1. 概述
在移動(dòng)通信網(wǎng)的規(guī)劃階段和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化期間，最重要的傳播問題是路徑損耗，它代表大尺度傳播特性，具有冪定律的傳播特征。路徑損耗是移動(dòng)通信系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)，對(duì)蜂窩設(shè)計(jì)中的覆蓋范圍、信噪比、遠(yuǎn)近效應(yīng)都有影響。因此，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)最初規(guī)劃階段，或今后的擴(kuò)容、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化期間需要進(jìn)行路徑損耗預(yù)測(cè)。無線傳播模型正是用來預(yù)測(cè)不同傳播環(huán)境下的路徑損耗，從而更好的建設(shè)當(dāng)?shù)氐臒o線通信網(wǎng)絡(luò)。
從基站發(fā)出的無線電信號(hào)不僅存在大氣層中傳播遇到的路徑損耗，而且還受到地面?zhèn)鞑ヂ窂綋p耗的影響，而地面?zhèn)鞑p耗受地面地形地物的影響很大。移動(dòng)臺(tái)天線高度較低，一般非常接近地平面，這是產(chǎn)生這一附加傳播損耗的原因之—。一般來說，地面的質(zhì)地和粗糙度往往導(dǎo)致能量耗散，減小移動(dòng)臺(tái)和基站的接收信號(hào)強(qiáng)度。這種類型的損耗和自由空間損耗相結(jié)合，共同構(gòu)成了傳播路徑損耗。
移動(dòng)無線電信號(hào)還受到各種各樣的多徑現(xiàn)象的影響——它們能引起嚴(yán)重的信號(hào)衰落，這些影響源于移動(dòng)無線電通信媒介。移動(dòng)無線電信號(hào)衰落包括長(zhǎng)時(shí)限衰落和短時(shí)限衰落，這是統(tǒng)計(jì)上的分類。長(zhǎng)時(shí)限衰落一般由沿傳播路徑上地形地物的較小規(guī)模變化引起。短時(shí)限衰落一般由各種信號(hào)散射體固定的和運(yùn)動(dòng)的）的反射引起。這類衰落稱為“多徑”衰落。
對(duì)在這樣復(fù)雜環(huán)境中傳播信號(hào)的變化進(jìn)行精確特征描述，是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。下面介紹的各種模型，就是通過大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，或者精確的電磁理論計(jì)算，預(yù)測(cè)了無線信號(hào)的變化。
2. 傳播模型的分類
在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，一個(gè)主要的任務(wù)是在滿足移動(dòng)用戶所需的話務(wù)容量條件下，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到滿意的質(zhì)量覆蓋率、話音質(zhì)量、掉話率和接通率等。其中很大一部分和接收信號(hào)的質(zhì)量有關(guān)，而接收信號(hào)的質(zhì)量主要由發(fā)射和接收之間的傳播條件決定。在分析移動(dòng)通信的無線電波傳播過程中，傳播路徑損耗是人們關(guān)心的主要參數(shù)之一，我們可以用無線傳播模型分析方法來預(yù)測(cè)無線電波的傳播路徑損耗。
根據(jù)無線傳播模型的性質(zhì)，可以分為下面幾類：
(1)． 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br microsoft="" font-size:="" white-space:="" background-color:="" style="margin: 0px; padding: 0px; box-sizing: border-box; outline: none; color: rgb(51, 51, 51);"/> (2)． 半經(jīng)驗(yàn)或半確定性模型
(3)． 確定性模型
經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)大量的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后導(dǎo)出的公式。用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)路徑損耗的方法很簡(jiǎn)單，不需要相關(guān)環(huán)境的精確信息，但是不能提供非常精確的路徑損耗估算值。
