無(wú)線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 課件 第3章 宏蜂窩傳播預(yù)測(cè)模型

第3章

宏蜂窩傳播預(yù)測(cè)模型1

宏蜂窩傳播預(yù)測(cè)模型2傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用宏蜂窩（MacroCell）形式進(jìn)行組網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)形式具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，覆蓋范圍大，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。目前4G與5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，依然以宏蜂窩為主進(jìn)行室外場(chǎng)景的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。然而工程實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，部分宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中存在一些盲點(diǎn)難以得到有效覆蓋，而且對(duì)于熱點(diǎn)

區(qū)域也存在容量不足問(wèn)題。需要采用合理的電波傳播預(yù)測(cè)模型，結(jié)合實(shí)測(cè)分析，開(kāi)展宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署。無(wú)線通信信道具有隨機(jī)特征，給信道建模與分析帶來(lái)較大困難。傳統(tǒng)移動(dòng)通信電波傳播研究方法是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)均值隨傳播距離變化的規(guī)律分析。宏蜂窩場(chǎng)景下，影響電波傳播的主要因素是大尺度路徑損耗，其與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋具有密切關(guān)系。本章重點(diǎn)介紹電波傳播的建模基本方法，以及常見(jiàn)的幾種應(yīng)用于宏蜂窩環(huán)境典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型。

§3.1

電波傳播特性建模方法

3.1.1經(jīng)驗(yàn)測(cè)量方法3利用經(jīng)驗(yàn)測(cè)量方法構(gòu)建的電波傳播預(yù)測(cè)模型稱為經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。通過(guò)對(duì)不同時(shí)間與地點(diǎn)的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的采樣測(cè)量，利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行分析歸納得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。此類(lèi)模型以ITU-R.P推薦的模型為主，如ITU-R.P368建議書(shū)、ITU-R.P528建議書(shū)、ITU-R.P1546建議書(shū)等。經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的優(yōu)點(diǎn):形式簡(jiǎn)單，應(yīng)用時(shí)不需要詳細(xì)的地理環(huán)境信息，計(jì)算方便且高效，能夠直接用于無(wú)線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)；缺點(diǎn):均為區(qū)域性統(tǒng)計(jì)模型，即各類(lèi)模型不具備普適性，而且計(jì)算精度較低，對(duì)于特定區(qū)域傳播預(yù)測(cè)需要結(jié)合本地地理特征進(jìn)行修正處理。

§3.1

電波傳播特性建模方法

3.1.2確定性預(yù)測(cè)方法4確定性預(yù)測(cè)方法是在嚴(yán)格的電磁波傳播理論基礎(chǔ)上，根據(jù)電磁輻射源或者電波傳播初始條件，結(jié)合所研究區(qū)域的邊界條件，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的波動(dòng)方程求解，從而獲得傳播路徑上的電磁場(chǎng)值分布。一般來(lái)說(shuō)，初始條件由輻射源或者所選取的參考面上場(chǎng)值分布決定。邊界條件則受到傳播環(huán)境的約束，而且隨著傳播路徑發(fā)生變化。需要指出，初始條件往往是確定性因素，而邊界條件則可能為時(shí)間的函數(shù)。由于邊界條件的建立基礎(chǔ)是傳播環(huán)境，所以針對(duì)電波傳播區(qū)域及其內(nèi)部散射體或反射體的幾何建模對(duì)于邊界條件的精度具有重要影響。

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型5表3.1常用電波傳播模式宏小區(qū)微小區(qū)室內(nèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ桨虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ狡渌Ｊ絀kegamiAndersen雙射線長(zhǎng)距離路徑損耗COST231-HataWalfish&BertoniZhang多射線衰減因子LeeXia&BertoniSaunder多縫隙波導(dǎo)模式Keenan-MotleyIbrahim&parsonsCOSTWalfish-IkegamiBonarUni-Lund模式多墻模式McGeehan＆Griffiths

