所减弱，反射系数需要再乘以一个散射系数p 。 e r = - i - r o u g h e i = p 。广e i 2 2 4 1 瑞利判断准则 此时的反射 ( 2 1 7 ) 瑞利判断准则可作为判断反射表面是否粗糙的标准。参考高度： h c f f i 生一( 2 ，1 8 a ) 8 s i n o , 、 其中e 。为入射角， 为电波的波长。突起高度火于参考高度h c 时，认为反射面是 粗糙的电波会发生散射。在丘陵地带中，起伏的高度差h c 定义为移动台向基站 方向1 0 k i n 距离内的地形纵断面上，以其1 0 与9 0 值的差值( 即最大值与最小 i o 韭盛窑堡太堂亟圭堂焦淦塞皇堡篮攫壁砼邀壁丛墨堕丝基堑地线笾直 值之差的8 0 ) 作为计算的地形起伏高度。 2 2 4 2 散射系数ps 的计算 a m c n t 提出的散射因子p 由b o i t h i a s 建模，最终得到： n = c 卅8 【竺警) 2 】u 8 ( 华) 2 】 ( 2 1 8 ” 式中i o 为第一类0 阶贝塞尔函数，口h 为高度的标准偏差，0j 为入射角， 为电波的波长。当h h o 时，反射场强为： e r = 厂一幽2 p i - e i ( 2 1 9 ) 2 2 5 大尺度路径损耗模型 从以上的分析可德，无论是自由空间模型，还是双线模型，电波的损耗与距 离的对数成正比，因而可推出无论室内还是室外，电波的损耗平均值与距离的对 数成正比关系： p l ( d b ) o c1 0 n l o g d( 2 2 0 ) 其中不同的环境有不同的路径损耗指数n 。 在相同t - r 距离的情况下，不同环境的路径损耗除了路径损耗指数不同外， 综合考虑直射、反射、散射、绕射等传播机理，特定位置的路径损耗为随机正态 对数分布，即： 瓦( 四) = 瓦( 或) - i - 1 0 ，l o g 导+ x ， ( 2 2 1 ) 其中- ( 磊) 是参考点d o 韵路径损耗，d 表示接收点与发射机之间的距离，j 0 表示均值为0 ，标准差为。的正态分布，单位是佃。 2 3小尺度衰落特性 2 3 1 小尺度衰落的形成 电波在沿地表传播中会受到各种阻碍物的反射、散射和吸收，到达接收天线 的电波是直射波、反射波和散射波的合成波，再加上移动台快速移动而经过电波 的波节和波腹引起驻波现象，另外高速移动会带来多普勒频移，这些使得移动台 接收到的功率电平在振幅和相位上随时随地都在急剧变化，这种现象就是小尺度 j 立窑逼盍堂亟主兰僮边塞 宝弦佳撞堡监丛鱼睑b 墅丝翅薤曲堡鱼真 衰落。 设基站发信天线辐射的载渡信号为 s ( f ) = 口oe x m j ( n o h - 中o ) 】 ( 2 2 2 ) 移动台接收天线收到的信号为： 双f ，= 艺a , c x p i ( a t o t + 瓯等w 。0 s p + ) 】 2 ，2 3 ) 其中，a i 为第i 个到达接收天线的载波信号的振幅，中i 为相位变化，ei 为入 射角，孕v f o o s 只为多普勒频移 将上式改写成 j o ) 2 4 e 顾j ”) e x p j ( c o o h m 。) 】 ( 2 2 4 ) = ( r + j s ) e x p j ( o 口o t + o o ) 】 。 其中， n a t 1 4 ；【( 口j c o b 奶) 2 + 匹q8 i n 彬) 2 】2 ( 2 2 5 a ) ，_ 4 _ i ， r = qc o 彰= r s ( 2 2 5 b ) 一l l s = qs 毗= 置 ( 2 2 5 c ) 州 埘 彬：一一_ 2 f f v t o o s r , ( 2 2 5 d ) 彬= t 9 4 鲁 ( 2 2 5 e ) r 和s 都是随机变量之和。根据概率论的中心极限定理：大量相互独立的随 机变量之和的分布近似地服从正态分布。因此，r 和s 可以看作是正态分布的随 机变量。根据概率论推导，两个褶互独立且正态分布的随规变量之和的包络a l 服 从r a y l e i g h 分布，相位t 服从均匀分布a 具体小尺度衰落信号服从什么分布，要看接收信号中是否存在一个主导的静 态非衰落的信号分量，如视距传播信号。 当不存在主导的静态非衰落的信号分量或该分量很弱时小尺度衰落信号的 包络服从r a y l e i g h 分布，相位服从【o ，2 t t 】的均匀分布。r a y l e i g h 分布的概率密度 函数p d f 为： 舻r 导) ( o r o ) ( 2 2 6 ) i f o ) 1 2 j e 塞窑通友堂亟主兰僮论塞生渡佳撞型硷丛鱼坠廷堕丝援堑曲线笾盛 其中，o 是包络捡波之前所接收的电压信号的1 1 1 1 5 值( 均方根值，即交流有 效值) ，o r2 是包络检波之前所接收信号包络的时间平均功率。 