传播模型

74第四章室外传播模型4.1室外无线传播概述在无线通信系统中，电波通常在非规则非单一的环境中传播。在估计信道损耗时，需要考虑传播路径上的地形地貌，也要考虑到建筑物、树木、电线杆等阻挡物[1]。不同的室外传播环境模型适用于不同的环境，图4-1-1显示了在不同的环境下接收信号强度的不同。接收信号强度距离城区郊区开阔地空间自由传播图4-1-1不同环境下接收信号的变化从图4-1-1中可以看出，随着距离的增大，接收信号强度逐渐减小，然而衰减的速率是不同的：空间自由传播的情况下衰减速率最小，其次是开阔地和郊区，城区的衰减速率最大。一般来说，接收功率rP与距离d的指数nd成正比，在空间自由传播环境中2n，在其他情况下有43n。图4-1-1只是给出了接收信号强度随距离变化的趋势，然而在实际无线传播中它们并不是线性关系（如图4-1-2所示）：接收信号强度距离2n43n图4-1-2接收信号强度与距离的非线形关系第4章室外传播模型75图4-1-2（采用的是对数坐标）中当发射机和接收机间的距离较小时为视距传输即2n，此时包络服从莱斯分布，以小尺度衰落为主；当距离增大时有43n，此时以大尺度衰落为主，包络服从瑞利衰落。当然，由于地形不同，转折点的位置也是不同的[25]，如图4-1-3所示：(a)(b)图4-1-3(a)城区(b)郊区的接收信号与距离的非线性关系图4-1-3给出了在城区和郊区分别对频率f1937MHz，发送天线高度为8.7m，接收天移动传播环境76线高度为1.6m的情况进行实测，得到的接收信号和距离的关系。在城区图中，转折点在d=1000m附近，而在郊区图中，转折点在d=100m附近。在实际的传播环境中，从覆盖区域来分，室外传播环境可以分为两类：宏蜂窝模型和微蜂窝模型。宏蜂窝传播模型假设传输功率可达到几十瓦特；蜂窝半径为几十公里。相比之下，微蜂窝传播模型的覆盖范围则小一些（200m~1000m），在微蜂窝传播传播模型中假定基站不高（3m~10m），发射功率有限(10mW~1W)，所预测的区域也只在基站附近。下面本章将逐一讨论几种最主要的室外传播环境模型、混合室内-室外传播模型以及基本的室外传播环境测量方法。其中，第二节介绍了各种主要的宏蜂窝模型，包括Longley-Rice模型和Durkin模型、Okumura模型、Hata模型（包括Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型）、Walfisch和Bertoni模型以及该模型的扩展——COST231-WI模型、LEE宏蜂窝模型、Egli模型和Carey模型，以及Bertoni-Xia模型和TIREM模型。第三节介绍了各种主要的微蜂窝模型，包括双线模型、经验模型、准3维UTD模型、LEE微蜂窝模型和宽带PCS微蜂窝模型。第四节介绍了混合室内-室外传播模型（曼哈顿模型），第五节则介绍了基本的室外传播环境测量方法。4.2室外宏蜂窝传播模型4.2.1Longley-Rice模型Longley-Rice模型也被称为不规则地面模型（ITM）[1][2]，它预测了在自由空间中由地形的非规则性造成的中值传输衰落。该模型适用于频段为20MHz至40GHz、路径长度为1km至2000km的情况。在Longley-Rice模型中，利用地貌地形的路径几何学和对流层的绕射性预测中值传输衰落；采用双线地面反射模型用于模拟地平线以内的传输场强；采用Fresnel-Kirchoff刃形模型模拟绕射损耗；用前向散射理论对长距离对流散射进行预测；并使用VanderPol-Bremmer方法来预测双地平线路径的远地绕射损耗；同时也参考了ITS不规则地形模型。Longley-Rice模型已有了通用的计算机程序，以计算大尺度传输损耗。对于给定的传输路径，计算机程序通过频率、路径长度、极化方向、天线高度、表面绕射率、地面有效半径和地面导电常数等参数可以确定传输损耗的大小。