無線傳播理論

1、WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃第三章 無線傳播理論目 錄3.1 無線傳播基本原理13.2 無線傳播特性33.2.1 頻段劃分介紹33.2.2 快衰落與慢衰落43.2.3 傳播損耗73.2.4 多普勒效應(yīng)93.2.5 菲涅爾區(qū)123.3 無線傳播模型133.3.1 傳播模型概述133.3.2 常用傳播模型介紹142. 自由空間的傳播143. Okumura-Hata模型154. COST231-Hata模型185. COST231 Walfish Ikegami 模型186. Keenan-Motley 模型197. ASSET支持的模型203.3.3 傳播模型校正211. CW測試的原理212. CW

2、測試方法213. 傳播模型校正及實例23參考文獻24第三章 無線傳播理論3.1 無線傳播基本原理在規(guī)劃和建設(shè)一個移動通信網(wǎng)時，從頻段的確定、頻率分配、無線電波的覆蓋范圍、計算通信概率及系統(tǒng)間的電磁干擾，直到最終確定無線設(shè)備的參數(shù)，都必須依靠對電波傳播特性的研究、了解和據(jù)此進行的場強預(yù)測。它是進行系統(tǒng)工程設(shè)計與研究頻譜有效利用、電磁兼容性等課題所必須了解和掌握的基本理論。眾所周知，無線電波可通過多種方式從發(fā)射天線傳播到接收天線：直達波或自由空間波、地波或表面波、對流層反射波、電離層波，如圖3-1-1所示。就電波傳播而言，發(fā)射機同接收機間最簡單的方式是自由空間傳播。自由空間指該區(qū)域是各向同性（沿各

3、個軸特性一樣）且同類（均勻結(jié)構(gòu)）。自由空間波的其他名字有直達波或視距波。如圖3-1-1中(a)所示，直達波沿直線傳播，所以可用于衛(wèi)星和外部空間通信。另外，這個定義也可用于陸上視距傳播（兩個微波塔之間），如圖3-1-1中(b)所示。第二種方式是地波或表面波。地波傳播可看作是三種情況的綜合，即直達波、反射波和表面波。表面波沿地球表面?zhèn)鞑ァ陌l(fā)射天線發(fā)出的一些能量直接到達接收機；有些能量經(jīng)從地球表面反射后到達接收機；有些通過表面波到達接收機。表面波在地表面上傳播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。當(dāng)能量進入地面，它建立地面電流。這三種的表面波見圖3-1-1 (c)。第三種方式即對流層反射波產(chǎn)生

4、于對流層，對流層是異類介質(zhì)，由于天氣情況而隨時間變化。它的反射系數(shù)隨高度增加而減少。這種緩慢變化的反射系數(shù)使電波彎曲，如圖3-1-1 (d)所示。對流層方式應(yīng)用于波長小于10米（即頻率大于30MHz）的無線通信中。第四種方式是經(jīng)電離層反射傳播。當(dāng)電波波長小于1米（頻率大于300MHz）時，電離層是反射體。從電離層反射的電波可能有一個或多個跳躍，如圖3-1-1 (e)所示。這種傳播用于長距離通信。除了反射，由于折射率的不均勻，電離層可產(chǎn)生電波散射。另外，電離層中的流星也能散射電波。同對流層一樣，電離層也具有連續(xù)波動的特性，在這種波動上是隨機的快速波動。蜂窩 系統(tǒng)的無線傳播利用了第二種電波傳播方式

5、。(a) 直達波沿直線傳播(b) 視距通信的應(yīng)用(c) 地波傳播(d) 對流層對無線電波的不規(guī)則散射(e) 無線電波通過電離層反射傳播圖3-1-1 不同的傳播模式在設(shè)計蜂窩系統(tǒng)時研究傳播有兩個原因：第一，它對于計算覆蓋不同小區(qū)的場強提供必要的工具。因為在大多數(shù)情況下覆蓋區(qū)域從幾百米到幾十公里，地波傳播可以在這種情況下應(yīng)用。第二，它可計算鄰信道和同信道干擾。預(yù)測場強有三種方法：第一種純理論方法，適用于分離的物體，如山和其他固體物體。但這種預(yù)測忽略了地球的不規(guī)則性。第二種基于在各種環(huán)境的測量，包括不規(guī)則地形及人為障礙，尤其是在移動通信中普遍存在的較高的頻率和較低的移動天線。第三種方法是結(jié)合上述兩種

6、方法的改進模型，基于測量和使用折射定律考慮山和其他障礙物的影響。在蜂窩系統(tǒng)中，至少有兩種傳播模型：第一種是FCC建議的模型；第二種設(shè)計模型由Okumura提供，覆蓋邊界應(yīng)考慮實際經(jīng)驗結(jié)果。3.2 無線傳播特性3.2.1 頻段劃分介紹無線電波分布在3Hz到3000GHz之間，在這個頻譜內(nèi)劃分為12個帶，如表3-2-1所示。在不同的頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性。對于移動通信來講，我們只關(guān)心UHF的頻段。 表3-2-1 無線頻段劃分示意FrequencyClassificationDesignation330Hz30300HzExtremely Low FrequencyELF3003000HzV

