（电磁场与微波技术专业论文）gsm无线网传播模型校正及基站覆盖问题的研究.pdf

摘要 传播模型是移动通信网小区规划的基础，传播模型的准确与否关系到小区规 划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。一个合适的 传播模型能使运营商在较短的时间内建立起一个覆盖质量优异的网络，迅速吸引 大量客户：一个不合适的传播模型则会使运营商长期为糟糕的网络质量所困扰， 投入大量的人力物力去做后期优化，在此期间可能流失大量的客户。 我国幅员辽阔，存在着各种各样的地形地貌，也即存在着各种各样的电波传 播环境，地区与地区之间的差别很大。可以说，没有一个模型能够很好的预测我 国各个城市的电波传播环境。一个模型要用于一个城市的网络规划，定要经过 校正，只有把校正后的模型用于网络规划工作才是有意义的，否则可能带来很大 的经济损失和资源浪费。 本文首先介绍了网络规划工作中的o k u m u r a h a t a 等几种常用宏蜂窝模型， 接着把路测数据与这些宏蜂窝模型进行比较，分析这些模型的优缺点及适用范 围，并利用路测数据拟合出传播校正模型。然后利用校正模型，从同频干扰、城 市建设、链路平衡、定向天线等多个方面分析基站覆盖范围缩小的原因，并给出 仿真图定量分析问题。最后总结以上各章，对覆盖范围缩小问题的解决提出一些 建议。 关键词：模型校e 、基站覆盖、同频干扰、链路平衡 a b s t r a c t p r o p a g a t i o nm o d e 】i st h eb a s i so f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp r o g r a m m i n g t h ea c c u r a c yo ft h em o d e lh a sg r e a ti m p a c to nt h er a t i o n a l i t yo fc e l jp r o g r a m m i n g a n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r se c o n o m i c a l r e q u i r e m e n t s ap r o p e r p r o p a g a t i o nm o d e lc a nh e l pc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e rb u i l daw e l l c o v e r e d n e t w o r ki nas h o tt i m ea n da t t r a c tl o t so fc l i e n t sq u i c k l y o nt h ec o n t r a r y , a ni m p r o p e r p r o p a g a t i o nm o d e lw i l lb r i n gs e r v i c ep r o v i d e rg r e a tt r o u b l e t h e yw o u l dh a v et o i n v e s ti o t so f r e s o u r c ei nl a t eo p t i m i z a t i o n w h i c hw i l l l c a dt ot h ed r a i no f c l i e n t s w i t hav a s tt e r r i t o 姒c h i n ah a sv a r i o u sl a n d f o r m sa n dp h y s i o g n o m i e s t h a t m e a n s ，t h e r ea r em a n yk i n d so fe l e c t r i cw a v ep r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t s s o ，n o n eo f t h em o d e lc a np r e d i c ta l lt h ee l e c t r i cw a v ep r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t sv e r yw e l l b e f o r eb e i n gu s e dt op r o g m mac i t y sc o m m u n i c a t i o nn e t t h em o d e lm u s tb e m o d i f i e d 0 t h e r w i s e i tw i l l l c a dt og r e a te c o n o m i cl o s sa n dr e s o u r c ew a s t e t h ep a p e ri n t r o d u c e ds e v e r a lm i c r o c e l lm o d e l so f t e l lu s e di nn e t w o r k p r o g r a