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1、第5章移动通信系统中的 场强预测模型场强预测一一所谓场强预测是 指根据移动通信的不同环境得到 通信范围内的场强分布（路径损 耗），建立电波传播的模型，以 便对通信网进行规划和设计（天 线、基站站址、小区半径、频 率）传播模式一一分为经验模式、 半经验或半确定模式、确定性模 式。经验模式是根据大量测量结 果统计分析后导出的公式，应用 经验模式可以容易和快速地预测 路径损耗，不需要有关环境的详 细信息，但是不能提供非常精确 的路径损耗估算值Q确定性模式 是对具表达场环境直接应用电磁 场理论进行计算，如射线追踪方接收功率Pr=Pt-Lbf-Amf,d)bf自由空间路径损耗4(/，)准平坦地形相对自
2、由空间的损耗中值%(2)基地站天线偏离2()加时的修正因子Hmhm,/)移动站天线偏离3析时的修正因子70-10070-100市区102010U2001000-cPr+Kso+Kter+Ksp+Kis +aK.不规那么地形时的路径损耗Lp = L + Am(/,d)外心而一 Hmh，/)-K -K -K -K -aKso 八 ter 八 sp 1Yis 卬“so郊区和开阔地的修正系数K3起伏山岳的修正系数KkSPi 斜坡地形的修正系数is水陆混合地形的修正系数Ki孤立山峰的修正系数a 山峰高度偏离20m的修正因子膜片40 Okumura-Hata模型（奥村模型）底卬、K.、膜片40 Okumu
3、ra-Hata模型（奥村模型）底卬、K.、起伏底部CP)工杀W堤型要T区熊起伏的洵端10 Ah瞋片41 Okumura-Hata模型（奥村模型）匕（a）和Egli模型X 卜A 20km Meaarwd Q 20-40 km9 5dokm,X 卜A 20km Meaarwd Q 20-40 km9 5dokm,传播损耗的经验公式Lp = 69.55 + 26.16log f（MHz）-13.82loghbem + 44.9 - 6.55 log hbe （nilog d （km） + a（成）式中的。（板）是一个与移动台天线（0.7-中小城市，移 动 台 天 线%133（0.7-中小城市，移 动
4、 台 天 线%133高度有关的环境修正因子，其关系为1.1度*4.99 . 大城市，频率/修正的Hata公式对Hata公式进行修正可以改善相对于奥村 曲线的精度，在整个奥村曲线的 有效范围内提高Hata公式的精度。 COST-231 模型COST-231 模型是欧洲研究委员会COST-231（陆地移动无线电开展）传播模式小组在1991年提出的两种建议。 与奥村模式相比，COST-231模式 的应用为更广。COST-231-Hata 模型根据Hata模式，利用一些修改项使频 率覆盖范围从500MHz到2000MHz, 所得到的表达式就称为COST-231- Hata模型。Hata模式是根据奥村
5、等人的测量数据而得到的。当时 的基地站天线高度均高出基地站 附近的建筑物屋顶，因此不能把 它的有效范围推广到基地站天线 高度低于周围平屋顶的情况。也 就是说COST-231-Hata模型只能用 于大区制蜂窝和小区制蜂窝的路 径损耗预测，而不能应用于为蜂 窝情况。通过对高频段的奥村传 播曲线进行分析后到达了所建议 的公式是Lp = 46.3 + 33.9 log13.82 log 儿加）+ a心+ 44.9 一 6.5 5 log hbe (m ) log d (km ) + Cm 式中的a(4e)也就是奥村模型中的c环境修正因子;而.是另一个修正 因子一一一C一一一C树木密度适中的中等城市和郊
