移動通信中的電波傳播與天線第四講電波傳播模型

1、天線與電波傳播第5章 移動通信系統(tǒng)中的場強預測模型 場強預測所謂場強預測是指根據移動通信的不同環(huán)境得到通信范圍內的場強分布（路徑損耗），建立電波傳播的模型，以便對通信網進行規(guī)劃和設計（天線、基站站址、小區(qū)半徑、頻率） 傳播模式分為經驗模式、半經驗或半確定模式、確定性模式。經驗模式是根據大量測量結果統(tǒng)計分析后導出的公式，應用經驗模式可以容易和快速地預測路徑損耗，不需要有關環(huán)境的詳細信息，但是不能提供非常精確的路徑損耗估算值。確定性模式是對具體現場環(huán)境直接應用電磁場理論進行計算，如射線追蹤方法，環(huán)境的描述可以從地形地物數據庫中得到。半經驗或半確定模式是基于把確定性方法用于一般的市區(qū)或室內環(huán)境中導出

2、的公式，為了改善半經驗或半確定模式和實驗結果的一致性，有時需要根據實驗結果對公式進行修正，得到的公式是天線周圍某個規(guī)定特性的函數。 傳播環(huán)境蜂窩移動通信的最大特點就是小區(qū)制。小區(qū)的大小和范圍直接和傳播條件有關，可以根據需要選擇小區(qū)的大小和范圍。移動通信系統(tǒng)中主要采用宏小區(qū)、微小區(qū)（微蜂窩）和微微小區(qū)（微微蜂窩）三種形式。經驗模式或半經驗模式對具有均勻特性的宏小區(qū)是合適的。半經驗模式還適用于均勻的微小區(qū)，在那里模式所考慮的參數能很好的表征整個環(huán)境。確定性模式適合于微小區(qū)和微微小區(qū)不管它們的形狀如何。確定性模式對宏小區(qū)是不能勝任的，因為對這種環(huán)境所需的計算機CPU時間使人無法忍受 四種電波傳播模型

3、電波傳播模型是指通過對電波傳播的環(huán)境進行不同方法的分析后所得到的電波傳播的某些規(guī)律、結論以及具體方法。利用電波傳播模型不僅可以估算服務區(qū)內的場強分布，而且還可以對移動通信網進行規(guī)劃與設計。 統(tǒng)計模型（Statistical Model）通過對移動通信服務區(qū)內的場強進行實地測量，在大量實測數據中用統(tǒng)計的方法總結出場強中值隨頻率、距離、天線高度等因數的變化規(guī)律并用公式或曲線表示出來。 實驗模型（Empirical Model）通過實驗方法得出某些電波傳播規(guī)律，但不像統(tǒng)計模型那樣用公式或曲線表示出來。 確定性模型(Deterministic Model）通過將地形、地物等電波傳播的環(huán)境適當理想化后，

4、采用電磁場理論或者幾何光學法的確定性的方法來求取場強的變化規(guī)律。 回歸模型(Regression Model）通過將計算或實測得到的路徑損耗隨傳播距離而變化的數據按距離乘方法則做線性回歸處理，擬和（Curve-Fitting）出路徑損耗的規(guī)律。1. 常用的統(tǒng)計模型l Okumura-Hata模型(奧村模型)1962年，奧村等人在東京近郊用寬范圍的頻率，幾種固定站天線高度，幾種移動臺天線高度，以及在各種各樣不規(guī)則地形和環(huán)境地物條件下測量信號強度，得到了一系列曲線。奧村模型在測試時是以準平坦地形作為分析和描述傳播特性的基準。對于不規(guī)則地形（丘陵地形、孤立山峰、傾斜地形以及水陸混合路徑）必須進行環(huán)境

5、修正。研究的完成已使該模式成為該領域中的標準，但是由于該數據只能以曲線形式被使用，使用起來很不方便，因此已經有Hata在1980年給出了滿足奧村模式的公式。 奧村模型的應用范圍頻率 距離 基地站天線高度 移動臺天線高度 接收功率自由空間路徑損耗準平坦地形相對自由空間的損耗中值基地站天線偏離時的修正因子移動站天線偏離時的修正因子 路徑損耗 環(huán)境修正不規(guī)則地形時的接收功率不規(guī)則地形時的路徑損耗郊區(qū)和開闊地的修正系數 起伏山岳的修正系數 斜坡地形的修正系數 水陸混合地形的修正系數 孤立山峰的修正系數 山峰高度偏離的修正因子 傳播損耗的經驗公式式中的是一個與移動臺天線高度有關的環(huán)境修正因子,其關系為中

