（电磁场与微波技术专业论文）存在曲面的环境中电波传播预测方法的研究.pdf

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：二旦堕级研究生 徐清强 指导教师坌童勤 题目：存在曲面的环境中电波传播预测方法的研究 英文题目：t h es t u d ya b o u tt h em e t h o do fr a d i op r o p a g a t i o n p r e d i c t i o ni nc u r v i n gs u r f a c es u r r o u n d i n g s 主题词： 曲面射线跟踪场强预测 k e y w o r d s ：c u r v i n gs u r f a c e r a y t r a c i n g f i e l dp r e d i c t i o n 南京邮电大学学位论文独创性声明 y8 5 0 7 3 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生馘燃h 舰堡：竺：尸 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：铆鸳导师签名：l 复主勤日期：芝益：堡丝! 摘要 随着移动通信的发展，对电波有效覆盖日趋严格，在移动通信舰划与优化时，需要 知道在每一个接收点处接收到的信号强度。对无线通信信道特性的研究主要可以分为两 大类：统计方法和确定性方法。统计的方法进行电波预测时，忽略了实际的传播环境因 素，很难适应预测精度要求高、情况多变的微蜂窝小区的覆盖；确定性的方法进行电波 预测时，为了简单起见，仍然忽略了实际环境的不规则性。在预测的过程中，把周围的 建筑物看作是有一系列的长方体等组成，而忽略了在实际上许多建筑物是有曲面和平面 共同组成的情况。例如弯曲的隧道，弯曲的街道等。 为了能够对拥有曲面的环境进行场强预测，本文提出了一种新的射线跟踪接收判断 技术，它是已有的两类射线跟踪技术- - s b r 和射线管的结合，能够解决曲面反射的问题。 这种新技术能够在任意形状建筑物组成的复杂环境中进行场强预测。面且此种方法可以 自由的改变接收球的半径，以满足精度的需要。 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，r i g o r o u sr e q u e s t sa r eb r o u g h to u tt o e l e c t r o m a g n e t i cw a v e i ti sc e r t a i n l yt od e v e l o pm i c r o c e l l u l a t w h e nd e s i g na n do p t i m i z ea m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i ti sn e e dt ok n o wt h es i g n a li n t e n s i t yo fe v e r yp o i n ti ns y s t e m c o v e r e d t h e r ea r et w ok i n d so ff u n d a m e n t a la p p r o a c h e sd e a l i n gw i t ht h eb e h a v i o r so fa t r a n s m i s s i o nc h a n n e l ：s t a t i s t i c a lm e t h o d sa n dd e t e r m i n i s t i ca p p r o a c h f a c t o r so f p r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n ta t ei g n o r e di ns t a t i s t i c a lm e t h o d sw h i c hc a l ln o ts a r i s f yh i g hn e e do fi n d o o r m i c r o c e l l u l a r c e r t a i n t yd e t e r m i n i s t i ca p p r o a c h ，1 0s i m p l ep u r p o s e s ，s t i l li g n o r e st h ea c t u a l c i r c