移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)中的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模型¨ 場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)所謂場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)是指根據(jù)移動(dòng)通信的不同環(huán)境得到通信范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布（路徑損耗），建立電波傳播的模型，以便對(duì)通信網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)（天線、基站站址、小區(qū)半徑、頻率） ¨ 傳播模式分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健虢?jīng)驗(yàn)或半確定模式、確定性模式。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞歉鶕?jù)大量測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后導(dǎo)出的公式，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢匀菀缀涂焖俚仡A(yù)測(cè)路徑損耗，不需要有關(guān)環(huán)境的詳細(xì)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(duì)具體現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境直接應(yīng)用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行計(jì)算，如射線追蹤方法，環(huán)境的描述可以從地形地物數(shù)據(jù)庫中得到。半經(jīng)驗(yàn)或半確定模式是基于把確定性方法用于

2、一般的市區(qū)或室內(nèi)環(huán)境中導(dǎo)出的公式，為了改善半經(jīng)驗(yàn)或半確定模式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，有時(shí)需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)公式進(jìn)行修正，得到的公式是天線周圍某個(gè)規(guī)定特性的函數(shù)。¨ 傳播環(huán)境蜂窩移動(dòng)通信的最大特點(diǎn)就是小區(qū)制。小區(qū)的大小和范圍直接和傳播條件有關(guān)，可以根據(jù)需要選擇小區(qū)的大小和范圍。移動(dòng)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ交虬虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)具有均勻特性的宏小區(qū)是合適的。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭€適用于均勻的微小區(qū)，在那里模式所考慮的參數(shù)能很好的表征整個(gè)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(duì)宏小區(qū)是不能勝任的，因?yàn)閷?duì)這種環(huán)境所需的計(jì)算機(jī)C

3、PU時(shí)間使人無法忍受¨ 四種電波傳播模型電波傳播模型是指通過對(duì)電波傳播的環(huán)境進(jìn)行不同方法的分析后所得到的電波傳播的某些規(guī)律、結(jié)論以及具體方法。利用電波傳播模型不僅可以估算服務(wù)區(qū)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布，而且還可以對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)。Ø 統(tǒng)計(jì)模型（Statistical Model）通過對(duì)移動(dòng)通信服務(wù)區(qū)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中用統(tǒng)計(jì)的方法總結(jié)出場(chǎng)強(qiáng)中值隨頻率、距離、天線高度等因數(shù)的變化規(guī)律并用公式或曲線表示出來。Ø 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停‥mpirical Model）通過實(shí)驗(yàn)方法得出某些電波傳播規(guī)律，但不像統(tǒng)計(jì)模型那樣用公式或曲線表示出來。Ø 確定性模型(

4、Deterministic Model）通過將地形、地物等電波傳播的環(huán)境適當(dāng)理想化后，采用電磁場(chǎng)理論或者幾何光學(xué)法的確定性的方法來求取場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律。Ø 回歸模型(Regression Model）通過將計(jì)算或?qū)崪y(cè)得到的路徑損耗隨傳播距離而變化的數(shù)據(jù)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(jì)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(dòng)臺(tái)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(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，得到了一系列曲線。奧村模型在測(cè)試時(shí)是以準(zhǔn)平坦地形作為分

5、析和描述傳播特性的基準(zhǔn)。對(duì)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(jìn)行環(huán)境修正。研究的完成已使該模式成為該領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于該數(shù)據(jù)只能以曲線形式被使用，使用起來很不方便，因此已經(jīng)有Hata在1980年給出了滿足奧村模式的公式。Ø 奧村模型的應(yīng)用范圍頻率 距離 基地站天線高度 移動(dòng)臺(tái)天線高度 Ø 接收功率自由空間路徑損耗準(zhǔn)平坦地形相對(duì)自由空間的損耗中值基地站天線偏離時(shí)的修正因子移動(dòng)站天線偏離時(shí)的修正因子Ø 路徑損耗Ø 環(huán)境修正不規(guī)則地形時(shí)的接收功率不規(guī)則地形時(shí)的路徑損耗郊區(qū)和開闊地的修正系數(shù) 起伏山岳的修正系數(shù) 斜坡地形的修正系

6、數(shù) 水陸混合地形的修正系數(shù) 孤立山峰的修正系數(shù) 山峰高度偏離的修正因子Ø 傳播損耗的經(jīng)驗(yàn)公式式中的是一個(gè)與移動(dòng)臺(tái)天線高度有關(guān)的環(huán)境修正因子,其關(guān)系為中小城市，移動(dòng)臺(tái)天線高度大城市，頻率大城市，頻率Ø 修正的Hata公式對(duì)Hata公式進(jìn)行修正可以改善相對(duì)于奧村曲線的精度，在整個(gè)奧村曲線的有效范圍內(nèi)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(huì)COST-231（陸地移動(dòng)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(yīng)用為更廣。Ø COST-231-Hata模型根據(jù)Hata模式，利用一些修

