第5章 無(wú)線傳播理論

1、WCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃第三章 無(wú)線傳播理論目 錄3.1 無(wú)線傳播基本原理13.2 無(wú)線傳播特性33.2.1 頻段劃分介紹33.2.2 快衰落與慢衰落43.2.3 傳播損耗73.2.4 多普勒效應(yīng)93.2.5 菲涅爾區(qū)123.3 無(wú)線傳播模型133.3.1 傳播模型概述133.3.2 常用傳播模型介紹142. 自由空間的傳播143. Okumura-Hata模型154. COST231-Hata模型185. COST231 Walfish Ikegami 模型186. Keenan-Motley 模型197. ASSET支持的模型203.3.3 傳播模型校正211. CW測(cè)試的原理212. CW

2、測(cè)試方法213. 傳播模型校正及實(shí)例23參考文獻(xiàn)24第三章 無(wú)線傳播理論3.1 無(wú)線傳播基本原理在規(guī)劃和建設(shè)一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)時(shí)，從頻段的確定、頻率分配、無(wú)線電波的覆蓋范圍、計(jì)算通信概率及系統(tǒng)間的電磁干擾，直到最終確定無(wú)線設(shè)備的參數(shù)，都必須依靠對(duì)電波傳播特性的研究、了解和據(jù)此進(jìn)行的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。它是進(jìn)行系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與研究頻譜有效利用、電磁兼容性等課題所必須了解和掌握的基本理論。眾所周知，無(wú)線電波可通過(guò)多種方式從發(fā)射天線傳播到接收天線：直達(dá)波或自由空間波、地波或表面波、對(duì)流層反射波、電離層波，如圖3-1-1所示。就電波傳播而言，發(fā)射機(jī)同接收機(jī)間最簡(jiǎn)單的方式是自由空間傳播。自由空間指該區(qū)域是各向同性（沿各

3、個(gè)軸特性一樣）且同類（均勻結(jié)構(gòu)）。自由空間波的其他名字有直達(dá)波或視距波。如圖3-1-1中(a)所示，直達(dá)波沿直線傳播，所以可用于衛(wèi)星和外部空間通信。另外，這個(gè)定義也可用于陸上視距傳播（兩個(gè)微波塔之間），如圖3-1-1中(b)所示。第二種方式是地波或表面波。地波傳播可看作是三種情況的綜合，即直達(dá)波、反射波和表面波。表面波沿地球表面?zhèn)鞑?。從發(fā)射天線發(fā)出的一些能量直接到達(dá)接收機(jī)；有些能量經(jīng)從地球表面反射后到達(dá)接收機(jī)；有些通過(guò)表面波到達(dá)接收機(jī)。表面波在地表面上傳播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。當(dāng)能量進(jìn)入地面，它建立地面電流。這三種的表面波見(jiàn)圖3-1-1 (c)。第三種方式即對(duì)流層反射波產(chǎn)生

4、于對(duì)流層，對(duì)流層是異類介質(zhì)，由于天氣情況而隨時(shí)間變化。它的反射系數(shù)隨高度增加而減少。這種緩慢變化的反射系數(shù)使電波彎曲，如圖3-1-1 (d)所示。對(duì)流層方式應(yīng)用于波長(zhǎng)小于10米（即頻率大于30MHz）的無(wú)線通信中。第四種方式是經(jīng)電離層反射傳播。當(dāng)電波波長(zhǎng)小于1米（頻率大于300MHz）時(shí)，電離層是反射體。從電離層反射的電波可能有一個(gè)或多個(gè)跳躍，如圖3-1-1 (e)所示。這種傳播用于長(zhǎng)距離通信。除了反射，由于折射率的不均勻，電離層可產(chǎn)生電波散射。另外，電離層中的流星也能散射電波。同對(duì)流層一樣，電離層也具有連續(xù)波動(dòng)的特性，在這種波動(dòng)上是隨機(jī)的快速波動(dòng)。蜂窩 系統(tǒng)的無(wú)線傳播利用了第二種電波傳播方式

5、。(a) 直達(dá)波沿直線傳播(b) 視距通信的應(yīng)用(c) 地波傳播(d) 對(duì)流層對(duì)無(wú)線電波的不規(guī)則散射(e) 無(wú)線電波通過(guò)電離層反射傳播圖3-1-1 不同的傳播模式在設(shè)計(jì)蜂窩系統(tǒng)時(shí)研究傳播有兩個(gè)原因：第一，它對(duì)于計(jì)算覆蓋不同小區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)提供必要的工具。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下覆蓋區(qū)域從幾百米到幾十公里，地波傳播可以在這種情況下應(yīng)用。第二，它可計(jì)算鄰信道和同信道干擾。預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)有三種方法：第一種純理論方法，適用于分離的物體，如山和其他固體物體。但這種預(yù)測(cè)忽略了地球的不規(guī)則性。第二種基于在各種環(huán)境的測(cè)量，包括不規(guī)則地形及人為障礙，尤其是在移動(dòng)通信中普遍存在的較高的頻率和較低的移動(dòng)天線。第三種方法是結(jié)合上述兩種

6、方法的改進(jìn)模型，基于測(cè)量和使用折射定律考慮山和其他障礙物的影響。在蜂窩系統(tǒng)中，至少有兩種傳播模型：第一種是FCC建議的模型；第二種設(shè)計(jì)模型由Okumura提供，覆蓋邊界應(yīng)考慮實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。3.2 無(wú)線傳播特性3.2.1 頻段劃分介紹無(wú)線電波分布在3Hz到3000GHz之間，在這個(gè)頻譜內(nèi)劃分為12個(gè)帶，如表3-2-1所示。在不同的頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性。對(duì)于移動(dòng)通信來(lái)講，我們只關(guān)心UHF的頻段。 表3-2-1 無(wú)線頻段劃分示意FrequencyClassificationDesignation330Hz30300HzExtremely Low FrequencyELF3003000HzV

