無(wú)線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 課件 (羅偉) 第1-3章 電磁基本理論、地表電波傳播模式、宏蜂窩傳播預(yù)測(cè)模型

第1章

電磁波傳播基本理論1課程介紹1無(wú)線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃移動(dòng)通信技術(shù)衛(wèi)星通信技術(shù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)電磁理論通信理論理論基礎(chǔ)課程介紹2內(nèi)容簡(jiǎn)介電磁波傳播基本理論地表電波傳播模式宏蜂窩傳播預(yù)測(cè)模型微蜂窩與室內(nèi)傳播預(yù)測(cè)模型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化方法無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站系統(tǒng)無(wú)線通信電波測(cè)量技術(shù)無(wú)線電波傳播仿真方法學(xué)習(xí)方法加強(qiáng)數(shù)學(xué)素養(yǎng)，提高思維能力；借助豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合實(shí)例分析，理解理論知識(shí)；態(tài)度端正，有始有終。恰當(dāng)定位：基本要求：基本方程、基本概念、簡(jiǎn)單計(jì)算；中等要求：重要方程、主要概念、常用計(jì)算；高級(jí)要求：全面掌握理論、概念與計(jì)算；課程考核：閉卷考試輔導(dǎo)答疑：時(shí)間：待定

地點(diǎn)：1403

Maintopic均勻平面波的傳播反射、繞射與散射現(xiàn)象自由空間中電波傳播菲涅爾區(qū)本章小結(jié)5

序言16圖1.1主要的電波傳播方式本課程主要介紹的無(wú)線電波傳播是無(wú)線電工程中的一個(gè)重要課題，在無(wú)線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制中占有重要地位。

無(wú)線電波有多種傳播方式：無(wú)線電波沿地表面?zhèn)鞑サ姆绞椒Q為地面波傳播。無(wú)線電波經(jīng)電離層連續(xù)折射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式稱為天波傳播。電磁波通過(guò)空氣從發(fā)射天線直接傳播到接收天線（有時(shí)也有反射波到達(dá)）的傳播方式稱為空間波傳播，又稱視距傳播。在外大氣層或行星際空間進(jìn)行的地對(duì)空或空對(duì)空之間的傳播方式稱為外層空間傳播。

序言27表1.1無(wú)線電波波段的劃分一般情況下，長(zhǎng)、中波比較適合采用地面波傳播方式進(jìn)行傳播；短波適合采用天波傳播方式進(jìn)行傳播；超短波和微波適合采用空間波傳播方式進(jìn)行傳播；外層空間傳播因只能用微波進(jìn)行傳播，故需用空間波傳播方式進(jìn)行傳播。頻段波段范圍名稱范圍名稱30Hz以下極低頻（ELF）104km以上極長(zhǎng)波30~300Hz超低頻（SLF）10000~1000km超長(zhǎng)波300~3000Hz特低頻（ULF）1000~100km特長(zhǎng)波3~30kHz甚低頻（VLF）100~10km甚長(zhǎng)波30~300kHz低頻（LF）10~1km長(zhǎng)波300~3000kHz中頻（MF）1000~100m中波3~30MHz高頻（HF）100~10m短波30~300MHz甚高頻（VHF）10~1m超短波300~3000MHz特高頻（UHF）10~1dm分米波3~30GHz超高頻（SLF）10~1cm厘米波30~300GHz極高頻（EHF）10~1mm毫米波300~3000GHz超級(jí)高頻1~0.1mm亞毫米波

§1.1

均勻平面波的傳播——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m——體電荷密度，C/m3

基本電磁場(chǎng)量注釋：本書(shū)中用字母上方加短橫線來(lái)表示矢量，如

等；若在字母上方加“^”，則表示單位矢量，如等。——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m

——電通密度，C/m2

——磁通密度，Wb/m2=V·S/m2=T——體電流密度，A/m28

§1.1

均勻平面波的傳播9積分形式安培環(huán)路定律電磁感應(yīng)定律高斯定律高斯定律微分形式Maxwell方程組

§1.1

均勻平面波的傳播

本構(gòu)關(guān)系10

§1.1

均勻平面波的傳播

電荷守恒定律11在任意空間區(qū)域內(nèi)電荷量的變化，等于流入這區(qū)域的電荷量減去流出這區(qū)域的電荷量。

§1.1

均勻平面波的傳播

邊界條件12Maxwell方程組的微分形式只適用于場(chǎng)矢量的各個(gè)分量處處可微的空間。當(dāng)討論多區(qū)媒質(zhì)時(shí)，分界面上的場(chǎng)分量可能不連續(xù)，這時(shí)必須用邊界條件來(lái)決定分界面上的電磁場(chǎng)特性，邊界條件亦稱為分界面上的場(chǎng)方程。通用形式分界面兩側(cè)為不同的理想介質(zhì)分界面兩側(cè)為一般介質(zhì)與理想導(dǎo)體

§1.1

均勻平面波的傳播

平面波定義13平面電磁波指的是等相位面為平面的電磁波，所謂等相位面就是由相位相等的點(diǎn)所構(gòu)成的面。均勻平面電磁波意味著電磁波的平面等相位面上內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻分布。圖1.2

平面波示意圖圖1.3

平面波的傳播過(guò)程

§1.1

均勻平面波的傳播

平面波極化與應(yīng)用14均勻平面波的極化描述了平面波在空間中傳播時(shí)給定點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的時(shí)變特性。極化的應(yīng)用：利用極化實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)射和接收。利用極化技術(shù)提高通信容量。極化在雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、檢測(cè)和成像中的應(yīng)用。極化在抗干擾中的應(yīng)用。