m m i n g ，s u c ha so k u m u r a - h a t a b yc o m p a r i n gm e a s u r e dd a t aw i t ht h e s e m i c r o c e l lm o d e l s ，w ea n a l y s e dt h e i rv i r t u e s ，s h o r t c o m i n g sa n dt h e i ra p p l i c a b i l i t y t h e nw eh a v eam o d i f i e dm o d e l o nt h eb a s i so ft h em o d i f i e dm o d e l ，t h ep a p e r s t u d i e dt h er e a s o n st h a tl e a d i n gt ot h es h r i n k a g eo fb a s es t a t i o nc o v e r a g ef r o ms e v e r a l a s p e c t s ：t h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，u r b a nc o n s t r u c t i o n ，l i n kb a l a n c e ，d i r e c t i o n a l a n t e n n a e t c a n di tg a v eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h ew a yo fs i m u l a t i o n f i n a l l y , t h e p a p e rh a ss o m es u g g e s t i o n so nt h es h r i n k a g eo f b a s es t a t i o nc o v e r a g e k e yw o r d s ：m o d i f i e dm o d e l ，b a s es t a t i o nc o v e r a g e ，c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，l i n k b a l a n c e 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电磁场与微波技术 研究方向：移动通信与网络优化 作 者：二坠级研究生 杨琨琨 指导教师韭些苤 题目：g s m 无线网传播模型校正及基站覆盖问题的研究 英文题目：s t u d y o nm o d i f i e dp r o p a g a t i o nm o d e la n db a s es t a t i o n c o v e r a g eo fg s m 主题词：模型校正基站覆盖同频干扰链路平衡 k e y w o r d s ： m o d i f i e dm o d e lb a s es t a t i o nc o v e r a g e e o c h a n n e li n t e r f e r e n c el i n kb a l a n c e 由z 业；生叁堂亟婴窒生堡塞 箍二重堡迨 第一章绪论 1 1 论文的选题背景和意义 本论文题目是根据山东联通在鲁西北等地区的某些g s m 全向及定向基站出 现了覆盖范围明显缩小这一现象而选的。 在现代移动通信中，无线通信系统网络规划工作是随着小区制蜂窝移动通信 系统的出现而提出的。在大区制移动通信系统中，系统的覆盖范围和容量都由设 备性能直接决定，而不需要考虑太多复杂的规划。到了蜂窝移动系统阶段，随着 基站和小区数目增加，覆盖和容量不但与设备性能相关，还与各小区基站的站点 选择、参数选择、小区间干扰、网络结构等多方面因素相关，在综合考虑这些因 素的过程中，逐步形成了系统的网络规划技术。一个无线通信系统通常包括无线 接入部分、传输部分和交换部分。因此相应的无线通信系统的网络规划也分为无 线网络规划、传输中继规划和交换网规划三个部分。传播模型是移动通信网无线 网络规划的基础。 理论分析和实地测量均表明，无线电波信号在移动通信信道中的传播是一个 复杂的过程。信道的衰减大而且衰减的情况非常复杂，既有和距离有关的衰减， 还有阴影衰落和多径衰落。其次无线传播路径既存在直线传播路径，也存在由于 建筑物、山脉的阻挡而反射和散射的传播路径等等，无线信道是一种传输特性很 差的信道，偶然性很难分析，甚至是相对移动速度也极大地影响衰落的程度。这 些因素的综合作用，使得电波传播在不同的条件下表现出一种动态差异，性质变 化很大，无法找到准确的线性关系，相反却显现出极复杂的不规则性和较强的非 线性。为了预测接收到的无线信号的包络、相位及其时变规律，建立有效的无线 传播信道模型是十分必要的。 每一个模型的提出都与提出人厂商所在的地区有关系，每一个传播模型只 是客观上反映了进行模型校正的地区的电波传播的衰落规律。而事实上，由于各 个地区的地形地貌千差万别，利用单一的传播模型已经无法进行统一的覆盖计 算。