確定性模型是對(duì)具體的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境直接應(yīng)用電磁理論計(jì)算的方法，環(huán)境的描述從地形地物數(shù)據(jù)庫(kù)中得到，在環(huán)境描述中可以找到不同的精度等級(jí)。在確定性模型中，已使用的幾種技術(shù)通?；谏渚€跟蹤的方法：幾何繞射理論、物理光學(xué)，以及不經(jīng)常用的精確方法，如積分方程法或時(shí)域有限差分法。在市區(qū)、山區(qū)和室內(nèi)環(huán)境情況中，確定性的無線傳播預(yù)測(cè)是一種極其復(fù)雜的電磁問題。
半經(jīng)驗(yàn)或半確定性模型是基于把確定性方法用于一般的市區(qū)或室內(nèi)環(huán)境中導(dǎo)出的等式。有時(shí)候，為了改善它們和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，則根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)等式進(jìn)行修正，得到的等式是天線周圍地區(qū)某個(gè)規(guī)定特性的函數(shù)。
由于移動(dòng)通信的所在環(huán)境的多樣性，每個(gè)傳播模型都是對(duì)某特定類型環(huán)境設(shè)計(jì)的。因此，可以根據(jù)傳播模型的應(yīng)用環(huán)境對(duì)它們進(jìn)行分類。通?？紤]三類環(huán)境小區(qū)：宏小區(qū)宏蜂窩、微小區(qū)或微蜂窩、微微小區(qū)或微微蜂窩。
(1)． 宏小區(qū)
宏小區(qū)是面積很大的區(qū)域，覆蓋半徑約1～30km，基站發(fā)射天線通常架設(shè)在周圍建筑物上方。通常，在收發(fā)之間沒有直達(dá)射線。
(2)． 微小區(qū)
微小區(qū)的覆蓋半徑在0.1～1km之間，覆蓋面積不一定是圓的。發(fā)射天線的高度可以和周圍建筑物的高度相同或者略高于或低于。通常，根據(jù)收發(fā)天線和環(huán)境障礙物的相對(duì)位置分成兩類情況：LOS視距情況和NLOS非視距情況。
(3)． 微微小區(qū)
微微小區(qū)的典型半徑是在0.01～0.1km之間。微微小區(qū)可以分為兩類：室內(nèi)和室外。發(fā)射天線在屋頂下面或者在建筑物內(nèi)。無論在室內(nèi)還是在室外情況中，通常要分別考慮LOS和NLOS這兩種情況。
一般，三種類型模型和三種小區(qū)類型之間有相互適應(yīng)的關(guān)系。如經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)具有均勻特性的宏小區(qū)是適合的，半經(jīng)驗(yàn)公式還適用于均勻的微小區(qū)，模型所考慮的參數(shù)能很好地表征整個(gè)環(huán)境。確定性模型適用于微小區(qū)和微微小區(qū)，不管它們的形狀如何，但對(duì)宏小區(qū)是不能適用的，因?yàn)檫@種環(huán)境所需的CPU時(shí)間使這些技術(shù)效率變得低下。
2.1 宏小區(qū)傳播模型
2.1.1 Okumura-Hata模型
Okumura-Hata模型是Hata在Okumura大量測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用公式擬合得到的。由于使用Okumura模型，需要查找其給出的各種曲線，不利于計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)。Hata根據(jù)Okumura的基本中值場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)曲線，通過曲線擬合，提出了傳播損耗的經(jīng)驗(yàn)公式，即Okumura-Hata模型。
這個(gè)模型時(shí)作了下列三點(diǎn)假設(shè)，以求簡(jiǎn)化：
(1)．作為兩個(gè)全向天線之間的傳播損耗處理；
(2)．作為準(zhǔn)平滑地形而不是不規(guī)則地形處理；
(3)．以城市市區(qū)的傳播損耗公式作為標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)采用校正公式進(jìn)行修正。
適用條件：
(1)．f 為150～1500MHz；
(2)．基站天線有效高度hb 為30～200米；
(3)．移動(dòng)臺(tái)天線高度hm 為1～10米；
(4)．通信距離為1～35km；
傳播損耗公式如下：
公式說明：
d 的單位為km；
f 的單位為MHz；
Lb 城 為城市市區(qū)的基本傳播損耗中值；
hb 、hm ——基站、移動(dòng)臺(tái)天線有效高度，單位為米；
基站天線有效高度計(jì)算：設(shè)基站天線離地面的高度為hs ，基站地面的海拔高度為hg ，移動(dòng)臺(tái)天線離地面的高度為hm ，移動(dòng)臺(tái)所在位置的地面海拔高度為hmg ，則基站天線的有效高度hb=hs+hg-hmg ，移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度為hm 。