§1.1

均勻平面波的傳播

無(wú)耗媒質(zhì)中平面波的傳播15無(wú)耗媒質(zhì)中，傳播常數(shù)退化為求解自由空間中無(wú)源波動(dòng)方程得到電場(chǎng)與磁場(chǎng)，及相速度真空中均勻平面波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)振幅之比就是真空中媒質(zhì)的本征阻抗。電場(chǎng)和磁場(chǎng)向量相互垂直，且二者都垂直于電磁波的傳播方向。場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)空變化關(guān)系相同。因?yàn)樵谡婵罩袀鞑ッ劫|(zhì)沒(méi)有損耗，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振幅也不會(huì)隨傳播距離增加而衰減。

§1.1

均勻平面波的傳播損耗媒質(zhì)中平面波的傳播16弱導(dǎo)電媒質(zhì)是一種良好的但非理想的絕緣體，其等效電導(dǎo)率不為0，而且

，則得到傳播常數(shù)為可見(jiàn)弱導(dǎo)電介質(zhì)的衰減常數(shù)α是正數(shù)，且與頻率近似成正比，且相位常數(shù)β與無(wú)損耗電介質(zhì)的相位常數(shù)差別很小。弱導(dǎo)電媒質(zhì)的本征阻抗是復(fù)數(shù)弱導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波相速度為

§1.1

均勻平面波的傳播損耗媒質(zhì)中平面波的傳播17良導(dǎo)體是指

的媒質(zhì)，其傳播常數(shù)為可見(jiàn)，良導(dǎo)體的衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β是近似相等的，并且都隨頻率f和導(dǎo)電率σ的增大而增大。對(duì)于良導(dǎo)體的衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β可以寫(xiě)為良導(dǎo)體的本征阻抗與平面波相速度為可見(jiàn)，上式中的相速度與頻率f和電導(dǎo)率σ成正比

§1.2

反射、繞射及散射基本電波傳播現(xiàn)象18圖1-8

(a)反射

(b)繞射

(c)散射無(wú)線電波在傳播過(guò)程中，除了直接傳播外，遇到障礙物（例如山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物），還會(huì)產(chǎn)生反射和繞射。當(dāng)發(fā)射電磁波照射到比載波波長(zhǎng)大的平面物體時(shí)首先會(huì)發(fā)生反射；當(dāng)發(fā)射的電磁波照射到物體的不規(guī)則突出表面的邊緣時(shí)會(huì)發(fā)生繞射；而當(dāng)發(fā)射的電磁波照射到比載波波長(zhǎng)小的物體上時(shí)會(huì)發(fā)生散射。因此，到達(dá)接收天線的電磁波，不僅有直射波，還有反射波，繞射波、透射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。

§1.2

反射、繞射及散射反射現(xiàn)象19對(duì)于移動(dòng)通信，反射構(gòu)成了無(wú)線電波傳播的主要機(jī)制。發(fā)生反射時(shí)，反射波的強(qiáng)度小于入射波的強(qiáng)度，兩者的比值稱為反射面的反射系數(shù)。反射系數(shù)取決于：反射面的電導(dǎo)率、介電常數(shù)和厚度，入射波的頻率，入射角和極化方向。對(duì)于無(wú)線電通信，良導(dǎo)體是較為理想的反射面,介質(zhì)是非理想的反射面。如果平面波入射到理想電介質(zhì)的表面，則一部分能量進(jìn)入第二介質(zhì)中，一部分能量被反射回第一介質(zhì)中，沒(méi)有能量損耗。如果第二介質(zhì)是理想導(dǎo)體，則所有的入射能量都能被反射回第一介質(zhì)，同樣也沒(méi)有能量損失。

§1.2

反射、繞射及散射反射現(xiàn)象：介質(zhì)中的反射20(a)

電場(chǎng)平行于入射面(b)

電場(chǎng)垂直于入射面圖1.10

平面波斜入射到媒質(zhì)表面示意圖

§1.2

反射、繞射及散射反射現(xiàn)象：導(dǎo)體的反射21(a)

電場(chǎng)平行于入射面(b)

電場(chǎng)垂直于入射面圖1.10

平面波斜入射到媒質(zhì)表面示意圖

對(duì)于上圖（a）中的情況，介質(zhì)1中的電磁場(chǎng)可以表示為

§1.2

反射、繞射及散射繞射現(xiàn)象：22波繞過(guò)障礙物傳播，進(jìn)入障礙物陰影區(qū)域的現(xiàn)象稱之為繞射。盡管障礙物的阻擋使電波在接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)迅速衰減，但是繞射場(chǎng)依然存在并且常常具有足夠大的場(chǎng)強(qiáng)。繞射現(xiàn)象可用惠更斯原理來(lái)解釋，繞射由次級(jí)波傳播進(jìn)入陰影區(qū)而形成。在圍繞障礙物的空間中，陰影區(qū)繞射波場(chǎng)強(qiáng)是所有次級(jí)波電場(chǎng)部分的矢量和。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，對(duì)次級(jí)波的阻擋產(chǎn)生繞射損耗，僅有一部分能量繞過(guò)障礙物。也就是說(shuō)，障礙物使一些次級(jí)波被阻擋。一般情況下，精確估計(jì)繞射損耗是不可能的，可在電波傳播繞射損耗的預(yù)測(cè)中采用理論近似加上必要的經(jīng)驗(yàn)修正的方法。實(shí)際中最簡(jiǎn)單的繞射現(xiàn)象分析都需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，估算繞射信號(hào)較為容易的求解方法是進(jìn)行近似處理。

§1.2

反射、繞射及散射繞射現(xiàn)象：刃峰繞射23圖1.16“刃峰”繞射示意圖假設(shè)障礙物是一個(gè)理想的“刃峰”，均勻平面波入射到“刃峰”上，“刃峰”所在平面與波的傳播方向垂直?？梢杂?jì)算出障礙物陰影中的場(chǎng)強(qiáng)與自由空間中場(chǎng)強(qiáng)的比值，該比值稱為繞射損耗。繞射損耗與波的傳播路徑和工作頻率有關(guān)，可以把所有的影響利用菲涅耳參數(shù)來(lái)表示。