7、oice FrequencyVF330KHzVery-low FrequencyVLF30300KHzLow FrequencyLF3003000KHzMedium FrequencyMF330MHzHigh FrequencyHF30300MHzVery High FrequencyVHF3003000MHzUltra High FrequencyUHF330GHzSuper High FrequencySHF30300GHzExtremely High FrequencyEHF3003000GHz對于WCDMA所用頻段有2種：上行（MHZ）下行(MHZ)A1920-19802110-217

8、0B1850-19101930-1990我國計劃WCDMA采用的是A段的頻率。 3.2.2 快衰落與慢衰落根據(jù)上一節(jié)的論述，在一個典型的蜂窩移動通信環(huán)境中，由于接收機與發(fā)射機之間的直達路徑被建筑物或其他物體所阻礙，所以，在蜂窩基站與移動臺之間的通信不是通過直達路徑，而是通過許多其他路徑完成的。在UHF頻段，從發(fā)射機到接收機的電磁波的主要傳播模式是散射，即從建筑物平面反射或從人工、自然物體折射，如圖3-2-2所示。 建筑物反射波 繞射波 直達波 地面反射波圖3-2-2 多徑傳播模型所有的信號分量合成產(chǎn)生一個復(fù)駐波，它的信號的強度根據(jù)各分量的相對變化而增加或減小。其合成場強在移動幾個車身長的距離中

9、會有2030dB的衰落，其最大值和最小值發(fā)生的位置大約相差1/4波長。大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象，其合成波的幅度和相位隨移動臺的運動產(chǎn)生很大的起伏變化，通常把這種現(xiàn)象稱為多徑衰落或快衰落，如圖3-2-3所示。在性質(zhì)上，多徑衰落屬于一種快速變化。此外，這種傳播特點還產(chǎn)生了時間色散的現(xiàn)象。深衰落點在空間上的分布是近似的相隔半個波長（900MHz為17cm，1900MHz為8cm)，如果此時手機天線處于這個深衰落點（當(dāng)汽車中的手機用戶由于紅燈而駐留在這個深衰落點，我們稱為紅燈問題），話音質(zhì)量將會變差。研究表明，如移動單元所收到的各個波分量的振幅、相位和角度是隨機的，那么合成信號的方位角

10、和幅度的概率密度函數(shù)分別為：02 (3-1)r0 (3-2)其中r為標(biāo)準(zhǔn)偏差。（3-1）式和（3-2）式分別表明方位角在02是均勻分布的，而電場強度概率密度函數(shù)是服從瑞利分布的。故多徑衰落也稱瑞利衰落。 對于這種快衰落，基站采取的措施就是采用時間分集、頻率分集和空間分集（極化分集）的辦法。時間分集主要靠符號交織、檢錯和糾錯編碼等方法，不同編碼所具備的抗衰落特性不一樣。CDMA移動通信的空中信道編碼方式參見相關(guān)協(xié)議。頻率分集理論的基礎(chǔ)是相關(guān)帶寬，即當(dāng)兩個頻率相隔一定間隔后，就認(rèn)為他們的空間衰落特性是不相關(guān)的，移動通信頻段，大量數(shù)據(jù)表明兩個頻率間隔大于200KHz就可獲得這種不相關(guān)性；頻率分集主要

11、采取擴頻方式，在CDMA移動通信中，由于每個信道都工作在較寬頻段（WCDMA為5MHz），本身就是一種擴頻通信?？臻g分集主要采用主分集天線接收的辦法來解決，基站接收機對主、分集通道接收到的信號分別通過最大似然序列估值均衡器（MLSE）均衡后進行分集合并。這種主分集接收的效果由主分集天線接收的不相關(guān)性所保證，所謂不相關(guān)性是指，主集天線接收到的信號與分集天線的接收信號不具有同時衰減的特性，這也就要求采用空間分集時主分集天線之間的間距大于10倍的無線信號波長（對于WCDMA系統(tǒng)要求天線間距大于1.5米），或者采用極化分集的辦法保證主分集天線接收到的信號不具有相同的衰減特性。而對于移動臺（手機）而言，

12、因為只有一根天線，因而不具有這種空間分集功能?；窘邮諜C對一定時間范圍（時間窗）內(nèi)不同時延信號的均衡能力也是一種空間分集的形式。CDMA通信中，軟切換時，移動臺與多個基站同時聯(lián)系，從中選取最好的信號送給交換機，這同樣是一種空間分集的形式。大量研究結(jié)果表明，移動臺接收的信號除瞬時值出現(xiàn)快速瑞利衰落外，其場強中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢的變化，這種變化稱為慢衰落，如圖3-2-3所示。它是由陰影效應(yīng)引起的，所以也稱作陰影衰落。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會產(chǎn)生電磁場的陰影。當(dāng)移動臺通過不同障礙物阻擋所造成的電磁場陰影時，就會使接收場強中值的變化。變化的大小取決于障礙

