移動(dòng)通信中的電波傳播與天線-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)中的場強(qiáng)預(yù)測模型場強(qiáng)預(yù)測一一所謂場強(qiáng)預(yù)測是指根據(jù)移動(dòng)通信的不同環(huán)境得到通信范圍內(nèi) 的場強(qiáng)分布（路徑損耗），建立電波傳播的模型，以便對通信網(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）傳播模式一一分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、半?jīng)驗(yàn)或半確定模式、確定性模式。經(jīng)驗(yàn)?zāi)?式是根據(jù)大量測量結(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?速地預(yù)測路徑損耗，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。確定性模式是對具體現(xiàn)場環(huán)境直接應(yīng)用電磁場理論進(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一般的市區(qū)

2、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)。5 1天線與電波傳播傳播環(huán)境一一蜂窩移動(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哂芯鶆蛱匦缘暮晷^(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。確定性模式對宏小區(qū)是 不能勝任的，因?yàn)閷@種環(huán)

3、境所需的計(jì)算機(jī)CPU時(shí)間使人無法忍受天線與電波傳播四種電波傳播模型一一電波傳播模型是指通過對電波傳播的環(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)的場強(qiáng)分布，而且還可以對移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)行 規(guī)劃與設(shè)計(jì)。?統(tǒng)計(jì)模型（Statistical Mode通過對移動(dòng)通信服務(wù)區(qū)內(nèi)的場強(qiáng)進(jìn)行實(shí) 地測量，在大量實(shí)測數(shù)據(jù)中用統(tǒng)計(jì)的方法總結(jié)出場強(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。?實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停‥mpirical Mode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。?確定性模型（Determ

4、inistic Model -通過將地形、地物等電波傳播的環(huán)境適當(dāng)理想化后，采用電磁場理論或者幾何光學(xué)法的確定性的方法來求取場 強(qiáng)的變化規(guī)律。?回歸模型（Regression Mode通過將計(jì)算或?qū)崪y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。天線與電波傳播1.常用的統(tǒng)計(jì)模型Ckumura-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)境地物條件下測量信號(hào)強(qiáng) 度，得到了一系列曲線。奧村模型在測試時(shí)是以準(zhǔn)平坦地形作為分析和描述

5、 傳播特性的基準(zhǔn)。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(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。天線與電波傳播?奧村模型的應(yīng)用范圍頻率 f 150 1500 MHz距離d 1 20km基地站天線高度hbe 30 200m移動(dòng)臺(tái)天線高度hme 1 10m?接收功率PrR 必 Am f ,dHb hbe,d Hm hm ,fLbf 自由空間路徑損耗減率f (MHj)交二f 呈7ODAm f，d 準(zhǔn)平坦地形相對自由空間的損耗中值H b hbe，

6、d 基地站天線偏離200m時(shí)的修正因子H m hm，f移動(dòng)站天線偏離3m時(shí)的修正因子天線與電波傳播56天線與電波傳播?路徑損耗LpLbf Am f ,d Hb hbe,d H m hm , fLbf32.45 20log f MHz 20logd km?環(huán)境修正不規(guī)則地形時(shí)的接收功率P P K K.r r so terKP P K K.r r so terKsp KisKi不規(guī)則地形時(shí)的路徑損耗Lp LbfAm f,d Hb hbe,d H m hm , fKsoKterKsp KisKiK so 郊區(qū)和開闊地的修正系數(shù)Kspi 斜坡地形的修正系數(shù)Ki孤立山峰的修正系數(shù)Kter 起伏山岳的修正

7、系數(shù)Kis 水陸混合地形的修正系數(shù)山峰高度偏離200m的修正因子天線與電波傳播g飄唱網(wǎng)&*田a石版郊區(qū)利開闊地修正系數(shù)人起伏山丘地形修正系數(shù)平均觸做叫m。斜坡地修正系教K天線與電波傳播孤立山峰修正系數(shù)百天線與電波傳播3200400 AGO TQ0Q.Mh* Rtdgv HttgM Me山峰高度偏離200冊修正因子打510天線與電波傳播?傳播損耗的經(jīng)驗(yàn)公式Lp Lp 69.55 26.1610g f MHz13.82 log hbe44.9 6.55loghbe m log d kmhme式中的hme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0.7 1.1 log f hme 1.56l