传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理 l 蓖基邮电厶堂亟圭缝嚣尘逵童筮二重绪迨 的投资满足了用户的需求。由于我国幅员辽阔，各省、市的无线传播环境千差万 别。例如，处于丘陵地区的城市与处于平原地区的城市相比，其传播环境有很大 不同，两者的传播模型也会存在较大差异。一个没有经过修正的、无视各地不同 地形、地貌、建筑物、植被等参数影响的模型应用到其他地区，必然会导致所建 成的网络或者存在覆盖、质量问题，或者所建基站过于密集，造成资源浪费。显 然这样的模型是我们在网络规划过程或者网络优化阶段无法利用的。因此当要把 一个模型应用到其他地区时，就必须采用统计的方法对经验传播模型进行修正， 也就是对模型的一些参数进行校正。模型校正的目的在于通过实测数据的采集， 来修正传播模型中的部分参数，使通过该模型预测的无线覆盖结果和实际情况更 加接近。当然，一个统计模型能够正确地本地化的必要条件是以本地的有代表性 的实验数据基础对其进行校准，则它将可能会有更高的精度和更好的可靠性。但 是，用于校准的数据必须是可靠的、精确的、有全面代表性的，且数据的数量必 须足够多，否则，将适得其反。并不是什么测试数据都能用于改善传播模型。 传播模型校正工作是很有意义的，也是非常必要的：有利于对一个新的服务 覆盖地区的信号进行仿真预测；可以大大降低进行实际路狈4 所需的时间、人力和 资金；可以为网络规划提供有力的依据；可以对现有网络的信号覆盖情况进行分 析，为网络的优化提供重要的参考依据；可以节省大量的基站建设、运行维护成 本；可以提高网络的服务质量。 1 2 本课题领域的研究现状 学者们把陆地移动通信无线信号用3 种传播机制来表征，这3 种传播机制是 根据所观察的尺度大小来区分的。大尺度的传播机制是用来描述区域均值，它具 有幂定律传播特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比变化。中尺 度的传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电平的平均 功率变化。当用分贝表示时，这种变化趋向于正态( 高斯) 分布，通常称为对数 正态阴影。最后，小尺度上信号包络是描述多径衰落的，它通常服从瑞利概率密 度函数，因而也称为瑞利衰落。 2 壶塞坚盟盍堂亟班宜生逾室 一复二童堡垒 传播模型也一般分为三类：分别为经验模型、半经验半确定性模型和确定性 模型。经验模型是由大量测量数据的统计分析导出的公式。该方法简单，且对环 境不需要详细的信息，利用起来非常容易而快捷。但该方法估算路径损耗的精度 不是很高。半经验半确定性模型先从确定性模型导出的公式入手。为了改善预测 路径损耗精度，使理论预测与实验测量一致，需要从实验上对模型进行校正。这 类模型比经验模型要求更详细的环境信息，但又少于确定性模型所要求的环境信 息。从模型的表达式看，半经验半确定性模型类似于经验模型，得到较为广泛的 应用。确定性模型是基于电磁理论直接用于特定环境的求解，该特定环境的描述 是由建筑物和地形数据库来完成的。对确定性模型，环境描述的精度决定确定性 模型的精度。大多数确定性模型是射线跟踪方法。 由于移动通信所在环境的多样性，所以每个传播模式都是对某特定类型环境 设计的。通常考虑的3 类环境( 小区) 是：宏小区、微小区、微微小区。一般， 3 种类型模式和3 种小区类型之间有相互适应的关系。例如，经验模式和半经验 模式对具有均匀特性的宏小区是合适的。半经验模式还适合于均匀的微小区，在 那里模式所考虑的参数能很好地表征整个环境。确定性模式适合微小区和徽微小 区，不管它们的形状如何。但是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c p u 时间使人无法忍受。 已经开发出来的几种经验模型，都是根据大量实验测试数据，并利用曲线拟 合来为都市化地区中的电波传播建模。因此，经验模型通常是城市特有的，要结 合城市陆地用的地图。现在网络规划工作中最常用的经验模型是0 k u m u r a 和他的 合作者开发的0 k u m u r a 模型。o k u m u r a 模型是0 k u m u r a 等人在2 0 世纪6 0 年代在 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。然后，形成一系列曲线图 表，这些曲线图表显示的是几个频率上的场强和距离的关系，固定站天线的高度 作为曲线的参量。接着产生出各种环境中的结果，包括在丌阔地和市区中场强对 距离的依赖关系，市区中值场强对频率的依赖关系以及市区和郊区的差别，给出 郊区修正因子的曲线、信号强度随固定站天线离度变化的曲线以及移动台天线高 度与信号强度相互关系的曲线等，另外，给出了各种地形的修正。测试在2 0 0 m h z 、 3 壶立邮出厶堂亟盟宣生诠塞簋= 童缝途 2 0 0 m h z 、4 3 5 m h z 、9 2 2 m h z 、14 3 0 m h z 和1 9 2 0 m h z 上进行，其结果被外推和插入到 1 0 0 、3 0 0 0 m h z 之间的频率上。但是，由于该数据只麓以蓝线形式被使用，使用起 来很不方便，后经h a t a 改进并拟台得到相应的经验公式，此公式被成为 o k u m u r a - t t a t a 模型。