13、物的狀況和工作頻率，變化速率不僅和障礙物有關(guān)，而且與車速有關(guān)。研究這種慢衰落的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其中值變動服從對數(shù)正態(tài)分布。另外，由于氣象條件隨時間變化、大氣介電常數(shù)的垂直梯度發(fā)生慢變化，使電波的折射系數(shù)隨之變化，結(jié)果造成同一地點的場強中值隨時間的慢變化。統(tǒng)計結(jié)果表明，此中值變化也服從對數(shù)正態(tài)分布。分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為rt。由于信號中值變動在較大范圍內(nèi)隨地點和時間的分布均服從對數(shù)正態(tài)分布，所以它們的合成分布仍服從對數(shù)正態(tài)分布。在陸地移動通信中，通常信號中值隨時間的變動遠小于隨地點的變動，因此可以忽略慢衰落的影響，r=rL。但是在定點通信中，需要考慮慢衰落。圖3-2-3 快衰落和慢衰落總的來說，在蜂窩環(huán)境中

14、有兩種影響：第一種是多路徑，由于從建筑物表面或其他物體反射、散射而產(chǎn)生的短期衰落，通常移動距離幾十米；第二種是直接可見路徑產(chǎn)生的主要接收信號強度的緩慢變化，即長期場強變化。也就是說，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號幅度滿足對數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。3.2.3 傳播損耗在研究傳播時，特定收信機功率接收的信號電平是一個主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號減小，這種信號強度減小稱為傳播損耗。在研究電波傳播時，首先要研究兩個天線在自由空間（各向同性，無吸收，電導(dǎo)率為零的均勻介質(zhì)）條件下的特性。以理想全向天線為例。經(jīng)推導(dǎo)，自由空間的傳播損耗為： （3-3）其中，f為頻率，d為距離（公里）。上

15、式與距離d成反比。當(dāng)d增加一倍，自由空間路徑損耗增加6分貝。同時，當(dāng)減小波長（提高頻率f），路徑損耗增大。我們可以通過增大輻射和接收天線增益來補償這些損耗。當(dāng)已知工作頻率時，（3-3)式還可以寫成： （3-4）式中。稱為路徑損耗斜率。在實際的蜂窩系統(tǒng)中，根據(jù)測量結(jié)果顯示，的取值范圍一般在35之間。有了自由空間的路徑損耗公式后，可以考慮在平坦的，但不理想的表面上2個天線之間的實際傳播情況。假設(shè)在整個傳播路徑表面絕對平坦（無折射）。基站和移動臺的天線高度分別為和（A處為，B處為），如圖3-2-4所示。 (a) 多反射情況 (b) 單反射情況 (c) 找出視距和地面反射的路徑差的映象方法圖3-2-4

16、 平坦表面的傳播與自由空間的路徑損耗相比，平坦地面?zhèn)鞑サ穆窂綋p耗為： （3-5） 式中。該式表明增加天線高度一倍，可補償6dB損耗；而移動臺接收功率隨距離的4次方變化，即距離增大一倍，接收到的功率減小12dB。地形地物的種類千差萬別，對移動通信電波傳播損耗的影響也是錯綜復(fù)雜的。在實際應(yīng)用中是不可能存在絕對的平坦地形的。對于復(fù)雜的地形一般可分為兩類，即“準(zhǔn)平滑地形”和“不規(guī)則地形”。“準(zhǔn)平滑地形”指表面起伏平緩，起伏高度小于或等于20米的地形，平均表面高度差別不大。Okumura將起伏高度定義為距離移動臺天線前方10公里內(nèi)地形起伏10%與90%的差。CCIR定義為收信機前方1050公里處地形高度

17、超過90%與超過10%的差。除此以外的其它地形統(tǒng)稱為“不規(guī)則地形”，按其狀態(tài)可分為：丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形和水陸混合地形等。在對市區(qū)及其附近地區(qū)分析傳輸損耗時，還可以依據(jù)地理區(qū)域的擁擠程度分類，如分成：開闊區(qū)、密集市區(qū)、中等市區(qū)、郊區(qū)等。在分析山區(qū)或者城市中摩天大樓密布的密集市區(qū)的傳輸損耗時，通常還要分析繞射損耗。繞射損耗是對障礙物高度和天線高度的一種測量。障礙物高度必須同傳播波長比較。同一障礙物高度對長波長產(chǎn)生的繞射損耗小于短波長。預(yù)測路徑損耗時，把這些障礙物看作尖形障礙，即“刃形”。用物理光學(xué)中常用的方法可計算損耗。圖3-2-5中有兩種障礙物。第一種情況下，高H處的視距路徑無障礙物。