6、小城市，移動臺天線高度大城市，頻率大城市，頻率 修正的Hata公式對Hata公式進行修正可以改善相對于奧村曲線的精度，在整個奧村曲線的有效范圍內提高Hata公式的精度。l COST-231模型COST-231模型是歐洲研究委員會COST-231（陸地移動無線電發(fā)展）傳播模式小組在1991年提出的兩種建議。與奧村模式相比，COST-231模式的應用為更廣。 COST-231-Hata模型根據Hata模式，利用一些修改項使頻率覆蓋范圍從500MHz到2000MHz，所得到的表達式就稱為COST-231-Hata模型。Hata模式是根據奧村等人的測量數據而得到的。當時的基地站天線高度均高出基地站附近

7、的建筑物屋頂，因此不能把它的有效范圍推廣到基地站天線高度低于周圍平屋頂的情況。也就是說COST-231-Hata模型只能用于大區(qū)制蜂窩和小區(qū)制蜂窩的路徑損耗預測，而不能應用于為蜂窩情況。通過對高頻段的奧村傳播曲線進行分析后達到了所建議的公式是式中的也就是奧村模型中的環(huán)境修正因子；而是另一個修正因子樹木密度適中的中等城市和郊區(qū)的中心大城市中心 COST-231-Hata模型的適用范圍如下頻率 距離 基地站天線高度 移動站天線高度 當頻率低于時可直接采用Okumura-Hata模型的計算公式。 COST-231-Walfish-Ikegami模型根據Walfisch-Bertoni的計算市區(qū)環(huán)境的

8、結果，結合Ikegami處理街道走向的修正函數，再加上實驗修正所得到的就是COST-231-Walfish-Ikegami模型。該模型可以用在大區(qū)制蜂窩、小區(qū)制蜂窩以及微蜂窩中。然而，當基地站天線高度稍有變化時，并且其高度又是處在它附近的屋頂高度和它差不多高的建筑物之中是，路徑損耗將發(fā)生陡峭躍遷。處于這種高度的基地站天線一般會引起較大的測量誤差。因此，在這種情況下，使用COST-231-Walfish-Ikegami模型要非常小心。為了較好地蜂窩小區(qū)的服務區(qū)，基地站天線應該安裝得比半徑范圍在一百多米以內的鄰近建筑物最高屋頂還高幾米（例如4米多）。COST-231-Walfish-Ikegami

9、模型特別適用于街道形成的峽谷中電波傳播的路徑損耗的預測。在街道峽谷中存在視距路徑時，路徑損耗如果在街道峽谷中不存在視距路徑，則路徑損耗式中的代表自由空間的路徑損耗；是屋頂對街道的繞射和散射損耗；則是多次屏蔽繞射損耗。除了與頻率、距離和基地站天線高度有關以外，還和街道的寬度以及相對于直達無線電路徑的道路方位角有關系。而還和移動臺的天線高度、建筑物的間隔和高度等環(huán)境因素有一定的關系。COST-231-Hata模型的適用范圍如下頻率 距離 基地站天線高度 移動站天線高度 根據900MHz頻段的測試情況可以很容易地估算出1800MHz頻段的結果，即l Egli模型Egli模型是把地面作為水平面處理的一

10、種電波傳播損耗預測方法。但是考慮了地表障礙的作用，以適應實際地形的情況。 平地及海面上視距傳播時的路徑損耗 山高約15.25m（50英尺）起伏緩慢的不規(guī)則地形上電波傳播的路徑損耗 該式適用于40400MHz范圍內，當頻率不超過1000MHz、距離不超過64.4km時，估算誤差不會太大。 山高不是15.25m（50英尺）時電波傳播的路徑損耗 式中是地形修正因子。0501501002502003003504000+5-5-10-15-20-25-30地形修正因子地形起伏平均高度（英尺）LF頻段HF頻段UHF頻段l Lee模型（李氏模型）李氏模型分局部平均預期模型和全預期模型。常用的是局部平均預期模