除了o k u m u r a 模型，学者们提出的宏蜂窝预测模型还有e g li 模型、l o n g l e y r i c e 模型、l e e 摸型、i b r a h i m p a r s o n s 模型、i k e g a m i 模型、 w a l f i s h b e r t o n i 模型、c o s t 2 3 1 一w a l f i s h g e r t o n i 模型、a 1 1 s e b r o o k p a r s o n s 模型等数十种，微蜂窝预测模型主要有双射线模型、多射线模型、多缝隙波导模 型、u n i l u n d 模型等，室内传播模型主要有对数距离路径损耗模型、衰减因子 模型、k e e n a n m o t l e y 模型等。由于篇幅限制，在这里不对各个模型一一详述。 1 3 论文研究的目标和主要内容 本文的研究目标是根据实际测试结果校正传播模型并利用此模型分析基站 覆盖范围缩小的原因。 本文第二章详细介绍了o k u m u r a h a t a 、w a l f i s h b e r t o n i 、e g l i 等八个经典 的宏蜂窝模型的开发过程、计算公式和模型中各因子的含义和取值范围。 第三章把从山东带回来的现场路测数据与八个经典模型分别比较，指出每个 模型与路测数据之间产生误差的原因，分析各模型的适用范围及优缺点，并按它 们与路测数据之间的误差大小选出最适合当地的网络预测模型。最后利用路测数 据拟合出该地区的传播校正模型，并分析此模型的特点。 第四章借助上一章获得的传播校正模型，从几个大方面分析基站覆盖范围缩 小的可能原因。在同频干扰对覆盖范围的影响这方面，重点分析邻基站功率、每 簇小区数、路径损耗指数、邻基站的位置等因素的变化对小区载干比的影响，进 而对覆盖范围的影响。在城市建设对覆盖范围的影响这方面，重点分析建筑物平 均高度、建筑物平均距离、基站附近建筑物的高度、移动台附近建筑物的高度、 街道宽度、街道走向等因素的变化对覆盖范围的影响。在链路不平衡对覆盖范围 的影响这方面，重点分析了天线的发射和接收增益、分集增益、基站发信机、馈 线和合路器等方面的损耗对覆盖范围的影响。在定向天线的参数变化对覆盖范围 的影晌方面，重点分析了天线主瓣方向、天线下倾角等因素的变化对覆盖范围的 影响。在新建高层建筑物对覆盖范围的影响这方面，重点分析了单个高层建筑物 4 直立逝虫厶堂亟班塞生论塞 亟二室蟹丝 的高度和与基站距离这两方面的变化对覆盖范围的影响。以上各方面都有给出仿 真图，定量分析其对覆盖范围的影响程度，并给出解决办法。 最终，我们总结以上各点，给出一些建议，希望建议对改善山东鲁西北地区 的基站覆盖问题有所帮助。 5 直立鲤鱼盘堂亟硒荭生监塞 签：兰重塞蛏匿佳搔拦型的血筮 第二章宏蜂窝传播模型的介绍 移动通信系统的性能主要是受到移动无线信道的制约，而移动无线信道主要 是受到无线传播环境的影响。对于陆地移动通信系统，由于移动台本身的移动性， 传播环境不断变化，移动台既可以处于城市建筑群中。也可以处于丘陵、山川、 森林等地形复杂的区域。园此，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简 单的视距传播到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山川和树林等。因此，移动无 线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有很大盼随机性，分析起来比较 困难。 移动环境按地形特征和传播环境进行分类，从电波传播的角度看，可以分为 二类，即准平坦地形和不规则地形。准平坦地形是指区域地形波动高度在2 0 m 以内，、且起伏变化缓慢，而不规则地形是指除了准平坦地形以外的其它地形，比 如丘陵地区、孤立山峰、水陆混台地形、倾斜地形等。 由于移动无线环境的电渡传播特性的复杂性和多样性，精确方法难以描述移 动通信信道。因此，对移动环境中电波传播特性用某种统计方法描述。理论分析 和实验统计结果表明，接收信号幅度在非视距传播条件下满足瑞利分布，而在视 距传播条件下服从莱斯分布。正是因为移动环境的千变万化，用某种传播模型来 描述各种传播环境是不可能的。往往不同的传播模型是从不同传播环境的大量实 测数据中归纳而得出的，因此每种模型都有一定的适用范围。按照使用范围来划 分，预测模型可太体分为这三类：宏蜂窝传播模型、微蜂窝传播模型、室内传播 模型。本章主要是介绍宏蜂窝传播模型。 迄今为止，学者们提出的宏蜂窝预测模型多达数十种，下文将选取应用较为 广泛的o k u m u r a - h a t a 、i k e g a m i 、i f i c b 一8 e r t o n i 、e g l i 、g e e h a p g r i f f i t h s 、 i b r a h i m - p a r s o n s 、s a k a g a m i k u b o i 这七种模型来介绍。 2 1o k u m u r a - h a t a 模型 o k u m u r a r a t a 模型是经过不同阶段的修正和完善而获得的。