u m s t a n c e so ft h ei r r e g u l a r i nt h ep r e d i c tp r o c e s st ot h es u r r o u n d i n gb u i l d i n g sa sas e r i e s o fc u b o i di sc o m p o s e d ，a tt h ee x p e n s eo fm a n yb u i l d i n g sa r ei nf a c tc o m m o nc u r v i n gs u r f a c e s a n d p l a n e sc o m p o s i t i o n f o re x a m p l ec u r v i n gt u n n e l s ，c u r v i n gs t r e e t s i no r d e rt ob ea b l et of o r e c a s tt h ee n v i r o n m e n tw h i c hp o s s e s st h ec u r v i n gs u r f a c e s ，t h e p a p e rp r o p o s e dan e wr a y t r a c i n gt e c h n o l o g yf r o mj u d g m e n t ，w h i c hi sa v a i l a b l eb o t hs b r a n dr a yt u b er a y - t r a c i n gt e c h n o l o g yi n t e g r a t i o n ，c u r v i n gs u r f a c er e f l e c t i o no ft h ep r o b l e m s c a nb es o l v e d t h i sn e wt e c h n o l o g yc o u l db ea r b i t r a r ys h a p eb u i l d i n g si nt h ec o m p l e x e n v i r o n m e n to faf i e l df o r e c a s t b u ts u c hm e t h o d sc a nf r e e l yc h a n g et h er a d i u so fr e c e i v i n g b a l lt om e e tt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t s ， 南京邮i u 人学颅f ：研究生学位论文 论 第一章概 第一章概论 1 1 移动通信系统的发展历程 移动通信系统在中国经过十几年的发展，即将进入3 g 时代【l ，2 ，3 】。而移动通信 的发展是伴殖着无线通信的发展而发展。第一代移动通信系统为t a c s 制式的模 拟蜂窝移动通信网，提供移动通话服务。由于第一代移动通信系统利用f d m a 制式，存在着许多缺点，如频谱利用率差、保密性差、通话质量很差、容量小等， 这些越来越不能满足持续增长的移动通信用户需要和要求。第二代移动通信系统 为数字通信系统，它提供了更高的频谱利用率、提高了系统容量，数字通信系统 不单提供能够提供话音业务，并且还能够提供数据等多种业务。第二代移动通信 系统有两种制式：一种是t d m a ，欧洲的g s m 系统利用的就是此种制式；另一 种就是美国的i s 一9 5 系统用的c d m a 制式。为了能够使全球的移动通信系统拥 有统一的标准和制式，实现真正的全球覆盖和全球漫游，使移动通信系统带宽更 宽、速度更快、业务更灵活，出现了第三代移动通信系统i m t - - 2 0 0 0 ，简称3 g 。 第三代移动通信系统能够实现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人”进行 通信的梦想。 1 2 移动通信系统的蜂窝概念 蜂窝就是利用频率复用的概念，在有限的频率资源的情况下，提高移动通 信系统的容量。根据小区所能覆盖的范围可以把小区主要分为：宏小区、微小区、 微微小区。 ( 1 ) 宏小区 宏小区是室外小区，小区覆盖的半径一般小于3 5 k m 。宏小区比较适用在农 村或郊区环境下。可以提供低到中等的话务密度，支持中等速率的移动台和窄带 业务。 ( 2 ) 微小区 微小区覆盖半径一般是l k m ，主要是在市区，使用低天线的室外小区。