Longley-Rice模型有两种模式。当地形路径数据很详细时，特定路径参数就很容易被确定。这种预测方式为“点到点预测”。如果地形地貌数据不够准确，可以利用Longley-Rice模型估计特定参数的值。这样的预测方式为“区域预测”。Longley-Rice模型给出了超过自由空间的传输损耗fsL的用户自定义公式（fsL是沿路径的链路距离的函数）。本模型的输出即为超过自由空间的传输损耗参考中值。dkdkAdAelreflog)(21(Lsdddmin)dmAdAdedref)((xLsddd)dmAdAdesref)((xdd)(4-2-1)式中，Lsdddmin为视距传播距离，xLsddd为衍射传播距离，xdd为散射传播距离。用计算机模拟Longley-Rice预测模型时，主要有以下参数[3]：第4章室外传播模型771天线极化方式：可以采用水平极化或者垂直极化。Longley-Rice模型中假设发射天线和接收天线具有相同的极化方式。2折射率：空气的折射率决定了无线电波的“弯曲”程度。在一般的模型中，空气折射率用地面有效曲率来替代，通常取1.333。在本模型中，空气折射率可通过式(4-2-2)来计算。KNs110.0466651ln179.3(4-2-2)式中，K为地表曲率值，sN是空气的折射率。3介电常数：地面的相对介电常数和电导常数。其典型值见表4-2-1：表4-2-1地面的相对介电常数和电导常数相对介电常数导电率（西门子/米）一般的地面150.005导电性差的地面40.001导电性好的地面250.020纯水810.010海水815.0004Longley-Rice模型中考虑了七种气候，见表4-2-2：表4-2-2Longley-Rice模型中的七种气候1近赤道气候（如：刚果）2亚热带大陆性气候（如：苏丹）3亚热带海洋性气候（如：非洲西海岸）4沙漠气候（如：撒哈拉沙漠）5温带大陆性气候6温带海洋性气候（陆地上）（如：英国）7温带海洋性气候（海上）在Longley-Rice模型中，温带大陆性气候为温带地区大片陆地上的典型气候，其典型特征为显著的气温变化和四季交替。在中纬度沿海地区，强大的海风为大陆带来了湿润的空气，因此这里主要是温带海洋性气候。英国、美国的西海岸和欧洲部分地区就是这种气候的典型代表。对于小于100km的传播路径而言，温带大陆性气候和温带海洋性气候造成的差别微乎其微。但是对于更长的传播路径而言，温带海洋性气候带来了更多的折射，使得在约10%的时间内其场强大于温带大陆性气候。5变化模式：有4种变化模式，分别为单信号模式、单天线模式、移动模式和广播模式。在Longley-Rice模型的早期程序中，所有点对点预测的计算都是基于单天线模式，这里天线的位置是不变的。后来，由于对计算精度需求的提高，人们才引入其他模式。在各种变化模式中，变化的主要是时间、位置和情景3个参量，或者说是一个三维变量。(1)时间参量表示单位时间（小时）内，由空气折射率、空气震动等造成的衰减中值的变化程度。计算得到的场强值是一个中值，实际上在半个小时内接收端的场强值高于这个值，而在另外半个小时内接收端的场强值低于这个值（半个小时是一个统计结果而非连续时间）。时间变化参量用0.1%~99.9%来表示，这个值反映了实际接收场强在多长的一段时间内等于或大于计算得到的平均场强。移动传播环境78(2)位置参数表示地面或者环境造成的不同径之间差异的统计特性。它也同样用0.1%~99.9%来表示。该值反映了实际接收场强在多长的一段时间内等于或大于计算得到的平均场强。(3)情景参数包括了一些在相同的系统参数和环境参数情况下，由其他因素造成的差异，如人工读取场强数值时的精确度差异。在大量统计的情况下，这个参数可以被忽略。在本模型的程序中，该参数仍然用0.1%~99.9%来表示，这个值反映了实际接收场强在多长的一段时间内等于或大于计算得到的平均场强。Longley-Rice模型有很多改进和修正方式，其中一个重要改进就是城区的无线传播模式。