7、oice FrequencyVF330KHzVery-low FrequencyVLF30300KHzLow FrequencyLF3003000KHzMedium FrequencyMF330MHzHigh FrequencyHF30300MHzVery High FrequencyVHF3003000MHzUltra High FrequencyUHF330GHzSuper High FrequencySHF30300GHzExtremely High FrequencyEHF3003000GHz對(duì)于WCDMA所用頻段有2種：上行（MHZ）下行(MHZ)A1920-19802110-217

8、0B1850-19101930-1990我國(guó)計(jì)劃WCDMA采用的是A段的頻率。 3.2.2 快衰落與慢衰落根據(jù)上一節(jié)的論述，在一個(gè)典型的蜂窩移動(dòng)通信環(huán)境中，由于接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的直達(dá)路徑被建筑物或其他物體所阻礙，所以，在蜂窩基站與移動(dòng)臺(tái)之間的通信不是通過(guò)直達(dá)路徑，而是通過(guò)許多其他路徑完成的。在UHF頻段，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的電磁波的主要傳播模式是散射，即從建筑物平面反射或從人工、自然物體折射，如圖3-2-2所示。 建筑物反射波 繞射波 直達(dá)波 地面反射波圖3-2-2 多徑傳播模型所有的信號(hào)分量合成產(chǎn)生一個(gè)復(fù)駐波，它的信號(hào)的強(qiáng)度根據(jù)各分量的相對(duì)變化而增加或減小。其合成場(chǎng)強(qiáng)在移動(dòng)幾個(gè)車(chē)身長(zhǎng)的距離中

9、會(huì)有2030dB的衰落，其最大值和最小值發(fā)生的位置大約相差1/4波長(zhǎng)。大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象，其合成波的幅度和相位隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的起伏變化，通常把這種現(xiàn)象稱為多徑衰落或快衰落，如圖3-2-3所示。在性質(zhì)上，多徑衰落屬于一種快速變化。此外，這種傳播特點(diǎn)還產(chǎn)生了時(shí)間色散的現(xiàn)象。深衰落點(diǎn)在空間上的分布是近似的相隔半個(gè)波長(zhǎng)（900MHz為17cm，1900MHz為8cm)，如果此時(shí)手機(jī)天線處于這個(gè)深衰落點(diǎn)（當(dāng)汽車(chē)中的手機(jī)用戶由于紅燈而駐留在這個(gè)深衰落點(diǎn)，我們稱為紅燈問(wèn)題），話音質(zhì)量將會(huì)變差。研究表明，如移動(dòng)單元所收到的各個(gè)波分量的振幅、相位和角度是隨機(jī)的，那么合成信號(hào)的方位角

10、和幅度的概率密度函數(shù)分別為：02 (3-1)r0 (3-2)其中r為標(biāo)準(zhǔn)偏差。（3-1）式和（3-2）式分別表明方位角在02是均勻分布的，而電場(chǎng)強(qiáng)度概率密度函數(shù)是服從瑞利分布的。故多徑衰落也稱瑞利衰落。 對(duì)于這種快衰落，基站采取的措施就是采用時(shí)間分集、頻率分集和空間分集（極化分集）的辦法。時(shí)間分集主要靠符號(hào)交織、檢錯(cuò)和糾錯(cuò)編碼等方法，不同編碼所具備的抗衰落特性不一樣。CDMA移動(dòng)通信的空中信道編碼方式參見(jiàn)相關(guān)協(xié)議。頻率分集理論的基礎(chǔ)是相關(guān)帶寬，即當(dāng)兩個(gè)頻率相隔一定間隔后，就認(rèn)為他們的空間衰落特性是不相關(guān)的，移動(dòng)通信頻段，大量數(shù)據(jù)表明兩個(gè)頻率間隔大于200KHz就可獲得這種不相關(guān)性；頻率分集主要

11、采取擴(kuò)頻方式，在CDMA移動(dòng)通信中，由于每個(gè)信道都工作在較寬頻段（WCDMA為5MHz），本身就是一種擴(kuò)頻通信?？臻g分集主要采用主分集天線接收的辦法來(lái)解決，基站接收機(jī)對(duì)主、分集通道接收到的信號(hào)分別通過(guò)最大似然序列估值均衡器（MLSE）均衡后進(jìn)行分集合并。這種主分集接收的效果由主分集天線接收的不相關(guān)性所保證，所謂不相關(guān)性是指，主集天線接收到的信號(hào)與分集天線的接收信號(hào)不具有同時(shí)衰減的特性，這也就要求采用空間分集時(shí)主分集天線之間的間距大于10倍的無(wú)線信號(hào)波長(zhǎng)（對(duì)于WCDMA系統(tǒng)要求天線間距大于1.5米），或者采用極化分集的辦法保證主分集天線接收到的信號(hào)不具有相同的衰減特性。而對(duì)于移動(dòng)臺(tái)（手機(jī)）而言，

12、因?yàn)橹挥幸桓炀€，因而不具有這種空間分集功能?；窘邮諜C(jī)對(duì)一定時(shí)間范圍（時(shí)間窗）內(nèi)不同時(shí)延信號(hào)的均衡能力也是一種空間分集的形式。CDMA通信中，軟切換時(shí)，移動(dòng)臺(tái)與多個(gè)基站同時(shí)聯(lián)系，從中選取最好的信號(hào)送給交換機(jī)，這同樣是一種空間分集的形式。大量研究結(jié)果表明，移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)除瞬時(shí)值出現(xiàn)快速瑞利衰落外，其場(chǎng)強(qiáng)中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢的變化，這種變化稱為慢衰落，如圖3-2-3所示。它是由陰影效應(yīng)引起的，所以也稱作陰影衰落。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹(shù)林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)通過(guò)不同障礙物阻擋所造成的電磁場(chǎng)陰影時(shí)，就會(huì)使接收?qǐng)鰪?qiáng)中值的變化。變化的大小取決于障礙