它 南京| i i f i n 大学坝i 研究生学位论文 论 第一章概论 1 1 移动通信系统的发展历程 第一章概 移动通信系统在中国经过十几年的发展，即将进入3 g 时代旧”。而移动通信 的发展是伴随着无线通信的发展而发展。第一代移动通信系统为t a c s 制式的模 拟蜂窝移动通信网，提供移动通话服务。由于第一代移动通信系统利用f d m a 制式，存在着许多缺点，如频谱利用率差、保密性差、通话质量很差、容量小等， 这些越来越不能满足持续增长的移动通信用户需要和要求。第二代移动通信系统 为数字通信系统，它提供了更高的频谱利用率、提高了系统容量，数字通信系统 不单提供能够提供话音业务，并且还能够提供数据等多种业务。第二代移动通信 系统有两种制式：一种是t d m a ，欧洲的g s m 系统利用的就是此种制式；另一 种就是美国的i s 一9 5 系统用的c d m a 制式。为了能够使全球的移动通信系统拥 有统一的标准和制式，实现真正的全球覆盖和全球漫游，使移动通信系统带宽更 宽、速度更快、业务更灵活，出现了第三代移动通信系统i m t - - 2 0 0 0 ，简称3 g 。 第三代移动通信系统能够实现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人”进行 通信的梦想。 1 2 移动通信系统的蜂窝概念 蜂窝就是利用频率复用的概念，在有限的频率资源的情况下，提高移动通 信系统的容量。根据小区所能覆盖的范围可咀把小区主要分为：宏小区、微小区、 微微小区。 ( 1 ) 宏小区 宏小区是室外小区，小区覆盖的半径一般小于3 5 k r a 。宏小区比较适用在农 村或郊区环境下。可以提供低到中等的话务密度，支持中等速率的移动台和窄带 业务。 ( 2 ) 微小区 微小区覆盖半径一般是】k a n ，主要是在市区，使用低天线的室外小区。它 微小区覆盖半径一般是】k m ，主要是在市区，使用低天线的室外小区。它 南京邮f 乜大学硕 训究生毕业论文第一章概 论 能够提供中到高等的话务密度。用来支持低速率移动台和窄带业务。 ( 3 ) 微微小区 微微小区就是非常小的小区，一般是用于室内覆盖，典型的小区半径一般 是小于5 0 m 。跟微小区一样，也是能够提供中到高等的话务密度，支持低速移动 台和窄带业务。 在实际应用过程中，小区的覆盖一般采用分层蜂窝结构。分层蜂窝结构就 是在小区的覆盖过程中根据不同小区类型的特点，采用两个或两个以上的小区 类型来共同覆盖某个区域。宏蜂窝层用来覆盖农村或城市地区室外；在城市地区， 话务密度很大，宏蜂窝不能满足要求，话务密度大的地区就要用需要微蜂窝来覆 盖；微微蜂窝一般用来满足室内覆盖的要求。微蜂窝和微微蜂窝一般重叠在宏蜂 窝上。当然，最高的分层级是通信卫星覆盖，地球上所有小区的类型都与之重叠。 1 3 微蜂窝遥信系统 微蜂窝移动通信系统也就是移动通信的微小区覆盖，主要是用来解决宏蜂窝 覆盖时系统容量的问题。同时在宏蜂窝覆盖的盲区，也可以用微蜂窝系统来覆盖。 相对宏蜂窝，微蜂窝具有以下特征； ( 1 ) 体积小，安装方便、灵活。 ( 2 ) 基站一般是安装在不算很高的建筑物上，无线传播受环境的影响较 大。 ( 3 ) 基站天线的发射功率低，辐射小。 ( 4 ) 覆盖范围小。 微蜂窝可以成为宏蜂窝的补充和延伸，它主要用在两个方面：二是覆盖盲 区，用微蜂来覆盖由于障碍物阻挡使宏蜂窝不能覆盖的盲区；二是增加话务容量， 用微蜂窝覆盖高话务地区；微蜂窝一般是与宏蜂窝等小区类型组成分层蜂窝结 构。 在微蜂窝的规划过程中，设计人员必须根据地形地貌等周围的环境来合理的 规划微小区。这就需要知道基站的覆盖范围以及信号的传播损耗等信息。在以往 的传播预测模型都是将建筑物等环境等效成是由平面组成的比较规则的物体。对 于电波传播过程中遇到反射都认为是平面反射。但是在实际中，许多的建筑物都 商庚邮，乜人学颁一l 研究生毕业论文第一章概 论 不是规则的。尤其是对于像是弯曲的隧道的情况，隧道的顶一般都是凹曲面的， 而且隧道总会有转弯的地方。所以，在隧道进行场强预测的时候，这些曲面因素 必须考虑。其它的像是弯曲的街道，还有现在越来越多的圆形建筑物等等。同样 也必须考虑曲面的影响。 1 4 论文的提出、研究内容和主要贡献 在城市不断的发展中，建筑物形状和城市建设的形状越来越多样化。在传统 上的传播预测模型不能适用而且也不适合现在的某些地方的场强预测，如弯曲的 街道的场强预测。客观上需要有与之相适用的信号传播模型，以便更能准确的确 定信号的传播特性和基站的覆盖范围，帮助设计和维护人员，能够快速的设计安 装和精确的简单的维护。这就是提出本论文的意义。 