無線傳播與網(wǎng)絡規(guī)劃 課件 第3章 宏蜂窩傳播預測模型

第3章

宏蜂窩傳播預測模型1

宏蜂窩傳播預測模型2傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡采用宏蜂窩（MacroCell）形式進行組網(wǎng)，這種網(wǎng)絡形式具有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，覆蓋范圍大，成本較低等優(yōu)點。目前4G與5G移動通信系統(tǒng)中，依然以宏蜂窩為主進行室外場景的無線網(wǎng)絡建設。然而工程實踐中也發(fā)現(xiàn)，部分宏蜂窩網(wǎng)絡中存在一些盲點難以得到有效覆蓋，而且對于熱點

區(qū)域也存在容量不足問題。需要采用合理的電波傳播預測模型，結(jié)合實測分析，開展宏蜂窩網(wǎng)絡部署。無線通信信道具有隨機特征，給信道建模與分析帶來較大困難。傳統(tǒng)移動通信電波傳播研究方法是基于實測數(shù)據(jù)進行場強均值隨傳播距離變化的規(guī)律分析。宏蜂窩場景下，影響電波傳播的主要因素是大尺度路徑損耗，其與無線網(wǎng)絡覆蓋具有密切關系。本章重點介紹電波傳播的建?；痉椒ǎ约俺Ｒ姷膸追N應用于宏蜂窩環(huán)境典型區(qū)域預測模型。

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電波傳播特性建模方法

3.1.1經(jīng)驗測量方法3利用經(jīng)驗測量方法構(gòu)建的電波傳播預測模型稱為經(jīng)驗預測模型。通過對不同時間與地點的電磁場數(shù)據(jù)的采樣測量，利用數(shù)學統(tǒng)計理論進行分析歸納得到相應的數(shù)學模型。此類模型以ITU-R.P推薦的模型為主，如ITU-R.P368建議書、ITU-R.P528建議書、ITU-R.P1546建議書等。經(jīng)驗預測模型的優(yōu)點:形式簡單，應用時不需要詳細的地理環(huán)境信息，計算方便且高效，能夠直接用于無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡規(guī)劃與設計；缺點:均為區(qū)域性統(tǒng)計模型，即各類模型不具備普適性，而且計算精度較低，對于特定區(qū)域傳播預測需要結(jié)合本地地理特征進行修正處理。

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電波傳播特性建模方法

3.1.2確定性預測方法4確定性預測方法是在嚴格的電磁波傳播理論基礎上，根據(jù)電磁輻射源或者電波傳播初始條件，結(jié)合所研究區(qū)域的邊界條件，經(jīng)過嚴格的波動方程求解，從而獲得傳播路徑上的電磁場值分布。一般來說，初始條件由輻射源或者所選取的參考面上場值分布決定。邊界條件則受到傳播環(huán)境的約束，而且隨著傳播路徑發(fā)生變化。需要指出，初始條件往往是確定性因素，而邊界條件則可能為時間的函數(shù)。由于邊界條件的建立基礎是傳播環(huán)境，所以針對電波傳播區(qū)域及其內(nèi)部散射體或反射體的幾何建模對于邊界條件的精度具有重要影響。

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典型區(qū)域預測模型5表3.1常用電波傳播模式宏小區(qū)微小區(qū)室內(nèi)經(jīng)驗模式經(jīng)驗模式半經(jīng)驗模式其他模式IkegamiAndersen雙射線長距離路徑損耗COST231-HataWalfish&BertoniZhang多射線衰減因子LeeXia&BertoniSaunder多縫隙波導模式Keenan-MotleyIbrahim&parsonsCOSTWalfish-IkegamiBonarUni-Lund模式多墻模式McGeehan＆Griffiths