18、第二種情況下，障礙物在電波路徑中。第一種中我們假設(shè)障礙物高度是負數(shù)，第二種假設(shè)障礙物高度是正數(shù)。繞射損耗F可通過繞射常數(shù)v求出，v由下式給出。 （3-6）不同繞射損耗的近似值由下式求出： (3-7)(a) 負高度 (b) 正高度圖3-2-5 經(jīng)過刀刃的無線傳播 3.2.4 多普勒效應(yīng)在無線系統(tǒng)中多普勒效應(yīng)引起頻率變化的關(guān)系可以通過下面的公式給出：(1) 基站為頻率源f，移動臺接收到的頻率f為：f=f(1V/c) (3-8)式中：v為移動臺的移動速度，c為空中信號傳播速度（設(shè)為3E8米/秒）；當(dāng)移動臺向基站方向移動時取“+”號，遠離基站時取“-”號。(2) 移動臺為頻率源f，基站接收到的頻率f為

19、f=f/(1U/c) (3-9)式中：u為移動臺的移動速度，c為空中信號傳播速度（設(shè)為3E8米/秒）當(dāng)移動臺向基站方向移動時取“-”號，遠離基站時取“+”號。下面分幾種特殊情況進行討論：移動臺向基站方向移動，速度為v時，如圖3-2-6所示。圖3-2-6 移動臺向基站方向移動基站的信號頻率為f1，由于多普勒效應(yīng)移動臺收到的信號頻率為f2；移動臺以f2向基站發(fā)射信號，由于多普勒效應(yīng)基站收到的頻率為f3。通過上面的公式將有：f2=f1(1+v/c)f3=f2/(1-v/c)f3=f1(1+v/c)/(1-v/c)=f1(c+v)/(c-v)相對頻率變化為：(f3-f1)/f1=2v/(c-v) （3

20、-10）移動臺遠離基站方向移動，速度為v時，如圖3-2-7所示。圖3-2-7 移動臺遠離基站方向移動基站的信號頻率為f1，由于多普勒效應(yīng)移動臺收到的信號頻率為f2，移動臺以f2向基站發(fā)射信號。由于多普勒效應(yīng)基站收到的頻率為f3，通過上面的公式將有：f2=f1(1-v/c)f3=f2/(1+v/c)f3=f1(1-v/c)/(1+v/c)=f1(c-v)/(c+v)相對頻率變化為：(f3-f1)/f1=-2v/(c+v) （3-11）由于移動臺的移動速度相對于信號的傳播速度c是較小的，所以在這兩種情況下相對頻率的變化是差不多的，只是方向相反，第一種情況是頻率增加，第二種情況是頻率減小。相對頻率與

21、移動臺速度的關(guān)系可以通過圖3-2-8的曲線來說明。圖3-2-8 相對頻率與移動臺速度的關(guān)系圖從圖上可以看出，在移動臺的速度為100 km/h時，相對頻率變化為0.19ppm，對于900M頻率偏差為171Hz，對于2000M頻率偏差為380Hz。（3）移動臺在兩個基站間運動，速度為v，如圖3-2-9所示。在GSM通信系統(tǒng)中，進行切換時是上面的兩種情況的疊加。由于移動臺通過BA table來獲取對相鄰小區(qū)BCCH信道監(jiān)測的信息，是控制移動臺調(diào)整其頻率若干個kHz來對相鄰小區(qū)的電平進行監(jiān)測，這可能會出現(xiàn)由于多普勒頻率變化，使移動臺不能正確收到鄰近小區(qū)的信號。以圖3-10為例，移動臺監(jiān)測基站1的電平，

22、移動臺收到的信號f2可能會出現(xiàn)在兩個移動臺調(diào)整頻率中間。使移動臺無法正確監(jiān)測到基站1的信號電平。另一方面，在SACCH中上報的RXlev信息最少要30s發(fā)送一次，這樣長的時間信息報告也將引起不能正常監(jiān)測鄰近小區(qū)電平，而導(dǎo)致切換不成功。多普勒效應(yīng)引起的頻率變化，在信號上將引起基站接收到信號頻率為f1(c+v)/(c+v)，而以f1的采樣時鐘來接受數(shù)據(jù)。引起接收數(shù)據(jù)錯誤，這也可能是影響切換的一個因素。對于WCDMA寬帶通信系統(tǒng)，多普勒頻移引起的頻率變化較通信帶寬來說很小，產(chǎn)生的影響也很小。圖3-2-9 移動臺在兩個基站間運動3.2.5 菲涅爾區(qū)從發(fā)射機到接收機傳播路徑上，有直射波和反射波，反射波的

23、電場方向正好與原來相反，相位相差180度。如果天線高度較低且距離較遠時，直射波路徑與反射波路徑差較小，則反射波將會產(chǎn)生破壞作用。另外，直射波與反射波路徑差為，帶來的相位差為，、 分別表示發(fā)射機和接收機離地面的高度，為發(fā)射機到接收機間的水平距離，如圖3-2-10所示。圖3-2-10 直射與反射示意圖忽略從發(fā)射點通過地波傳播到達接收機的一部分信號（該信號在超高頻和甚高頻段可以忽略不計），則總的接收場強和自由空間場強（單位為V/m）的比值的平方為： (3-12)這個式子表明，設(shè)n為自然數(shù)，當(dāng)為時，可產(chǎn)生6dB的信號功率增益；而當(dāng)為時，兩路信號相互抵消。這個角度的變化可能是由于天線高度、傳播距離的變化