§1.2

反射、繞射及散射繞射現(xiàn)象：多峰繞射24圖1.17Bullington模型等效單個(gè)“刃峰”在很多情況下，特別是在山區(qū)，傳播路徑上存在不止一個(gè)障礙物，這樣，所有障礙物引起的繞射損耗都必須計(jì)算。由于第一個(gè)障礙物陰影中的場(chǎng)強(qiáng)隨高度而增加，因此入射到第二個(gè)障礙物上的波是不均勻的。這就意味著，第二個(gè)障礙物引起的損耗是很難預(yù)測(cè)的。事實(shí)上，為了完成該項(xiàng)工作，需要計(jì)算二重菲涅耳積分方程。如果有n個(gè)障礙物，則需要計(jì)算n重菲涅耳積分。

§1.2

反射、繞射及散射散射現(xiàn)象25電磁波入射到一個(gè)粗糙表面時(shí)，會(huì)發(fā)生波的散射。植被散射體能使電波傳輸?shù)礁h(yuǎn)的地方，使接收點(diǎn)的信號(hào)增強(qiáng)。當(dāng)粗糙度增加到一定程度時(shí),即使表面的反射系數(shù)很大，散射信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)明顯小于入射信號(hào)，因此,對(duì)于粗糙表面，短距離的信號(hào)強(qiáng)度快速變化現(xiàn)象不如光滑平面那么明顯。對(duì)于粗糙表面，反射系數(shù)需要乘以一個(gè)散射損耗系數(shù)，以代表減弱的反射場(chǎng)。粗糙表面凸起高度h如果是服從具有局部平均值的高斯分布的隨機(jī)變量，散射損耗系數(shù)為：§1.3

自由空間中的電波接收?qǐng)鰪?qiáng)自由空間的概念26強(qiáng)定義：電波在理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)折射、繞射、反射、吸收和散射等現(xiàn)象，電波傳播的損耗僅僅需要考慮由于電波的擴(kuò)散而引起的損耗，像這樣的介質(zhì)空間，就稱為自由空間。弱定義：所謂自由空間是指相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均恒為1的均勻介質(zhì)所在的空間，即

=0，=0。自由空間的特點(diǎn)是各向同性，電導(dǎo)率為零。在實(shí)際研究電波傳播特性時(shí)，只要媒質(zhì)與障礙物對(duì)電波傳播的影響可以忽略，那么這種情況下的電波傳播就可以近似認(rèn)為是自由空間的傳播。Q：什么情況下可以近似為自由空間？§1.3

自由空間中的電波接收?qǐng)鰪?qiáng)接收?qǐng)鰪?qiáng)計(jì)算27設(shè)電波波源在O點(diǎn)，如圖所示，它均勻地向外輻射，輻射功率P∑，求距離天線為d的M點(diǎn)處的接收?qǐng)鰪?qiáng)E0。距離天線d處的輻射場(chǎng)的功率密度為d較大時(shí)，可以認(rèn)為波源輻射的電磁波為均勻平面波。距離天線d處的電場(chǎng)強(qiáng)度E0與磁場(chǎng)強(qiáng)度H0之比為120

，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相位相同。若E0、H0為有效值，則通過(guò)單位面積的平均功率為比較上兩式，得波源均勻向外輻射§1.3

自由空間中的電波接收?qǐng)鰪?qiáng)接收?qǐng)鰪?qiáng)計(jì)算28實(shí)際應(yīng)用中，E0常用dBV/m即dB

這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)單位，所以1V/m為0dB，取上式的分貝值，得如果使用方向性天線，方向性系數(shù)為D，單位為dBi，則使用定向天線的情況：當(dāng)天線效率為1時(shí)，D=G。因此，在有的文獻(xiàn)中，上式也寫(xiě)為§1.3

自由空間中的電波接收?qǐng)鰪?qiáng)接收?qǐng)鰪?qiáng)計(jì)算29思考一下！1.在自由空間中，對(duì)于全向天線，距離發(fā)射天線d(km)處的場(chǎng)強(qiáng)為？2.在自由空間中，對(duì)于半波振子，d(km)處的場(chǎng)強(qiáng)為？§1.3

自由空間中的電波接收?qǐng)鰪?qiáng)接收功率計(jì)算30電波在自由空間傳播距離d后到達(dá)接收天線處，假設(shè)接收天線同樣是無(wú)方向性的，則在接收機(jī)輸入端的輸入功率(接收功率)為PA單位為W，A為無(wú)方向性天線的有效面積，A=

2/4；S為場(chǎng)的能量密度，E0為場(chǎng)強(qiáng)，單位為V/m。若E0的單位使用

V/m，PA的單位為mW，則以1mW為0dB，取分貝值，PA的單位用dBm表示，得§1.3

自由空間中的電波接收?qǐng)鰪?qiáng)接收功率計(jì)算31若能量密度采用公式則如果發(fā)射天線為有向天線，方向性系數(shù)為D1，接收天線同樣為有向天線，方向性系數(shù)為D2，則接收功率為該式為在自由空間傳播條件下，接收功率與輻射功率之間的關(guān)系?！?.3

自由空間中的電波接收?qǐng)鰪?qiáng)自由空間路徑損耗32傳播損耗又稱為系統(tǒng)損耗，定義為輻射功率與接收功率之比，用L0表示，即如果d的單位為km，f的單位為MHz，L0的單位為dB，D1、D2的單位為dB，則定義為自由空間的路徑損耗。顯然Lbs與收、發(fā)天線的方向性無(wú)關(guān)，而僅與傳播路徑有關(guān)。由上述公式也可以看出，在自由空間傳播條件下，電波的能量并沒(méi)有損失。自由空間的傳播損耗實(shí)際指的是球面波的擴(kuò)散損耗。小結(jié)所討論的物理量：輻射功率接收功率接收?qǐng)鰪?qiáng)路徑損耗頻率傳輸距離能否對(duì)這些物理量建立直觀的關(guān)系？諾模圖自由空間中電波傳播計(jì)算方法總結(jié)1.電波在自由空間傳播時(shí)接收?qǐng)鰪?qiáng)如何計(jì)算？2.電波在自由空間傳播時(shí)接收功率如何計(jì)算？3.電波在自由空間傳播時(shí)傳播損耗如何計(jì)算？§1.4