本文是在弯曲街道情况下进行场强预测的，参考射线跟踪模型，提出了一种 能够对弯曲街道进行场强预测的模型。同时也适用一些具有柱面特性的建筑物， 如拱形隧道等。此模型预测信号衰减的方法是，适用二维平面内的射线跟踪和二 维转三维的方法，确定信号在空间的传播路径，适用几何光学。几何绕射理论以 及相关的公式决定接收信号的损耗。通过m a t l a b 语言编程实现仿真。论文的 具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对研究进行场强预测的射线跟踪方法，对以前的射线跟踪方法进行 了改进，使其能够对类似于弯曲街道形状的建筑物进行预测。 ( 2 )计算了信号沿弯曲街道传播时的路径损耗分布。当弯曲街道的弧度 大到一定程度时，用改进的方法计算的弯曲街道场强衰减与用镜像法计算的赢街 道的场强衰减进行了比较，两者有较好的吻合。 ( 3 ) 利用改进的方法模拟仿真了弯曲街道的在不同弧度下的场强衰减， 并做了比较。 本文所做的工作，主要是对传统的射线跟踪方法做了一些改进，使射线跟踪 能够适合更广阔的范围来应用。当然，论文的工作中，也有许多需要完善的地方， 包括曲面的绕射等问题，这需要今后更深入的研究。 本文的章节安排如下，第二章系统的论述了几何光学和几何绕射理论的一些 基本概念；第三章对无线电波传输环境做了描述，概括介绍了无线电波的一些传 南京邮电火学颁十研究生毕业论文第一章概 论 输特性：第四章对电波传播的预测模型进行了介绍，特别是对射线跟踪法的介绍， 在射线跟踪法的基础上提出了自己方法，能够对在拥有曲面的情况下传播的电波 进行场强预测。第五章则是对具体的环境进行了仿真模拟，对弯曲街道进行了场 强预测。并且在直街道情况下，用镜像法和s b r 的射线跟踪技术验证了本文提 出的新的方法的正确性。 4 南京邮电大学颂f 。研究生学位论文 第二帝几何光学和几何绕射理论 第二章几何光学和几何绕射理论 2 1 几何光学 几何光学是电磁场的近似计算方法，是以电磁场传播的射线理论为基础的。 电磁波在媒质中传播时，往往会遇到障碍物，这时，电磁波就会在障碍物表明发 生反射、折射和透射的现象。这些都可以用几何光学来解释和描述。几何光学的 主要限制是波长接近于零。对于电磁波传播，在频率很高的情况下允许采用凡何 光学近似。现在移动通信系统的工作频率一般比较高( 如1 8 0 0 m h z ) ，因而波长 与大多数障碍物的尺寸相比要小，此时电磁波的传播可以用几何光学来近似，即 认为电磁波沿直线传播。 2 图2 1 像散射线管 由几何光学的强度定律可知，在均匀媒质中，沿着一个射线管的总能量流是常数。 所以电磁波在均匀媒质中传播时，可以利用几何光学定律来确定场强将沿着射线 发生的变化。利用此定律来计算点源产生的直射波的电场。图( 2 1 ) 所示为像 散射线管| 5 】，射线的两个横截面分别为& 和s ，& 的两个主曲率半径分别为 p 和岛，两个截面距离为j 。由几何强度定律可知，两截面的场强关系为： 南京邮i 乜_ 人学硕士研究生毕业论文第二章几何光学和几何绕射理论 所以 i e ( s ) 1 2 一强一p 1 ) 0 2 i e o l 2鲥( 一+ s ) ( 岛+ s ) i e ( s ) l = i 岛i 磊p , p 2 = 一( s ) l e o 式中的比例因子 a ( s ) = 二正 v ( 局+ s ) ( 岛+ s ) ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 称为扩散因子，表示电场幅度的空间扩散的衰减因子。 由( 2 - - 1 ) 式可以看出，对于以点源为顶点，引出的小的正四面角锥射线管 如图( 2 2 ) 所示，n = p 2 = p ，于是 i e ( s ) i = i e o l 去 ( 2 3 ) 图2 2 从点源发射出的射线管 在计算电磁场的问题时还要考虑相位因子的影响，取振幅参考面为相位参考 面，则从波面面元墨到波面面元s 的相位因子为e - 血，所以几何光学射线在 均匀媒质中传播的场为 巨= e o 式中巨是在s 处的场强，岛则是j = 0 处的场强幅度。 ( 2 4 ) 当从源点发出一族射线遇到一理想导电面时，这些射线就会在表面上发生发 南京邶 乜人学颂： j 研究生毕业论文第二帝几何光学和几何绕射理论 射，变成一族反射射线。反射射线场的形式与( 2 4 ) 相似，所以反射场7 ( ，) j 、 2 图2 3 发射射线管 可以表示为 矾小矾绋) 厝孤爵 ( 2 5 ) 式中g 为参考点，同时也为曲面上的反射点，如图( 2 3 ) 所示：硝和店是反 射波阵面的两个主曲率半径，是沿反射射线从反射射线观察点p 到参考点绋 点的距离。