7、改項(xiàng)使頻率覆蓋范圍從500MHz到2000MHz，所得到的表達(dá)式就稱為COST-231-Hata模型。Hata模式是根據(jù)奧村等人的測(cè)量數(shù)據(jù)而得到的。當(dāng)時(shí)的基地站天線高度均高出基地站附近的建筑物屋頂，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?shù)那闆r。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(yù)測(cè)，而不能應(yīng)用于為蜂窩情況。通過對(duì)高頻段的奧村傳播曲線進(jìn)行分析后達(dá)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(gè)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

8、站天線高度 移動(dòng)站天線高度 當(dāng)頻率低于時(shí)可直接采用Okumura-Hata模型的計(jì)算公式。Ø COST-231-Walfish-Ikegami模型根據(jù)Walfisch-Bertoni的計(jì)算市區(qū)環(huán)境的結(jié)果，結(jié)合Ikegami處理街道走向的修正函數(shù)，再加上實(shí)驗(yàn)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(dāng)基地站天線高度稍有變化時(shí)，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(huì)引起較大的測(cè)量誤差。因此，在這種情況下，使用COST-231-W

9、alfish-Ikegami模型要非常小心。為了較好地蜂窩小區(qū)的服務(wù)區(qū)，基地站天線應(yīng)該安裝得比半徑范圍在一百多米以內(nèi)的鄰近建筑物最高屋頂還高幾米（例如4米多）。COST-231-Walfish-Ikegami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(yù)測(cè)。在街道峽谷中存在視距路徑時(shí)，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(duì)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(guān)以外，還和街道的寬度以及相對(duì)于直達(dá)無線電路徑的道路方位角有關(guān)系。而還和移動(dòng)臺(tái)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(guān)系。COST-

10、231-Hata模型的適用范圍如下頻率 距離 基地站天線高度 移動(dòng)站天線高度 Ø 根據(jù)900MHz頻段的測(cè)試情況可以很容易地估算出1800MHz頻段的結(jié)果，即l Egli模型Egli模型是把地面作為水平面處理的一種電波傳播損耗預(yù)測(cè)方法。但是考慮了地表障礙的作用，以適應(yīng)實(shí)際地形的情況。Ø 平地及海面上視距傳播時(shí)的路徑損耗 Ø 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(nèi)，當(dāng)頻率不超過1000MHz、距離不超過64.4km時(shí)，估算誤差不會(huì)太大。Ø 山高不是15.25m（50英尺）時(shí)電波傳播的路徑損耗

11、 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(yù)期模型和全預(yù)期模型。常用的是局部平均預(yù)期模型，預(yù)期的局部平均值被用來與測(cè)量的局部平均值進(jìn)行比較。李氏模型的基本點(diǎn)是設(shè)法將特征地貌結(jié)構(gòu)與人造結(jié)構(gòu)對(duì)接收信號(hào)的影響分離開來。因?yàn)槊總€(gè)城市的地貌結(jié)構(gòu)不同，并且每個(gè)城市的人造結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)于不同的城市，只有通過實(shí)

12、際測(cè)量或者利用類似城市的測(cè)量數(shù)據(jù)才能得到可用的計(jì)算公式。至于自然地貌結(jié)構(gòu)，李氏模型將其分為無障礙情況、有障礙情況以及經(jīng)過水面?zhèn)鞑トN。這里的障礙并不是指信號(hào)是否被建筑物阻擋，而是指信號(hào)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。李氏模型在具體應(yīng)用時(shí)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(jì)算公式近似為無障礙情況有障礙情況經(jīng)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(dāng)實(shí)

13、際情況不同于標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)，分析和計(jì)算由于建筑物遮擋所產(chǎn)生的附加信號(hào)損耗并由此得到所要預(yù)測(cè)的路徑損耗。微蜂窩李氏模型的預(yù)期值不如宏蜂窩模型預(yù)期值精確，這是由于使用了統(tǒng)計(jì)預(yù)期方法來預(yù)測(cè)在短傳播距離的某些確定條件下的信號(hào)。李氏模型的全預(yù)期就是將常規(guī)蜂窩模型和微蜂窩模型疊加來預(yù)期接收信號(hào)強(qiáng)度，其距離可達(dá)到15英里。超過這個(gè)距離，還必須考慮兩個(gè)條件，一個(gè)是在無線電波水平線情況下的信號(hào)接收，另一個(gè)是水上的無障礙情況下的信號(hào)接收。Ø 李氏模型的標(biāo)準(zhǔn)條件為基地站天線高度 或英尺 基地站天線增益 移動(dòng)站天線高度 或英尺 移

14、動(dòng)站天線增益 發(fā)射機(jī)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(duì)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(jīng)這些吸收繞射屏傳播后再繞射到街道上。對(duì)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個(gè)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(guān)。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?shù)那闆r（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