6、区COST-231-Hata模型的适用范围的 中 心3dB大 城 市 中 心如下频率f = 1500MHz 2000MHz距离=1km 20km基地站天线高度hbe = 30/n 200m移动站天线高度hme =lm 10/w当频率低于1500MHz时可直接采用Okumura-Hata模型的计算公式。COST-231-Walfish-lkegami 模型根据 Walfisch-Bertoni 的计算市区环境的结果，结合Ikegami处 理街道走向的修正函数，再加上 实验修正所得到的就是COST-231- Walfish-lkegami模型。该模型可以 用在大区制蜂窝、小区制蜂窝以 及微蜂窝中。
7、然而，当基地站天 线高度稍有变化时，并且其高度 又是处在它附近的屋顶高度和它 差不多高的建筑物之中是，路径 损耗将发生陡峭跃迁。处于这种 高度的基地站天线一般会引起较 大的测量误差。因此，在这种情 法，环境的描述可以从地形地物 数据库中得到。半经验或半确定 模式是基于把确定性方法用于一 般的市区或室内环境中导出的公 式，为了改善半经验或半确定模 式和实验结果的一致性，有时需 要根据实验结果对公式进行修正, 得到的公式是天线周围某个规定 特性的函数。传播环境一一蜂窝移动通信的最大特点就是小区制。小区的大小和范围直接和传播条件有关，可以根据需要选择小区的大小和范围。移动通信系统中主要采用 宏小区、
8、微小区（微蜂窝）和微 况下，使用 COST-231-Wa If ish- Ikegami模型要非常小心。为了较 好地蜂窝小区的服务区，基地站 天线应该安装得比半径范围在一 百多米以内的邻近建筑物最高屋 顶还高几米（例如4米多）。COST-231-Walfish-lkegami 模型特 别适用于街道形成的峡谷中电波 传播的路径损耗的预测。在街道峡谷中存在视距路径时，路径 损耗Lp = 42.6+ 26logd(km)+2Q log如果在街道峡谷中不存在视距路径， 那么路径损耗/, A, + I/ + /， 1 pbj rts msd式中的代表自由空间的路径损 耗；,小是屋顶对街道的绕射和散射损耗
9、；那么是屡次屏蔽绕射损 耗。除了与频率/、距离和基地hI站天线高度 如有关以外，心还和 街道的宽度W以及相对于直达无线电路径的道路方位角夕有关系。而Lh袱R还和移动台的天线高度年、建筑物的间隔和高度hRoof等环境因素有一定的关系。COST-231-Hata 模型的适用范围如下频 率/二 800MHz 2000MHz 距 离 d = 20m 5km基地站天线高度也”4加50机移动站天线高度% = Im 3nt根据900MHz频段的测试情况可以 很容易地估算出1800MHz频段的结 果,即工1800=Z900 + IQdB.Egli模型Egli模型是把地面 作为水平面处理的一种电波传播损 耗预测
10、方法。但是考虑了地表障碍 的作用，以适应实际地形的情况。平地及海面上视距传播时的路径损耗Lp = 120.11 + 40logd(km)- 20loghbe (m)hme h(dB)山高约15. 25m (50英尺)起伏缓慢的不规那么地形上电波传播的路径损耗Lp =88.11+ 40 log d (km)+20 log(该式适用于40400MHz范围内，当频率不超过1000MHz距离不超过64. 4km时，估算误差不会太大。山高不是15. 25m (50英尺)时电波传播的路径损耗Lp =88A1 +40 log ddB(km)+2Q log(式中T j(H)是地形修正因子o地形起伏平均高度(英
11、尺)模型（李氏模型）一一李氏模 型分局部平均预期模型和全预期模 型。常用的是局部平均预期模型， 预期的局部平均值被用来与测量的 局部平均值进行比拟。李氏模型的 基本点是设法将特征地貌结构与人 造结构对接收信号的影响别离开来。因为每个城市的地貌结构不同，并 且每个城市的人造结构也是各异的, 这就不得不寻找一种方法将两者的 影响别离开来。李氏模型把人造结 构简单地分成了城市（也称平坦区 域）和郊区两种情况。必须特别说 明的是对于不同的城市，只有通过 实际测量或者利用类似城市的测量 数据才能得到可用的计算公式。至 于自然地貌结构，李氏模型将其分 为无障碍情况、有障碍情况以及经 过水面传播三种。这里的