Atefi&parson

Sakagami-Kuboi

考慮到移動通信環(huán)境的多樣性，需要針對特定的環(huán)境類型設計出相應的電波傳播模式用于路徑損耗預估。根據(jù)常見的傳播模式特征，通常研究宏蜂窩、微蜂窩及微微蜂窩三種通信場景下的典型區(qū)域預測模型。宏蜂窩通常指面積較大的通信環(huán)境，覆蓋面積達到1~30km，其基站天線一般架設于覆蓋區(qū)域附近的較高建筑物或者鐵塔上。該場景通常不存在直射路徑，無線多徑信道的包絡統(tǒng)計特性呈現(xiàn)瑞利分布特征。微蜂窩覆蓋面積較小，一般在0.1~1km范圍內(nèi)。其基站天線高度與建筑物高度相近。此類環(huán)境中覆蓋區(qū)域往往無法實現(xiàn)規(guī)則形狀的小區(qū)規(guī)劃，而是需要結(jié)合城市環(huán)境建設開展無線網(wǎng)絡規(guī)劃設計。通常存在視距(LOS)和非視距(NLOS)兩種電波傳播路徑，因而多徑信道的統(tǒng)計特性呈現(xiàn)萊斯分布特征。微微蜂窩自從3G移動通信系統(tǒng)部署后，開始受到廣泛的關注與研究。其典型覆蓋面積為0.01~0.1km。根據(jù)通信環(huán)境，微微蜂窩網(wǎng)絡可以分為室內(nèi)與室外兩種場景?；咎炀€根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)劃需求部署于較低建筑物上或者建筑物內(nèi)部。在微微蜂窩網(wǎng)絡中，LOS和NLOS均廣泛存在，并且需要根據(jù)通信制式與頻段進行分別考慮分析。

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典型區(qū)域預測模型

3.2.1Okumara-Hata模型6圖3.1奧村模型建立思路圖3.2常見電波傳播地形分類

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3.2.1Hata模型7在奧村模型的基礎上，Hata模型為該模型的條件為：工作頻率在100~1500MHz范圍內(nèi)；傳播距離在1~20km之間；基站天線高度在30m~200m之間；移動臺天線高度在1m~10m之間。1.Hata公式

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3.2.1Hata模型8考慮到拓展Hata模型的應用范圍，對Hata公式進行修正可以提高其與奧村實驗曲線的擬合精度。利用表3.2中的說明?？梢栽趭W村曲線的整個有效范圍內(nèi)提高Hata公式的精度。修正后的Hata公式為2.改進的Hata公式修正因子分別為：地球曲率的修正郊區(qū)/市區(qū)修正建筑物的百分比

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3.2.1Hata模型9Hata-Davidson模型也是基于Hata模型建立。其包含的主要參數(shù)為區(qū)域類型、接收天線和頻率距離修正，該模型基于高于平均地形高度的發(fā)射天線來計算場強中值。Hata-Davidson的路徑損耗表示為3.Hata-Davidson模型傳統(tǒng)Hata模型的路徑損耗拓展范圍到300km的距離修正因子拓展到2500MHz的基站天線高度修正因子頻率拓展到1500MHz的頻率修正因子

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3.2.2典型城市環(huán)境傳播模型10Walfisch-Bertoni模型是一種用來預估城市環(huán)境電波傳播特性的物理模型。該模型包括四條主要傳播路徑：在終端附近建筑物頂部的衍射路徑1，來自終端建筑物頂部反射到終端的路徑2，建筑物穿透路徑3級多次反射路徑4。在部分工程案例中，路徑3與路徑4可以根據(jù)現(xiàn)場具體環(huán)境考慮將其忽略。1.Walfisch-Bertoni模型圖3.4Walfisch-Bertoni模型示意圖

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3.2.2典型城市環(huán)境傳播模型11Ikegami模型的特點在于嘗試基于幾何光學近似建立一個簡單的雙線模型來分析和預估城市區(qū)域場強分析，如圖3.5所示。該模型基于日本東京的路測數(shù)據(jù)，其對射線路徑的追蹤是根據(jù)具體城市地圖中建筑物的高度、形狀和位置信息而完成。該模型充分考慮了終端附近建筑物單元的單刃邊緣衍射，并假設建筑物墻壁反射損耗為固定值。終端的接收場強表示為1.Ikegami模型圖3.5Ikegami模型示意圖

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3.2.2典型城市環(huán)境傳播模型12與Ikegami模型類似，Saunders提出的平坦邊緣模型也假設建筑物等高且等間距1.平坦邊緣模型圖3.6平坦邊緣模型示意圖