13、物的狀況和工作頻率，變化速率不僅和障礙物有關(guān)，而且與車(chē)速有關(guān)。研究這種慢衰落的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其中值變動(dòng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。另外，由于氣象條件隨時(shí)間變化、大氣介電常數(shù)的垂直梯度發(fā)生慢變化，使電波的折射系數(shù)隨之變化，結(jié)果造成同一地點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)中值隨時(shí)間的慢變化。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，此中值變化也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為rt。由于信號(hào)中值變動(dòng)在較大范圍內(nèi)隨地點(diǎn)和時(shí)間的分布均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，所以它們的合成分布仍服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。在陸地移動(dòng)通信中，通常信號(hào)中值隨時(shí)間的變動(dòng)遠(yuǎn)小于隨地點(diǎn)的變動(dòng)，因此可以忽略慢衰落的影響，r=rL。但是在定點(diǎn)通信中，需要考慮慢衰落。圖3-2-3 快衰落和慢衰落總的來(lái)說(shuō)，在蜂窩環(huán)境中

14、有兩種影響：第一種是多路徑，由于從建筑物表面或其他物體反射、散射而產(chǎn)生的短期衰落，通常移動(dòng)距離幾十米；第二種是直接可見(jiàn)路徑產(chǎn)生的主要接收信號(hào)強(qiáng)度的緩慢變化，即長(zhǎng)期場(chǎng)強(qiáng)變化。也就是說(shuō)，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號(hào)幅度滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。3.2.3 傳播損耗在研究傳播時(shí)，特定收信機(jī)功率接收的信號(hào)電平是一個(gè)主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號(hào)減小，這種信號(hào)強(qiáng)度減小稱為傳播損耗。在研究電波傳播時(shí)，首先要研究?jī)蓚€(gè)天線在自由空間（各向同性，無(wú)吸收，電導(dǎo)率為零的均勻介質(zhì)）條件下的特性。以理想全向天線為例。經(jīng)推導(dǎo)，自由空間的傳播損耗為： （3-3）其中，f為頻率，d為距離（公里）。上

15、式與距離d成反比。當(dāng)d增加一倍，自由空間路徑損耗增加6分貝。同時(shí)，當(dāng)減小波長(zhǎng)（提高頻率f），路徑損耗增大。我們可以通過(guò)增大輻射和接收天線增益來(lái)補(bǔ)償這些損耗。當(dāng)已知工作頻率時(shí)，（3-3)式還可以寫(xiě)成： （3-4）式中。稱為路徑損耗斜率。在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)中，根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯示，的取值范圍一般在35之間。有了自由空間的路徑損耗公式后，可以考慮在平坦的，但不理想的表面上2個(gè)天線之間的實(shí)際傳播情況。假設(shè)在整個(gè)傳播路徑表面絕對(duì)平坦（無(wú)折射）?；竞鸵苿?dòng)臺(tái)的天線高度分別為和（A處為，B處為），如圖3-2-4所示。 (a) 多反射情況 (b) 單反射情況 (c) 找出視距和地面反射的路徑差的映象方法圖3-2-4

16、 平坦表面的傳播與自由空間的路徑損耗相比，平坦地面?zhèn)鞑サ穆窂綋p耗為： （3-5） 式中。該式表明增加天線高度一倍，可補(bǔ)償6dB損耗；而移動(dòng)臺(tái)接收功率隨距離的4次方變化，即距離增大一倍，接收到的功率減小12dB。地形地物的種類千差萬(wàn)別，對(duì)移動(dòng)通信電波傳播損耗的影響也是錯(cuò)綜復(fù)雜的。在實(shí)際應(yīng)用中是不可能存在絕對(duì)的平坦地形的。對(duì)于復(fù)雜的地形一般可分為兩類，即“準(zhǔn)平滑地形”和“不規(guī)則地形”?！皽?zhǔn)平滑地形”指表面起伏平緩，起伏高度小于或等于20米的地形，平均表面高度差別不大。Okumura將起伏高度定義為距離移動(dòng)臺(tái)天線前方10公里內(nèi)地形起伏10%與90%的差。CCIR定義為收信機(jī)前方1050公里處地形高度

17、超過(guò)90%與超過(guò)10%的差。除此以外的其它地形統(tǒng)稱為“不規(guī)則地形”，按其狀態(tài)可分為：丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形和水陸混合地形等。在對(duì)市區(qū)及其附近地區(qū)分析傳輸損耗時(shí)，還可以依據(jù)地理區(qū)域的擁擠程度分類，如分成：開(kāi)闊區(qū)、密集市區(qū)、中等市區(qū)、郊區(qū)等。在分析山區(qū)或者城市中摩天大樓密布的密集市區(qū)的傳輸損耗時(shí)，通常還要分析繞射損耗。繞射損耗是對(duì)障礙物高度和天線高度的一種測(cè)量。障礙物高度必須同傳播波長(zhǎng)比較。同一障礙物高度對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)產(chǎn)生的繞射損耗小于短波長(zhǎng)。預(yù)測(cè)路徑損耗時(shí)，把這些障礙物看作尖形障礙，即“刃形”。用物理光學(xué)中常用的方法可計(jì)算損耗。圖3-2-5中有兩種障礙物。第一種情況下，高H處的視距路徑無(wú)障礙物。