注：基站天線有效高度計(jì)算有多種方法，如基站周圍5~10公里的范圍內(nèi)的地面海拔高度的平均；基站周圍5~10公里的范圍內(nèi)的地面海拔高度的地形擬合線；等等；不同的計(jì)算方法一方面與所使用的傳播模型有關(guān)，另外也與計(jì)算精度要求有關(guān)。
移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子：
遠(yuǎn)距離傳播修正因子：
2.1.2 COST-231-Hata模型
COST-231-Hata模型也是以O(shè)kumura等人的測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，通過對(duì)較高頻段的Okumura傳播曲線進(jìn)行分析得到的公式。
適用條件：
(1)．f 為1500～2000MHz；
(2)．基站天線有效高度hb 為30～200米；
(3)．移動(dòng)臺(tái)天線高度hm 為1～10米；
(4)．通信距離為1～35km。
傳播損耗公式：
公式說明：
d 的單位為km，f的單位為MHz；
Lb城 為城市市區(qū)的基本傳播損耗中值；
hb 、hm ——基站、移動(dòng)臺(tái)天線有效高度，單位為米；
基站天線有效高度計(jì)算：設(shè)基站天線離地面的高度為hs ，基站地面的海拔高度為hg ，移動(dòng)臺(tái)天線離地面的高度為hm ，移動(dòng)臺(tái)所在位置的地面海拔高度為hmg 。則基站天線的有效高度hb=hs+hg-hmg ，移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度為hm 。
移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子：
遠(yuǎn)距離傳播修正因子：
2.2 微小區(qū)傳播模型
2.2.1 雙射線模型
雙射線傳播模型在計(jì)算接收處的場(chǎng)時(shí)只考慮直達(dá)射線和地面反射射線的貢獻(xiàn)。對(duì)平坦的農(nóng)村環(huán)境是可以勝任的，而且它也適合于具有低基站天線的微蜂窩小區(qū)，因?yàn)槭瞻l(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)單的雙射線模型中導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)幅度的快速變化，但是并不改變由雙射線預(yù)測(cè)的整個(gè)路徑損耗冪定律指數(shù)n 的值。
雙射線模式給出的路徑損耗被寫成為收發(fā)之間的距離d的函數(shù)，并且可以用兩個(gè)不同斜率n1 和n2 的直線段近似。兩線段之間的突變點(diǎn)也稱為拐點(diǎn)出現(xiàn)在離發(fā)射端的距離為：
式中hr 和ht 分別是收發(fā)天線的高度。
路徑損耗可以用下式表示：
這個(gè)近似式稱為雙斜率模型。對(duì)于理論上的雙射線地面反射模型，n1 和n2 的值分別是2和4。在市區(qū)微蜂窩小區(qū)1800～1900MHz測(cè)量結(jié)果表明n1 的值在2.0～2.3之間，n2 的值在3.3～13.3之間。Lb 是在突變點(diǎn)處的路徑損耗:
2.2.2 多射線模型
多射線模型已被用在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)。這些模型假設(shè)所謂的街道為“介質(zhì)峽谷”結(jié)構(gòu)也成為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，接收端的場(chǎng)，來自收發(fā)之間的直達(dá)射線、沿地面的反射射線、以及峽谷的垂直平面建筑物墻反射的射線。雙射線模型可以被看作為只考慮兩條射線的多射線模型。四射線和六射線模型已被提出：四射線模型由直達(dá)射線、地面反射射線和兩條被建筑物墻壁反射一次的射線相加得到；六射線模型和四射線模型機(jī)理相同，再加上兩條被建筑物反射兩次的射線。
2.2.3 多縫隙波導(dǎo)模型
當(dāng)多射線模型用到市區(qū)環(huán)境時(shí)，通常假設(shè)街道的建筑物是連續(xù)排列的，建筑物之間沒有間隙。Blaunstein和Levin提出了一個(gè)多縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模型，考慮了建筑物墻的實(shí)際介質(zhì)特性、實(shí)際分布的街道寬度以及從馬路上的反射如圖1所示。這個(gè)模型假設(shè)城市結(jié)構(gòu)是由兩排平行的具有隨機(jī)分布縫隙建筑物之間的缺口所形成，考慮了直達(dá)場(chǎng)，建筑物墻的多次反射，墻角拐角處多次繞射理論以及地面的反射。
圖1. 多縫隙波導(dǎo)模型
2.3 室內(nèi)傳播模型
