基于三维电磁波传播模型的移动网络优化技术

1、基于三维电磁波传播模型的移动网络优化技术尚韬，周怀北（武汉大学高科技研究与发展中心 湖北 武汉 430072）摘要：本文分别从三维电磁波传播模型理论基础研究和相关应用研究的现状、重点解决的问题以及进展情况等进行论述，最后展望未来要解决的问题和发展方向。关键词：电磁波传播模型、三维地理信息、网络优化、射线跟踪1 引言移动通信网络规划中，电磁波传播特性是其通信系统设计的依据。手机用户与基站之间通信是以电磁波传播的方式进行信息联系的，但由发射机发射的电磁波在到达接收机前要受到地形、建筑物、植物和移动体的影响，从而产生多径衰落和时延扩散等效应，这些效应会大大地降低移动通信系统的通信质量，甚至出现通信中

2、断。因此，对电磁波传播特性的研究，在基站站址的确定(以便在服务区内实现良好的电磁波传播覆盖)、基站天线高度的设计(以获得所期望的区域边界)以及天线设计等方面，都有十分重要的作用。环境传播特性预测是移动通信设计中十分重要的一个环节，它可以节省人力、财力和时间。在进行移动通信系统规划时,选择好基站位置和高度以实现良好的电波覆盖和减少对频率复用区的干扰是一项很重要的工作。若没有良好的传播预测模型，选择基站位置和高度的唯一方法就是通过实际测量来反复测试。显然，这项工作的工作量非常大，而且耗费大量时间，费用也很高。但如果基于电波传播模型，利用计算机模拟来比较和评估设计方案的性能，就很容易筛选出最佳蜂窝站

3、址配置方案。移动通信中的无线电波是在不规则的地域中传播，在设计信号覆盖，计算路径损耗时，需要充分考虑地形的因素。基于三维的地理信息系统的空间电磁波传播模型，能够进行三维空间场强预测，帮助移动运营商在各种复杂地形下准确地预测出信号强度分布，并由此做出最佳的频率规划。使运营商能利用有限的频率资源，取得最佳的信号覆盖和最大的系统容量，减少手机通信中的掉线率，增加网络的接通率。由于移动通信环境的复杂性，迄今为止，还没有能够很好地预测移动通信三维空间的电磁波传播模型。本文将分别从三维电磁波传播模型理论基础研究和相关应用研究的现状、重点解决的问题以及进展情况等进行论述，最后展望未来要解决的问题和发展方向。

4、2 电磁波传播模型概念在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时，无线电传播损耗是一个关键参数。无线电通信系统若不进行科学的频率指配和严格的系统设计与场强预测，会使系统之间产生严重干扰而不能正常工作。为了保证无线电通信用户的通信质量，确保无线电波发射的业务覆盖服务区和电波传播的可靠程度，必须仔细地计算从接收天线到发射天线之间的传播损耗。理论上讲，在自由空间无线电波的传播损耗大小与传播距离的平方及使用频率的平方成正比关系，但是在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时，同时还要考虑在传播路径上存在着各种各样的影响，如高空电离层影响，高山、湖泊、海洋、地面建筑、

5、植被以及地球曲面的影响等，因而电磁波具有反射、绕射、散射和波导传播等传播方式。在研究电磁波传播特性时，通常以数学表达式来描述这些传播损耗特性，即所谓的数学模型。无线电磁波传播模型通常是很复杂的，必须对不同的频段使用不同的电磁波传播模型，以预测发射台覆盖和传播场强。3 三维电磁波传播模型研究现状由于微蜂窝和室内环境的复杂性，基于有限测量数据总结出来的经验或半经验公式难以满足实际工程的需要。因此，考虑建筑物的布局建立更精确的模型，进行场强预测的方法是很有前途的。理论方法建立的模型大多基于几何光学的射线跟踪且利用了镜面反射和绕射理论。目前二维的方法可有效用于研究电波传播问题，但大多数情况下需要三维传

6、播模型，三维模型可以相对精确地给出无线信道特性。下面简述建立微蜂窝和室内环境的三维电磁波传播模型的方法及相应场强预测软件的研究在国内外的现状。31理论研究建立一个复杂环境下较准确的传播预测模型较流行的方法是综合几何光学理论和几何绕射理论(或一致性绕射理论)并采用有效的射线跟踪算法。微蜂窝系统一般采用频率为2GHz左右的电波频段，传播环境中建筑物尺寸远大于电波波长，这使得利用射线光学传播理论用于分析环境传播特性成为可能，并且可以利用建筑物数据，对特定环境的传播特性进行定性分析。基于射线光学理论分析传播特性将考虑到直射线、反射线、透射线和绕射线。微微蜂窝系统一般采用频率为60GHz的毫米波频段，因

7、此也可以利用射线光学近似分析环境的传播特性。 八十年代后期把射线方法用于研究移动通信环境传播特性显得非常活跃，并基于射线光学近似提出各种方法，比如镜像射线方法、射线跟踪方法等1-10,15,16。射线跟踪算法主要有两种：第一种射线跟踪方法就是只考虑沿发射机到接收机的一条路径的射线。第二种射线跟踪方法就是考虑一束射线，从发射机源发射的射线均被跟踪直至其场强低于某阈值或超过反射和透射最大数目。原则上，刃峰绕射和扩散散射均可以用在这两种算法中。第一种方法的主要的缺点就是计算时间，第二种算法面临着当射线束离开发射机时降低空间分辨率。镜像射线方法很有效，且能够充分了解传播模型的机理，但仅能适用于简单环境