Atefi&parson

Sakagami-Kuboi

考慮到移動(dòng)通信環(huán)境的多樣性，需要針對(duì)特定的環(huán)境類(lèi)型設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電波傳播模式用于路徑損耗預(yù)估。根據(jù)常見(jiàn)的傳播模式特征，通常研究宏蜂窩、微蜂窩及微微蜂窩三種通信場(chǎng)景下的典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型。宏蜂窩通常指面積較大的通信環(huán)境，覆蓋面積達(dá)到1~30km，其基站天線一般架設(shè)于覆蓋區(qū)域附近的較高建筑物或者鐵塔上。該場(chǎng)景通常不存在直射路徑，無(wú)線多徑信道的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性呈現(xiàn)瑞利分布特征。微蜂窩覆蓋面積較小，一般在0.1~1km范圍內(nèi)。其基站天線高度與建筑物高度相近。此類(lèi)環(huán)境中覆蓋區(qū)域往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)則形狀的小區(qū)規(guī)劃，而是需要結(jié)合城市環(huán)境建設(shè)開(kāi)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)。通常存在視距(LOS)和非視距(NLOS)兩種電波傳播路徑，因而多徑信道的統(tǒng)計(jì)特性呈現(xiàn)萊斯分布特征。微微蜂窩自從3G移動(dòng)通信系統(tǒng)部署后，開(kāi)始受到廣泛的關(guān)注與研究。其典型覆蓋面積為0.01~0.1km。根據(jù)通信環(huán)境，微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以分為室內(nèi)與室外兩種場(chǎng)景。基站天線根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需求部署于較低建筑物上或者建筑物內(nèi)部。在微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，LOS和NLOS均廣泛存在，并且需要根據(jù)通信制式與頻段進(jìn)行分別考慮分析。

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.1Okumara-Hata模型6圖3.1奧村模型建立思路圖3.2常見(jiàn)電波傳播地形分類(lèi)

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.1Hata模型7在奧村模型的基礎(chǔ)上，Hata模型為該模型的條件為：工作頻率在100~1500MHz范圍內(nèi)；傳播距離在1~20km之間；基站天線高度在30m~200m之間；移動(dòng)臺(tái)天線高度在1m~10m之間。1.Hata公式

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.1Hata模型8考慮到拓展Hata模型的應(yīng)用范圍，對(duì)Hata公式進(jìn)行修正可以提高其與奧村實(shí)驗(yàn)曲線的擬合精度。利用表3.2中的說(shuō)明。可以在奧村曲線的整個(gè)有效范圍內(nèi)提高Hata公式的精度。修正后的Hata公式為2.改進(jìn)的Hata公式修正因子分別為：地球曲率的修正郊區(qū)/市區(qū)修正建筑物的百分比

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.1Hata模型9Hata-Davidson模型也是基于Hata模型建立。其包含的主要參數(shù)為區(qū)域類(lèi)型、接收天線和頻率距離修正，該模型基于高于平均地形高度的發(fā)射天線來(lái)計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)中值。Hata-Davidson的路徑損耗表示為3.Hata-Davidson模型傳統(tǒng)Hata模型的路徑損耗拓展范圍到300km的距離修正因子拓展到2500MHz的基站天線高度修正因子頻率拓展到1500MHz的頻率修正因子

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.2典型城市環(huán)境傳播模型10Walfisch-Bertoni模型是一種用來(lái)預(yù)估城市環(huán)境電波傳播特性的物理模型。該模型包括四條主要傳播路徑：在終端附近建筑物頂部的衍射路徑1，來(lái)自終端建筑物頂部反射到終端的路徑2，建筑物穿透路徑3級(jí)多次反射路徑4。在部分工程案例中，路徑3與路徑4可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體環(huán)境考慮將其忽略。1.Walfisch-Bertoni模型圖3.4Walfisch-Bertoni模型示意圖

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.2典型城市環(huán)境傳播模型11Ikegami模型的特點(diǎn)在于嘗試基于幾何光學(xué)近似建立一個(gè)簡(jiǎn)單的雙線模型來(lái)分析和預(yù)估城市區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)分析，如圖3.5所示。該模型基于日本東京的路測(cè)數(shù)據(jù)，其對(duì)射線路徑的追蹤是根據(jù)具體城市地圖中建筑物的高度、形狀和位置信息而完成。該模型充分考慮了終端附近建筑物單元的單刃邊緣衍射，并假設(shè)建筑物墻壁反射損耗為固定值。終端的接收?qǐng)鰪?qiáng)表示為1.Ikegami模型圖3.5Ikegami模型示意圖

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.2典型城市環(huán)境傳播模型12與Ikegami模型類(lèi)似，Saunders提出的平坦邊緣模型也假設(shè)建筑物等高且等間距1.平坦邊緣模型圖3.6平坦邊緣模型示意圖

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.3身體模型131.模型一在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，身體模型對(duì)于終端側(cè)接收?qǐng)鰪?qiáng)會(huì)產(chǎn)生重要影響。當(dāng)處于通信狀態(tài)時(shí)，身體尺寸、形狀和姿勢(shì)以及天線與用戶身體的方向和距離都會(huì)成為無(wú)線通信系統(tǒng)的一部分，稱為身體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或體域網(wǎng)(Body-AreaNetwork，BAN)。因?yàn)锽AN將影響移動(dòng)信號(hào)的接收幅度與極化狀態(tài)，所以需要將身體因素引入到移動(dòng)無(wú)線傳播的整體路徑損耗預(yù)測(cè)之中。對(duì)于當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)宏蜂窩與微蜂窩（含室內(nèi)蜂窩）網(wǎng)絡(luò)，可以將身體模型分為兩種。將接收信號(hào)分解為常量LOS信號(hào)與符合瑞利分布的時(shí)變信號(hào)，對(duì)于給定發(fā)射端接收單元間隔，接收功率項(xiàng)Pr可建模為