15、徑損耗；是從屋頂?shù)降孛娴睦@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(guān)，分別有相應(yīng)的計(jì)算公式。l 建筑物內(nèi)、靠近建筑物和進(jìn)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(shí)間是在建筑物內(nèi)度過的，因此有必要研究建筑物對(duì)電波傳播的影響。有三種關(guān)于建筑物性質(zhì)截然不同的無線電波長(zhǎng)情況，一種是關(guān)于電波在建筑物內(nèi)部的傳播，另一種是關(guān)于建筑物當(dāng)?shù)馗浇》秶鷥?nèi)的傳播，這在蜂窩移動(dòng)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(hào)從室外覆蓋到建筑物內(nèi)時(shí)將遇到的附加損耗。l IMT-2000模式對(duì)于IMT-2000模式，工作環(huán)境也分為室內(nèi)辦公環(huán)境、室外到室內(nèi)及步行的環(huán)境，車載環(huán)境。

16、對(duì)于窄帶技術(shù)，只用它的均方根來表征遲延擴(kuò)展。對(duì)于寬帶技術(shù)，各信號(hào)分量的數(shù)目、強(qiáng)度和相對(duì)時(shí)延變得重要了。另外，由于有些技術(shù)（例如，利用功率控制的那些技術(shù)），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(yù)測(cè)。還有，在有些情況，環(huán)境的陰影衰落瞬時(shí)變化必須被建模。2. 微小區(qū)模式 雙射線模式直達(dá)射線+地面反射射線。該模式對(duì)于平坦地面的農(nóng)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(duì)電波也發(fā)生反射和繞射的話，它們將在簡(jiǎn)單的雙射線模式中導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)幅度的快速變化，但是并不改變由雙射線模式預(yù)測(cè)的整個(gè)路徑損耗（冪定律指數(shù)n的值）。雙

17、射線模式的路徑損耗（雙斜率模式）其中突變點(diǎn)。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(dá)射線+地面反射射線+垂直墻壁反射的射線多射線模式已經(jīng)被用在LOS情況下的市區(qū)微蜂窩小區(qū)中，當(dāng)收發(fā)天線比屋頂平面低得多時(shí)。該模式假設(shè)所謂的街道為介質(zhì)峽谷結(jié)構(gòu)（也稱為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)）。接收端的場(chǎng)來自直達(dá)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(dá)接收點(diǎn)的射線數(shù)目是無窮多的，但是實(shí)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(dǎo)模式直達(dá)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(shè)街道的建筑

18、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(dǎo)模式則綜合考慮了建筑物墻壁的實(shí)際介質(zhì)特性、實(shí)際分布的街道寬度以及從路面的反射。該模式假設(shè)城市結(jié)構(gòu)由兩排平行的具有隨機(jī)分布縫隙（建筑物之間的缺口）的屏（模擬建筑物墻壁）所組成，即考慮了直達(dá)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(dǎo)的三維模擬示意圖圖6.11 街道多縫隙波導(dǎo)的二維模擬示意圖圖6.10 多縫隙波導(dǎo)模式場(chǎng)強(qiáng)與距離的關(guān)系示意圖Lund模式瑞典的Lund大學(xué)3. 確定性模型l 鏡像法將鏡像點(diǎn)也看成是一個(gè)源（發(fā)射機(jī)），它發(fā)出的射

19、線沿直線到達(dá)場(chǎng)點(diǎn)。只是還需要乘以反射面的反射系數(shù)。這就是鏡像法的理論基礎(chǔ)。只要當(dāng)反射面大于第一費(fèi)涅爾區(qū)時(shí)，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(gè)，反射線也不止一條。因此，發(fā)射機(jī)將產(chǎn)生無數(shù)個(gè)鏡像，即多重鏡像。接收機(jī)接收到的信號(hào)就是所有這些鏡像發(fā)射機(jī)輻射的信號(hào)之和（電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和）。容易看出，任一個(gè)鏡像產(chǎn)生的射線就相當(dāng)于源點(diǎn)發(fā)出的某一條射線經(jīng)不同的反射面經(jīng)過多次反射后到達(dá)接收點(diǎn)。鏡像法只能求解一些很簡(jiǎn)單的環(huán)境中的場(chǎng)強(qiáng)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(jù)幾何光學(xué)理論，利用射線

20、來模擬電磁場(chǎng)的傳播。在確定接收位置之前及周圍建筑環(huán)境之后，結(jié)合直射波、反射波、繞射波、散射波等波動(dòng)現(xiàn)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(jì)算出路徑損耗及其反映信道特性的參數(shù)。射線追蹤法不僅可以分析用鏡像法解決的簡(jiǎn)單環(huán)境，也可以用來分析一些在較復(fù)雜的環(huán)境。例如，帶有家具的房間、相鄰的幾個(gè)房間甚至是整個(gè)大樓。射線追蹤法在具體應(yīng)用時(shí)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(xiàn)了射線追蹤法的主題思想，而后者是在前的基礎(chǔ)之上加以改進(jìn)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Ø 射線追蹤法之PC法首先，以發(fā)射天線為原心，將整個(gè)空間分為若干個(gè)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(jiǎn)單圖形）。每個(gè)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(duì)所有這些射線進(jìn)行跟蹤。根據(jù)幾何光學(xué)理論，射線在傳播的過程中，每遇到一個(gè)障礙物就會(huì)產(chǎn)生反射、折射、