菲涅爾區(qū)惠更斯-菲涅爾原理35惠更斯-菲涅爾原理：任一點(diǎn)的場(chǎng)可以從輻射源（一次輻射源）直接求出，也可以由二次輻射源的疊加場(chǎng)求出。二次輻射源直接分布在包圍一次輻射源的閉合面上?？臻g任一點(diǎn)的輻射場(chǎng)是包圍波源的任意閉合曲面上各點(diǎn)的二次輻射源發(fā)生的波在該點(diǎn)互相干涉疊加的結(jié)果?！?.4

菲涅爾區(qū)惠更斯-菲涅爾原理36惠更斯-菲涅爾原理的意義：除了可以直接從波源的電流密度（麥克斯韋方程組）求波源以外任一點(diǎn)的場(chǎng)量，還可以利用惠更斯-菲涅爾原理來(lái)求輻射場(chǎng)。在電波傳播中，當(dāng)涉及繞射時(shí)惠更斯-菲涅爾原理是非常重要的，并且應(yīng)用廣泛。應(yīng)用惠更斯-菲涅爾原理可以從包圍波源的任意閉合面上的場(chǎng)量來(lái)求閉合面以外任一點(diǎn)的場(chǎng)量?！?.4

菲涅爾區(qū)惠更斯-菲涅爾原理37惠更斯-菲涅爾原理的推導(dǎo)：從基爾霍夫衍射公式，可以推導(dǎo)出惠更斯－菲涅耳原理：從格林函數(shù)出發(fā)，假設(shè)

和

為體積V中的二個(gè)任意函數(shù)。體積V中的表面為閉合面S。

和

在體積中有著連續(xù)的一階和二階偏導(dǎo)數(shù)，則存在下面的等式：借助赫茲矢量的定義，可以將區(qū)域V中的場(chǎng)表示為§1.4

菲涅爾區(qū)惠更斯-菲涅爾原理38惠更斯-菲涅爾原理的推導(dǎo)：取赫茲矢量

的任一分量，如

x=

。取

為輔助函數(shù)，設(shè)如圖1所示，假定體積V包含有兩個(gè)閉合面S和S’，觀察點(diǎn)M(x,y,z)在體積內(nèi)。此時(shí)函數(shù)

不滿足格林等式的要求，因?yàn)樵?x,=z,=y的點(diǎn)變?yōu)闊o(wú)窮大。為了使?jié)M足格林等式的要求，以點(diǎn)M為圓心，以a為半徑作為一球面S1，將點(diǎn)M從體積V中扣除。上式中的面積分為三個(gè)在S、S’和S1面上的積分之和，如圖2所示。圖1圖2§1.4

菲涅爾區(qū)惠更斯-菲涅爾原理39惠更斯-菲涅爾原理的推導(dǎo)：計(jì)算S1上的球面積分，并取球半徑的極限為零，則應(yīng)用中值定理，得§1.4

菲涅爾區(qū)惠更斯-菲涅爾原理40惠更斯-菲涅爾原理的推導(dǎo)：因此，得同樣，可以得到其他兩個(gè)分量

y和

x。在等式左邊和右邊乘上相應(yīng)的單位矢量，然后等式的左邊和右邊各自相加，這樣可以得到

的積分式假定在體積V’里電流為零，即另一方面，將格林定理應(yīng)用到S所包圍的全部區(qū)域，得§1.4

菲涅爾區(qū)惠更斯-菲涅爾原理41惠更斯-菲涅爾原理的推導(dǎo)：因?yàn)橐鸭俣╒’內(nèi)無(wú)電流，所以上式左邊為在觀察點(diǎn)M的赫茲矢量，與下式（由格林定理得到）比較有所以在Vs外，可得

赫茲矢量公式式中，S’為包圍輻射源，J≠0的閉合面，而觀察點(diǎn)在S’面所包圍的體積外；S為包圍輻射源和觀察點(diǎn)的閉合面?！?.4

菲涅爾區(qū)惠更斯-菲涅爾原理42從赫茲矢量公式和可得出結(jié)論：任一點(diǎn)的場(chǎng)可以從輻射源（一次輻射源）直接求出，也可以由二次輻射源的疊加場(chǎng)求出。二次輻射源直接分布在包圍一次輻射源的閉合面上，如圖2所示。惠更斯-菲涅爾原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式：§1.4

菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)43根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，任意一點(diǎn)的場(chǎng)都可以由二次波源的干涉場(chǎng)求出，二次波源直接分布在包圍一次源的閉合面內(nèi)，觀察點(diǎn)M的赫茲矢量為式中，為輔助函數(shù)，滿足波動(dòng)方程解為離開(kāi)波源的波，即如右圖所示，設(shè)S由兩部分組成，平面S0和半球面S∞。半球面的半徑為r∞，球心在S0面上，則M點(diǎn)處的赫茲矢量為§1.4

菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)44先計(jì)算S∞部分：為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)只有一個(gè)位于O點(diǎn)的電流元，為電流元到S∞面的距離，r為觀察點(diǎn)M到S∞面的距離。有下面等式：由于電流元產(chǎn)生的赫茲矢量為，所以如果球面S∞的半徑r∞足夠大，則kr>>1，k>>1，這時(shí)有