12、障碍并不是指信号是否被建筑物阻挡，而是 指信号是否被山峰之类的阻挡。也 就是说无障碍情况并不意味着有直 射波的存在。李氏模型在具体应用 时还分为宏蜂窝（半径大于1公里） 李氏模型和微蜂窝（半径小于公里） 李氏模型。宏蜂窝李氏模型也就是 常规蜂窝模型的接收功率计算公式 近似为1。4+ 2。胸鲁ProTOyiogx-一小劭o无障碍情况有障碍情况经过水面1自由空间经过水面1自由空间式中的。可以是1英里或公里； %是距离。处的接收功率；/是 路径损耗斜率；皈是固定站的天 线的等效高度（天线顶端距镜像反 射平面的高度）；，”是绕射损耗; 4r是自由空间的路径损耗；%表 示当实际情况不同于标准条件时的 修
13、正值。微蜂窝李氏模型忽略建筑物的高度, 采用二维平面，借助某些特定路径 的测量数据，分析和计算由于建筑 物遮挡所产生的附加信号损耗并由 此得到所要预测的路径损耗。微蜂 窝李氏模型的预期值不如宏蜂窝模 型预期值精确，这是由于使用了统计预期方法来预测在短传播距离的莫叱确定冬件下的信号李正模型而全预期就是4常规蜂窝模型和微蜂窝模型叠加来预期接收信号强度，其距离可到达15英里。 超过这个距离，还必须考虑两个条件，一个是在无线电波水平线情况下的信号接收，另一个是水上的无 障碍情况下的信号接收。李氏模型的标准条件为基地站天线高度瓯=30胆或100英尺 基地站天线增益 移动站天线高度3e =3胆或10英尺移
14、动站天线增益G,=0凤/ 发射机发射功率=10%绕射屏模型一一除了多层高楼的 商业区小范围以外，市区和郊区是相对均匀的。绕射屏模式就是将城市中成排的建筑物模型化为排成一串高度均匀的吸收绕射屏，电波先经这些吸收绕射屏传播后再绕射到 街道上。对此电磁问题求解可以很 容易得到。绕射屏模型最终给出的 是一个沿屏的前向绕射的总传播损耗。由于使用了吸收屏，所以这种模式基本上和极化无关。绕射屏模 型不仅适用于高架在建筑物屋顶上 方的基地站天线与街道上的情况(Walfisch-Bertoni 模式)，而 且也适用与基地站天线低于建筑物 屋顶的情况(Maciel-Bertoni-Xia 微小区（微微蜂窝）三种形
15、式。经验模式或半经验模式对具有均 匀特性的宏小区是合适的。半经 验模式还适用于均匀的微小区， 在那里模式所考虑的参数能很好 的表征整个环境。确定性模式适 合于微小区和微微小区不管它们 的形状如何。确定性模式对宏小 区是不能胜任的，因为对这种环模式)。最终，绕射屏模型的路径 损耗可以表示成,(llhh+d2pLbf+Lel+Le2+lSlog I 17力儿) 式中是自由空间的路径损耗； %是从屋顶到地面的绕射损耗； 是沿屋顶绕射附加的损耗。41 和都与街道的形状和尺寸有关, 分别有相应的计算公式。建筑物内、靠近建筑物和进入建 筑物的传播建筑物是人们常在的地方，人们的 大局部时间是在建筑物内度过的
16、， 因此有必要研究建筑物对电波传播 的影响。有三种关于建筑物性质截 然不同的无线电波长情况，一种是 关于电波在建筑物内部的传播，另 一种是关于建筑物当地附近小范围 内的传播，这在蜂窝移动通信系统中常常遇到，第三种情况涉及到找 出在市区或郊区传播问题中信号从 室外覆盖到建筑物内时将遇到的附 加损耗。nrr-2ooo 模式对于IMT-2000模式，工作环境也分为室内办公环境、室外到室内及步行的环境，车载环境。对于窄带技术，只用它的均方根来表征迟延扩展。对于宽带技术，各信号分量的数目、强度和相对时延变得重要了。另外，由于有些技术（例如,利用功率控制的那些技术），路径损耗模式包括所有同信道传播链路之间