最初的模型是 o k u m u r a 基于日本东京及其周围市郊实验测量而给出的许多用于蜂窝规划的经 验血线，后经h a t a 改进并经拟台得到相应的经验公式。该模型的准确性经大量 实验数据验证获得认可，并在此基础上进行进一步的修正和完善，八十年代后期 实验数据验证获得认可，并在此基础上进行进一步的修正和完善，八十年代后期 6 直立整曳盘堂亟硒宜生诠塞 筮兰嘉。塞蜷簋佳搔拦型盥佥缉 第二章宏蜂窝传播模型的介绍 移动通信系统的性能主要是受到移动无线信道的制约，而移动无线信道主要 是受到无线传播环境的影响。对于陆地移动通信系统，由于移动台本身的移动性， 传播环境不断变化，移动台既可以处于城市建筑群中，也可以处于丘陵、山川、 森林等地形复杂的区域。因此，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简 单的视距传播到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山川和树林等。因此，移动无 线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有很大的随机性，分析起来比较 困难。 移动环境按地形特征和传播环境进行分类，从电波传播的角度看，可以分为 二类，即准平坦地形和不规则地形。准平坦地形是指区域地形波动高度在2 0 m 以内，且起伏变化缓慢，而不规则地形是指除了准平坦地形以外的其它地形，比 如丘陵地区、孤立山峰、水陆混合地形、倾斜地形等。 由于移动无线环境的电波传播特性的复杂性和多样性，精确方法难以描述移 动通信信道。因此，对移动环境中电波传播特性用某种统计方法描述。理论分析 和实验统计结果表明，接收信号幅度在非视距传播条件下满足瑞利分布，而在视 距传播条件下服从莱斯分布。正是因为移动环境的千变万化，用某种传播模型来 描述各种传播环境是不可能的。往往不同的传播模型是从不同传播环境的大量实 测数据中归纳而得出的，因此每种模型都有一定的适用范围。按照使用范围来划 分，预测模型可大体分为这三类：宏蜂窝传播模型、微蜂窝传播模型、室内传播 模型。本章主要是介绍宏蜂窝传播模型。 迄今为止，学者们提出的宏蜂窝预测模型多达数十种，下文将选取应用较为 广泛的o k u m u r a - h a t a 、i k e g a m i 、w a l f i c h b e r t o n i 、e g li 、m c g e e h a n g r i f f i t h s 、 i b r a h i m p a r s o n s 、s a k a g a m i k u b o i 这七种模型来介绍。 2 1o k u m u r a - i l a t a 模型 o k u m u r a - h a t a 模型是经过不同阶段的修正和完善而获得的。最初的模型是 o k u m u r a 基于日本东京及其周围市郊实验测量而给出的许多用于蜂窝规划的经 验曲线，后经h a t a 改进并经拟合得到相应的经验公式。该模型的准确性经大量 实验数据验证获得认可，并在此基础上进行进一步的修正和完善，八十年代后期 6 壶塞整盥鑫堂亟婴塞生迨塞 蒸三童塞些蜜佳揸搓型盥盒箱 c c i r 推荐此模型作为移动通信场强预测模型。八十年代后期，我国也在大、中 城市、郊区和乡村做了大量的场强测试实验，验证该模型对我国的适用性。下面 介绍o k u m u r a h a t a 模型的起源、修正和完善过程。 2 1 10 k u m u r a 模型 基于日本东京及其周围市郊最大频率为1 9 2 0 m h z 的大量实验测量，0 k u m u r a 提出一种用于信号强度预测的经验预测方法。该方法的基础是确定收发点之间自 由空间路径损耗，然后加上在市区准光滑地形上相对自由空间的中值衰减a 。， 其中基站等效天线高度h 。= 2 0 0 m ，移动天线高度h 。= 3 m 。该基本公式表示为 l ( 5 0 ，5 0 ) = l i + a 。+ h b 。+ 日。+ g 。d b ( 2 i ) 式中日h 为基站天线高度增益，日。为移动台天线高度增益，g 二为环境类型的 增益因子。 除了上述的校正外，还需要以图表形式提供一系列校正因子，比如考虑到街 道取向，还要考虑郊区和开阔区( 乡村) 及不规则地形上的传输。不规则地形可以 进一步划分为起伏丘陵地形、孤立山峰、一般斜坡地形和混合陆海路径。为了确 定各种校正因子，我们必须估算与地形有关的参数： ( 1 ) 等效基站天线高度k 。等效基站天线高度为基站天线高度相对沿着移动台方 向的3 1 5 k m 距离范围内平均地面高度。 ( 2 ) 地形起伏高度幽。地形起伏高度是地形不规则参数，描述电波传播路径中地 形变化程度。计算方法为沿着通信方向，离接收天线1 0 k m 范围内1 0 高度线和 9 0 高度线的高度差。此时1 0 高度线是指地形剖面图上有l o 地段的高度超过此 线的一条水平线，而9 0 高度线有9 0 地段的高度超过此线的一条水平线。 ( 3 ) 孤立山蜂高度。如果传播路径包括单个阻挡山峰，其高度为该山峰与基站之 间平均地面高度的高出部分。 ( 4 ) 平均斜坡。