18、第二種情況下，障礙物在電波路徑中。第一種中我們假設(shè)障礙物高度是負(fù)數(shù)，第二種假設(shè)障礙物高度是正數(shù)。繞射損耗F可通過(guò)繞射常數(shù)v求出，v由下式給出。 （3-6）不同繞射損耗的近似值由下式求出： (3-7)(a) 負(fù)高度 (b) 正高度圖3-2-5 經(jīng)過(guò)刀刃的無(wú)線傳播 3.2.4 多普勒效應(yīng)在無(wú)線系統(tǒng)中多普勒效應(yīng)引起頻率變化的關(guān)系可以通過(guò)下面的公式給出：(1) 基站為頻率源f，移動(dòng)臺(tái)接收到的頻率f為：f=f(1V/c) (3-8)式中：v為移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度，c為空中信號(hào)傳播速度（設(shè)為3E8米/秒）；當(dāng)移動(dòng)臺(tái)向基站方向移動(dòng)時(shí)取“+”號(hào)，遠(yuǎn)離基站時(shí)取“-”號(hào)。(2) 移動(dòng)臺(tái)為頻率源f，基站接收到的頻率f為

19、f=f/(1U/c) (3-9)式中：u為移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度，c為空中信號(hào)傳播速度（設(shè)為3E8米/秒）當(dāng)移動(dòng)臺(tái)向基站方向移動(dòng)時(shí)取“-”號(hào)，遠(yuǎn)離基站時(shí)取“+”號(hào)。下面分幾種特殊情況進(jìn)行討論：移動(dòng)臺(tái)向基站方向移動(dòng)，速度為v時(shí)，如圖3-2-6所示。圖3-2-6 移動(dòng)臺(tái)向基站方向移動(dòng)基站的信號(hào)頻率為f1，由于多普勒效應(yīng)移動(dòng)臺(tái)收到的信號(hào)頻率為f2；移動(dòng)臺(tái)以f2向基站發(fā)射信號(hào)，由于多普勒效應(yīng)基站收到的頻率為f3。通過(guò)上面的公式將有：f2=f1(1+v/c)f3=f2/(1-v/c)f3=f1(1+v/c)/(1-v/c)=f1(c+v)/(c-v)相對(duì)頻率變化為：(f3-f1)/f1=2v/(c-v) （3

20、-10）移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站方向移動(dòng)，速度為v時(shí)，如圖3-2-7所示。圖3-2-7 移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站方向移動(dòng)基站的信號(hào)頻率為f1，由于多普勒效應(yīng)移動(dòng)臺(tái)收到的信號(hào)頻率為f2，移動(dòng)臺(tái)以f2向基站發(fā)射信號(hào)。由于多普勒效應(yīng)基站收到的頻率為f3，通過(guò)上面的公式將有：f2=f1(1-v/c)f3=f2/(1+v/c)f3=f1(1-v/c)/(1+v/c)=f1(c-v)/(c+v)相對(duì)頻率變化為：(f3-f1)/f1=-2v/(c+v) （3-11）由于移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度相對(duì)于信號(hào)的傳播速度c是較小的，所以在這兩種情況下相對(duì)頻率的變化是差不多的，只是方向相反，第一種情況是頻率增加，第二種情況是頻率減小。相對(duì)頻率與

21、移動(dòng)臺(tái)速度的關(guān)系可以通過(guò)圖3-2-8的曲線來(lái)說(shuō)明。圖3-2-8 相對(duì)頻率與移動(dòng)臺(tái)速度的關(guān)系圖從圖上可以看出，在移動(dòng)臺(tái)的速度為100 km/h時(shí)，相對(duì)頻率變化為0.19ppm，對(duì)于900M頻率偏差為171Hz，對(duì)于2000M頻率偏差為380Hz。（3）移動(dòng)臺(tái)在兩個(gè)基站間運(yùn)動(dòng)，速度為v，如圖3-2-9所示。在GSM通信系統(tǒng)中，進(jìn)行切換時(shí)是上面的兩種情況的疊加。由于移動(dòng)臺(tái)通過(guò)BA table來(lái)獲取對(duì)相鄰小區(qū)BCCH信道監(jiān)測(cè)的信息，是控制移動(dòng)臺(tái)調(diào)整其頻率若干個(gè)kHz來(lái)對(duì)相鄰小區(qū)的電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這可能會(huì)出現(xiàn)由于多普勒頻率變化，使移動(dòng)臺(tái)不能正確收到鄰近小區(qū)的信號(hào)。以圖3-10為例，移動(dòng)臺(tái)監(jiān)測(cè)基站1的電平，

22、移動(dòng)臺(tái)收到的信號(hào)f2可能會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)調(diào)整頻率中間。使移動(dòng)臺(tái)無(wú)法正確監(jiān)測(cè)到基站1的信號(hào)電平。另一方面，在SACCH中上報(bào)的RXlev信息最少要30s發(fā)送一次，這樣長(zhǎng)的時(shí)間信息報(bào)告也將引起不能正常監(jiān)測(cè)鄰近小區(qū)電平，而導(dǎo)致切換不成功。多普勒效應(yīng)引起的頻率變化，在信號(hào)上將引起基站接收到信號(hào)頻率為f1(c+v)/(c+v)，而以f1的采樣時(shí)鐘來(lái)接受數(shù)據(jù)。引起接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，這也可能是影響切換的一個(gè)因素。對(duì)于WCDMA寬帶通信系統(tǒng)，多普勒頻移引起的頻率變化較通信帶寬來(lái)說(shuō)很小，產(chǎn)生的影響也很小。圖3-2-9 移動(dòng)臺(tái)在兩個(gè)基站間運(yùn)動(dòng)3.2.5 菲涅爾區(qū)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)傳播路徑上，有直射波和反射波，反射波的

