无线环境传播模型.pdf

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在移动无线电环境中,传播环境的复杂多变和移动台的不断移动导致无线链
路呈现出复杂多变的特征,影响着无线电信号的传输质量。同时由于在实际的工
程设计中,由链路预算得到的最大路径损耗必须依靠无线环境的传播模型才能转
换成为小区半径。因此,研究无线通信和无线网络规划的首要问题就是研究无线
传播环境对信号的传输质量的影响,也就是研究无线电信号在空中所经历的电波
传播损耗,这就需要建立传播模型来模拟电信号在无线环境中的衰减情况,估算
出尽可能接近实际的接收点的信号场强中值,从而进行合理的小区规划,既满足
用户需求的同时又可以节约投资。
人们经过理论分析和长期的实际观测,通过建立了基站与移动台之间的无线
链路的统计模型,发现电波传播的损耗主要由传播路径损耗、多径衰落和慢衰落
三个部分构成。其中,传播路径损耗主要是由于电波传播的弥散特性造成的;多
径衰落通常是由移动台周围半径约100倍波长内的物体造成的反射,一般认为信
号的均值服从瑞利分布;慢衰落是由于地形起伏和人造建筑物引起的慢衰落以及
由于电波的空间扩散造成的衰减,一般认为信号的均值服从对数正态分布。另外,
对信号造成干扰的除了上述三种乘性干扰外,还始终存在着一种服从高斯分布的
加性噪声,其噪声源包括热噪声、雷电噪声等,多用户干扰及来自其它小区的干
扰也常被等效为高斯白噪声。
在第二代数字蜂窝移动技术GSM、CDMA中,我们已经熟知并广泛应用于
工程实际的传播模型有适用于室外型大区制蜂窝结构的Okumura-Hata、
Cost231-Hata和适用于微蜂窝结构的Walfish-Ikegami经验公式等,都是在大量的
测试数据中总结出来的信号电平随地理环境变化的衰减的分布规律的经验模式。
并且它们都适用于2000MHz频段,因此也可以应用于3G网络规划。由于这些模
型是在大量的统计数据中总结出的经验数据,并且是从特定的地理区域获得的,
它们都具有一些地区适应性,如Okumura-Hata更适用于准平坦地形情况(类似于
东京地形)、Cost231-Hata适用于中小城市等。下面的章节罗列出了常用的几种
传播模型,在实际的工程使用中,要根据不同地区的无线环境情况有选择地使用,
并且在当地进行模型校正,模型校正参见《规划软件功能要素研究报告》。:.
在第三代移动通信技术中,我们所要考虑的不仅有大区制的扇区覆盖、更有
小区制以及微小区制的扇区覆盖。因此,在未来的传播预测中,用到的将是一种
混合的预测算法。即:在大区制覆盖的地区仍然采用宏蜂窝传播模型经验公式,
并且通过实地做连续波测试得到的修正因子来更精确地描述当地无线路径损耗。
在以微小区结构为主的密集复杂城区,低于周围建筑物高度的基站和周围建筑物
形状及高度、街道宽度、地形等对无线传播的影响都应在我们规划的范围之内,
运用可视化技术对覆盖区域环境进行描述及射线跟踪算法来进行精确覆盖模拟。