而，所以因此，當(dāng)S0為無(wú)限大平面時(shí)，有這個(gè)積分稱為基爾霍夫積分，它說(shuō)明在均勻無(wú)邊界的媒質(zhì)內(nèi)，觀察點(diǎn)的電場(chǎng)可以用無(wú)限大平面上二次源的積分來(lái)表示，該平面位于波源和觀察點(diǎn)之間。為了使上述積分進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可以適當(dāng)選擇輔助函數(shù)。選擇的函數(shù)滿足：1）滿足波動(dòng)方程，并且它的解遠(yuǎn)離波源。2）在S0面上滿足若積分面為無(wú)限大平面，適當(dāng)?shù)倪x擇輔助函數(shù)如下如下圖所示，r1為觀察點(diǎn)M到觀察點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)B的距離；r2為從觀察點(diǎn)以S0平面為對(duì)稱點(diǎn)M’到B點(diǎn)的距離。當(dāng)B點(diǎn)移動(dòng)到無(wú)限大平面S0面上時(shí)，r1=r2。將輔助函數(shù)

帶入基爾霍夫積分，得說(shuō)明，可以用分布在無(wú)限大平面上的二次波源來(lái)求觀察點(diǎn)M的場(chǎng)。將收發(fā)信號(hào)傳輸模型簡(jiǎn)化為下圖，假設(shè)S0垂直于觀察點(diǎn)M與波源點(diǎn)O的連線OM，設(shè)一次波源為電流元，位于O點(diǎn)，它的軸平行于S0面，則可以得到以下推導(dǎo)電流元產(chǎn)生的赫茲矢量這樣由于在通信系統(tǒng)中，一般OM>>

，所以滿足為了簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為S0位置滿足不等式這樣通過(guò)對(duì)上式積分核函數(shù)（關(guān)鍵是cos項(xiàng)）的分析可以證明，S0面的不同區(qū)域?qū)Ξa(chǎn)生觀察點(diǎn)場(chǎng)的貢獻(xiàn)不相等，也就是說(shuō)，并不是整個(gè)S0面上的二次波源對(duì)M點(diǎn)的場(chǎng)都起到主導(dǎo)作用：越靠近OM軸線的區(qū)域，其中的二次波源對(duì)M點(diǎn)場(chǎng)的影響越重要?？梢杂脛澐址颇鶢枎У姆椒▉?lái)分析S0面上不同區(qū)域的二次波源對(duì)M點(diǎn)的場(chǎng)所起的不同作用。小結(jié)§1.4

菲涅爾區(qū)51當(dāng)S0面沿著直線OM移動(dòng)時(shí)，每一菲涅爾帶的邊界將畫(huà)出一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體的表面部分，從而構(gòu)成了一族橢球，這些橢球所包圍的空間就表示了電波傳播的菲涅爾區(qū)，是以發(fā)射天線和接收天線為焦點(diǎn)的橢球。該橢球的方程為§1.4

菲涅爾區(qū)52在S0平面上，依據(jù)對(duì)M點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的影響大小，可以劃分出一系列圓環(huán)條帶，稱為菲涅爾帶?？梢詫⑦@一系列菲涅爾帶命名為第n菲涅爾帶?？梢?jiàn)靠近OM軸線的菲涅爾帶，對(duì)OM之間的電波傳播起到?jīng)Q定性的作用。§1.4

菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)特點(diǎn)53每一個(gè)菲涅爾帶的電波射線將有附加的傳播的路徑，其長(zhǎng)度為n/2，其中n為整數(shù)。由此可見(jiàn)，分布在相鄰菲涅爾帶邊界上的二次波源在觀察點(diǎn)M產(chǎn)生的場(chǎng)是反相的。

如果S0的位置滿足條件

則:相鄰帶內(nèi)的單位面積上的二次波源所產(chǎn)生的場(chǎng)的振幅相差不大。同一帶內(nèi)單位面積上的二次波源產(chǎn)生的場(chǎng)振幅近似處處相等。相位為可以得到：S0面上單位面積在觀察點(diǎn)M產(chǎn)生的場(chǎng)Bn（即第n菲涅爾帶的二次波源在觀察點(diǎn)產(chǎn)生的波矢量）表示為：其中，振幅為相位為所以同時(shí)由觀察發(fā)現(xiàn)相鄰單位面積Bn相位相反。因此基爾霍夫積分（M點(diǎn)場(chǎng)值）可以離散化表示為由基爾霍夫積分可以得到：因?yàn)橛捎谝驗(yàn)樯鲜黾?jí)數(shù)是收斂的，且收斂很快，所以在觀察點(diǎn)的合成場(chǎng)基本上是由分布在前幾個(gè)菲涅爾帶內(nèi)的二次波源產(chǎn)生的，其他菲涅爾帶內(nèi)的二次波源對(duì)觀察點(diǎn)的影響很小。即位于S0面上某一范圍內(nèi)的二次波源對(duì)觀察點(diǎn)的場(chǎng)起主導(dǎo)作用。菲涅爾帶是圓環(huán)形狀，其大小可以由菲涅爾半徑來(lái)表示?？芍允街?，Rn稱為菲涅爾帶半徑，Rn的單位為米?！?.4

菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)特點(diǎn)57第n個(gè)菲涅爾區(qū)最大半徑為實(shí)測(cè)證明，1/3的第一菲涅爾帶面積上的二次波源在觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的合成波矢量的大小近似為B。用R0表示從S0面中心處到1/3的第一菲涅爾帶面積的半徑，則R0稱為最小菲涅爾半徑。菲涅爾區(qū)半徑的定義§1.4

菲涅爾區(qū)傳播余隙58定義直射波射線與地面障礙物最高點(diǎn)之間的距離為傳播余隙h。右圖a中直射波射線被障礙物所阻擋，導(dǎo)致的電波傳播損耗較大，h為負(fù)值；圖b中直射波射線沿障礙物頂部切線傳播，此時(shí)，h=0；圖c中直射波射線沒(méi)有被障礙物所阻擋，能使接收天線接收到自由空間的場(chǎng)強(qiáng)，h為正值。圖a圖b圖c§1.4