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3.2.3身體模型131.模型一在移動通信系統(tǒng)中，身體模型對于終端側(cè)接收場強會產(chǎn)生重要影響。當處于通信狀態(tài)時，身體尺寸、形狀和姿勢以及天線與用戶身體的方向和距離都會成為無線通信系統(tǒng)的一部分，稱為身體區(qū)域網(wǎng)絡或體域網(wǎng)(Body-AreaNetwork，BAN)。因為BAN將影響移動信號的接收幅度與極化狀態(tài)，所以需要將身體因素引入到移動無線傳播的整體路徑損耗預測之中。對于當前無線網(wǎng)絡，針對宏蜂窩與微蜂窩（含室內(nèi)蜂窩）網(wǎng)絡，可以將身體模型分為兩種。將接收信號分解為常量LOS信號與符合瑞利分布的時變信號，對于給定發(fā)射端接收單元間隔，接收功率項Pr可建模為

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3.2.3身體模型142.模型二模型1中，終端側(cè)的接收天線沒有包含其位置變化、指向和陰影數(shù)量導致的等價統(tǒng)計。模型2加入索引i附加于接收功率Pr和萊斯K因子，以此表示接收天線環(huán)境特征，則MIMO信道矩陣可表示為一般來說，模型1較好表征了腰帶胸部信道，模型2則提供了腰帶-頭部信道的更可靠表征以及這類信道的容量估計。

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3.2.4COST231模型151.COST231-Hata模型歐洲協(xié)作科技研究局（EURO-COST，EuropeanCo-operativeforScienceandTechnicalresearch）成立的COST-231工作委員會，將Hata模型的工作頻段由1500MHz拓展至2GHz。與傳統(tǒng)Hata模式相同，COST231-Hata模型也是以Okumura等人的測試結(jié)果作為根據(jù)。通過對較高頻段的Okumura傳播曲線進行分析，得到了所建議的路徑損耗公式

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3.2.4COST231模型162.COST231-Walfisch-Ikegami模型COST-231工作委員會根據(jù)Walfisch-Beroni的工作和Ikegami的工作及實驗系數(shù)創(chuàng)建了適用于市區(qū)環(huán)境的COST231-Walfisch-Ikegami模型。該模式結(jié)合Walfisch-Bertoni對城區(qū)環(huán)境的計算結(jié)果與Ikegami的處理街道走向的修正函數(shù)，并且考慮了用于處理固定基站天線低于屋頂高度的情況的實驗修正因子。圖3.7COST231-Walfisch-Ikegami模型參數(shù)

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3.2.4COST231模型172.COST231-Walfisch-Ikegami模型COST-231-Walfish-Ikegami模型應用于兩種通信場景：（1）低基站天線情況，適用于LOS場景；（2）高基站天線情況，適用于NLOS場景。該模型的應用范圍如表3.5所示。

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3.2.4COST231模型182.COST231-Walfisch-Ikegami模型（1）低基站天線情況，適用于LOS場景；在城區(qū)街道中，電波傳播呈現(xiàn)出類似波導效應，與自由空間的傳播特性有明顯差別。一般將這種通信場景成為街道峽谷。根據(jù)該傳播模型，如果在街道峽谷中存在LOS路徑，則路徑損耗表示為

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3.2.4COST231模型192.COST231-Walfisch-Ikegami模型（2）高基站天線情況COST-231-Walfish-Ikegami模型針對NLOS場景引入多徑傳播項，路徑損耗為上式中的第1項代表自由空間損耗，第2項為最后的屋頂?shù)浇值赖睦@射和散射損耗，表示街道內(nèi)的繞射和反射，第3項為多重屏前向繞射損耗，表示屋頂上方的多次繞射。

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3.2.5Lee宏蜂窩模型202.COST231-Walfisch-Ikegami模型Lee宏蜂窩模型可以廣泛適用于市區(qū)與郊區(qū)，并且能夠結(jié)合測量數(shù)據(jù)通過對參數(shù)設置的調(diào)整實現(xiàn)使用范圍的拓展和預估精度的提高。Lee模型中的“點-點”模型是基于基站與終端之間通信鏈路的變化而進行接收信號局部均值的預估，進而實現(xiàn)無線網(wǎng)絡中所有可能移動路徑的局部均值預測。故而對于大區(qū)域的無線網(wǎng)絡規(guī)劃而言，“點-點”模型能夠有效降低網(wǎng)規(guī)成本。Lee模型的推薦參考頻率為850MHz，然而實際應用中，該模型在150~2400MHz頻率范圍內(nèi)均適用。在歐洲、亞洲與美國開展的500多次實測，包括各類城