8、的模拟。而射线跟踪方法对复杂环境是很有效，但需要引入一个接收球确定射线是否到达接收机，且计算结果对接受球的半径很敏感。发射和弹回射线技术也可以用于模拟室内无线电传播信道，且可以处理复杂环境，而不需要接收球。目前在这些理论分析方法中，大量的射线跟踪方法都是二维和三维的混合模型。他们假设墙是垂直的或等高的，屋顶和天花板是水平的，并且地是平的。这些假设是不准确的。从已研究的成果可看出，对于复杂的微蜂窝和室内环境，快速、准确的三维射线跟踪方法仍是一个需要研究的问题。32应用研究在郊区或开阔地带，两维传播模型就足够了，但是在市区、室内，考虑三维射线跟踪的电磁波传播模型是完全有必要的。因此，利用三维地形和

9、建筑物数据库研制出适合不同传播环境的场强预测软件是很有意义的。八十年代国外研究人员就已经验证了利用建筑物数据库在移动通信系统中预测平均场强的可行性。并考虑了建筑物数据库的使用，使之包括垂直取向和水平取向拐角所引起的绕射路径，即包括了三维环境1,12。九十年代末研究人员利用一种数字化地形数据库计算三维自然地形的传播效应，利用的环境数据库包括建筑物布局、建筑物特征和基站（位置、天线和功率等），根据镜像方法给出预测结果。通过比较测量结果和预测值，分析并给出了该数据库不准确的原因11,13,14。分析国内外研究现状可以看出，在场强预测软件研制方面，由于地形和建筑物几何结构数据库的获取花费很高以及三维传

10、播模型的建立很复杂等原因，这方面的研究工作较少，尤其是国内比国外更少。4 展望通过仔细分析国内外在这一领域的研究可发现，在微蜂窝和室内环境的三维电磁波传播模型研究中，尽管人们利用射线方法对各种环境的场强进行理论预测，但考虑场经过周围建筑物或地面多次反射和绕射后的极化的研究较少。因此，我们在利用射线跟踪方法时必须考虑因极化方式不同而引起的反射系数和绕射系数的不同。此外，因为微蜂窝中建筑物十分密集，绕射现象频繁出现，大量低能量射线的合并必将对信号接收产生贡献，对于这方面的研究更少。三维场强预测模型对地理信息数据、算法和计算机性能都提出了更高的要求。随着计算机的速度和性能的飞速发展，如何有效的处理三

11、维地理信息数据和电磁波传播模型场强预测计算之间的关系也是有待解决的一个问题。综上所述，进一步有待解决的问题和发展方面包括：(1) 如何建立视距三维传播模型，模型中考虑入射线、反射线、绕射线的幅度、相位和极化取向等；(2) 如何建立非视距三维传播模型，模型包括反射线和绕射线；(3) 如何有效的处理三维地理信息数据和电磁波传播模型场强预测计算之间的关系；(4) 电磁波经过多次反射后反射场与入射场的极化关系；(5) 实测场强数据对建立的三维电磁波传播模型进行校正和优化；(6) 与可视化技术如图像/信号处理技术的融合。希望本文对移动通信中三维电磁波传播模型的论述分析，能够对我国移动通信网络优化研究有所

12、帮助。参考文献1 Ikegami F. et al., Propagation factors controlling mean field strength on ruban streets, IEEE Trans. Ant. Propa., Vol.32 , NO.8 , pp.822-829, 1984.2 Ikegami F. et al., Theoretical prediction of mean field strength for urban mobile radio, IEEE Trans. Ant. Propa., Vol39, NO.3, pp.299-302, 199

13、1.3 Schaubach K. R. et al., A ray tracing method for predicting path loss and delay spread in micro cellular environment, Proc. IEEE Veh. Tech. Conf, pp.932-935, 1992.4 Kreuzgruber P. et al., A ray splitting model for indoor radio propagation associated with complex geometries, Proc. IEEE Veh. Tech.

14、 Conf, pp. 932-935, 1993.5 Kreuzgruber P. et al, Prediction of indoor radio propagation with the ray splitting model including edge diffraction and rough surfaces, Proc. IEEE Veh. Tech. Conf, pp. 878-882, 1994.6 Athanasiadou G. F. et al., A ray tracing algorithm for micro cellular wideband propagati

15、on modeling, Proc. IEEE tech. Tech. Conf, pp 261-265, 1995.7 Chen S. H. et al., An SBR/image approach to indoor radio propagation modeling, Proc. IEEE AP-S, pp.1952-1955, 1995.8 Zhong et al, An improved ray-tracing propagation model for predicting path loss on single floors (Journal Paper). Microwav

16、e and Optical Technology Letters. Vol.22, Iss. 1, pp. 39-41; 5 July 1999.9 Cheung, CK et al., A new 3-D ray-tracing propagation model, IEE conference Publicatioin. no.489, pp.201-205. 2002.10 Tarang et al., Three-dimensional modeling of 900-MHz and 2.44-GHz radio propagation in corridors (Journal Pa

17、per). IEEE Transactions on vehicular Technology. Vol.46., Iss. 2, pp.519-527; May 1997.11 Lebherz M. et al., A versatile wave propagation model for the VHF/UHF range considering three-dimensional terrain, IEEE Trans. Ant. Propa., Vol.40, NO.10, pp.1121-1131, 1992. 12 Russell T. A. et al., Use of a building database in prediction of Three-dimensional diffraction, Proc. IEEE Veh. Tech. Conf, pp .943-946, 1992.13 Rizk K. et al., Two-dimensional ray-tracing modeling for propagation prediction in microcellular environments, IEEE Trans. Veh. Vol.46, No.2, pp.508-518, 199714 Rizk K. et al., Inf