如果地面是斜坡的，倾斜度口( 可能为正值或负值) 是按5 到1 0 k m 的斜坡计算的。 ( 5 ) 混合陆海路径参数。该参数为覆盖水面路径长度占总长度的百分比。 0 k u m u r a 模型是已经被广泛采用的模型。由于该模型用于各种移动无线路 径，不仅包括市区，也包括不同类型地形，因此它已经变成用作与其它模型进行 比较的标准。 7 直立邮电盍堂亟堑宜生逾塞 簋三重塞坚塞篮援搓型艘盆塑 在推导有关地形参数时也存在一些约束。例如，如果传输范围小于3 k m ，用 模型给的定义好象是不可能确定。如果沿着传输路径的平均地形高度大于基 站天线高度，那么玩。是负值。在这两种情况下，忽略o k u m u r a 定义和相对局部 地面平面的实际天线高度输入好象更切合实际的。 2 1 2h a t a 公式 为了使o k u m u r a 模型便于实际工程应用，h a t a 给出一组数学公式用于描述 o k u m u r a 模型的图表信息。h a t a 公式局限于输入参数的特定范围，且只可用于准 光滑地形。h a t a 基于o k u m u r a 的实验测量曲线经拟合获得的市区传播损耗预测 基本公式为 ( 市区) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 0 9 f 一1 3 8 2 l o g h b 一口( h m 。) + ( 4 4 9 6 5 5 l o g h b ) l o g d ( 2 2 ) 式中d 为收发天线之间距离，单位为k m ：f 为中心频率，单位为删z ：a ( 。) 为 移动天线高度增益校正因子，其为覆盖范围的函数。式中各量适用范围如下： 1 5 0 m h z f 1 5 0 0 m h z 3 0 m ，a 2 0 0 m ( 2 3 ) 1 k m d 2 0 k m 对不同的环境类型和不同的工作频率，移动台天线高度增益因子口( 。) 计算 如下： 对中小城市移动台天线高度因子为 口( 曩。) = ( 1 i l o g f 一0 7 ) h 。一( 1 5 6 1 0 9 f - 0 8 ) ( 2 4 ) 其中1 m s l o r e 。 大城市移动台天线高度因子为 4 ( ，) ： 8 2 9 ( 1 0 9 1 5 4 ：_ 1 1 大城市，f s 3 0 0 ( 2 5 ) 4 2 1 3 2 ( 1 0 9 1 1 7 5 ) 2 4 9 7大城市，f 23 0 0 憎即 对郊区环境 工( 郊区) = l m ( 市区) 一2 1 0 9 ( f 2 8 ) 2 5 4 ( 2 6 ) 对乡村环境 三( 乡村) = l s o ( 市区) 一4 7 8 ( 1 0 9 厂) 2 1 8 3 3 1 0 9 f + 4 0 9 4 ( 2 7 ) 尽管h a t a 公式不象o k u m u r a 模型那样可获得特定路径的修正因子，但所给 直塞蛭电盔堂亟婴窥生迨塞箍三童塞坚匿佳擅撼型笪盆塑 的公式还是非常实用的。当d 大于l k m 时，h a t a 公式的预测结果与o k u m u r a 模 型的结果非常接近。该模型适用于宏蜂窝移动通信系统，而不适用蜂窝半径小于 1k m 的微蜂窝系统。 2 1 3h a t a 扩展公式 上述h a t a 公式的频率适用范围为1 5 0 m h z 1 5 0 0 m h z ，但对于p c s 和d c s 系统的频率范围显然超过1 5 0 0 m h z 。因此，欧洲科学和技术研究合作委员会下属 的c o s t 2 3 1 工作委员会开发出h a t a 扩展公式，又称为c o s t 2 3 1 一h a t a 模型，将 h a t a 公式扩展到2 g h z 频率范围，则市区传播损耗的基本公式变成 三5 0 ( 市固= 4 6 3 + 3 3 9 1 0 9 f 一1 3 8 2 1 0 9 k 一口( ) + ( 4 4 9 - 6 5 5 1 0 9 ) l o g d + i ( 2 8 ) 式中校正因子c m 表示为 。= 般毒冀补枢 泣。， 该模型的适用范围为：1 5 0 0 m h z f 2 0 0 0 m h z ，3 0 m k 2 0 0 m ， l m h m 。 l o m ，1 o n s ，w ，h 。，其中各变量如图2 1 所示，则菲涅尔积分宗量v 可 以取下列近似值 v ，= 压( 枷警 ( 2 _ 1 1 ) 匕砸吨) j 蒜 ( 2 - 1 2 ) 于是 ea0 2 2 5 e o v i = ( o 2 2 5 西毛压一) 俪初 ( 2 1 3 ) e 2 “o 2 2 5 e o ，v 2 r ，= ( o 2 2 5 固磊何西忑i 【，( h b 一 ，) 扣可】( 2 1 4 ) 式中e o 为自由空间场强，为发射损耗，则平均场强为 云= 何珥邓忽s ，扬& 乒( 字 ( 8 8 - h ) 厕 亿 由于对不同的，值横向街道的平均场强几乎为常数，街道上平均场强可以用街道 中心的平均场强表示，即s = w 2 ，则 云= ( 。2 2 5 2 )e o ( 厅m ) 丽】 ( 2 1 6 ) 把式中波长五转化成频率f ，且取对数，则上式变成 删驴只( d b ) + 5 8 + 1 0 l o g f ，+ 吾) + 1 0 l o g w 。