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.3身體模型142.模型二模型1中，終端側(cè)的接收天線沒(méi)有包含其位置變化、指向和陰影數(shù)量導(dǎo)致的等價(jià)統(tǒng)計(jì)。模型2加入索引i附加于接收功率Pr和萊斯K因子，以此表示接收天線環(huán)境特征，則MIMO信道矩陣可表示為一般來(lái)說(shuō)，模型1較好表征了腰帶胸部信道，模型2則提供了腰帶-頭部信道的更可靠表征以及這類(lèi)信道的容量估計(jì)。

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.4COST231模型151.COST231-Hata模型歐洲協(xié)作科技研究局（EURO-COST，EuropeanCo-operativeforScienceandTechnicalresearch）成立的COST-231工作委員會(huì)，將Hata模型的工作頻段由1500MHz拓展至2GHz。與傳統(tǒng)Hata模式相同，COST231-Hata模型也是以O(shè)kumura等人的測(cè)試結(jié)果作為根據(jù)。通過(guò)對(duì)較高頻段的Okumura傳播曲線進(jìn)行分析，得到了所建議的路徑損耗公式

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.4COST231模型162.COST231-Walfisch-Ikegami模型COST-231工作委員會(huì)根據(jù)Walfisch-Beroni的工作和Ikegami的工作及實(shí)驗(yàn)系數(shù)創(chuàng)建了適用于市區(qū)環(huán)境的COST231-Walfisch-Ikegami模型。該模式結(jié)合Walfisch-Bertoni對(duì)城區(qū)環(huán)境的計(jì)算結(jié)果與Ikegami的處理街道走向的修正函數(shù)，并且考慮了用于處理固定基站天線低于屋頂高度的情況的實(shí)驗(yàn)修正因子。圖3.7COST231-Walfisch-Ikegami模型參數(shù)

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.4COST231模型172.COST231-Walfisch-Ikegami模型COST-231-Walfish-Ikegami模型應(yīng)用于兩種通信場(chǎng)景：（1）低基站天線情況，適用于LOS場(chǎng)景；（2）高基站天線情況，適用于NLOS場(chǎng)景。該模型的應(yīng)用范圍如表3.5所示。

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.4COST231模型182.COST231-Walfisch-Ikegami模型（1）低基站天線情況，適用于LOS場(chǎng)景；在城區(qū)街道中，電波傳播呈現(xiàn)出類(lèi)似波導(dǎo)效應(yīng)，與自由空間的傳播特性有明顯差別。一般將這種通信場(chǎng)景成為街道峽谷。根據(jù)該傳播模型，如果在街道峽谷中存在LOS路徑，則路徑損耗表示為

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.4COST231模型192.COST231-Walfisch-Ikegami模型（2）高基站天線情況COST-231-Walfish-Ikegami模型針對(duì)NLOS場(chǎng)景引入多徑傳播項(xiàng)，路徑損耗為上式中的第1項(xiàng)代表自由空間損耗，第2項(xiàng)為最后的屋頂?shù)浇值赖睦@射和散射損耗，表示街道內(nèi)的繞射和反射，第3項(xiàng)為多重屏前向繞射損耗，表示屋頂上方的多次繞射。

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.5Lee宏蜂窩模型202.COST231-Walfisch-Ikegami模型Lee宏蜂窩模型可以廣泛適用于市區(qū)與郊區(qū)，并且能夠結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)參數(shù)設(shè)置的調(diào)整實(shí)現(xiàn)使用范圍的拓展和預(yù)估精度的提高。Lee模型中的“點(diǎn)-點(diǎn)”模型是基于基站與終端之間通信鏈路的變化而進(jìn)行接收信號(hào)局部均值的預(yù)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中所有可能移動(dòng)路徑的局部均值預(yù)測(cè)。故而對(duì)于大區(qū)域的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃而言，“點(diǎn)-點(diǎn)”模型能夠有效降低網(wǎng)規(guī)成本。Lee模型的推薦參考頻率為850MHz，然而實(shí)際應(yīng)用中，該模型在150~2400MHz頻率范圍內(nèi)均適用。在歐洲、亞洲與美國(guó)開(kāi)展的500多次實(shí)測(cè)，包括各類(lèi)城