11、型，預期的局部平均值被用來與測量的局部平均值進行比較。李氏模型的基本點是設法將特征地貌結構與人造結構對接收信號的影響分離開來。因為每個城市的地貌結構不同，并且每個城市的人造結構也是各異的，這就不得不尋找一種方法將兩者的影響分離開來。李氏模型把人造結構簡單地分成了城市（也稱平坦區(qū)域）和郊區(qū)兩種情況。必須特別說明的是對于不同的城市，只有通過實際測量或者利用類似城市的測量數據才能得到可用的計算公式。至于自然地貌結構，李氏模型將其分為無障礙情況、有障礙情況以及經過水面?zhèn)鞑トN。這里的障礙并不是指信號是否被建筑物阻擋，而是指信號是否被山峰之類的阻擋。也就是說無障礙情況并不意味著有直射波的存在。李氏模型在

12、具體應用時還分為宏蜂窩（半徑大于1公里）李氏模型和微蜂窩（半徑小于公里）李氏模型。宏蜂窩李氏模型也就是常規(guī)蜂窩模型的接收功率計算公式近似為無障礙情況有障礙情況經過水面（自由空間）式中的可以是1英里或公里；是距離處的接收功率；是路徑損耗斜率；是固定站的天線的等效高度（天線頂端距鏡像反射平面的高度）；是繞射損耗；是自由空間的路徑損耗；表示當實際情況不同于標準條件時的修正值。微蜂窩李氏模型忽略建筑物的高度，采用二維平面，借助某些特定路徑的測量數據，分析和計算由于建筑物遮擋所產生的附加信號損耗并由此得到所要預測的路徑損耗。微蜂窩李氏模型的預期值不如宏蜂窩模型預期值精確，這是由于使用了統(tǒng)計預期方法來預測

13、在短傳播距離的某些確定條件下的信號。李氏模型的全預期就是將常規(guī)蜂窩模型和微蜂窩模型疊加來預期接收信號強度，其距離可達到15英里。超過這個距離，還必須考慮兩個條件，一個是在無線電波水平線情況下的信號接收，另一個是水上的無障礙情況下的信號接收。 李氏模型的標準條件為基地站天線高度 或英尺 基地站天線增益 移動站天線高度 或英尺 移動站天線增益 發(fā)射機發(fā)射功率 l 繞射屏模型除了多層高樓的商業(yè)區(qū)小范圍以外，市區(qū)和郊區(qū)是相對均勻的。繞射屏模式就是將城市中成排的建筑物模型化為排成一串高度均勻的吸收繞射屏，電波先經這些吸收繞射屏傳播后再繞射到街道上。對此電磁問題求解可以很容易得到。繞射屏模型最終給出的是一

14、個沿屏的前向繞射的總傳播損耗。由于使用了吸收屏，所以這種模式基本上和極化無關。繞射屏模型不僅適用于高架在建筑物屋頂上方的基地站天線與街道上的情況（Walfisch-Bertoni模式），而且也適用與基地站天線低于建筑物屋頂的情況（Maciel-Bertoni-Xia模式）。最終，繞射屏模型的路徑損耗可以表示成式中是自由空間的路徑損耗；是從屋頂到地面的繞射損耗；是沿屋頂繞射附加的損耗。和都與街道的形狀和尺寸有關，分別有相應的計算公式。l 建筑物內、靠近建筑物和進入建筑物的傳播建筑物是人們常在的地方，人們的大部分時間是在建筑物內度過的，因此有必要研究建筑物對電波傳播的影響。有三種關于建筑物性質截然

15、不同的無線電波長情況，一種是關于電波在建筑物內部的傳播，另一種是關于建筑物當地附近小范圍內的傳播，這在蜂窩移動通信系統(tǒng)中常常遇到，第三種情況涉及到找出在市區(qū)或郊區(qū)傳播問題中信號從室外覆蓋到建筑物內時將遇到的附加損耗。l IMT-2000模式對于IMT-2000模式，工作環(huán)境也分為室內辦公環(huán)境、室外到室內及步行的環(huán)境，車載環(huán)境。對于窄帶技術，只用它的均方根來表征遲延擴展。對于寬帶技術，各信號分量的數目、強度和相對時延變得重要了。另外，由于有些技術（例如，利用功率控制的那些技術），路徑損耗模式包括所有同信道傳播鏈路之間耦合以提供精確預測。還有，在有些情況，環(huán)境的陰影衰落瞬時變化必須被建模。2. 微