8、og f 0.8中小城市，移動(dòng)臺(tái)天線高度hme 0.7 1.1 log f hme 1.56log f 0.8中小城市，移動(dòng)臺(tái)天線高度hme 15mhne1.12.29log 1.54hme大城市，頻率f 200MHz4.97 3.2log2 11.75hme大城市，頻率f 400MHz?修正的Hata公式一一對Hata公式進(jìn)行修正可以改善相對于奧村曲線的精度， 在整個(gè)奧村曲線的有效范圍內(nèi)提高Hata公式的精度。5 11天線與電波傳播COST-23偎型一一COST-23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

9、-2雅式的應(yīng)用為更廣。?COST-231-Hat-型一一根據(jù)Hata模式，利用一些修改項(xiàng)使頻率覆蓋范圍從 500MH利2000MHz所得到的表達(dá)式就稱為COST-231-Hat模型。Hata模式 是根據(jù)奧村等人的測量數(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-Hat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，而不能應(yīng)用于為蜂窩情況。通過對高頻段的奧村傳 播曲線進(jìn)行分析后達(dá)到了所建議的公式是Lp 46.3 Lp 46.3 33log f 1MHz13.82log hbe mh

10、me44.9 6.55log hbe m log d km Cm5 12天線與電波傳播式中的 Le也就是奧村模型中的環(huán)境修正因子；而Cm是另一個(gè)修正因子0dB樹木密度適中的中等城市和郊區(qū)的中心C m3dB大城市中心COST-231-Hat模型的適用范圍如下頻率f 1500MHz - 2000MHz距離d 1km20km基地站天線高度hbe 30m200m移動(dòng)站天線高度hme 1m10m當(dāng)頻率低于1500MHz時(shí)可直接采用Okumura-Hatai型的計(jì)算公式。5 13天線與電波傳播? COST-231-Walfish-Ikegami 模型根據(jù) Walfisch-Bertoni 的計(jì)算市區(qū)環(huán) 境

11、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-kegam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)引起較大的測量誤差。因此，在 這種情況下，使用COST-231-Walfish-Ikegam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-Ik

12、egami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。5 14天線與電波傳播天線與電波傳播在街道峽谷中存在視距路徑時(shí)，路徑損耗Lp 42.6 26logd km 20log f MHz如果在街道峽谷中不存在視距路徑，則路徑損耗Lp LLp LbfLrtsmsd式中的Lbf代表自由空間的路徑損耗；Lrts是屋頂對街道的繞射和散射損耗； Lmsd則是多次屏蔽繞射損耗。除了與頻率f、距離d和基地站天線高度hbe有關(guān) 以外，Lrts還和街道的寬度W以及相對于直達(dá)無線電路徑的道路方位角有關(guān)系。而Lmsd還和移動(dòng)臺(tái)的天線高度hme、建筑物的間隔b和高度hRoof等環(huán)境因素 有一定的關(guān)系。CO

13、ST-231-Hat模型的適用范圍如下頻率；00MHz 頻率；00MHz 2000MHz距離 d 20m 5km基地站天線高度 hbe 4m 50m移動(dòng)站天線高度hme 1m 3m?根據(jù)900MH瀕段的測試情況可以很容易地估算出1800MH顏段的結(jié)果，即L1800L900 L1800L900 10dB5 15天線與電波傳播Egli模型一一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 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。?平地及海面上視距傳播時(shí)的路徑損耗Lp 120.11 40log d km 20log hbe m hme m dB?山高約15.25m （50英尺

14、）起伏緩慢的不規(guī)則地形上電波傳播的路徑損耗dBLp 88.11 40logd km 20log f MHz 20log hbe m hme mdB該式適用于40400MHZ圍內(nèi)，當(dāng)頻率不超過1000MH;s 距離 不超過64.4km時(shí)，估算誤差不會(huì)太大。?山高不是15.25m （50英尺）時(shí)電波傳播的路徑損耗lp.1140log ddB km20log f MHz20log hbe lp.1140log ddB km20log f MHz20log hbe m hme mT F dBdB式中T F dB是地形修正因子。5 16巧 地形修正因子FT-15-20-25頻LFHF頻段UHF頻段天線與