， - 2 0 l o g ( h b h 。) 一1 0 l o g ( s i n ) 一1 0 1 0 9 f 根据自由空问路径损耗定义三o = 只一乓和一般传播环境路径损耗定义为 = 只一只，其中只为发射功率，b 为自由空间接收功率，则由上式得到 直立邮电厶堂亟班窥生途童 蓥三童塞蜷鹜佳撞撞型的金型 上瑙筋删t 。s f + 2 0 1 0 9 d - l o i o g ，+ 旁 弦埘 一1 0 l o g w + 2 0 l o g ( h 口一h ，) + 1 0 l o g ( s i n 妒) 式中，为工作频率，单位为m h z ，d 为发射机和接收天线之间距离，w 为街道宽 度，h b 为建筑物高度，h 。为移动台天线高度，为街道走向与入射线的夹角r ， 为与建筑物墙面反射系数有关的参数，在u h f 频带内f ，的典型值是3 2 。 2 3w a l f i s h - b e r t o n i 模型 2 3 1w a l f is h - - b e r t o n i 模型 该模型为半经验模型，有时也称为绕射屏模型。该模型适用于基站和移动台 之阀的非视距传播情况。此时，从基站天线传播到移动台天线的场经历成接建筑 物多重前向绕射，然后从移动台之前最近建筑物屋顶产生绕射场，其中一条直接 到达移动台，另一条经移动台之后建筑物反射到达移动台。因此，其路径损耗由 三部分组成：( 1 ) 自由空间天线之间的路径损耗；( 2 ) 由成排建筑物顶部引起的绕 射损耗；( 3 ) 移动台之前建筑物屋顶到地面的绕射损耗。因此总路径损耗应该表 示为 s = 蜀q 2 b ( 2 1 9 ) 如果用d b 表示，则上式变成 上= l o + l 枷+ k ( 2 2 0 ) 其中厶= l o l o g p o 为自由空间路径损耗，如式( 2 2 1 ) 所示。工。一= 2 0 l o g q 为由建 筑物屋顶引起的绕射损耗，上。= l o l o g p ，为从屋顶到街道的绕射和散射损耗。 l o = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 f + 2 0 1 9 d ( 2 2 1 ) 计算q 的过程是首先把成排建筑物看作是一系列半吸收屏，然后利用 k i r c h h o f f - h u y g e n s 积分 蹦加嘉7 ) 等( c o s g + c o s a ) d y 7 ( 2z z ) 即第”个半吸收屏孔径上场用于计算第n + 1 个半吸收屏孔径上场， ，= 6 2 十( y y ) 2 ，e o s s = b r 。利用数值方法计算该积分，从而获得经过一系 列半吸收屏绕射后到靠近移动台屋顶的信号衰减为 直立邮生厶堂亟土蛆塞垡迨塞 差三壅塞蝰壅佳搔攫型丝盆塑 q 观：s 刮案1 0 9 ( 2 l2 。) r ，一1 式中g 。= 口斫了，a = h d d ( 2 a 。) ，其中为地球等效半径。 从屋顶到街道时，移动台的场强幅度等于屋顶场强相乘下列因子 罢丽素研融+ 赤 眨z a ， 瓦而矿瓦研 瓦十丽j 恤一划 式中h s 为建筑物高度，h 。为移动台高度，= t g 。【2 ( k h m ) b 】。由于 1 ( 2 ，r + y 一口) 与1 ( r 一口) 相比可以忽略，且假设与，相比口很小。由于二次场分量 的幅度几乎相等，但相位是随机变化的，因此平均场幅度等于原来场乘以互因 子。 结合( 2 2 3 ) 式和( 2 2 4 ) 式及因子j ，我们得到场强衰减的表达式。如果用 d b 表示，该表达式的超出路径损耗工。，也即( 2 2 0 ) 式中 l 。= l 。+ l 。= l o l o g ( i 2 2 e ) 表示为 l 。= 5 7 1 5 + l o g 厂+ 1 8 1 0 9 d - 1 8 1 鸭h + a - 1 8 1 0 9 i - 而d 2 ( z z s ) 式中，为频率，单位为m - l z ，d 为发射机和接收机之间距离，单位k m ，h 为发射 天线相对周围建筑物高度的平均高度，最后一项是考虑到地球曲率，a 为考虑到 建筑物影响的参数，表示为 梢删2m 。吨，2 - 9 1 0 9 b + 2 0 l o g h 掣 ) 汜z e ， 式中b 为建筑物间隔，如图2 2 所示。 如果加上自由空间的路径损耗，则总路径损耗可由( 2 2 0 ) 式获得，即为 瑚鲻s 圳哩，+ 3 8 1 0 9 d - 1 8 1 0 9 h + a - 1 8 1 0 9 ( t 一斋 c z z ， 从上述假设可以知道，该模型适用于具有均匀分布建筑物的市区和郊区地 区，也即城市模型为具有等高和等宽度的平行成排建筑物构成的理想的城市模 型。北美洲城市的大部分居民区就是这样的结构。同时，该模型要求发射天线高 出建筑物顶部，也即h 0 。 1 2 直塞邮电叁堂亟班塞生迨塞 差三童塞蝰嚣佳搔搓型随盆绍 b 一d 一 图2 2 包含射线和模型中所考虑参数的环境侧视图 2 3 2c o s t 2 3 1 _ w a s h - b e r t o n ；模型 该模型为适用于市区环境的半经验半确定性模型，主要基于上述 w a l f i s h - b e r t o n i 模型和i k e g a m i 模型。 