根据传播模型的获得方式,我们通常可以把它们分类为:经验模式;半经验
或半确定性模式;确定性模式。
经验模式是将大量测试的结果经过统计分析得到的反映无线路径损耗的公
式。如:Okumura-Hata、Cost231-Hata、LEE模型等。
半经验或半确定模式是把确定性方法用于一般的市区或室内环境导出的公
式。还可以根据实验结果对等式进行修正,得到表征天线周围地区规定特性的函
数。如:COSTWalfish-Ikegami等。
确定性模式是对具体的现场环境应用电磁理论计算的方法。在这种模式中,
已使用的几种技术通常基于射线跟踪的电磁方法-几何绕射理论(GTD)、物理
光学(PO)等。在这种模式中,无线传播与环境特征(如建筑物的高度、棱角、
街道宽度、物体表面材质等)有关。
根据移动无线传播环境的不同分为自由空间传播模型和非自由空间传播模
型。
自由空间是指充满均匀理想介质的空间,而且不存在地面和障碍物的影响。
在自由空间里传播的电波不产生反射、折射、散射、绕射和吸收等现象,只存在
因扩散而造成的衰减。自由空间的基本传输损耗是指位于自由空间的发射系统的
等效全向辐射功率(EIRP)与接收系统各向同性接收天线所接收到的可用功率之
比,在实际系统中只有在视距情况下发射和接收之间才可以采用自由空间传播模
型。
实际系统在一般情况下,在基站和移动台之间不存在直射信号,接收的信号
是发射信号经过若干次反射、绕射和散射后的叠加,在某些特别空旷地区或基站:.
天线特别高的地区存在直射传播路径。人们经过理论分析和长期的实际观测,建
立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型,认为,电波传播的损耗主要由以
下三个部分构成,如图所示:
平均路径损耗
R
e
c
ei+
=
v慢衰落
e
dBS-UE
+
Sidistance快衰落
图表1电波传播路径损耗
传播路径损耗:为某时刻基站和用户之间的距离矢量。表示空间
的传播损耗,该损耗主要是由于电波传播的弥散特性造成的。
快衰落(多径衰落):通常引起多径效应的主要原因是移动台周围半径约100λ
内的物体造成的反射。它反映了数十波长内,接收信号电平的均值的变化趋势,
此时信号的均值服从瑞利分布。即公式中的项。
慢衰落:在移动无线电环境中,电波传播除了存在多径衰落外,还有由于地
形起伏和人造建筑物引起的慢衰落以及由于电波的空间扩散造成的衰减。它反映
了数百波长内接收电平均值的变化趋势,此时信号的均值服从对数正态分布。即
公式中的项。
AWGN加性高斯白噪声:对信号造成干扰的除了上述三种乘性干扰外,还
始终存在着一种加性噪声,服从高斯分布;其噪声源包括热噪声、雷电噪声等,
同时,多用户干扰及来自其它小区的干扰也常被等效为高斯白噪声。
由于移动通信所在环境的多样性,每个传播模型都是适用于某特定类型地区
的模型。以下就关于几种在2G中就已经得到广泛应用、并且可以扩展到2000MHz
频段使用的传播模型加以论述其应用。需要说明的是,每种规划软件都有其推荐:.
使用的传播模型类型,可能与下述几类不完全相同,但是经过实际工程应用,数
据说明其误差在可接受的范围之内的,都属于可用的传播模型。
以下模型中所采用的参数如下:d是间隔距离(km),f是载波频率(MHz),hBS
是以平均屋顶高度为基准的基站天线高度(m),hMS是移动台天线高度(m),LogF
是标准偏差为10dB的对数正态分布,α(hMS)是移动台天线高度的校正因子,C
clutter
是与传播环境区域类型相关的校正因子,计算得到的路径损耗单位均为dB。

L20lg(f)20lg(d)
freespace
该模型适用于视距(几十米以内)传输的情况。

这种模型主要应用于一个天线高于平均屋顶高度,而另外一个天线低于平均
屋顶高度的情况。其传播模型路径损耗计算公式为:
L40(14103hBS)log(d)18log(hBS)21log(f)80LogF[dB]
macro101010
该模型适用于城市或郊区链路间隔距离从几百米到数公里的情况。
假定hBS为30米,那么可以得到不考虑LogF简化后的900MHz、1800MHz和
2000MHz路径损耗公式为:
(d)f900MHz
10

L(d)f1800MHz
macro10

(d)f2000MHz
10
-Hata模型
Okumura-Hata模型是预测城区信号中使用最广泛的经验模型,一般应用的频
率是150~2000MHz之间,后来利用测试结果又扩展到100~3000MHz的频率上,
适用距离在1km到20km,天线高度在30m到200m之间。
Okumura-Hata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。
LABlg(f)(hBS)(hMS)((hMS))lg(d)C
OkumuraHatacity
其中::.
f1500MHz
A
f2000MHz
f1500MHz
B
f2000MHz
((f))hMS(f)

(hMS)(lg(hMS)2200MHz
大城市
MS2
(lg(h)400MHz
首先对移动台天线高度校正因子进行简化,从下图中可以看出当移动台的天
(常见值)左右时,不同城市规模下的校正因子值差别很小。
25
20
S)m)m
M
hH
(α(α(
a
ee
15
u
lala
vmedium
rr
ocity
t10
clarge
a
ffcity
n
o
itit5
c
e
rrrr
o
C
0
**********
Mobileantennaheight(m)
-5
图表2移动台天线校正因子的比较,中等城市和大城市
,那么简化后的校正因子为:
900MHz

