移动通信中的电波传播与天线第四讲_电波传播模型

第5章 移动通信系统中的场强预测模型

 场强预测——所谓场强预测是指根据移动通信的不同环境得到通信范围内的场强分布（路径损耗），建立电波传播的模型，以便对通信网进行规划和设计（天线、基站站址、小区半径、频率……）

 传播模式——分为经验模式、半经验或半确定模式、确定性模式。经验模式是根据大量测量结果统计分析后导出的公式，应用经验模式可以容易和快速地预测路径损耗，不需要有关环境的详细信息，但是不能提供非常精确的路径损耗估算值。确定性模式是对具体现场环境直接应用电磁场理论进行计算，如射线追踪方法，环境的描述可以从地形地物数据库中得到。半经验或半确定模式是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的公式，为了改善半经验或半确定模式和实验结果的一致性，有时需要根据实验结果对公式进行修正，得到的公式是天线周围某个规定特性的函数。

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 传播环境——蜂窝移动通信的最大特点就是小区制。小区的大小和范围直接和传播条件有关，可以根据需要选择小区的大小和范围。移动通信系统中主要采用宏小区、微小区（微蜂窝）和微微小区（微微蜂窝）三种形式。经验模式或半经验模式对具有均匀特性的宏小区是合适的。半经验模式还适用于均匀的微小区，在那里模式所考虑的参数能很好的表征整个环境。确定性模式适合于微小区和微微小区不管它们的形状如何。确定性模式对宏小区是不能胜任的，因为对这种环境所需的计算机CPU时间使人无法忍受

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 四种电波传播模型——电波传播模型是指通过对电波传播的环境进行不同方法的分析后所得到的电波传播的某些规律、结论以及具体方法。利用电波传播模型不仅可以估算服务区内的场强分布，而且还可以对移动通信网进行规划与设计。 ➢ 统计模型（Statistical Model）——通过对移动通信服务区内的场强进行实地测量，在大量实测数据中用统计的方法总结出场强中值随频率、距离、天线高度等因数的变化规律并用公式或曲线表示出来。 ➢ 实验模型（Empirical Model）——通过实验方法得出某些电波传播规律，但不像统计模型那样用公式或曲线表示出来。 ➢ 确定性模型(Deterministic Model）——通过将地形、地物等电波传播的环境适当理想化后，采用电磁场理论或者几何光学法的确定性的方法来求取场强的变化规律。 ➢ 回归模型(Regression Model）——通过将计算或实测得到的路径损耗随传播距离而变化的数据按距离乘方法则做线性回归处理，拟和（Curve-Fitting）出路径损耗的规律。

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1. 常用的统计模型

 Okumura-Hata模型(奥村模型)

1962年，奥村等人在东京近郊用宽范围的频率，几种固定站天线高度，几种移动台天线高度，以及在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信号强度，得到了一系列曲线。奥村模型在测试时是以准平坦地形作为分析和描述传播特性的基准。对于不规则地形（丘陵地形、孤立山峰、倾斜地形以及水陆混合路径）必须进行环境修正。研究的完成已使该模式成为该领域中的标准，但是由于该数据只能以曲线形式被使用，使用起来很不方便，因此已经有Hata在1980年给出了满足奥村模式的公式。