23、電場(chǎng)方向正好與原來(lái)相反，相位相差180度。如果天線高度較低且距離較遠(yuǎn)時(shí)，直射波路徑與反射波路徑差較小，則反射波將會(huì)產(chǎn)生破壞作用。另外，直射波與反射波路徑差為，帶來(lái)的相位差為，、 分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)離地面的高度，為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)間的水平距離，如圖3-2-10所示。圖3-2-10 直射與反射示意圖忽略從發(fā)射點(diǎn)通過(guò)地波傳播到達(dá)接收機(jī)的一部分信號(hào)（該信號(hào)在超高頻和甚高頻段可以忽略不計(jì)），則總的接收?qǐng)鰪?qiáng)和自由空間場(chǎng)強(qiáng)（單位為V/m）的比值的平方為： (3-12)這個(gè)式子表明，設(shè)n為自然數(shù)，當(dāng)為時(shí)，可產(chǎn)生6dB的信號(hào)功率增益；而當(dāng)為時(shí)，兩路信號(hào)相互抵消。這個(gè)角度的變化可能是由于天線高度、傳播距離的變化

24、或者兩者共同作用所引起的。仿真結(jié)果還表明，當(dāng)小于時(shí)，大于，此時(shí)所得增益的大小隨移動(dòng)臺(tái)向基站靠攏而擺動(dòng)；當(dāng)大于時(shí)，小于，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站移動(dòng)時(shí)增益無(wú)擺動(dòng)。實(shí)際傳播環(huán)境中，第一菲涅爾區(qū)定義為包含一些反射點(diǎn)的橢圓體，在這些反射點(diǎn)上反射波和直射波的路徑差小于半個(gè)波長(zhǎng)，即小于。如圖3-2-11所示。第一菲涅爾區(qū)是主傳播區(qū)，當(dāng)阻擋物不阻擋第一菲涅爾區(qū)時(shí)，繞射損耗最小。在長(zhǎng)為路徑上某一點(diǎn)（到發(fā)射機(jī)距離為，到接收機(jī)距離為）的第一菲涅爾區(qū)的半徑為： (3-13)圖3-2-11 第一菲涅爾區(qū)半徑舉例說(shuō)明：在典型的城市基站覆蓋距離為2km的路徑上某點(diǎn)，假設(shè)該點(diǎn)距離發(fā)射天線100m，對(duì)于2000MHz頻率而言該點(diǎn)第一

25、菲涅爾區(qū)半徑約為3.7米。在第一菲涅爾區(qū)定義基礎(chǔ)上，定義第n菲涅爾區(qū)為傳播路徑比第n-1菲涅爾區(qū)多半個(gè)波長(zhǎng)的反射點(diǎn)集合，兩條反射路徑的相位差為180度。第n菲涅爾區(qū)半徑為： (3-14)如果直達(dá)路徑跳過(guò)起伏不平的地形及地表的建筑物，則反射波會(huì)對(duì)直射波產(chǎn)生積極作用；否則就有可能成為具有破壞性的多徑干擾，且破壞作用隨頻率增高而變大。因此應(yīng)該將基站的天線建得盡可能離地面高。在后面的天線工程設(shè)計(jì)中會(huì)運(yùn)用到這個(gè)結(jié)論。事實(shí)上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用于視距微波鏈路設(shè)計(jì)只要55的第一菲涅爾區(qū)保持無(wú)阻擋，其他菲涅爾區(qū)的情況基本不影響繞射損耗。3.3 無(wú)線傳播模型3.3.1 傳播模型概述傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。模

26、型的價(jià)值就是保證了精度，同時(shí)節(jié)省了人力、費(fèi)用和時(shí)間。 在規(guī)劃某一區(qū)域的蜂窩系統(tǒng)之前，選擇信號(hào)覆蓋區(qū)的蜂窩站址使其互不干擾，是一個(gè)重要的任務(wù)。傳播模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃是否合理，運(yùn)營(yíng)商是否以比較經(jīng)濟(jì)合理的投資滿足了用戶的需求。由于我國(guó)幅員遼闊，各省、市的無(wú)線傳播環(huán)境千差萬(wàn)別。例如，處于丘陵地區(qū)的城市與處于平原地區(qū)的城市相比，其傳播環(huán)境有很大不同，兩者的傳播模型也會(huì)存在較大差異。因此如果僅僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而無(wú)視各地不同地形、地貌、建筑物、植被等參數(shù)的影響，必然會(huì)導(dǎo)致所建成的網(wǎng)絡(luò)或者存在覆蓋、質(zhì)量問(wèn)題，或者所建基站過(guò)于密集，造成資源浪費(fèi)。隨著我國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，各運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越重視傳播模型與本

27、地區(qū)環(huán)境相匹配的問(wèn)題。選擇的預(yù)期模型是具有合理精度的傳播模型，并且應(yīng)為多年的移動(dòng)無(wú)線環(huán)境的測(cè)量數(shù)據(jù)證明是正確的。一個(gè)優(yōu)秀的移動(dòng)無(wú)線傳播模型要具有能夠根據(jù)不同的特征地貌輪廓，像平原、丘陵、山谷等，或者是不同的人造環(huán)境，例如開(kāi)闊地、郊區(qū)、市區(qū)等，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這些環(huán)境因素涉及了傳播模型中的很多變量，它們都起著重要的作用。因此，一個(gè)良好的移動(dòng)無(wú)線傳播模型是很難形成的。為了完善模型，就需要利用統(tǒng)計(jì)方法，測(cè)量出大量的數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行校正。一個(gè)好的模型還應(yīng)該簡(jiǎn)單易用。模型應(yīng)該表述清楚，不應(yīng)該給用戶提供任何主觀判斷和解釋，因?yàn)橹饔^判斷和解釋往往在同一區(qū)域會(huì)得出不同的預(yù)期值。一個(gè)好的模型應(yīng)具有好的公認(rèn)度和可