實(shí)驗(yàn)研究指出，在建筑物內(nèi)對(duì)于有障礙物的傳播路徑NLOS將經(jīng)歷瑞利衰落，對(duì)于視距路徑LOS經(jīng)歷萊斯衰落，與建筑物類型無關(guān)。萊斯衰落是強(qiáng)的視距LOS路徑加上許多弱反射的地面路徑聯(lián)合引起的。建筑物的材料、建筑物邊的縱橫比和窗戶的類型已表明對(duì)樓層間的射頻衰減有影響。測(cè)量已經(jīng)指出，樓層間的損耗并不隨分隔距離的增加按分貝線性增加。樓層之間衰減的典型值對(duì)于第一層分隔是15dB，然后每層分隔再附加6～10dB，最多分到4層分隔。對(duì)于5層或更多層的分隔，每個(gè)附加層的路徑損耗增加只有幾分貝。
對(duì)于用室外基站覆蓋室內(nèi)的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明建筑物內(nèi)部接收到的信號(hào)強(qiáng)度隨樓層高度而增加。在建筑物的較低層，由于都市群的原因有較大的衰減，使穿透進(jìn)入建筑物的信號(hào)電平很小。在較高樓層，若存在視距路徑的話，就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的直射到建筑物外墻處的信號(hào)。信號(hào)的穿透損耗是頻率和建筑物內(nèi)部高度的函數(shù)。穿透損耗隨頻率的增加而增大。測(cè)量表明，有窗戶的穿透損耗比沒有窗戶的建筑物少6dB。
2.3.1 對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型
平均路徑損耗是距離的n 次冪的函數(shù)，如下：
式中L50(d ) 是平均路徑損耗dB，d 是收發(fā)之間的距離m，L (d0 ) 是發(fā)射點(diǎn)到參考距離d0 的路徑損耗，d0 是參考距離m，n 是取決于環(huán)境的平均路徑損耗指數(shù)。參考路徑損耗可以通過測(cè)試或利用自由空間路徑損耗表示式計(jì)算得到。
從上式發(fā)現(xiàn)路徑損耗是對(duì)數(shù)正態(tài)分布的。平均路徑損耗指數(shù)n 和標(biāo)準(zhǔn)差σ 是取決于建筑物類型、建筑物側(cè)面以及發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間樓層數(shù)的參數(shù)。在收發(fā)間隔距離d 米處的路徑損耗可以給出：
L(d )=L50 (d)+Xσ(dB)
這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，式中Xσ 是具有標(biāo)準(zhǔn)差σ(dB)的零均值對(duì)數(shù)正態(tài)分布隨機(jī)變量，代表環(huán)境地物的影響。
2.3.2 衰減因子模型
前面的公式也可以用下式來替代：
式中，n1 是位于同一樓層上的路徑損耗指數(shù)，它取決于建筑物的類型，其典型值是2.8；FAF 是樓層衰減因子，它是樓層數(shù)和建筑物類型的函數(shù)。
3.傳播模型在蜂窩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
在無線蜂窩設(shè)計(jì)中，為了預(yù)測(cè)基站的覆蓋半徑或接收機(jī)的接收功率功率鏈路預(yù)算，可用如下公式：
Pr =Pt +Gt +Gr -Lt -Lr -Lbf
式中，Pr 和Pt 分別是接收功率和發(fā)射功率，單位是dBm；Gr 和Gt 分別是收發(fā)天線的增益，單位是dB；Lr 和Lt 分別是上下行鏈路的饋線損耗，單位是dB；Lbf 是傳播路徑損耗，單位是dB。其中Lbf 可以通過前面介紹的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。
為了提高預(yù)測(cè)精度和減少無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工程師的工作量，更多的是采用計(jì)算機(jī)程序來預(yù)測(cè)傳播損耗和所覆蓋的區(qū)域。路徑損耗的預(yù)測(cè)，和基站周圍的地形、地物、距離密切相關(guān)，因此我們可以把地形、地物等信息存儲(chǔ)在電子地圖中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)算時(shí)可以隨時(shí)調(diào)用這些信息。圖2是某地的電子地圖，圖中不同顏色表示的是不同的地物。
圖2. 某地的電子地圖
輸入電子地圖、基站信息，并選擇一個(gè)合適的模型，就可以通過軟件把離基站不同距離地方的接收功率等信息計(jì)算出來，并且顯示在屏幕上。圖3就是通過軟件對(duì)某城市的覆蓋進(jìn)行了預(yù)測(cè)。圖中不同顏色代表預(yù)測(cè)得到的不同接收功率，如圖中綠色代表該區(qū)域接收機(jī)的接收功率在- 65dBm ～- 75dBm之間。
圖3. 某城市的覆蓋圖前向接收功率
也可以通過軟件對(duì)反向的覆蓋進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖4所示：
圖4. 某城市的覆蓋圖手機(jī)反向接收功率
2021-07-26
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