24、或者兩者共同作用所引起的。仿真結(jié)果還表明，當(dāng)小于時，大于，此時所得增益的大小隨移動臺向基站靠攏而擺動；當(dāng)大于時，小于，當(dāng)移動臺遠離基站移動時增益無擺動。實際傳播環(huán)境中，第一菲涅爾區(qū)定義為包含一些反射點的橢圓體，在這些反射點上反射波和直射波的路徑差小于半個波長，即小于。如圖3-2-11所示。第一菲涅爾區(qū)是主傳播區(qū)，當(dāng)阻擋物不阻擋第一菲涅爾區(qū)時，繞射損耗最小。在長為路徑上某一點（到發(fā)射機距離為，到接收機距離為）的第一菲涅爾區(qū)的半徑為： (3-13)圖3-2-11 第一菲涅爾區(qū)半徑舉例說明：在典型的城市基站覆蓋距離為2km的路徑上某點，假設(shè)該點距離發(fā)射天線100m，對于2000MHz頻率而言該點第一

25、菲涅爾區(qū)半徑約為3.7米。在第一菲涅爾區(qū)定義基礎(chǔ)上，定義第n菲涅爾區(qū)為傳播路徑比第n-1菲涅爾區(qū)多半個波長的反射點集合，兩條反射路徑的相位差為180度。第n菲涅爾區(qū)半徑為： (3-14)如果直達路徑跳過起伏不平的地形及地表的建筑物，則反射波會對直射波產(chǎn)生積極作用；否則就有可能成為具有破壞性的多徑干擾，且破壞作用隨頻率增高而變大。因此應(yīng)該將基站的天線建得盡可能離地面高。在后面的天線工程設(shè)計中會運用到這個結(jié)論。事實上，根據(jù)經(jīng)驗用于視距微波鏈路設(shè)計只要55的第一菲涅爾區(qū)保持無阻擋，其他菲涅爾區(qū)的情況基本不影響繞射損耗。3.3 無線傳播模型3.3.1 傳播模型概述傳播模型是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。模

26、型的價值就是保證了精度，同時節(jié)省了人力、費用和時間。 在規(guī)劃某一區(qū)域的蜂窩系統(tǒng)之前，選擇信號覆蓋區(qū)的蜂窩站址使其互不干擾，是一個重要的任務(wù)。傳播模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃是否合理，運營商是否以比較經(jīng)濟合理的投資滿足了用戶的需求。由于我國幅員遼闊，各省、市的無線傳播環(huán)境千差萬別。例如，處于丘陵地區(qū)的城市與處于平原地區(qū)的城市相比，其傳播環(huán)境有很大不同，兩者的傳播模型也會存在較大差異。因此如果僅僅根據(jù)經(jīng)驗而無視各地不同地形、地貌、建筑物、植被等參數(shù)的影響，必然會導(dǎo)致所建成的網(wǎng)絡(luò)或者存在覆蓋、質(zhì)量問題，或者所建基站過于密集，造成資源浪費。隨著我國移動通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，各運營商越來越重視傳播模型與本

27、地區(qū)環(huán)境相匹配的問題。選擇的預(yù)期模型是具有合理精度的傳播模型，并且應(yīng)為多年的移動無線環(huán)境的測量數(shù)據(jù)證明是正確的。一個優(yōu)秀的移動無線傳播模型要具有能夠根據(jù)不同的特征地貌輪廓，像平原、丘陵、山谷等，或者是不同的人造環(huán)境，例如開闊地、郊區(qū)、市區(qū)等，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這些環(huán)境因素涉及了傳播模型中的很多變量，它們都起著重要的作用。因此，一個良好的移動無線傳播模型是很難形成的。為了完善模型，就需要利用統(tǒng)計方法，測量出大量的數(shù)據(jù)，對模型進行校正。一個好的模型還應(yīng)該簡單易用。模型應(yīng)該表述清楚，不應(yīng)該給用戶提供任何主觀判斷和解釋，因為主觀判斷和解釋往往在同一區(qū)域會得出不同的預(yù)期值。一個好的模型應(yīng)具有好的公認(rèn)度和可

28、接受性。應(yīng)用不同的模型時，得到的結(jié)構(gòu)有可能不一致。良好的公認(rèn)度就顯得非常重要了。多數(shù)模型是預(yù)期無線電波傳播路徑上的路徑損耗的。所以傳播環(huán)境對無線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性；該地區(qū)的植被特征；天氣狀況；自然和人為的電磁噪聲狀況。另外，無線傳播模型還受到系統(tǒng)工作頻率和移動臺運動狀況的影響。在相同地區(qū)，工作頻率不同，接收信號衰落狀況各異；靜止的移動臺與高速運動的移動臺的傳播環(huán)境也大不相同。一般分為：室外傳播模型和室內(nèi)傳播模型。3.3.2 常用傳播模型介紹幾種常見的傳播模型如表3-3-1所