a(hMS)1800MHz

2000MHz
接下来对路径损耗进行简化,假定基站天线高度为30米,简化后的路径损耗
公式为:
(R)CorrectorFactorf900MHz
10

L(R)CorrectorFactorf1800MHz
10

(R)CorrectorFactorf2000MHz
10
城区:指传播路由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:
L(f)(hMS)(hMS)((hBS))lg(d)
城区
开阔地:指传播路由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。
LL(logf)2
开阔地城区
郊区:在传播路由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
f
LL2(log)2
郊区城区28
为了使Okumura-Hata模型能适用于一些特殊地区,如丘陵地形、斜坡地和水
陆混合地区等,Okumura-Hata模型定义了基站的有效天线高度,来应用于无线电
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
适用于实际工程及更便于计算机进行模拟计算。
因此,使用Okumura-Hata模型首先需要对所研究的地区进行分类,即把所研
究地区按照地物的分布划分为: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地连续波测试,再通过模型校正得到关于Okumura-Hata
模型在当地的修正因子。这样就得到比较能够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,预测和实测值之间
的偏差在10dB左右,并且在小区半径1km之内的偏差较大,只适用于基站半径较大
的宏蜂窝的覆盖预测。
-Hata模型
COST231-Hata模型也是以Okumura等人的测试结果为依据,通过对高频段
的Okumura传播曲线进行分析,得到所建议的公式:
L(f)(hBS)((hBS))lg(d)(hMS)C[dB]
COST231Hatam
其中α(hm)是有效移动天线修正因子,
C0dB密度适中的中等城市和郊区乡镇
m=
3dB大城市中心:.
-10dB~-2[log(f/28)]2-(dB)城郊
-20dB~-[log(f)]2+(f)-(dB)农村
COST231-Hata模型是以中小城市的无线环境为基准,适用于工作频率
1500MHz~2000MHz之间,天线高度在30m到200m,手持机的天线高度在1m到
10m之间,适合于基站半径在1km到20km,校正后可以适用于100m以内。

Lee模型的特点是基于特定无线电路径上的实际地形变化,将有效天线高度
随移动台位置变化而变化所引起的天线高度增益ΔG考虑在内,从而使预测值的
标准偏差限制在2~3dB内。Lee模型是可适用于市区和郊区的经验模式。
式中:Pr—接收信号电平;
Pro—接收点(d=r0)的接收信号电平;
γ—路径损耗斜率;
r0—接收点至基站的距离,取r0=1km;
r—预测点至基站的距离,适用于r≥1km;
h'
e—有效天线高度;
h1—基站天线高度;
α—发射功率、天线高度、天线增益的校正因子;
h''—存在刃形障碍的路径的有效天线高度;
e:.
L—绕射损耗。

Hata公式和它的修正式的获得是基于基站天线高度均高出基站附近的建筑
物屋顶高度,同时忽略了街道宽度、街道绕射和散射损耗的影响,对于微蜂窝不
应该用Hata公式和它的修正式。
-Walfish-Ikegami模型
COST231报告建议的COST231-Walfish-Ikegami模型是适用于微蜂窝环境的
模型,是经验模式和确定性模式的结合,在使用时引入一些描述市区环境特征的
地理化信息参数。包括建筑物高度、街道宽度、建筑物的间隔、阻挡物相对于直
达无线电路径的道路方位角度。同时对当固定基站天线等于或低于屋顶高度时的
情况进行了一些修正。此模型只有当传播距离大于20米时有效。
COST231-Walfish-Ikegami模型在应用时要分成两种情况来处理:一种是低
天线情况,适用于视距情况;另一种是高基站天线情况,适用于非视距情况,如
下图所示。
COST-231Walfish-Ikegami
L=+26log(d)+20log(f),LOS
L=+20log(d)+20log(f)+LL,NLOS
rtsmsd
•FrequencyRange=800-2000MHz
•-
•-5kmforNLOS