该模式增加了一个额外项，用于补偿当移动台靠近接收天线时杂波造成的额外衰减。另外，选择适当的参数也可以改善该模型的精确度，如：1输入一个较小的基站天线高度，因为Longley-Rice模型将基站所处位置的高度与天线高度之和作为有效的天线高度。2输入一个较大的不规则地形参数h，以模拟建筑物和山峰的衍射影响。Longley-Rice模型的缺点在于没有考虑接收机附近的环境因素，也没有考虑多径的影响。4.2.2Durkin模型Durkin模型由Edwards、Durkin和Dadson提出，描述了不规则地形的场强预测方法[1]。该模型预测了大尺度路径损耗，同时也提供了不规则阻挡物体损耗的预测方法。Durkin模型仿真器包括两部分。第一部分是访问传播路径中的地形数据库，并根据所得数据重构地形地貌信息。本部分假设只有视距传播和阻挡体沿径向绕射两种传播模式，没有考虑周围其他物体反射和散射的影响。因此，本模型不适合“峡谷”地区。仿真算法的第二部分计算了径向方向上的路径损耗。这样，仿真的接收机可以被放置到小区的不同位置，以测试信号在各点的场强。Durkin模型中的地形数据库是一个二维矩阵。矩阵中的每一个元素都代表着传播路径上的一个点，元素值即该点的海拔高度。由于所得到的是一系列离散的取值，因此为了得到完整、连续的地形数据，必须进行线性内插的方法。为了增加精度，线性内插重构由3条插值路线决定，如图4-2-1所示:1b2b3bxR1d2d3dxT图4-2-1发射机和接收机之间的重构地形图第4章室外传播模型79在图4-2-1中，每个点的高度是对角线、垂直方向和水平方向由线性插值得到的高度的平均值。从图中可以得到距离矩阵和相应的径向高度，使得地形计算变成了一维的点到点的链路计算。这样我们就可以利用上面已经讨论过的刃形绕射技术计算路径损耗了。在利用Durkin模型计算路径损耗时，首先必须确定发射机和接收机之间是否有视距传播。因此，应当首先计算发射机和接收机之间的高度差j。在图4-2-2中，如果任意点的j均为正值，则视距传播路径不存在。若j存在负值，则我们认为视距传播路径是存在的。若视距传播路径存在，则本算法可以检测能否获得无阻挡的第一菲涅尔区。如果第一菲涅尔区不存在，那么空间传播的损耗近似于自由空间损耗。若阻挡体刚好接触到发射机与接收机之间的连线，则空间传播的损耗与自由空间损耗相比大6dB，显然损耗的增大和场强的减小是阻挡物造成的。1b2bnbxR1d2djdxTjxjndjb图4-2-2视距传播图为了确定是否存在无阻挡的第一菲涅尔区，首先应根据式(4-2-3)计算每个路径元素的菲涅尔绕射系数v2121(2ddddhv）(4-2-3)若对任意路径j，始终有8.0jv，则空间传播损耗近似于自由空间损耗。此时接收功率为自由空间传播的接收功率：LdGGPPrttr222)π4((4-2-4)如果存在j，使8.0jv成立，则可能是非视距传播，也可能是非无阻挡第一菲涅尔区的视距传播。对于非无阻挡第一菲涅尔区的视距传播，首先要用式(4-2-4)计算自由空间传播功率，然后利用平地传播公式422dhhGGPPrtrttr(4-2-5)计算接收场强，式中th是发射机高度，rh是接收机高度。最后，将式(4-2-4)和式(4-2-5)进行比较，其中较小者为接收功率。对于非视距传播的情况，可能是单绕射边、双绕射边、三绕射边或多绕射边。可以通过移动传播环境80计算发射和接收机之间连线与接收天线到重构地貌点间连线的角度来测算绕射边的数量。这里将角度最大的点标记为),(iihd，然后在),(jjhd中找到角度最大的点。如果ijdd，则该地形为单绕射边。如果不满足单绕射边的条件，可检验该地形是否为双绕射边。测试方法与单绕射边相同，只是需要寻找彼此可见的两边，如图4-2-3所示。其中双绕射边的损耗是两条边的损耗之和。其中第一损耗是以发射机为源点的由第一绕射边造成的第二绕射边的损耗，第二损耗