15、電波傳播-30400050100150200250300350400地形起伏平均高度（英尺）5 17天線與電波傳播Lee模型（李氏模型）一一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(shí)際測量或者利用類似城市的測量數(shù)據(jù)才能 得到可用

16、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5 18天線與電波傳播PrdhbpPrdhbpPr010log2010ged0hbePro1010g Ld0PtLbf無障礙情況有障礙情況經(jīng)過水面（自由空間）式中的d0可以是1英里或公里；Pr0是距離d0處的接收功率； 是路徑損耗斜 率

17、；hbe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）；Ld是 繞射損耗；Lbf是自由空間的路徑損耗；0表示當(dāng)實(shí)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 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)測在短傳播距離的某些確定條件下的信號(hào)。5 19天線與電波傳播李氏模型的全預(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

18、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。李氏模型的標(biāo)準(zhǔn)條件為基地站天線高度 基地站天線增益 移動(dòng)站天線高度 移動(dòng)站天線增益發(fā)射機(jī)發(fā)射功率hbe 30m或hbe 30m或100英尺Gt 6dBdhme 3m或10英尺Gr 0dBdPt 10W5 20天線與電波傳播的。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

19、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17hbe YL p Lbf Le1 Le2 1810g17hbe式中Lbf是自由空間的路徑損耗；Le1是從屋頂?shù)降孛娴睦@射損耗；Le2是沿屋 頂繞射附加的損耗。Le1和Le2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。5 21天線與電波傳播建筑物內(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

20、波長情況，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) 地附近小范圍內(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。I MT-200健式對于IMT-200修式，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。對于窄帶技術(shù)，只用它的均方根來表征遲延擴(kuò)展。對于寬帶 技術(shù)，各信號(hào)分量的數(shù)目、強(qiáng)度和相對時(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。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。5 22天

21、線與電波傳播.微小區(qū)模式雙射線模式一一直達(dá)射線+地面反射射線。該模式對于平坦地面的農(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&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(dǎo)致場強(qiáng) 幅度的快速變化，但是并不改變由雙射線模式預(yù)測的整個(gè)路徑損耗（塞定律指數(shù)n的值）。雙射線模式的路徑損耗（雙斜率模式）Lb 10n數(shù)n的值）。雙射線模式的路徑損耗（雙斜率模式）Lb 10n110g LLb 10n2logdh b dddbdddbdb其中突變點(diǎn)db 4h其中突變點(diǎn)db 4hThR/ (f 1800 1900Mhz)

22、n1 2。理論值5 2 , n2 4 ；市區(qū)微蜂窩2.3, n2 3.3 13.35 23天線與電波傳播雙射線模式的路徑損耗（修正式）天線與電波傳播db24025logdb240log2ddbdb 2d 4db4025logddb24025logdb240log2ddbdb 2d 4db4025logdb 240log 4db 60logd4dbd 4db多射線模式一一直達(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)）。 接收端的場來自直達(dá)射線、沿地面的反射射線以及峽

23、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。5 24天線與電波傳播多縫隙波導(dǎo)模式一一直達(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

24、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)模式場強(qiáng)與距離的關(guān)系示意圖Lund模式瑞典的Lund大學(xué)5 25天線與電波傳播.確定性模型 鏡像法一一將鏡像點(diǎn)也看成是一個(gè)源（發(fā)射機(jī)），它發(fā)出的射線沿直線到達(dá)場 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

25、信號(hào)之和（電 場強(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 很簡單的環(huán)境中的場強(qiáng)分布，例如矩形隧道、直街道、矩形空房間等等。5 26天線與電波傳播二Lnr TxRx - -十5 27天線與電波傳播射線追蹤法(RayTracing 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(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。5 28天線與電波傳播5 29天線與電波傳播?射線追蹤法