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➢ 奥村模型的应用范围

频率 f1501500MHz 距离 d120km

基地站天线高度 hbe30200m 移动台天线高度 hme110m ➢ 接收功率

PrPtLbfAmf,d

Hbhbe,dHmhm,f Lbf——自由空间路径损耗

Amf,d——准平坦地形相对自由空间的损耗中值 Hbhbe,d——基地站天线偏离200m时的修正因子

Hmhm,f——移动站天线偏离3m时的修正因子

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➢ 路径损耗

LpLbfAmf,dHbhbe,dHmhm,f Lbf32.4520logfMHz20logdkm

➢ 环境修正

不规则地形时的接收功率

PrPrKsoKterKspKisKi

不规则地形时的路径损耗

LpLbfAmf,dHbhbe,dHmhm,fKsoKterKspKisKi

Kso——郊区和开阔地的修正系数 Kter——起伏山岳的修正系数

Kspi——斜坡地形的修正系数 Kis——水陆混合地形的修正系数

Ki——孤立山峰的修正系数 ——山峰高度偏离200m的修正因子

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➢ 传播损耗的经验公式

Lp69.5526.16logfMHz13.82loghbem

44.96.55loghbemlogdkmhme

式中的hme是一个与移动台天线高度有关的环境修正因子,其关系为

hme0.71.1logfhme1.56logf1.18.29log1.54hme

20.8

中小城市，

移动台天线高度hme15m 大城市，频率f200MHz 大城市，频率f400MHz

4.973.2log11.75hme

2➢ 修正的Hata公式——对Hata公式进行修正可以改善相对于奥村曲线的精度，在整个奥村曲线的有效范围内提高Hata公式的精度。

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 COST-231模型——COST-231模型是欧洲研究委员会COST-231（陆地移动无线电发展）传播模式小组在1991年提出的两种建议。与奥村模式相比，

COST-231模式的应用为更广。

➢ COST-231-Hata模型——根据Hata模式，利用一些修改项使频率覆盖范围从500MHz到2000MHz，所得到的表达式就称为COST-231-Hata模型。Hata模式是根据奥村等人的测量数据而得到的。当时的基地站天线高度均高出基地站附近的建筑物屋顶，因此不能把它的有效范围推广到基地站天线高度低于周围平屋顶的情况。也就是说COST-231-Hata模型只能用于大区制蜂窝和小区制蜂窝的路径损耗预测，而不能应用于为蜂窝情况。通过对高频段的奥村传播曲线进行分析后达到了所建议的公式是

Lp46.333.9logfMHz13.82loghbemhme

44.96.55loghbemlogdkmCm

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式中的hme也就是奥村模型中的环境修正因子；而Cm是另一个修正因子

0dB

树木密度适中的中等城市和郊区的中心 Cm

3dB

大城市中心

COST-231-Hata模型的适用范围如下

频率 f1500MHz~2000MHz 距离 d1km~20km

基地站天线高度 hbe30m~200m 移动站天线高度 hme1m~10m

当频率低于1500MHz时可直接采用Okumura-Hata模型的计算公式。5—13



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➢ COST-231-Walfish-Ikegami模型——根据Walfisch-Bertoni的计算市区环境的结果，结合Ikegami处理街道走向的修正函数，再加上实验修正所得到的就是COST-231-Walfish-Ikegami模型。该模型可以用在大区制蜂窝、小区制蜂窝以及微蜂窝中。然而，当基地站天线高度稍有变化时，并且其高度又是处在它附近的屋顶高度和它差不多高的建筑物之中是，路径损耗将发生陡峭跃迁。处于这种高度的基地站天线一般会引起较大的测量误差。因此，在这种情况下，使用COST-231-Walfish-Ikegami模型要非常小心。为了较好地蜂窝小区的服务区，基地站天线应该安装得比半径范围在一百多米以内的邻近建筑物最高屋顶还高几米（例如4米多）。COST-231-Walfish-Ikegami模型特别适用于街道形成的峡谷中电波传播的路径损耗的预测。

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在街道峡谷中存在视距路径时，路径损耗

Lp42.626logdkm20logfMHz

如果在街道峡谷中不存在视距路径，则路径损耗

LpLbfLrtsLmsd

式中的Lbf代表自由空间的路径损耗；Lrts是屋顶对街道的绕射和散射损耗；

Lmsd则是多次屏蔽绕射损耗。除了与频率f、距离d和基地站天线高度hbe有关以外，Lrts还和街道的宽度w以及相对于直达无线电路径的道路方位角有关

系。而Lmsd还和移动台的天线高度hme、建筑物的间隔b和高度hRoof等环境因素有一定的关系。COST-231-Hata模型的适用范围如下

频率 f800MHz~2000MHz 距离 d20m~5km

基地站天线高度 hbe4m~50m 移动站天线高度 hme1m~3m ➢ 根据900MHz频段的测试情况可以很容易地估算出1800MHz频段的结果，即

L1800L90010dB

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 Egli模型——Egli模型是把地面作为水平面处理的一种电波传播损耗预测方法。但是考虑了地表障碍的作用，以适应实际地形的情况。 ➢ 平地及海面上视距传播时的路径损耗