BasicParameters
图表3COST231-Walfish-Ikegami模型
➢低基站天线情况:
基站天线低于周围建筑物的的平均高度的时候,信号是在街道形成的峡谷中
传播的,其传播特性与高基站天线的传播特性不同。经过实际测试,得到对街道
峡谷内的视距通信情况使用的公式描述如下:
路径损耗Lb=+26logd(km)+20logf(MHz)20m≤d≤5km:.
➢高基站天线情况:
在这种情况下应用的公式适合于非视通情况的传播路径,可以简单表达如
下:
L=L+L+L
bfrtsmsd
L代表自由空间损耗,代表“最后的屋顶到街道的绕射和散射损耗”,用来计
bf
算街道内的绕射和反射;为“多重屏前向绕射损耗”,计算屋顶上方的多次绕射。
-D射线跟踪模型
随着计算机技术及可视化技术的发展,更精确地预测无线信号覆盖的新方法
也得以利用。射线跟踪模型可以应用于室外宏蜂窝、室外微蜂窝和室内微蜂窝,
它根据几何光学理论,通过模拟光(射线)的传播路径、并考虑了反射、折射和
绕射等来确定接收点的场强。
在3-D射线跟踪模型中,取在移动台所处位置的预测信号为最强的一条射线
的信号强度作为接收点电平值。同时为了避免出现难以确定单条射线是否最终为
到达某一接收点的情况,通常采用下面两种方法:一种是接收球算法,在接收处
如果一条射线和规定半径的接收球相交,则考虑该射线对接收信号的贡献;另一
种是发射3-D发射管,如果接收点落在射线管内,则考虑该射线对接收信号的贡
献。3-D射线跟踪模型如下图所示。
图表43-D射线跟踪模型示意图
简单地描述,3-D射线跟踪模型在计算路径损耗时主要考虑的因素可用下式
表达::.
L=L+bL+L
prdb
其中:
L-参考路径损耗值(dB);
r
L-衍射损耗(dB),其计算基于一致性劈绕射理论(UTD-UniformTheory
d
ofDiffraction)的结论;
b-衍射因子,取值0~1;
L-建筑物穿透损耗(dB)。
b
理论计算和实际测量的结果都表明,对短距离传播路径的情况,存在一个
断点(突变点),在断点之前,路径损耗曲线的斜率可以认为和自由空间的路径
损耗曲线的斜率相等,在断点之后,信号电平随距离的增加损耗加快。断点距离
长度一般可以取菲涅耳第一半径,即:
d=4(h*h)/λ
brkbm
其中:
h-相对于地平面的基站天线高度(m);
b
h-相对于地平面的手机天线高度(m);
m
λ-无线波长(m)。
因此,参考路径损耗值Lr可计算如下:
L-路径损耗在1m处的值(dB);
0
d-接收点在沿着射线方向离基站的距离(m);
b-断点之后路径损耗曲线的斜率值。
3-D射线跟踪模型适用于在密集大城市预测无线电波路径损耗,同时需要三
维地理化信息数据库,包括:组成建筑物多面体的形状及数目;每个多面体顶点
的数目;每个多面体顶点的直角坐标;障碍物的材料类型数据。
3-D射线跟踪模型的精确度与可靠性最好,因此,在对基站形态比较复杂、
仿真结果要求比较高的WCDMA设计中推荐使用。但是由于所需要的基础数据很
多,一般比较难以获得,而且使用这种模型运算量非常大,具体实施比较困难。:.

通用校正传播模型是一种适合于带宽在150-2000MHz和超过长距离(1<d<20
公里)传播的模型,适合于GSM900和1800技术以及CDMA技术。这种模型利用
地形、衍射原理并考虑地形分类(统计)、天线挂高、天线倾角、天线种类来计
算信号的传播损耗。该模型常用于规划软件中,在实际规划过程要根据路测数据
进行校准。
该模型基于以下公式来计算。
KKlog(d)Klog(H)KDiffraction
123eff4
PR
RTX
Klog(d)log(HK(H)Kf(clutter)K
5eff)6meffclutterhill,los
各参数含义:
Preceivedpower接收功率(dBm)
R
Rtransmittedpower发射功率(EIRP包括天线增益)(dBm)
TX
Kconstantoffset常数(dB)
1
Kmultiplyingfactorforlog(d)log(d)的相乘因子
2
ddistancebetweenthereceiverandthetransmitter接收机与发
射机的距离
Kmultiplyingfactorforlog(H)log(H)的相乘因子
3effeff
Heffectiveheightofthetransmitterantenna天线的有效高度
eff
Kmultiplyingfactorfordiffractioncalculationmustbe
4
apositivenumber衍射计算相乘因子,必须是正数
Diffractionlossesduetodiffractionoveranobstructedpath超过阻碍路径
的衍射损耗(dB)
Kmultiplyingfactorforlog(Heff)log(d)log(Heff)log(d)的相乘因
5
子
KmultiplyingfactorforHH的相乘因子
6
meffmeff
Hmobileantennaheight手机天线高度(m)
meff
K
cluttermultiplyingfactorforf(clutter)f(clutter)的相乘因子
f(clutter)averageofweightlossesduetoclutter基于地形的加权损耗平
均值:.
Kcorrectivefactorforhillyregions(=0incaseofNLOS)
hill,los
山区区域的校正因子(当NLOS时为0)
上述模型的K1~K6参数由具体的传播环境决定,K(clutter)是由不同地物决定
的修正系数。不同的地物决定了不同的Kclutter,这些K参数是通过CW测试的数
据逐步拟合出来的。获得CW测试数据后,可以通过K参数试验法和最小方差法
两种途径得到。在通用校正模型的众多K参数中,每个K参数对模型的影响程度
是不一样的,从对模型的分析可知,K1、K(clutter)是常量,与传播距离、天线
高度等因素无关;K6为移动台的高度修正因子,由于移动台的高度变化不大(可
),因此,K6最终可以归结为最后阶段的微量调整,K2、K3、
K5的调整要视具体的测试数据和测试路径而定。