29、示：表3-3-1 幾種常見的傳播模型模型名稱適用范圍Okumura-Hata適用于 900/1900MHz 宏蜂窩預(yù)測 Cost231-Hata適用于2GHz 宏蜂窩預(yù)測Cost231 Walfish-Ikegami適用于900和2GHz 微蜂窩預(yù)測Keenan-Motley 適用于900和2GHz 室內(nèi)環(huán)境預(yù)測規(guī)劃軟件ASSET中使用適用于900和2GHz 宏蜂窩預(yù)測下面就將介紹Okumura-Hata、COST231等常用模型以及我們目前使用的規(guī)劃軟件ASSET中使用的傳播模型。2. 自由空間的傳播在研究傳播時，特定收信機功率接收的信號電平是一個主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號減

30、小，這種信號強度減小稱為傳播損耗。在研究電波傳播時，首先要研究兩個天線在自由空間（各向同性，無吸收，電導(dǎo)率為零的均勻介質(zhì)）條件下的特性。以理想全向天線為例。 經(jīng)推導(dǎo)，自由空間的傳播損耗為： Lp=32.4+20log(fMHz)+20log(dkm)（3-15）其中，f為頻率，d為距離（公里）。上式與距離d成反比。當(dāng)d增加一倍，自由空間路徑損耗增加6分貝。同時，當(dāng)減小波長（提高頻率f），路徑損耗增大。我們可以通過增大輻射和接收天線增益來補償這些損耗。當(dāng)已知工作頻率時，（3-15）式還可以寫成Lp=L0+10log(dkm) （3-16）式中。稱為路徑損耗斜率。在實際的蜂窩系統(tǒng)中，根據(jù)測量結(jié)果顯

31、示，的取值范圍一般在35之間。有了自由空間的路徑損耗公式后，可以考慮在平坦的，但不理想的表面上2個天線之間的實際傳播情況。假設(shè)在整個傳播路徑表面絕對平坦（無折射）。基站和移動臺的天線高度分別為和，如圖3-2-4所示。與自由空間的路徑損耗相比，平坦地面?zhèn)鞑サ穆窂綋p耗為： （3-17）當(dāng)式中時，該式表明增加天線高度一倍，可補償6dB損耗；而移動臺接收功率隨距離的4次方變化，即距離增大一倍，接收到的功率減小12dB。3. Okumura-Hata模型該模型由在日本測得的平均測量數(shù)據(jù)構(gòu)成。市區(qū)的路徑損耗中值可以用下面的近似解析式表示： （3-18）式中：從基站到移動臺的路徑損耗，單位：dB； 載波頻率

32、，單位：MHz；基站天線高度，單位：米；移動臺天線高度，單位：米； 基站到移動臺之間的距離，單位：km；對中等城市或大城市修正，在郊區(qū)，傳播模型可以修正為， （3-19）在開闊地，傳播模型可以修正為， （3-20）在實際無線傳播環(huán)境中，還應(yīng)考慮各種地物地貌的影響，華為公司使用的規(guī)劃軟件ASSET正是考慮到這一點，對傳播模型進行了改進，考慮了現(xiàn)實環(huán)境中各種地物地貌對電波傳播的影響，從而更好的保證了覆蓋預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型表示式如下： （3-21）式中：與頻率有關(guān)常數(shù)；距離衰減常數(shù)；移動臺天線高度修正系數(shù)；基站天線高度修正系數(shù)；繞射修正系數(shù)；地物衰減修正系數(shù)； 基站和移動臺之間的距離。單位：km

33、；移動臺天線和基站天線的有效高度，單位：米。在分析不同地區(qū)、不同城市的電波傳播時，K值會因地形、地貌的不同以及城市環(huán)境的不同而選取不同的值。下表3-3-2列舉了一個曾經(jīng)用于中等城市電波傳播分析時的K值以及一些Clutter衰耗值。表3-3-2 一中等城市傳播模型的K、Kclutter取值K 參 數(shù) 名 稱參 數(shù) 值K1160K241K3-2.55K40.00K5-13.82K6-6.55K70.80Clutter 衰 耗 值Inland Water-3.00Wetland-3.00Open Areas in Urban-2.00Rangeland-1.00High Buildings16.00

34、Industrial & Commercial Areas5.00Dense Urban5.00Order Urban0.00Suburban-2.50根據(jù)這些K參數(shù)，可以計算出傳播損耗中值。但是由于環(huán)境的復(fù)雜性，還要進行適當(dāng)?shù)男拚．?dāng)蜂窩移動通信系統(tǒng)用于室內(nèi)時要考慮建筑損耗。建筑損耗是墻壁結(jié)構(gòu)（鋼、玻璃、磚等）、樓層高度、建筑物相對于基站的走向、窗戶區(qū)所占的百分比等的函數(shù)。由于變量的復(fù)雜性，建筑物的損耗只能在周圍環(huán)境的基礎(chǔ)上統(tǒng)計預(yù)測。我們可以有以下一些結(jié)論：位于市區(qū)的建筑平均穿透損耗大于郊區(qū)和偏遠區(qū)。有窗戶區(qū)域的損耗一般小于沒有窗戶區(qū)域的損耗。建筑物內(nèi)開闊地的損耗小于有走廊的墻壁區(qū)域的損耗。