菲涅爾區(qū)傳播余隙59通常而言，如果最小菲涅爾半徑為R0，則當(dāng)h/R0≥1時(shí)，直射波的最小菲涅爾帶沒(méi)有被阻擋，在接收點(diǎn)能接收到自由空間場(chǎng)強(qiáng)；當(dāng)0≤h/R0<1時(shí)，直射波的最小菲涅爾帶的面積部分被阻擋，產(chǎn)生較大傳播損耗；當(dāng)h/R0<0時(shí)，直射波的最小菲涅爾帶的面積全部被阻擋，產(chǎn)生較大傳播損耗。第2章

地表電波傳播模式60

§2.1

空間波傳播模式

地表傳播模式61圖2.1光滑平面地面上電波的傳播模式在電波的傳播過(guò)程中，由于地面的存在，電波在傳播中首先會(huì)遇到空氣和大地兩種不同媒質(zhì)的分界面。地面的尺寸比波長(zhǎng)大得多，因此，電波在傳播過(guò)程中首先要發(fā)生反射，導(dǎo)致反射損耗；其次，由于地球表面的電導(dǎo)率r≠0，當(dāng)電波射入地面后，將產(chǎn)生地電流，導(dǎo)致吸收損耗。由電波射入地面后所產(chǎn)生的地電流，將改變地球表面電磁場(chǎng)的分布，從而影響到電波傳播的特性。在平面地面上傳播的波具有兩種傳播模式：一種是空間波傳播模式，即直射波與反射波的疊加；另一種是地表面波傳播模式。

§2.1

空間波傳播模式622.1.1光滑平面雙線反射模型圖2.2

雙線地面反射模型當(dāng)天線架設(shè)高度與波長(zhǎng)相比較高時(shí)，電波主要以空間波的方式進(jìn)行傳播，因此可以忽略地表面波的影響。在工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)頻率大于150MHz時(shí)，通常就只考慮直射波和反射波，這時(shí)可以用雙線地面反射模型來(lái)研究電波傳播的特性。在大多數(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)中，收發(fā)信機(jī)間距最多達(dá)到幾千米，這時(shí)可假設(shè)地球表面為平面?？偟慕邮?qǐng)鰪?qiáng)ETOT為直射波場(chǎng)強(qiáng)ELOS和地面反射的反射波場(chǎng)強(qiáng)Eg的合成結(jié)果。

§2.1

空間波傳播模式632.1.1光滑平面雙線反射模型如圖2.2所示，hT為發(fā)射天線高度，hR為接收天線高度。如果E0為距發(fā)射無(wú)線d0處的場(chǎng)強(qiáng)（單位為V/m)，則對(duì)于傳播距離d>d0，自由空間傳播的場(chǎng)強(qiáng)為

|E（d,t）|=E0d0/d表示距發(fā)射機(jī)d(m）處的場(chǎng)強(qiáng)包絡(luò)設(shè)直射波經(jīng)過(guò)距離d'，反射波經(jīng)過(guò)距離d"傳播到接收機(jī)，接收機(jī)收到的直射波場(chǎng)強(qiáng)為根據(jù)反射定理,假定垂直極化波在理想地面上反射，總電場(chǎng)是ETOT和ELOS的矢量和，總的電場(chǎng)包絡(luò)為

§2.2

雙徑反射模型642.2.1反射的有效區(qū)域圖2.5有反射時(shí)路徑損耗的最簡(jiǎn)單情況在圖2.5中，如果以發(fā)射源T的鏡像源T'和接收點(diǎn)R為焦點(diǎn)畫(huà)出一個(gè)菲涅耳區(qū)的橢球面。由它可以估計(jì)出對(duì)反射波起主要作用的地面上的菲涅耳區(qū)的大小，該區(qū)稱為有效反射區(qū)。有效反射區(qū)的大小基本上第一菲涅耳區(qū)或者2個(gè)菲涅耳區(qū)所定。

§2.2

雙徑反射模型652.2.1反射的有效區(qū)域如圖2.6所示，T、T'和R均在zy平面上，地面反射的橢圓有效區(qū)域與XY平面重合，該橢圓的長(zhǎng)軸在y軸上，短軸通過(guò)c點(diǎn)平行于x軸，假設(shè)圖中的橢圓是第n菲涅耳區(qū)的邊界面(橢球面)與地面相交所得。在這第n菲涅耳區(qū)橢圓上任取一點(diǎn)，根據(jù)菲涅耳區(qū)的定義有圖2.6反射地段上的菲涅耳區(qū)

§2.2

雙徑反射模型662.2.2平坦地面上的反射系數(shù)平坦地面反射波的幅度和相位的大小取決于反射系數(shù)（也就是和地面特性有關(guān)）、反射點(diǎn)處入射波的幅度和相位的大小以及入射波的初始極化。事實(shí)上，對(duì)于在地面上的電波傳播，地面特性由地表面的電導(dǎo)率和介電常數(shù)所決定，其中εr是相對(duì)介電常數(shù)εr'的實(shí)部，σ/wε0是其虛部。另外，經(jīng)常用掠射角

代替

，

。反射系數(shù)R//和R⊥并不相同，而且都是復(fù)數(shù)量，所以反射波在幅度和相位上都不同于入射波。

§2.2

雙徑反射模型672.2.2平坦地面上的反射系數(shù)表2.2地面特性表地形電導(dǎo)率（S/m）相對(duì)電導(dǎo)常數(shù)海水580淡水8×10-380干地2×10-310沼澤地，森林8×10-212農(nóng)業(yè)用地，低山1×10-315牧場(chǎng)，中等山5×10-313巖石地，陡峭山2×10-310群山1×10-35住宅區(qū)2×10-35工業(yè)區(qū)1×10-43在理論計(jì)算時(shí)，地球表面的電特性是用表2.2來(lái)表征的。根據(jù)電導(dǎo)率、頻率及介電常數(shù)關(guān)系，可以將地表做兩種近似電介質(zhì)電導(dǎo)體