总路径损耗： = p k “”2 ：乏： 弦z 8 ， l 三。上。村+ 三m ( o 。 式中厶为自由空间路径损耗，如式( 2 2 1 ) 所示。三。为沿着建筑物多屏绕射损耗， 工。为屋顶到街道的绕射和散射损耗。 工“可以按照w a l f i s h b e r t o n i 模型来确定，即建筑物用吸收屏来模拟。入 射到这些吸收屏的平面无线电波用入射角口表示。w a l f i s h - b e r t o n i 模型对 口0 ，也即玩h b 情况是不满足的。为了解决这个问题，c o s t 2 3 1 引入经验校正 表示为 l , 。s a = m + k 。+ k dl o g d + k rl o g f 一9 1 0 9 b ( 2 2 9 ) 式中上。和。表示因减小基站天线高度引起的路径损耗增加，分别表示为 小舻b 8 0 埘拦 ( 2 3 。) f 5 4胃o k o = 5 4 0 s h d 0 5 k m ，h 茎0( 2 3 1 ) 1 5 4 一o 8 h dd 0 “2 t 1 8 - 1 5 一h h o ( 2 3 2 ) 【 向8 女，：0 7 ( f 9 2 5 1 ) 中等城市及具有适中树木密度 (233，1 2 ，2 1 5 i ；9 2 5 1 ) 大城市的市中心 。“。驯 屋顶到街道的绕射和散射损耗三。是基于上述的i k e g a m i 模型表示为 上。= 一1 6 9 1 0 1 0 9 w + 1 0 1 0 9 f + 2 0 l o g h + l “ ( 2 3 4 ) 式中l 。为街道走向的校正因子，可由实验确定为 l 。= 一1 0 + 0 3 5 4 庐0 0 西 3 5 0 2 5 + 0 0 7 5 ( 妒一3 5 ) 3 5 0 西 5 5 0( 2 3 5 ) 4 0 一o 1 1 4 ( 一5 5 )5 5 0 9 0 0 式中一无线电波入射方向与街道走向的角度。 适用范围为 8 0 0 m h z 茎，蔓2 0 0 0 l l n z 4 m 吃s5 0 m ( 2 3 6 ) 1 m s h m 3 1 1 1 o 0 2 k m d s 5 k i n 无数据：若无建筑物结构的详细数据，c o s t 2 3 1 推荐采用下列的缺省值： b = 2 0 5 0 m w = 6 ，2 h 口= 3 m 楼层数+ r o o f ( 2 3 7 ) 加o f = 忠= 西= 9 0 0 2 4e g l i 模型 在9 0 至1 0 0 0 m h z 频率之间对不规则地形进行一系列测量，e g l i 观察到一个 小区域的中值信号强度随距离按四次幂规律变化的趋势。因此，他很自然想到从 平坦地面传播模型扩展一种新模型。平坦地面传播模型公式如式( 2 3 8 ) 。 只邓f g ，( 钳 ( 2 3 8 ) 式中只为发射功率，g ，为发射天线增益，g ，为接收天线增益。h t 和分别为对 1 4 直立塑生盔堂亟硒窟生迨塞箍三望塞蛭匿佳搔拦型曲金型 地球表面的天线高度。 他首先观察到平坦地面传播模型预测的损耗还需要附加损耗，其次，改附加 损耗取决于频率和地形特性。考虑到这些因素，e g l i 模型在接收功率中引入一 个乘法因子得到 只= p t , g b g , ( 学弘 眨s e ， 式中卢为考虑到附加损耗因子，由下式给出为 芦= ( 4 0 i f ) 2 ( 2 4 0 ) 式中，单位为8 h z 。 结合( 2 3 9 ) 和( 2 4 0 ) 式，e g l i 模型的路径损耗公式为 l = 一8 8 4 0 l o g d 一2 0 1 0 9 f + 1 0 l o g g b + 1 0 1 0 9 g ，+ 2 0 1 0 9 h b + 2 0 l o g k ( 2 4 1 ) 式中d 的单位为k m ，的单位为m h z ，氏和的单位为n l 。 e g l i 还发现为地形粗糙度的函数，由( 2 4 0 ) 式给出的数值是中值。于是 他把的标准偏差与地形起伏标准偏差联系起来，并假设地形起伏高度是对数正 态分布。因此，他提出如图2 3 所示的益线族，该图表明卢在4 0 m h z 是怎样偏离 中值，并随地形因子和传输频率而变化的。 鲁 m 缸 蛰 雪 频b 1 v l h z 图2 3 地形因子的变化图 应该注意到，尽管e g l i 模型包括了地形因子，但与地形因子的关系是由经 验公式给出的，显然没有考虑到绕射损耗。 1 5 壶塞邮电太堂亟鲤塞生论塞蓥兰童枣丝鹜焦揸搓型鲍盆塑 e g l i 模型的适用范围为：o d 6 4 k m ，4 0 f 4 0 0 m h z ( 可延伸到i g ) ，地形起 伏小于1 5 m 的丘陵地带。 当地形起伏变化超过上述范围，可以引入校正因子，该校正因子与丘陵平均 起伏高度的关系如图2 4 所示。 慕 s 、堂蛲段 、 添 、 、 一、 臣高频 。 。 0 1 53 04 5 6 0 7 59 01 0 51 2 0 平均丘陵高度( m ) 图2 4e g l i 模型地形修正因子 2 5m c g e e h a n - g r i f f i t h s 模型 这也是一个对平坦地面传播模型公式( 2 3 8 ) 修正所得到的经验模型。