17、耦合以提供精确预测。还有，在有些情况，环境的阴影衰落瞬时变化必须被建模。2微小区模式双射线模式一一直达射线+地面反 射射线。该模式对于平坦地面的农村环 境是可以胜任的，而且也适合与具 有低基站天线的微蜂窝小曲，在那 里收发天线之间有LOS路径。在这种 情况中，假设建筑物的墙对电波也发 生反射和绕射的话，它们将在简单 的双射线模式中导致场强幅度的快 速变化，但是并不改变由双射线模 式预测的整个路径损耗（塞定律指数n的值）。双射线模式的路径损耗 （双斜率模式）f（d Lb +1 Onlog ddb其中突变点4=4与J 4。理论值 =2 , %=4 ；市区微蜂窝 （/ = 1800-1900M/zz
18、 ） nx =2-2.3 ,n? 3.3 13.3双射线模式的路径损耗（修正式）+ 40log( db+ 40log( db)40 + 2510g%I 240 + 25logd40 + 2510g多射线模式一一直达射线+地面反 射射线+垂直墙壁反射的射线多射线模式已经被用在LOS情 况下的市区微蜂窝小区中，当收发 天线比屋顶平面低得多时。该模式假设所谓的街道为介质峡谷结构 （也称为波导结构）。接收端的场来自直达射线、沿地面的反射射线 以及峡谷的垂直平面（建筑物墙壁） 反射的射线。理论上讲，到达接收 点的射线数目是无穷多的，但是实 际上只需考虑最重要的局部射线即 可。例如，四射线模式，六射线模
19、式。多缝隙波导模式一一直达射线+地 面反射射线+垂直墙壁反射的射线+ 墙壁拐角的绕射射线双射线模式和多射线模式都是 假设街道的建筑物是连续排列的， 建筑物之间没有间距。而由 Blaunstein和Levin提出的多缝隙波导模式那么综合考虑了建筑物墙壁的实际介质特性、实际分布的街道 宽度以及从路面的反射。该模式假 设城市结构由两排平行的具有随机 分布缝隙（建筑物之间的缺口）的 屏（模拟建筑物墙壁）所组成，即 考虑了直达射线、沿地面的反射射 线以及峡谷的垂直平面（建筑物墙 壁）反射的射线，还考虑了墙壁拐 角的绕射射线。图6. 10街道多缝隙波导的三维模拟 示意图 图6.11街道多缝隙波导的二维模拟
20、 示意图图6. 10多缝隙波导模式场强与距离 的关系示意图Lund模式瑞典的Lund大学3确定性模型镜像法一一将镜像点也看成是一个源（发射机），它发出的射线沿直线到达场点。只是还需要乘以反射面的反射系数。这就是镜像法的理论基础。只要当反射面大于第一费涅尔区时，就可以视任意的反射面为无限大的平面。通常，反射面 不止一个，反射线也不止一条。因 此，发射机将产生无数个镜像，即 多重镜像。接收机接收到的信号就 是所有这些镜像发射机辐射的信号之和（电场强度的矢量和）。容易看出，任一个镜像产生的射线就相当于源点发出的某一条射线经不同的反射面经过屡次反射后到达接收点。镜像法只能求解一些很简单的环境中的场强分
21、布，例如矩形隧道、直街道、矩形空房间等等。7 l-rl 1 IT 7 l-rl 1 IT 射线追踪法(Ray TracingMethod) 射线追踪法(RTM) 的主体思想是根据几何光学理论, 利用射线来模拟电磁场的传播。在 确定接收位置之前及周围建筑环境 之后，结合直射波、反射波、绕射 波、散射波等波动现象直接寻找出 所有可能的主要传播路径，用理论 分析的方法，计算出路径损耗及其 反映信道特性的参数。射线追踪法 境所需的计算机CPU时间使人无 法忍受四种电波传播模型电波传 播模型是指通过对电波传播的环 境进行不同方法的分析后所得到 的电波传播的某些规律、结论以 及具体方法。利用电波传播模型
22、不仅可以估算服务区内的场强分 布，而且还可以对移动通信网进行规划与设计。不仅可以分析用镜像法解决的简单 环境，也可以用来分析一些在较复 杂的环境。例如，带有家具的房间、 相邻的几个房间甚至是整个大楼。 射线追踪法在具体应用时可以有不 同的方式，常用的是PC (Pin Cushion)法和 SBR (Shooting And Bouncing Ray)法。前者表达了射 线追踪法的主题思想，而后者是在 前的基础之上加以改进得到的o视距传播非视距传;相邻射线相邻射线过大的卜过小的书射线追踪法之PC法一一首先，以 发射天线为原心，将整个空间分为 假设干个具有相等立体角的射线管（射线管的横截面可以是三角