§2.2

雙徑反射模型682.2.3雙射線傳播模式雙射線模式可以描述無(wú)線電波在平坦地面上的傳播過(guò)程。該傳播模式可直接作為路徑損耗計(jì)算的公式，例如用在微蜂窩中，也可以作為評(píng)估各種場(chǎng)強(qiáng)衰耗和路徑損耗計(jì)算公式的參考。下面來(lái)考慮地面附近的兩點(diǎn)之間的無(wú)線電波傳播，并用平面波近似代替球面波。此時(shí)，根據(jù)來(lái)自場(chǎng)源的直達(dá)射線和來(lái)自平坦地面的反射射線的疊加，就可得到雙射線模式。自由空間中兩個(gè)單位增益(G=1)天線之間，接收點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)大小寫(xiě)成對(duì)于平坦地面，考慮到傳播相位時(shí)，由鏡像原理可以得到接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)為

§2.2

雙徑反射模型692.2.3雙射線傳播模式當(dāng)入射波的掠射角很小時(shí)，對(duì)于遠(yuǎn)離發(fā)射的區(qū)域φ≈180°。此時(shí)，(2.41)式亦可簡(jiǎn)化為由上式可以看到，決定直達(dá)波和反射波組成的接收?qǐng)鰪?qiáng)與自由空間場(chǎng)強(qiáng)之間的振幅比是反射系數(shù)

和△φ。其中△φ的變化會(huì)引起合成場(chǎng)按(2.44)式作周期性變化，這是干涉場(chǎng)的主要特征。如果令n表示行程差△r所包含的半波數(shù)，即那么，當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)

最小，即

，從而得到即，在上式確定的位置，會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的同相疊加。§2.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響702.3.1規(guī)則典型形狀繞射計(jì)算方法圖2.10單刃峰障礙物計(jì)算幾何示意圖1.單刃峰繞射模型單刃峰繞射模型是最簡(jiǎn)單也是很常見(jiàn)的繞射模型。一般來(lái)說(shuō)，單刃峰繞射損耗計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合度較高?！?.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響712.3.1規(guī)則典型形狀繞射計(jì)算方法2.雙刃峰繞射模型分析雙刃峰繞射模型時(shí)，可以將單刃峰障礙繞射理論構(gòu)成的方法繼續(xù)用于兩個(gè)障礙物上，其中第一個(gè)障礙物的頂部起電波源的作用，在第二個(gè)障礙物上繞射。圖2.11雙重孤立峰的單刃障礙示意圖§2.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響722.3.1規(guī)則典型形狀繞射計(jì)算方法2.雙刃峰繞射模型考慮到兩個(gè)單刃峰障礙之間有距離b,計(jì)算時(shí)必須加上校正項(xiàng)Lc(dB)。Lc可以用下面公式進(jìn)行估值若L1和L2中的每一個(gè)都超過(guò)大約15dB，則總繞射損耗由下面公式出§2.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響732.3.1規(guī)則典型形狀繞射計(jì)算方法3.球面繞射模型由于天線架設(shè)不夠高，或者由于傳播距離太遠(yuǎn)，使得傳播電路成閉路狀態(tài)，也就是說(shuō)接收點(diǎn)位于陰影區(qū)里，這時(shí)計(jì)算中值衰減必須考慮大地繞射的影響。球面地球的繞射損耗可以近似地表示為§2.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響742.3.2植被影響計(jì)算方法植被計(jì)算模型適用于各種路徑幾何學(xué)情況下的多種植被類型，可用來(lái)計(jì)算信號(hào)通過(guò)此類植被類型時(shí)所產(chǎn)生的衰減，且適用于地面系統(tǒng)和地空系統(tǒng)。但是，由于植被葉片簇的狀態(tài)和類型范圍很廣，以至于很難開(kāi)發(fā)通用的衰減預(yù)測(cè)程序。另外，還缺乏植被的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該類模型適合于特定的頻率范圍和不同類型的路徑。圖2.13

傾斜路徑發(fā)射機(jī)處于林地之外，接收機(jī)在林地內(nèi)的一定距離d處，此時(shí)植被引起的超量衰減Aev可由下式給出

衰減損耗L采用以下模型§2.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響75無(wú)線電氣象環(huán)境因素影響產(chǎn)生的場(chǎng)地主要是在對(duì)流層內(nèi)，對(duì)流層在地球的不同區(qū)域高度是不一樣的，中緯度地區(qū)為12km左右、赤道地區(qū)為18km左右、極區(qū)為8km左右。對(duì)流層內(nèi)集中了大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水汽，有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，有明顯的大氣湍流運(yùn)動(dòng)。對(duì)流層內(nèi)經(jīng)常發(fā)生著我們所熟悉的天氣現(xiàn)象：云霧、降雨、降雪、刮風(fēng)揚(yáng)起的沙塵，春、夏、秋、冬的冷熱交替等。因此，對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響，可主要?dú)w結(jié)為三方面：一是大氣中H2O、O2對(duì)無(wú)線電波吸收效應(yīng)；二是大氣中的沉降物，如云霧、降雨、降雪、沙塵及冰雹等對(duì)無(wú)線電波產(chǎn)生的反射、散射及去極化效應(yīng)﹔三是垂直高度內(nèi)由于溫度、濕度、壓力不同而引起的折射效應(yīng)。相對(duì)于自由空間的傳播，計(jì)算地球-空間路徑的傳播損耗，需要重點(diǎn)考慮大氣衰減、晴空效應(yīng)、降水衰減、云霧衰減等效應(yīng)?！?.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響762.4.1大氣衰減1.逐線求和法大氣氣體引起的衰減完全源自吸收，主要與頻率、仰角、水平面上的高度以及水蒸氣密度（絕對(duì)濕度）等有關(guān)。對(duì)于10GHz以下頻段的大氣衰減通?？梢院雎浴?duì)10GHz以上頻段的大氣衰減，這些因素影響逐漸增大，尤其是低仰角時(shí)更是如此。