Lp120.1140logdkm20loghbemhmem dB

➢ 山高约15.25m（50英尺）起伏缓慢的不规则地形上电波传播的路径损耗

Lp88.1140logdkm20logfMHz20loghbemhmem dB

该式适用于40—400MHz范围内，当频率不超过1000MHz 、距离不超过.4km时，估算误差不会太大。

➢ 山高不是15.25m（50英尺）时电波传播的路径损耗

Lp88.1140logddBkm20logfMHz20loghbemhmemTFdB dB 式中TFdB是地形修正因子。

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+5

地形0

修正因-5

T子FdB -10

-15

-20

-25

-30

LF频段

HF频段

UHF频段

0

50

100

150

200

250

300

350

400

地形起伏平均高度（英尺）

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 Lee模型（李氏模型）——李氏模型分局部平均预期模型和全预期模型。常用的是局部平均预期模型，预期的局部平均值被用来与测量的局部平均值进行比较。李氏模型的基本点是设法将特征地貌结构与人造结构对接收信号的影响分离开来。因为每个城市的地貌结构不同，并且每个城市的人造结构也是各异的，这就不得不寻找一种方法将两者的影响分离开来。李氏模型把人造结构简单地分成了城市（也称平坦区域）和郊区两种情况。必须特别说明的是对于不同的城市，只有通过实际测量或者利用类似城市的测量数据才能得到可用的计算公式。至于自然地貌结构，李氏模型将其分为无障碍情况、有障碍情况以及经过水面传播三种。这里的障碍并不是指信号是否被建筑物阻挡，而是指信号是否被山峰之类的阻挡。也就是说无障碍情况并不意味着有直射波的存在。李氏模型在具体应用时还分为宏蜂窝（半径大于1公里）李氏模型和微蜂窝（半径小于公里）李氏模型。宏蜂窝李氏模型也就是常规蜂窝模型的接收功率计算公式近似为

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dPr010logLd0Pr d0

PtLbf hbedPr010log20log0 d0hbe无障碍情况 有障碍情况

经过水面（自由空间）

式中的d0可以是1英里或公里；Pr0是距离d0处的接收功率；是路径损耗斜

是固定站的天线的等效高度hbe率；（天线顶端距镜像反射平面的高度）；Ld是0表示当实际情况不同于标准条件时绕射损耗；Lbf是自由空间的路径损耗；

的修正值。

微蜂窝李氏模型忽略建筑物的高度，采用二维平面，借助某些特定路径的测量数据，分析和计算由于建筑物遮挡所产生的附加信号损耗并由此得到所要预测的路径损耗。微蜂窝李氏模型的预期值不如宏蜂窝模型预期值精确，这是由于使用了统计预期方法来预测在短传播距离的某些确定条件下的信号。

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李氏模型的全预期就是将常规蜂窝模型和微蜂窝模型叠加来预期接收信号强度，其距离可达到15英里。超过这个距离，还必须考虑两个条件，一个是在无线电波水平线情况下的信号接收，另一个是水上的无障碍情况下的信号接收。