下面介绍一个非常常用的室内传播模型,可以用公式表示如下:
d
PL(dB)PL(d)10nlg()XFAF(5)
0d
0
其中
PL:传播损耗(dB)
PL(d):参考损耗(在d1米处的损耗值)(dB)
00
X:阴影衰落余量(dB)

n:距离衰减因子
FAF:地板衰减因子(dB)
因为室内建筑物的种类、结构、材质千差万别,所以一般情况下建议在真
PL(d)X
实环境中测量0、、n和FAF的值。下面介绍一下这些值的测量方法。
1)PL(d):
0
PL(d)是室内模传播型中的参考路径损耗,是从室内天线到距离自由空间1m
0
处的路径损耗值。在测量过程中,接收机可以使用测试手机。测量的具体方法如
下::.
;
(3个);
-RSCP超过20次以上;
(d)
0
PL(d)=室内天线的发射功率-接收机的接收功率。
0
图8PL(d)测量示意图
0
表14PL(d)的测量数据处理表格
0
测试点天线发射功率CPICH-RSCPPL(d)标准偏差测量次数
0
(dBm)(dBm)(dB)
(dB)
P1
P2
P3
举例:如果天线的发射功率(EIRP)是0dBm,接收机的接收功率是-31dBm,
则
PL(d)=0dBm-(-31dBm)=31(dB)
0
距离衰减因子n:
2)n是距离衰减因子,它是室内传播模型的斜率。测量n的值可以选择几个点
进行。测量内容包括天线的发射功率,CPICH-RSCP和标准偏差。下面是具体
的测量方法::.
;
(3个以上);
-RSCP超过20次以上;
,并求出标准偏差
TxofAntenna(CPICHRSCP)PL(d)
n0(6)
10lg(d/d)
0
在上式中,TxofAntenna是天线的发射功率,CPICHRSCP是导频信号
CPICH的RSCP。
图9距离损耗因子n测量示意图
表15距离损耗因子n的测量数据处理表格
测试点天线发射功率CPICH-RSCPn标准偏差测量次数
(dBm)(dBm)(dB)
P1
P2
P3
3)FAF:
FAF是地板损耗因子,表示穿透地板时,电磁波的损耗值。测量FAF时,
通常把发射天线放在上一层的空间内,把接收机放在下一层的空间内,并且确保
地板上没有其它物品(如家具等)。具体的测量方法如下:
;
(3个);:.
-RSCP超过20次;
,并求出标准偏差
FAFPL(dB)PL(d)10nlog(d/d)(7)
00
图10地板损耗因子FAF测量示意图
除此之外,还可以附带测量一下的d12、d23以及地板的厚度,记录下地板
材质和所使用的频率等等。
表16地板损耗因子FAF的测量数据处理表格
测试点天线发射功率CPICH-RSCPFAF标准偏差测量次数
(dBm)(dBm)(dB)(dB)
P1
P2
P3
下面是一个室内传播模型参数测量的例子。在本例中从20m到40m之间,
,PL(d)的值为39dB。
0
:.
图11室内传播测量实例

在室内环境下,用户和天线的距离很近,经常可以看见天线。在体育馆、展
览馆这样的建筑物内,基本上没有阻挡物体。在这种情况下,其传输损耗非常接
近自由空间的损耗情况,其计算公式为:
4d4df2

PL()2(8)
c
上式中,d为传输距离单位为m,f为电磁波的频率,单位为Hz,c为光速。
用对数表示为:
4df4
PL(dB)10lg()220lg20lg(f)20lg(d)(9)
cc
将f:1920~2170MHz(取为2GHz):.
c:3108m/s
代入上式可得:
PL(dB)20lg(d)(10