第6章-传播模型及其校正

第6章传播模型及其校正传播模型校正6.4引言6.1小结6.5无线传播特性和传播方式6.2电波传播预测模型6.3无线传播特性和传播方式本章内容无线传播特性和传播方式电波传播预测模型传播模型校正本章重点无线传播特性、大尺度衰落与小尺度衰落各种经验模型及其应用范围传播模型校正流程与原理学习本章目的和要求了解无线传播环境特性掌握各种衰落特性及其衡量参数熟悉各种经验模型了解传播模型校正原理熟悉传播模型校正流程6.1引言无线信道的电波传播特性与其传播环境密切相关。对传播模型的研究，主要集中在给定范围内平均接收场强的预测，以及特定位置附近场强的变化这两个方面上。本章将简要地介绍移动通信的无线信道环境、电波传播特性及方式，描述传播模型的基本理论及其在网络规划中的重要作用，并详细介绍了传播模型校正的必要性、校正原理、过程和误差分析。6.2无线传播特性和传播方式6.2.1无线传播特性移动信道是一种时变信道，无线电信号通过移动信道时会受到来自不同途径的衰减损害。人们把无线信号的衰减分为传播损耗、阴影衰落和多径衰落三类，这三类衰减与接收信号功率的关系如式（6-1）所示()()()nPddSdRd式中，为接收信号功率，它是基站和移动台之间距离的函数；为矢量，表示距离的方向性；为空间传播损耗，n一般为3～4；()Pddnd为阴影衰落，是由传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，也称其为慢衰落，其衰落特性符合对数正态分布；()Sd为多径衰落，是由移动传播环境中多径传播引起的衰落，也称其为快衰落，其衰落特性符合瑞利分布。()Rd6.2.2自由空间的传播自由空间是指一种充满均匀、各向同性的理想介质的无限大空间。根据自由空间等式，若发射点处以球面波辐射，则接收处的功率为2ttrr224πPGGPdL天线增益Gt、Gr的表达式分别为ett2err24π4πAGAG波长的表达式为cf在工程中经常采用各方向具有相同单位增益的理想全向天线作为参考天线。因此，定义有效全向发射功率EIRP为ttEIRPPG6.2.3三种基本传播方式1．反射2．绕射3．散射6.2.4大尺度衰落大尺度传播描述了长距离（几百米甚至更长）内接收信号的强度的缓慢变化，也称之为慢衰落，往往发生在电磁波经过长距离传播或遇到大型物体（比电磁波的波长大几百倍以上或者更多）后所产生的平均衰落情况。产生的主要原因是无线电波在空间的传播损耗，以及服从正态对数分布的阴影效应。在理想的自由空间传播环境下，电磁波的衰落仅与传播的距离和频率有关。大尺度衰落可以由天线分集和功率控制得到补偿。6.2.5小尺度衰落无线电波在空间传播中除了要经历大尺度衰落以外，还存在着小尺度衰落，其现象表现为在短距离（几个或几十个波长）或短时间（秒级）内接收信号强度快速的波动（衰落幅度一般在10dB～30dB之间）。这一波动是由于两种独立而又相关的效应造成的，即多径衰落与多普勒频移。当接收信号中LOS信号占有的比例很少时（实际传播环境的情况大抵如此），多径信号总和的包络（即振幅）的概率密度分布符合瑞利或者莱斯分布概率密度函数，因此小尺度衰落又被称之为瑞利衰落。1．多径衰落图6-1多径衰落2．多普勒频移2π2πcoslvtd1cos2πvft图6-2多普勒频移如果发送信号的码元周期大于信道的相干时间，即信号带宽小于最大多普勒频移，信道冲激响应在码元周期内变化很快，即信道变化的速度大于信号传输的速度，从而导致信号在一个传输周期内对应的信道特性发生变化，在接收端解调时产生失真，称此信道为快衰落信道；反之，如果发送信号的码元周期小于信道的相干时间，也即信号带宽大于最大多普勒频移，信道冲激相应的变化比要传送的信号码元周期低得多，即信道的变化速度小于信号传输的速度，信道参数在一个或多个信号码元周期内是相对稳定不变的，称此信道为慢衰落信道。6.2.6无线信道分类图6-3无线信道衰落类型分类图6-4小尺度衰落信道分类6.3电波传播预测模型传播模型就是对无线传输信道的一种模拟和仿真，在网络规划软件中，用来预测接收信号的场强，其主要研究对象是传播路径上障碍物阴影效应带来的慢衰落影响。目前，在传播模型研究方面主要有以下两种方法。（1）直接应用电磁理论计算出确定性模型，比较有代表性的是射线追踪法。（2）基于大量测量数据的统计模型，又称为经验模型。6.3.1室外传播模型1．Okumura-Hata模型日本科学家奥村通过对城市进行大量无线电波传播损耗的测量，利用得到的一系列经验曲线，基于这些测试数据，得出Okumura模型的表达式为(dB)50FmutereAREA(,)()()LLAfdGhGhGOkumura-Hata模型路径损耗计算的经验公式为(dB)5010c10tere10te10cellterrain69.5526.16log13.82log44.96.55loglogLfhhhdCC2．COST231-Hata模型COST231-Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，应用频率扩展到1500MHz～2000MHz，而其他适用条件与Okumura-Hata模型相同。通常视其为Hata模型在2G频段上的有效扩展。COST231-Hata模型路径损耗计算的经验公式为(dB)10c10tere10te10cellterrainM46.333.9log13.82log44.96.55loglogLfhhhdCCC3．COST231-Walfisch-Ikegami模型从名称中就可以看出，COST231-Walfisch-Ikegami模型与COST231模型之间存在一定的关系。图6-5COST231-WI模型（NLOS）4．