➢ 李氏模型的标准条件为

基地站天线高度 hbe30m或100英尺 基地站天线增益 Gt6dBd

移动站天线高度 hme3m或10英尺 移动站天线增益 Gr0dBd 发射机发射功率 Pt10W

 绕射屏模型——除了多层高楼的商业区小范围以外，市区和郊区是相对均匀

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的。绕射屏模式就是将城市中成排的建筑物模型化为排成一串高度均匀的吸收绕射屏，电波先经这些吸收绕射屏传播后再绕射到街道上。对此电磁问题求解可以很容易得到。绕射屏模型最终给出的是一个沿屏的前向绕射的总传播损耗。由于使用了吸收屏，所以这种模式基本上和极化无关。绕射屏模型不仅适用于高架在建筑物屋顶上方的基地站天线与街道上的情况（Walfisch-Bertoni模式），而且也适用与基地站天线低于建筑物屋顶的情况（Maciel-Bertoni-Xia模式）。最终，绕射屏模型的路径损耗可以表示成

17hbedLpLbfLe1Le218log17hbe2 式中Lbf是自由空间的路径损耗；Le1是从屋顶到地面的绕射损耗；Le2是沿屋顶绕射附加的损耗。Le1和Le2都与街道的形状和尺寸有关，分别有相应的计算公式。

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 建筑物内、靠近建筑物和进入建筑物的传播

建筑物是人们常在的地方，人们的大部分时间是在建筑物内度过的，因此有必要研究建筑物对电波传播的影响。有三种关于建筑物性质截然不同的无线电波长情况，一种是关于电波在建筑物内部的传播，另一种是关于建筑物当地附近小范围内的传播，这在蜂窝移动通信系统中常常遇到，第三种情况涉及到找出在市区或郊区传播问题中信号从室外覆盖到建筑物内时将遇到的附加损耗。  IMT-2000模式

对于IMT-2000模式，工作环境也分为室内办公环境、室外到室内及步行的环

境，车载环境。对于窄带技术，只用它的均方根来表征迟延扩展。对于宽带技术，各信号分量的数目、强度和相对时延变得重要了。另外，由于有些技术（例如，利用功率控制的那些技术），路径损耗模式包括所有同信道传播链路之间耦合以提供精确预测。还有，在有些情况，环境的阴影衰落瞬时变化必须被建模。

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2. 微小区模式

① 双射线模式——直达射线+地面反射射线。

该模式对于平坦地面的农村环境是可以胜任的，而且也适合与具有低基站天线的微蜂窝小曲，在那里收发天线之间有LOS路径。在这种情况中，若建筑物的墙对电波也发生反射和绕射的话，它们将在简单的双射线模式中导致场强幅度的快速变化，但是并不改变由双射线模式预测的整个路径损耗（幂定律指数n的值）。双射线模式的路径损耗（双斜率模式）

dbLb10n1logddbdLdbLb10n2logddb

d其中突变点db4hThR/。理论值n12，n24；市区微蜂窝

（f18001900Mhz）n122.3，n23.313.3

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双射线模式的路径损耗（修正式）

4025logd2ddbL4025log40log2dbddb4025log40log4db60log24dbdbd2dbd4db2d4db

②多射线模式——直达射线+地面反射射线+垂直墙壁反射的射线

多射线模式已经被用在LOS情况下的市区微蜂窝小区中，当收发天线比屋顶平面低得多时。该模式假设所谓的街道为介质峡谷结构（也称为波导结构）。接收端的场来自直达射线、沿地面的反射射线以及峡谷的垂直平面（建筑物墙壁）反射的射线。理论上讲，到达接收点的射线数目是无穷多的，但是实际上只需考虑最重要的部分射线即可。例如，四射线模式，六射线模式。

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③多缝隙波导模式——直达射线+地面反射射线+垂直墙壁反射的射线+墙壁拐

角的绕射射线

双射线模式和多射线模式都是假设街道的建筑物是连续排列的，建筑物之间没有间距。而由Blaunstein和Levin提出的多缝隙波导模式则综合考虑了建筑物墙壁的实际介质特性、实际分布的街道宽度以及从路面的反射。该模式假设城市结构由两排平行的具有随机分布缝隙（建筑物之间的缺口）的屏（模拟建筑物墙壁）所组成，即考虑了直达射线、沿地面的反射射线以及峡谷的垂直平面（建筑物墙壁）反射的射线，还考虑了墙壁拐角的绕射射线。 图6.10 街道多缝隙波导的三维模拟示意图 图6.11 街道多缝隙波导的二维模拟示意图 图6.10 多缝隙波导模式场强与距离的关系示意图 ④Lund模式——瑞典的Lund大学