当存在一个主导的静态非衰落的信号分量时，小尺度衰落信号的包络服从 r i o e a a 分布，相位服从【o ，2 t t 】的均匀分布。p d e e a n 分布的概率密度函数p d f 为： r 孝e x 带乩告) ( 憾0 ) “r ) = l 时， r i c c a a 分布转变为正态分布。 2 3 2 小尺度衰落的影响因素 多径传播一由于信道中反射物的存在，使发射波到达接收机时形成时间和 空间上的多个无线电波，不同多径分量具有随机相位和幅度，叠加后引起信号波 动，导致信号小尺度衰落，引起信号失真。多径传播常常延长基带部分信号到达 接收机所用的时间，引起码间干扰。 移动台的运动基站与移动台之间的相对运动，会引起随机频率调制，即 多普勒频移现象。在高速条件下，多普勒频移也是引起小尺度衰落的一个重要因 素。 环境物体的运动会引起时变的多普勒频移。只有当环境物体的运动速度 大于移动台的速度运动时，这种运动才对小尺度衰落起决定作用。 2 4电波传播模型及路径损耗曲线仿真结果 2 4 1 自由空间传播模型 所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播 条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射 或散射。 无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。所谓 自由空间，严格地说应指真空，但通常把满足下述条件的一种理想空间视为自由 空间：1 ，均匀无损耗的无限大空间，2 ，各向同性，3 电导率为零。在这种理想空 间中，不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，而且电波传播速率 等于真空中光速。 应用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，接收信号功率只可用下 式表示： 只= 只( 毛 2 式中，只为发射机送至天线的功率，g 和g ，分别为发射和接收天线增益， 为 波长，d 为接收天线与发射天线之间的距离。 在移动通信电路设计中，通常用传输损耗来表示电波通过传输媒质时的功率 损耗。定义发送功率只与接收功率p 之比为传输损耗由式可得出传输损耗的表 达式为： l = 每= ( 期2 壶 他，。， 损耗常用分贝表示，由式( 2 3 0 ) 可得： t = 3 2 4 5 + 2 0 l o g f + 2 0 1 0 9 d 一1 0 1 0 9 ( g ，g ，)( 2 3 1 ) 式中，距离d 以k 皿为单位，频率厂以删z 为单位。 式( 2 3 1 ) 也可表示为： t = l h g ，一g ， ( 2 3 2 ) l j = 3 2 4 5 + 2 0 1 0 9 f + 2 0 1 0 9 d( 2 3 3 ) k 定义为自由卒间路径损耗，有时又称为自由空间基本传输损耗，它表示自 由空间中两个理想电源天线( 增益系数g = l 的天线) 之问的传输损耗。 需要指出，自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。这里所谓的自由空间传 输损耗是指球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电磁能量在扩散过程中引 起的球面波扩散损耗。实际上，接收天线所捕获的信号功率仪仪是发射天线辐射 功率的很小的一部分，而人部分能量都散失掉了，自由守问损耗正反映了这一点。 自由空间基本传输损耗k 仅与频率厂和距离d 有关。当厂和d 扩大一倍时 毛均增加6 d b 。 2 4 2o k u m u r a - h a t a 模型 移动通信中电波传播的实际情况是复杂多变的。很难用一套完整的理论模型 和公式来进行分析和准确计算。为此，人们通过大量的实地测量和分析，总结归 纳出了多种经验模型和公式。通常在一定条件下，使用这些模型对移动通信电波 传播特性进行估算，都能获得比较准确的预测结果。在这里主要介绍目前应用较 为广泛的o l a m a u r a - h a t a 模型1 1 2 1 1 ”咤是由奥村等人，在日本东京，使用不同的频率、 不同的天线高度、选择不同的距离进行一系列测试，最后绘成经验区的场强中值， 以城市场强中值为基础进行修正。对于“不规则地