28、接受性。應(yīng)用不同的模型時(shí)，得到的結(jié)構(gòu)有可能不一致。良好的公認(rèn)度就顯得非常重要了。多數(shù)模型是預(yù)期無(wú)線電波傳播路徑上的路徑損耗的。所以傳播環(huán)境對(duì)無(wú)線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性；該地區(qū)的植被特征；天氣狀況；自然和人為的電磁噪聲狀況。另外，無(wú)線傳播模型還受到系統(tǒng)工作頻率和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀況的影響。在相同地區(qū)，工作頻率不同，接收信號(hào)衰落狀況各異；靜止的移動(dòng)臺(tái)與高速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)的傳播環(huán)境也大不相同。一般分為：室外傳播模型和室內(nèi)傳播模型。3.3.2 常用傳播模型介紹幾種常見(jiàn)的傳播模型如表3-3-1所

29、示：表3-3-1 幾種常見(jiàn)的傳播模型模型名稱適用范圍Okumura-Hata適用于 900/1900MHz 宏蜂窩預(yù)測(cè) Cost231-Hata適用于2GHz 宏蜂窩預(yù)測(cè)Cost231 Walfish-Ikegami適用于900和2GHz 微蜂窩預(yù)測(cè)Keenan-Motley 適用于900和2GHz 室內(nèi)環(huán)境預(yù)測(cè)規(guī)劃軟件ASSET中使用適用于900和2GHz 宏蜂窩預(yù)測(cè)下面就將介紹Okumura-Hata、COST231等常用模型以及我們目前使用的規(guī)劃軟件ASSET中使用的傳播模型。2. 自由空間的傳播在研究傳播時(shí)，特定收信機(jī)功率接收的信號(hào)電平是一個(gè)主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號(hào)減

30、小，這種信號(hào)強(qiáng)度減小稱為傳播損耗。在研究電波傳播時(shí)，首先要研究?jī)蓚€(gè)天線在自由空間（各向同性，無(wú)吸收，電導(dǎo)率為零的均勻介質(zhì)）條件下的特性。以理想全向天線為例。 經(jīng)推導(dǎo)，自由空間的傳播損耗為： Lp=32.4+20log(fMHz)+20log(dkm)（3-15）其中，f為頻率，d為距離（公里）。上式與距離d成反比。當(dāng)d增加一倍，自由空間路徑損耗增加6分貝。同時(shí)，當(dāng)減小波長(zhǎng)（提高頻率f），路徑損耗增大。我們可以通過(guò)增大輻射和接收天線增益來(lái)補(bǔ)償這些損耗。當(dāng)已知工作頻率時(shí)，（3-15）式還可以寫(xiě)成Lp=L0+10log(dkm) （3-16）式中。稱為路徑損耗斜率。在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)中，根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯

31、示，的取值范圍一般在35之間。有了自由空間的路徑損耗公式后，可以考慮在平坦的，但不理想的表面上2個(gè)天線之間的實(shí)際傳播情況。假設(shè)在整個(gè)傳播路徑表面絕對(duì)平坦（無(wú)折射）。基站和移動(dòng)臺(tái)的天線高度分別為和，如圖3-2-4所示。與自由空間的路徑損耗相比，平坦地面?zhèn)鞑サ穆窂綋p耗為： （3-17）當(dāng)式中時(shí)，該式表明增加天線高度一倍，可補(bǔ)償6dB損耗；而移動(dòng)臺(tái)接收功率隨距離的4次方變化，即距離增大一倍，接收到的功率減小12dB。3. Okumura-Hata模型該模型由在日本測(cè)得的平均測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)成。市區(qū)的路徑損耗中值可以用下面的近似解析式表示： （3-18）式中：從基站到移動(dòng)臺(tái)的路徑損耗，單位：dB； 載波頻率

32、，單位：MHz；基站天線高度，單位：米；移動(dòng)臺(tái)天線高度，單位：米； 基站到移動(dòng)臺(tái)之間的距離，單位：km；對(duì)中等城市或大城市修正，在郊區(qū)，傳播模型可以修正為， （3-19）在開(kāi)闊地，傳播模型可以修正為， （3-20）在實(shí)際無(wú)線傳播環(huán)境中，還應(yīng)考慮各種地物地貌的影響，華為公司使用的規(guī)劃軟件ASSET正是考慮到這一點(diǎn)，對(duì)傳播模型進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中各種地物地貌對(duì)電波傳播的影響，從而更好的保證了覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型表示式如下： （3-21）式中：與頻率有關(guān)常數(shù)；距離衰減常數(shù)；移動(dòng)臺(tái)天線高度修正系數(shù)；基站天線高度修正系數(shù)；繞射修正系數(shù)；地物衰減修正系數(shù)； 基站和移動(dòng)臺(tái)之間的距離。單位：km

33、；移動(dòng)臺(tái)天線和基站天線的有效高度，單位：米。在分析不同地區(qū)、不同城市的電波傳播時(shí)，K值會(huì)因地形、地貌的不同以及城市環(huán)境的不同而選取不同的值。下表3-3-2列舉了一個(gè)曾經(jīng)用于中等城市電波傳播分析時(shí)的K值以及一些Clutter衰耗值。表3-3-2 一中等城市傳播模型的K、Kclutter取值K 參 數(shù) 名 稱參 數(shù) 值K1160K241K3-2.55K40.00K5-13.82K6-6.55K70.80Clutter 衰 耗 值Inland Water-3.00Wetland-3.00Open Areas in Urban-2.00Rangeland-1.00High Buildings16.00