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3. 确定性模型

 镜像法——将镜像点也看成是一个源（发射机），它发出的射线沿直线到达场点。只是还需要乘以反射面的反射系数。这就是镜像法的理论基础。只要当反射面大于第一费涅尔区时，就可以视任意的反射面为无限大的平面。通常，反射面不止一个，反射线也不止一条。因此，发射机将产生无数个镜像，即多重镜像。接收机接收到的信号就是所有这些镜像发射机辐射的信号之和（电场强度的矢量和）。容易看出，任一个镜像产生的射线就相当于源点发出的某一条射线经不同的反射面经过多次反射后到达接收点。镜像法只能求解一些很简单的环境中的场强分布，例如矩形隧道、直街道、矩形空房间等等。

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Tx Rx 5—27

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 射线追踪法（Ray Tracing Method）——射线追踪法（RTM）的主体思想是根据几何光学理论，利用射线来模拟电磁场的传播。在确定接收位置之前及周围建筑环境之后，结合直射波、反射波、绕射波、散射波等波动现象直接寻找出所有可能的主要传播路径，用理论分析的方法，计算出路径损耗及其反映信道特性的参数。射线追踪法不仅可以分析用镜像法解决的简单环境，也可以用来分析一些在较复杂的环境。例如，带有家具的房间、相邻的几个房间甚至是整个大楼。射线追踪法在具体应用时可以有不同的方式，常用的是PC（Pin Cushion）法和SBR（Shooting And Bouncing Ray）法。前者体现了射线追踪法的主题思想，而后者是在前的基础之上加以改进得到的。

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视距传播 相邻射线 非视距传播

过大的接收球

过小的接收球

相邻射线 《天线与电波传播》

➢ 射线追踪法之PC法——首先，以发射天线为原心，将整个空间分为若干个具有相等立体角的射线管（射线管的横截面可以是三角形、四边形等简单图形）。每个射线管的电磁辐射就以射线管中的一条射线来代替。然后，对所有这些射线进行跟踪。根据几何光学理论，射线在传播的过程中，每遇到一个障碍物就会产生反射、折射、绕射等现象，形成反射线、折射线、绕射线。这些反射线、折射线、绕射线遇到新的障碍物后，又会产生新的反射线、折射线、绕射线。如此一来，就形成了一系列的射线。当这些射线经过接收点附近时，就有可能被接收机所接收。射线追踪法之PC法是通过引入接收球的方式来判断射线是否被接收的。所谓接收球就是一个在三维空间内，以接收点为球心的球。该球体的半径与射线管的划分有关系。若半径太小，将会漏掉应当考虑的射线；反之，半径太大，则会接收到过多的射线，造成更大的计算误差。最后，在找到所有可能到达接收点的射线后，就可以直接利用电磁辐射理论来计算接收点的场强值了。

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➢ 射线追踪法之SBR法——此方法直接利用接收点和射线管来判断射线是否被接收，从而有效地避免了采用PC（Pin Cushion）法确定接收球的难度大的缺陷。同样的是，当射线管遇到障碍物时，也会产生反射射线管、折射射线管、绕射线管，并由此形成一系列的射线管。不同的是，只要接收点位于射线管内，就可以认为该射线管的射线被接收机所接收。考虑到预测环境的复杂性以及射线管不断增大的横截面，使得射线管入射到的平面会小于射线管的横截面。此时，如果还认为整个射线管被反射或折射，将会犹如太大的误差。所以在采用SBR（Shooting And Bouncing Ray）法时，常常射线原理RSM（Ray-Splitting Method）。这样一来，当射线管的横截面达到一定阈值时，就会自动，从而使得分辨率基本上保持不变，提高预测的精度。最后，在找到所有可能到达接收点的射线后，也是直接利用电磁辐射理论来计算接收点的场强值。

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