CCIR模型CCIR模型由原CCIR（现ITU-R）提出，综合考虑了自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗对无线电波传播的影响，计算公式为(dB)10c10tere10te1069.5526.16log13.82log44.96.55loglogLfhhhdB5．LEE模型（1）LEE宏蜂窝模型①考虑人为建筑物对接收功率影响的LEE宏蜂窝模型rr00r10PPPd②加入地形地貌影响后的LEE宏蜂窝模型无阻挡的情况brr110010100b0log20logloghdfPPndhfr1(dBm)P(dB/dec)自由空间−4520开阔地区−4943.5郊区−61.738.4表6-1衰减因子数值有阻挡的情况rr11001000loglogrfPPLvnrf水面反射的情况2r04πPPd（2）LEE微蜂窝模型LEE微蜂窝小区路径损耗预测公式为(dB)lost,ABLLdhL6．SPM模型现在很多的网络规划软件中经常使用标准传播模型，也叫SPM（StandardPropagationModel）模型，它建立在COST231-Hata经验模型的基础上。其计算公式为(dB)501210310te4Diffraction51010te610re7ClutterlogloglogloglogLKKdKhKLKdhKhKf1K2K3K4K5K6K7K密集城区城区郊区乡村39.0121.29238.8738.6940.0733.4840.196.385.015.455.830.160.120.380.12−6.55−6.55−9.61−6.5500001111表6-2不同区域的模型校正结果中的K值7．标准宏小区模型网络规划软件AIRCOM还支持的一种传播模型，叫做标准宏小区传播模型（StandardMarcroCellModel）。该模型也是建立在COST231-Hata经验模型基础之上，适用的频段从150MHz～2000MHz，基站天线高度范围为15m～200m，接收机高度范围为1m～10m，其计算公式为(dB)5012103re410re510te61010te7DiffractionClutterlogloglogloglogLKKdKhKhKhKdhKLL6.3.2室内传播模型室内的无线传播同样符合反射、绕射、散射的传播机理，但与室外传播环境相比，条件却不相同。1．对数距离路径损耗模型很多研究表明，室内路径损耗遵从公式(dB)0100()10logdLLdnXd2．Ericsson多重断点模型Ericsson多重断点模型是通过对多层办公室建筑物大量测试总结得出的。图6-6多重断点室内路径损耗模型3．衰减因子模型衰减因子模型中包含了建筑物类型影响以及阻挡物引起的变化。衰减因子模型的公式为（dB）0SF100()()10logdLdLdnFAFd6.4传播模型校正传播模型是对无线信道的一种仿真，在CDMA网络规划中，人们用它来预测接收信号的场强，因此传播预测的准确性将直接影响网络规划的准确性和可信程度。无线传播模型很大程度上取决于相应的传播环境，传播模型的研究可分为三类，即理论分析、现场电波实测和计算机模拟。一般传播模型校正可大致按以下三步进行。1．数据准备2．路测数据处理3．模型校正以CW测试为例，传播模型校正的流程如图6-7所示。图6-7传播模型校正流程图6.4.1数据准备1．电子地图与基站数据进行模型校正就必须具有电子数字地图。电子地图是由反映地形高度的数字高程模型DEM数据、反映地面覆盖种类的地面覆盖模型DOM数据、反映地面线状的线状地物模型LDM数据及反映建筑群高度的建筑物分布模型BDM数据等构成。对于CW测试，需要架设专门的测试基站。校正时所需要的基站数据信息有基站经纬度、天线高度、方向角、下倾角、有效辐射功率、天线增益等。这些基站数据将会在校正过程中用于路径损耗计算。2．车载测试车载测试的类型有两种，一种是CW测试，即在典型区域架设发射天线，发射单载波信号，然后在预先设定的路线上进行车载测试，使用车载接收机接收并记录各处的信号场强。另一种是现网测试，即在已经运营的CDMA网络中，在预先设定的路线上进行车载测试，通过车载测试手机收集接收并记录各个基站导频信号功率数据。路测前，还应确定合理的路径。这一路测路径直接关系到测试数据的准确性。选择测试路径时，应考虑以下几个方面：（1）测试路线必须在规划范围内，得到该区域内不同距离、不同方向的测量数据；（2）测试路线应涵盖能够跑到的所有道路，以一般道路为主，尽量避免选择高速公路、高架路或较宽的公路，最好选择宽度不超过3m的狭窄公路；（3）尽量避免跑到高楼阴影区，避免在同样的路线上反复测试；（4）确保在某一距离上至少有4～5个测量数据，以消除位置影响；图6-8CW车载测试设备6.4.2CW路测数据预处理车载测试收集到测试区域瞬时接收功率数据后，需要进行数据处理。数据处理的最主要目的是将测试中不合理的数据滤除，对数据进行地理上的平均并完成路径损耗的计算。由此，数据处理可分为数据过滤、GPS调整、地理平均、数据筛选四部分，图6-9路测数据预处理流程1．CW测试数据过滤2．测试数据GPS调整图6-10GPS调整前测试数据在电子地图上的位置图图6-11GPS调整后测试数据在电子地图上的位置图3．计算每个bin的接收功率图6-12各个bin的路测路径及瞬时接收功率第i个bin的瞬时接收功率均值为1iNkkiiEEN4．计算路径损耗第i个bin的路径损耗计算为btbbmother()iiiLEIRPEPGLGLE5．数据筛选数据筛选的条件包括：（1）过滤近端数据，一般滤除距离测试基站100m范围以内的数据点；（2）过滤远端数据，一般滤除距离测试基站3000m范围以外的数据点；（3）使用经典模型计算该bin的路径损耗，称其为预测路径损耗，而后比较预测路径损耗与实测路径损耗，将与预测值相差大于50dB的实