34、Industrial & Commercial Areas5.00Dense Urban5.00Order Urban0.00Suburban-2.50根據(jù)這些K參數(shù)，可以計(jì)算出傳播損耗中值。但是由于環(huán)境的復(fù)雜性，還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。?dāng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)用于室內(nèi)時(shí)要考慮建筑損耗。建筑損耗是墻壁結(jié)構(gòu)（鋼、玻璃、磚等）、樓層高度、建筑物相對(duì)于基站的走向、窗戶區(qū)所占的百分比等的函數(shù)。由于變量的復(fù)雜性，建筑物的損耗只能在周?chē)h(huán)境的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)。我們可以有以下一些結(jié)論：位于市區(qū)的建筑平均穿透損耗大于郊區(qū)和偏遠(yuǎn)區(qū)。有窗戶區(qū)域的損耗一般小于沒(méi)有窗戶區(qū)域的損耗。建筑物內(nèi)開(kāi)闊地的損耗小于有走廊的墻壁區(qū)域的損耗。

35、街道墻壁有鋁的支架比沒(méi)有鋁的支架產(chǎn)生更大的衰減。只在天花板加隔離的建筑物比天花板和內(nèi)部墻壁都加隔離的建筑物產(chǎn)生的衰減小。在WCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，2GHz頻率比GSM 900MHz頻率的繞射能力差，但是穿透能力強(qiáng)。一般室內(nèi)的電波分量是穿透分量和繞射分量的疊加，而繞射分量占絕大部分，所以總的看來(lái)2GHz室內(nèi)外電平差比900MHz室內(nèi)外電平差要大。并且，900MHz信號(hào)進(jìn)入室內(nèi)后，由于穿透能力差一些，在室內(nèi)進(jìn)行各種反射后場(chǎng)強(qiáng)分布更均勻；2GHz信號(hào)進(jìn)入室內(nèi)后部分穿透出去了，室內(nèi)信號(hào)分布就不太均勻，所以造成不同位置的信號(hào)電平差異大，也就是用戶感覺(jué)信號(hào)波動(dòng)大。針對(duì)這種情況，可以為2GHz 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的

36、各種電平閥值留更大的余量，如切換遲滯，功控期望電平等，這需要根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整和仔細(xì)規(guī)劃。平均的樓層穿透損耗是樓層高度的函數(shù)。一般認(rèn)為，損耗線的斜率是1.9dB/層。建筑物底層的平均穿透損耗，市區(qū)為16dB左右，郊區(qū)在13dB左右。特定樓層的測(cè)量表明，建筑物內(nèi)的損耗特性可看作是帶衰減的損耗波導(dǎo)。例如當(dāng)電波沿著與室外窗戶垂直的方向的走廊方向傳播的時(shí)候，損耗可以達(dá)到0.4dB/m。當(dāng)計(jì)算隧道中的電波傳播情況時(shí)，需要考慮隧道的傳播損耗。這時(shí)可以把隧道簡(jiǎn)化成一個(gè)有耗波導(dǎo)來(lái)考慮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在特定距離傳播損耗隨頻率增加而下降。當(dāng)工作頻段在2GHz 以下時(shí)，損耗曲線與工作頻率的關(guān)系呈指數(shù)衰減。4. CO

37、ST231-Hata模型適合頻段： 1500 - 2000 MHz基站的天線高度Hb：30 200 m移動(dòng)臺(tái)天線高度 Hm：1 10 m 覆蓋距離：1 20 km大城市區(qū)域(在農(nóng)村地區(qū)和郊區(qū)可以從圖3中得到校正因子)。Lu (dB) = 46.3 + 33.9*log(f) - 13.82*log(Hb) - a(Hm) +44.9 - 6.55*log(Hb)*log(d) + Cm （3-22）其中：a(Hm) =1.1*log(f) - 0.7*Hm -1.56*log(f) - 0.8Cm = 0 dB 對(duì)于中等城市和郊區(qū)中心區(qū)Cm = 3 dB 對(duì)于大城市對(duì)于農(nóng)村準(zhǔn)開(kāi)闊地：Lrqo

38、(dB) = Lu - 4.78*log(f)2 + 18.33*log(f) - 35.94 對(duì)于農(nóng)村開(kāi)闊地：Lro (dB) = Lu - 4.78*log(f)2 + 18.33*log(f) - 40.945. COST231 Walfish Ikegami 模型 該模型適合于大城市環(huán)境。適合頻段：8002000 MHz使用的天線掛高：4 50 m移動(dòng)臺(tái)高度：1 3 m 覆蓋距離：0.02 5 km其他基本參數(shù)說(shuō)明：建筑物高度： Hroof (m)路面寬度 ：w (m)建筑物之間的距離： b (m)道路方向與直射波路徑的夾角： Phi ()a）：基站和移動(dòng)臺(tái)之間沒(méi)有直射徑的情況 (sm

39、all cells)Lb = L0 + Lrts + Lmsd (or Lb = L0 for Lrts + Lmsd = 0) （3-23）其中：L0為自由空間的損耗：L0 = 32.4 + 20*log(d) + 20*log(f)Lrts為屋頂和街道之間的衍射和散射損耗(對(duì)應(yīng)慢衰落)：Lrts = -16.9 - 10*log(w) + 10 log(f) + 20*log(Hr - Hm) + Lcri其中：Lcri = -10 + 0.354*Phi for 0= Phi 35= 2.5 + 0.075*(Phi-35) for 35= Phi 55 = 4.0 - 0.114*(P