35、街道墻壁有鋁的支架比沒有鋁的支架產(chǎn)生更大的衰減。只在天花板加隔離的建筑物比天花板和內(nèi)部墻壁都加隔離的建筑物產(chǎn)生的衰減小。在WCDMA移動通信系統(tǒng)中，2GHz頻率比GSM 900MHz頻率的繞射能力差，但是穿透能力強。一般室內(nèi)的電波分量是穿透分量和繞射分量的疊加，而繞射分量占絕大部分，所以總的看來2GHz室內(nèi)外電平差比900MHz室內(nèi)外電平差要大。并且，900MHz信號進入室內(nèi)后，由于穿透能力差一些，在室內(nèi)進行各種反射后場強分布更均勻；2GHz信號進入室內(nèi)后部分穿透出去了，室內(nèi)信號分布就不太均勻，所以造成不同位置的信號電平差異大，也就是用戶感覺信號波動大。針對這種情況，可以為2GHz 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的

36、各種電平閥值留更大的余量，如切換遲滯，功控期望電平等，這需要根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)整和仔細規(guī)劃。平均的樓層穿透損耗是樓層高度的函數(shù)。一般認(rèn)為，損耗線的斜率是1.9dB/層。建筑物底層的平均穿透損耗，市區(qū)為16dB左右，郊區(qū)在13dB左右。特定樓層的測量表明，建筑物內(nèi)的損耗特性可看作是帶衰減的損耗波導(dǎo)。例如當(dāng)電波沿著與室外窗戶垂直的方向的走廊方向傳播的時候，損耗可以達到0.4dB/m。當(dāng)計算隧道中的電波傳播情況時，需要考慮隧道的傳播損耗。這時可以把隧道簡化成一個有耗波導(dǎo)來考慮。實驗結(jié)果顯示在特定距離傳播損耗隨頻率增加而下降。當(dāng)工作頻段在2GHz 以下時，損耗曲線與工作頻率的關(guān)系呈指數(shù)衰減。4. CO

37、ST231-Hata模型適合頻段： 1500 - 2000 MHz基站的天線高度Hb：30 200 m移動臺天線高度 Hm：1 10 m 覆蓋距離：1 20 km大城市區(qū)域(在農(nóng)村地區(qū)和郊區(qū)可以從圖3中得到校正因子)。Lu (dB) = 46.3 + 33.9*log(f) - 13.82*log(Hb) - a(Hm) +44.9 - 6.55*log(Hb)*log(d) + Cm （3-22）其中：a(Hm) =1.1*log(f) - 0.7*Hm -1.56*log(f) - 0.8Cm = 0 dB 對于中等城市和郊區(qū)中心區(qū)Cm = 3 dB 對于大城市對于農(nóng)村準(zhǔn)開闊地：Lrqo

38、(dB) = Lu - 4.78*log(f)2 + 18.33*log(f) - 35.94 對于農(nóng)村開闊地：Lro (dB) = Lu - 4.78*log(f)2 + 18.33*log(f) - 40.945. COST231 Walfish Ikegami 模型 該模型適合于大城市環(huán)境。適合頻段：8002000 MHz使用的天線掛高：4 50 m移動臺高度：1 3 m 覆蓋距離：0.02 5 km其他基本參數(shù)說明：建筑物高度： Hroof (m)路面寬度 ：w (m)建筑物之間的距離： b (m)道路方向與直射波路徑的夾角： Phi ()a）：基站和移動臺之間沒有直射徑的情況 (sm

39、all cells)Lb = L0 + Lrts + Lmsd (or Lb = L0 for Lrts + Lmsd = 0) （3-23）其中：L0為自由空間的損耗：L0 = 32.4 + 20*log(d) + 20*log(f)Lrts為屋頂和街道之間的衍射和散射損耗(對應(yīng)慢衰落)：Lrts = -16.9 - 10*log(w) + 10 log(f) + 20*log(Hr - Hm) + Lcri其中：Lcri = -10 + 0.354*Phi for 0= Phi 35= 2.5 + 0.075*(Phi-35) for 35= Phi 55 = 4.0 - 0.114*(P

40、hi-55) for 55= Phi Hroof= 0 for Hb Hroof= 54 - 0.8*(Hb - Hroof) for d = 0.5 and Hb =Hroof = 54 - 0.8*(Hb - Hroof)*(d/0.5) for d0.5 and Hb Hroof= 18 - 15*(Hb - Hroof)/Hroof for Hb = 0.020 km （3-24）6. Keenan-Motley 模型室內(nèi)傳播環(huán)境與室外微蜂窩、宏蜂窩不同，如天線高度，覆蓋距離等。因此原先的Okomula-Hata模型、COST-231模型已不再適用。應(yīng)使用Keenan-Motley 模