23、形、四边形等简单图形）。每个射线管 的电磁辐射就以射线管中的一条射 线来代替。然后，对所有这些射线 进行跟踪。根据几何光学理论，射 线在传播的过程中，每遇到一个障 碍物就会产生反射、折射、绕射等 现象，形成反射线、折射线、绕射 线。这些反射线、折射线、绕射线遇到新的障碍物后，又会产生新的 反射线、折射线、绕射线。如此一 些射线经过接收点附近时，就有可 能被接收机所接收。射线追踪法之来,就形成了一系列的射线。当这PC法是通过引入接收球的方式来判断射线是否被接收的。所谓接收 球就是一个在三维空间内，以接收 点为球心的球。该球体的半径与射 线管的划分有关系。假设半径太小， 将会漏掉应当考虑的射线；反
24、之， 半径太大，那么会接收到过多的射线, 造成更大的计算误差。最后，在找 到所有可能到达接收点的射线后， 就可以直接利用电磁辐射理论来计 算接收点的场强值了。射线追踪法之SBR法一一此方法 直接利用接收点和射线管来判断射 线是否被接收，从而有效地防止了 采用PC (Pin Cushion)法确定接 收球的难度大的缺陷。同样的是， 当射线管遇到障碍物时，也会产生 反射射线管、折射射线管、绕射线 管，并由此形成一系列的射线管。 不同的是，只要接收点位于射线管 内，就可以认为该射线管的射线被 接收机所接收。考虑到预测环境的 复杂性以及射线管不断增大的横截 面，使得射线管入射到的平面会小 于射线管的横
25、截面。此时，如果还 认为整个射线管被反射或折射，将 会犹如太大的误差。所以在采用SBR (Shooting And Bouncing Ray) 法时，常常射线分裂原理RSM(Ray-Splitting Method)。这样 一来，当射线管的横截面到达一定 阈值时，就会自动分裂，从而使得 分辨率基本上保持不变，提高预测 的精度。最后，在找到所有可能到 达接收点的射线后，也是直接利用 电磁辐射理论来计算接收点的场强 值。统计模型(Statistical Model)通过对移动通信服务区内的 场强进行实地测量，在大量实测 数据中用统计的方法总结出场强 中值随频率、距离、天线高度等 因数的变化规律并用
26、公式或曲线 表示出来。实验模型(Empirical Model) 一通过实验方法得出某些电波传播规律，但不像统计模型那样用 公式或曲线表示出来。确定性模型(Deterministic Model)通过将地形、地物等电波传 播的环境适当理想化后，采用电 磁场理论或者几何光学法确实定 性的方法来求取场强的变化规律C回归模型(Regression Model)通过将计算或实测得到的路径损耗随传播距离而变化的数据按距离乘方法那么做线性回归处理， 拟和(Curve-Fitting)出路径损耗 的规律。L常用的统计模型 Okumura-Hata模型(奥村模型)1962年，奥村等人在东京近郊用 宽范围的频率
27、，几种固定站天线 高度，几种移动台天线高度，以 及在各种各样不规那么地形和环境 地物条件下测量信号强度，得到了一系列曲线。奥村模型在测试时是以准平坦地形作为分析和描 述传播特性的基准。对于不规那么 地形（丘陵地形、孤立山峰、倾 斜地形以及水陆混合路径）必须 进行环境修正。研究的完成已使 该模式成为该领域中的标准，但 是由于该数据只能以曲线形式被 使用，使用起来很不方便，因此 已经有Hata在1980年给出了满足 奥村模式的公式。J7 Okumura-Hata 模西70 1奥村模型的应用范围频率/ = 150 1500MHz距离d 20加基地站天线高度hbe =30-200mw xz 丁,一=X- 10m 移动台天线局度吸