40、hi-55) for 55= Phi Hroof= 0 for Hb Hroof= 54 - 0.8*(Hb - Hroof) for d = 0.5 and Hb =Hroof = 54 - 0.8*(Hb - Hroof)*(d/0.5) for d0.5 and Hb Hroof= 18 - 15*(Hb - Hroof)/Hroof for Hb = 0.020 km （3-24）6. Keenan-Motley 模型室內(nèi)傳播環(huán)境與室外微蜂窩、宏蜂窩不同，如天線高度，覆蓋距離等。因此原先的Okomula-Hata模型、COST-231模型已不再適用。應(yīng)使用Keenan-Motley 模

41、型。Lindoor = Lbs + k*F(k) + p*W(k) + D(d - db) （3-25）其中，LBS為自由空間傳播損耗，Lbs = 32.5 + 20*logf + 20*logd 。Lindoor：室內(nèi)傳播損耗；f：頻率（MHz）d：傳播距離（km）k：直達(dá)波穿透的樓層數(shù)F：樓層衰減因子(dB)p：直達(dá)波穿透的墻壁數(shù)W：墻壁衰減因子(dB)D：線性衰減因子(dB/m)db：室內(nèi)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(m)，典型值為65m，大于該值增加0.2dB/m。7. ASSET支持的模型 ASSET支持兩個(gè)宏蜂窩模型the standard macrocell 和 the standard macroc

42、ell 2。我們一般優(yōu)先使用The standard macrocell 2 模型，因?yàn)門(mén)he standard macrocell 2 模型處理Clutter衰耗效果的速度要比the standard macrocel l快。兩個(gè)宏蜂窩模型均基于 ETSI Hata 模型，并作了適當(dāng)修正，如地物補(bǔ)償、衍射的使用。模型使用的有效頻率為：150MHz 2GHz使用的天線掛高：450m公式如下：PrxPtxPloss （3-26）其中：Prx ：接收功率 (dBm)Ptx ：發(fā)射功率 (EiRP) (dBm)Ploss：路徑損耗 (dB)以及Plossk1K2log(d)+k3(Hms)+k4lo

43、g(Hms)+k5log(Heff)+k6log(Heff)log(d)+k7diffen+C_Loss其中：d：基站到移動(dòng)臺(tái)的距離 (km)Hms：移動(dòng)臺(tái)高度 (m)，一般取1.5米 Heff：有效基站天線高度 (m)Earth Radius：8491.2km k1（160）和 k2（40）： 移動(dòng)臺(tái)與基站之間距離衰減的常數(shù)。k3（2.55）：移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子。k4（0）： Okumura Hata對(duì)移動(dòng)臺(tái)高度的修正因子。k5（13.82）：有效基站天線高度增益修正因子。k6（6.55）：Okumura Hata 對(duì) log(Heff)log(d) 的修正因子。k7（0.8）：衍射修正

44、因子。 C_loss：在計(jì)算過(guò)程中考慮了地物因素。傳播模型通過(guò)修改K參數(shù)進(jìn)行校正。3.3.3 傳播模型校正1. CW測(cè)試的原理為了獲得符合本地區(qū)實(shí)際環(huán)境的無(wú)線傳播模型，提高覆蓋預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃打好基礎(chǔ)，必須進(jìn)行傳播模型的校正。CW測(cè)試即連續(xù)波測(cè)試，是進(jìn)行模型校正的必經(jīng)步驟，通過(guò)CW測(cè)試和數(shù)字地圖可以獲得進(jìn)行模型校正的數(shù)據(jù)。這些測(cè)試數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度信息和接收電平形成模型校正的數(shù)據(jù)源。利用隨機(jī)過(guò)程的理論分析移動(dòng)通信的傳播，可以表示為： （3-27）其中，x為距離，r（x）為接收信號(hào)；r0（x）為瑞利衰落； m（x）為本地均值，也就是長(zhǎng)期衰落和空間傳播損耗的合成，可以表示為： （3-28）其中

45、2L為平均采樣區(qū)間長(zhǎng)度，也叫本征長(zhǎng)度。CW測(cè)試就是盡可能獲取在某一地區(qū)各點(diǎn)地理位置的本地均值，即r(x)與m(x)之差盡可能小，因此要獲取本地均值必須去除瑞利衰落的影響。對(duì)于一組測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)r(x)平均時(shí)，若本征長(zhǎng)度2L太短，則仍有瑞利衰落影響存在；若2L太長(zhǎng)，則會(huì)把正態(tài)衰落也平均掉。因此在CW測(cè)試中確定2L關(guān)系到能否使所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際本地均值的逼近程度，以及根據(jù)CW測(cè)試校正的傳播模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度。2. CW測(cè)試方法A）、CW測(cè)試的站址選擇在測(cè)試之前首先需要確定測(cè)試站址及其數(shù)量。站址選擇的原則是要使它能夠覆蓋規(guī)劃區(qū)內(nèi)所有的地物類型（這些地物類型來(lái)自數(shù)字地圖），這主要取決于測(cè)試基站天線高度及其EIRP大小。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，在人口密集的大城市，測(cè)試站址應(yīng)不少于5個(gè)；對(duì)于中小城市一般一個(gè)測(cè)試站址就夠了。在實(shí)際測(cè)試中為便于測(cè)試，測(cè)試站址可按以下標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定站址是否合適：天線高度大于20米；天線高于最近的障礙物5米以上。圖2-1-1 站點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)示意圖在此障礙物主要指天線所在屋頂上的最高建筑物，作為站址的建筑物應(yīng)高于周?chē)ㄖ锏钠骄叨取）、CW測(cè)試準(zhǔn)備CW測(cè)試首先需要有一個(gè)測(cè)試基站發(fā)射RF信號(hào)，可以FM調(diào)制，也可以不調(diào)制，然后用CW測(cè)試設(shè)備進(jìn)行驅(qū)車(chē)測(cè)試?；鞠到y(tǒng)包括發(fā)射天線、饋線、高功放、高頻信號(hào)