41、型。Lindoor = Lbs + k*F(k) + p*W(k) + D(d - db) （3-25）其中，LBS為自由空間傳播損耗，Lbs = 32.5 + 20*logf + 20*logd 。Lindoor：室內(nèi)傳播損耗；f：頻率（MHz）d：傳播距離（km）k：直達波穿透的樓層數(shù)F：樓層衰減因子(dB)p：直達波穿透的墻壁數(shù)W：墻壁衰減因子(dB)D：線性衰減因子(dB/m)db：室內(nèi)轉(zhuǎn)折點(m)，典型值為65m，大于該值增加0.2dB/m。7. ASSET支持的模型 ASSET支持兩個宏蜂窩模型the standard macrocell 和 the standard macroc

42、ell 2。我們一般優(yōu)先使用The standard macrocell 2 模型，因為The standard macrocell 2 模型處理Clutter衰耗效果的速度要比the standard macrocel l快。兩個宏蜂窩模型均基于 ETSI Hata 模型，并作了適當(dāng)修正，如地物補償、衍射的使用。模型使用的有效頻率為：150MHz 2GHz使用的天線掛高：450m公式如下：PrxPtxPloss （3-26）其中：Prx ：接收功率 (dBm)Ptx ：發(fā)射功率 (EiRP) (dBm)Ploss：路徑損耗 (dB)以及Plossk1K2log(d)+k3(Hms)+k4lo

43、g(Hms)+k5log(Heff)+k6log(Heff)log(d)+k7diffen+C_Loss其中：d：基站到移動臺的距離 (km)Hms：移動臺高度 (m)，一般取1.5米 Heff：有效基站天線高度 (m)Earth Radius：8491.2km k1（160）和 k2（40）： 移動臺與基站之間距離衰減的常數(shù)。k3（2.55）：移動臺天線高度修正因子。k4（0）： Okumura Hata對移動臺高度的修正因子。k5（13.82）：有效基站天線高度增益修正因子。k6（6.55）：Okumura Hata 對 log(Heff)log(d) 的修正因子。k7（0.8）：衍射修正

44、因子。 C_loss：在計算過程中考慮了地物因素。傳播模型通過修改K參數(shù)進行校正。3.3.3 傳播模型校正1. CW測試的原理為了獲得符合本地區(qū)實際環(huán)境的無線傳播模型，提高覆蓋預(yù)測的準(zhǔn)確性，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃打好基礎(chǔ)，必須進行傳播模型的校正。CW測試即連續(xù)波測試，是進行模型校正的必經(jīng)步驟，通過CW測試和數(shù)字地圖可以獲得進行模型校正的數(shù)據(jù)。這些測試數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度信息和接收電平形成模型校正的數(shù)據(jù)源。利用隨機過程的理論分析移動通信的傳播，可以表示為： （3-27）其中，x為距離，r（x）為接收信號；r0（x）為瑞利衰落； m（x）為本地均值，也就是長期衰落和空間傳播損耗的合成，可以表示為： （3-28）其中

45、2L為平均采樣區(qū)間長度，也叫本征長度。CW測試就是盡可能獲取在某一地區(qū)各點地理位置的本地均值，即r(x)與m(x)之差盡可能小，因此要獲取本地均值必須去除瑞利衰落的影響。對于一組測量信號數(shù)據(jù)r(x)平均時，若本征長度2L太短，則仍有瑞利衰落影響存在；若2L太長，則會把正態(tài)衰落也平均掉。因此在CW測試中確定2L關(guān)系到能否使所測數(shù)據(jù)與實際本地均值的逼近程度，以及根據(jù)CW測試校正的傳播模型預(yù)測的準(zhǔn)確程度。2. CW測試方法A）、CW測試的站址選擇在測試之前首先需要確定測試站址及其數(shù)量。站址選擇的原則是要使它能夠覆蓋規(guī)劃區(qū)內(nèi)所有的地物類型（這些地物類型來自數(shù)字地圖），這主要取決于測試基站天線高度及其EIRP大小。根據(jù)一般經(jīng)驗，在人口密集的大城市，測試站址應(yīng)不少于5個；對于中小城市一般一個測試站址就夠了。在實際測試中為便于測試，測試站址可按以下標(biāo)準(zhǔn)來確定站址是否合適：天線高度大于20米；天線高于最近的障礙物5米以上。圖2-1-1 站點選擇標(biāo)準(zhǔn)示意圖在此障礙物主要指天線所在屋頂上的最高建筑物，作為站址的建筑物應(yīng)高于周圍建筑物的平均高度。B）、CW測試準(zhǔn)備CW測試首先需要有一個測試基站發(fā)射RF信號，可以FM調(diào)制，也可以不調(diào)制，然后用CW測試設(shè)備進行驅(qū)車測試。基站系統(tǒng)包括發(fā)射天線、饋線、高功放、高頻信號