16、小區(qū)模式 雙射線模式直達射線+地面反射射線。該模式對于平坦地面的農村環(huán)境是可以勝任的，而且也適合與具有低基站天線的微蜂窩小曲，在那里收發(fā)天線之間有LOS路徑。在這種情況中，若建筑物的墻對電波也發(fā)生反射和繞射的話，它們將在簡單的雙射線模式中導致場強幅度的快速變化，但是并不改變由雙射線模式預測的整個路徑損耗（冪定律指數n的值）。雙射線模式的路徑損耗（雙斜率模式）其中突變點。理論值，；市區(qū)微蜂窩（），雙射線模式的路徑損耗（修正式）多射線模式直達射線+地面反射射線+垂直墻壁反射的射線多射線模式已經被用在LOS情況下的市區(qū)微蜂窩小區(qū)中，當收發(fā)天線比屋頂平面低得多時。該模式假設所謂的街道為介質峽谷結構（也

17、稱為波導結構）。接收端的場來自直達射線、沿地面的反射射線以及峽谷的垂直平面（建筑物墻壁）反射的射線。理論上講，到達接收點的射線數目是無窮多的，但是實際上只需考慮最重要的部分射線即可。例如，四射線模式，六射線模式。多縫隙波導模式直達射線+地面反射射線+垂直墻壁反射的射線+墻壁拐角的繞射射線雙射線模式和多射線模式都是假設街道的建筑物是連續(xù)排列的，建筑物之間沒有間距。而由Blaunstein和Levin提出的多縫隙波導模式則綜合考慮了建筑物墻壁的實際介質特性、實際分布的街道寬度以及從路面的反射。該模式假設城市結構由兩排平行的具有隨機分布縫隙（建筑物之間的缺口）的屏（模擬建筑物墻壁）所組成，即考慮了直

18、達射線、沿地面的反射射線以及峽谷的垂直平面（建筑物墻壁）反射的射線，還考慮了墻壁拐角的繞射射線。圖6.10 街道多縫隙波導的三維模擬示意圖圖6.11 街道多縫隙波導的二維模擬示意圖圖6.10 多縫隙波導模式場強與距離的關系示意圖Lund模式瑞典的Lund大學3. 確定性模型l 鏡像法將鏡像點也看成是一個源（發(fā)射機），它發(fā)出的射線沿直線到達場點。只是還需要乘以反射面的反射系數。這就是鏡像法的理論基礎。只要當反射面大于第一費涅爾區(qū)時，就可以視任意的反射面為無限大的平面。通常，反射面不止一個，反射線也不止一條。因此，發(fā)射機將產生無數個鏡像，即多重鏡像。接收機接收到的信號就是所有這些鏡像發(fā)射機輻射的信

19、號之和（電場強度的矢量和）。容易看出，任一個鏡像產生的射線就相當于源點發(fā)出的某一條射線經不同的反射面經過多次反射后到達接收點。鏡像法只能求解一些很簡單的環(huán)境中的場強分布，例如矩形隧道、直街道、矩形空房間等等。TxRxl 射線追蹤法（Ray Tracing Method）射線追蹤法（RTM）的主體思想是根據幾何光學理論，利用射線來模擬電磁場的傳播。在確定接收位置之前及周圍建筑環(huán)境之后，結合直射波、反射波、繞射波、散射波等波動現象直接尋找出所有可能的主要傳播路徑，用理論分析的方法，計算出路徑損耗及其反映信道特性的參數。射線追蹤法不僅可以分析用鏡像法解決的簡單環(huán)境，也可以用來分析一些在較復雜的環(huán)境。

20、例如，帶有家具的房間、相鄰的幾個房間甚至是整個大樓。射線追蹤法在具體應用時可以有不同的方式，常用的是PC（Pin Cushion）法和SBR（Shooting And Bouncing Ray）法。前者體現了射線追蹤法的主題思想，而后者是在前的基礎之上加以改進得到的。視距傳播非視距傳播相鄰射線相鄰射線過大的接收球過小的接收球 射線追蹤法之PC法首先，以發(fā)射天線為原心，將整個空間分為若干個具有相等立體角的射線管（射線管的橫截面可以是三角形、四邊形等簡單圖形）。每個射線管的電磁輻射就以射線管中的一條射線來代替。然后，對所有這些射線進行跟蹤。根據幾何光學理論，射線在傳播的過程中，每遇到一個障礙物就會產生反射、折射、繞射等現象，形成反