在一個(gè)給定的頻率，氧氣對(duì)大氣吸收的貢獻(xiàn)相對(duì)是穩(wěn)定不變的。但是，水蒸氣密度和其垂直剖面卻經(jīng)常變化。在典型情況下，最大的氣體衰減發(fā)生在最大降雨的季節(jié)。所謂逐線求和法，是指在任意氣壓、溫度和濕度條件下，采用累加氧氣和水汽各自諧振線的方法，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算無(wú)線電波在大氣氣體中的特征衰減。特征大氣衰減率用γ表示，其計(jì)算方法如下：§2.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響772.4.1大氣衰減2.近似計(jì)算法在1GHz~350GHz頻率范圍的無(wú)線電波，若存在有限范圍的大氣條件和有限數(shù)量的幾何外形，則可采取簡(jiǎn)化算法對(duì)無(wú)線電波在大氣氣體中的衰減進(jìn)行近似估算。從海平面到10km高度的范圍內(nèi)，由干空氣與水汽造成的無(wú)線電波衰減率，可采用下列簡(jiǎn)化算法進(jìn)行估算。這一方法是基于逐線求和法計(jì)算的氧氣和水汽衰減率以及有效氧氣與水汽高度的，這些近似計(jì)算與逐線求和法計(jì)算擬合。但在高度超過(guò)10km且對(duì)精確度要求更高的情況下，應(yīng)采用逐線求和法。計(jì)算穿過(guò)地球大氣層的傾斜路徑的無(wú)線電波在大氣層的衰減，對(duì)于有角度傾斜路徑的衰減值為§2.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響782.4.2降雨引起的衰減

在1GHz~1000GHz頻率范圍內(nèi)，已有了對(duì)地面和傾斜路徑降雨衰減(簡(jiǎn)稱雨衰減)的計(jì)算方法。雨散射信號(hào)的強(qiáng)度與電波的頻率和極化、傳播路徑距離和仰角、降雨強(qiáng)度、雨滴尺寸分布、雨的高度和收發(fā)天線的方向性等因素有關(guān)。由于地面電路的雨衰減與地空電路的雨衰減的計(jì)算方法有重大的差別，因此使用兩套不同的計(jì)算公式。地面電路的仰角很小，電路幾乎平行于地面，雨衰減的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單一些，沒(méi)有等效高度的問(wèn)題，只有等效路徑長(zhǎng)度的問(wèn)題。再者，地面電路通常使用水平極化和垂直極化，而地空電路通常使用圓極化或橢圓極化。圖2.16地空路徑降水衰減預(yù)測(cè)示意圖§2.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響792.4.3降雪引起的衰減

在1GHz~1000GHz頻率范圍內(nèi)，已有了對(duì)地面和傾斜路徑降雨衰減(簡(jiǎn)稱雨衰減)的計(jì)算方法。雨散射信號(hào)的強(qiáng)度與電波的頻率和極化、傳播路徑距離和仰角、降雨強(qiáng)度、雨滴尺寸分布、雨的高度和收發(fā)天線的方向性等因素有關(guān)。由于地面電路的雨衰減與地空電路的雨衰減的計(jì)算方法有重大的差別，因此使用兩套不同的計(jì)算公式。地面電路的仰角很小，電路幾乎平行于地面，雨衰減的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單一些，沒(méi)有等效高度的問(wèn)題，只有等效路徑長(zhǎng)度的問(wèn)題。再者，地面電路通常使用水平極化和垂直極化，而地空電路通常使用圓極化或橢圓極化。圖2.16地空路徑降水衰減預(yù)測(cè)示意圖本章小結(jié)本章綜合講述空間波傳播模式下電磁波在地表環(huán)境的傳播特性及基本理論。首先介紹光滑地面上的電波傳播路徑損耗計(jì)算方法，建立地表電磁場(chǎng)分布計(jì)算的基本原則。然后針對(duì)在無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)中常用的雙徑反射模型進(jìn)行詳細(xì)闡述，分別對(duì)反射的有效區(qū)域及平坦地面上的反射系數(shù)進(jìn)行討論分析，特別強(qiáng)調(diào)地面介電特性對(duì)于電波傳播的影響?？紤]到無(wú)線通信環(huán)境中的各類障礙物對(duì)于電波傳播的影響，給出了規(guī)則典型形狀繞射問(wèn)題的求解方法，并介紹了由于植被吸收造成的路徑損耗預(yù)估方法。當(dāng)前移動(dòng)通信主要在近地空間及對(duì)流層中進(jìn)行，因而大氣環(huán)境和各類氣象現(xiàn)象對(duì)于電波傳播具有重要的吸收衰減作用。最后對(duì)氣象環(huán)境與電波傳播之間關(guān)系進(jìn)行了闡述和討論。介紹了常用通信頻段的大氣衰減原因，并且給出主線求和法與近似計(jì)算法兩種數(shù)值計(jì)算大氣衰減值的常用方法。分別介紹了降雨、降雪、云霧及沙塵引起衰減的原因與預(yù)估方法。第3章

宏蜂窩傳播預(yù)測(cè)模型81

宏蜂窩傳播預(yù)測(cè)模型82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83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84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85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86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

§3.2

典型區(qū)域預(yù)測(cè)模型

3.2.1Hata模型87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88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?？梢栽趭W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89Hata-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90Walfisch-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91Ikegami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92與Ikegami模型類似，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931.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