在反射点缘处，总的切向电场等于零，据此可以建立反射点繇处反 射场e ( 珐) 和入射场e ( g ) 的关系： 二f 罾渤) + 云池) f - 0 ( 2 6 ) 式中五表示g 点的面法线单位矢量。由( 2 6 ) 式，可以得出 云( 酝) = 五( 绋) 页 ( 2 7 ) 南京船也人：爹碘j 研究生毕业论文 第二帝几俺光学和几 可绕射理论 月表示在g 点的并矢反射系数。将( 2 7 ) 式带入( 2 5 ) 可得 云7c，=面cg。，焉j(j；磊一巾 c z s ， 虱2 - - 4 反射问题的射线基坐标系 在直角坐标系情况下，电场可以看成是有三个方向的分量组成。所以并矢反 射系数蠢应该有9 个分量。如图( 2 4 ) 所示，令；i 和；分别表示入射波垂直 极化波和平行极化波方向的单位矢量：令若和并分别表示反射波垂直极化波和 平行极化波方向的单位矢量；墨和异分别表示垂直极化波和水平极化的电场反 射系数。在这里，垂直极化7 和水平极化，都是相对于由入射线粕面法线所 构成的入射面而言的。在这种坐标系中 r=qpp1+墨1ellell(2-9) 若设入射波的方向为；，分界面的法向单位矢量为二，则入射波的垂直单位矢 量 e i ：篙( 2 一l o ) f f m f 南京邮i 乜人学硕t ：g f 究生毕业论文第二二章几何光学和几何绕射理论 入射波的平行单位矢量 ， j e l l2 p lo f 反射波的垂直单位矢量 反射波的平行单位矢量 貉：( 碱) 弑 入射角和反射角 肚0 7 = a r c c 。s 陆l 垂直和水平反射系数分别为： r ：! ! ! 竺二选! 鱼三塑些 3 c o s 0 。+ 、j s 2 f s 、- s i n 2 拶 属，：生! 鱼2 1 1 1 竺二圣! 鱼：! ! 竺! 竺 “( 岛c i ) c o s 0 + 如q - s i n 2 式中，岛和岛分别为两中媒质的介电常数。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 在曲面上反射时，反射波波阵面的两个曲率半径( 屏，硝) 与入射波波阵 面的两个主曲率半径( 爿，a ) 以及反射面在婊点的两个主曲率半径( r i ，r 2 ) 有关。结果6 1 为 格防砂花南掣掣( 者一笥 + 警掣( 六一驯器 降珊一等铲1 川+ 锱c o s 2 s i n 2 a os i n 2 c o oc o s o ( 2 一1 7 ) 纠一怒c o s 2 式中，对于凹曲面来说，r ： 0 。& ( g ) 和辟( 绋) 是 南京邮电_ 夫学顺f j 研究生毕业论文第二章几何光学和几何绕射理论 曲面在绋点的主曲率半径，其中反( g ) 是入射平面内的曲率半径。入射波阵面 的主方向和有关角度在图( 2 - - 5 ) 中表示出来。单位矢量；，；，5 ，曲面的主 方向u i 和u 2 ，以及( u 2 和，之间的夹角) 在图( 2 6 ) 中表示出来；计算( ， 硝) 所需要的矩阵可以从文献m8 9 1 中查到。 甩 圈2 5 曲面反射波阵面几何关系中反射点的各单位矢量 ? 禺 l j “i p 上 2 图2 6 曲面反射波阵面几何关系中主方向 0 南京邮l u 大学碳f 铆f 究生毕业论文 第二章几何光学和几何绕射理论 2 2 几何绕射理论的基本概念 几何光学只能研究直射、反射和折射的问题，它不能用来解释绕射的现象。 当光线入射时遇到障碍物时，按照几何光学理论，光线不能进入阴影区。但实际 上阴影区的场并不等于零。这就是出于绕射造成的现象。几何光学不能解释，所 以凯勒就提出了几何绕射理论。通过引入一种绕射射线来消除几何光学阴影边界 上场的不连续性。几何绕射理论可以归结为如下3 点： ( 1 ) 绕射场是沿绕射射线传播的，射线的轨迹可以用广义费马定理确定。 ( 2 ) 绕射场只是取决于入射场和散射体表面的局部特征。 ( 3 ) 绕射射线离开绕射点后的射线遵循几何光学定律。 入射射 s 图2 7 边缘绕射 图2 8 尖顶绕射 南京邮电大学顺f j 研究生毕业论文 第二章几何光学和几何绕射理论 图2 9 表面绕射射线 凡是能够产生绕射的点都是界面上场不能连续的点。例如物体的边缘可以 产生边缘绕射图( 2 7 ) ，尖顶可以产生尖顶绕射图( 2 8 ) ，物体的凸面可以产 生表面绕射图( 2 9 ) 。 当一条入射射线遇到理想的导电凸曲面【l “，并且与凸曲面相切如图( 2 9 ) 时。此射线的场将分成两部分，部分入射能量还是沿着入射的方向传播，遵循 几何光学定律；另一部分将不再沿着入射的方向传播，它将沿着凸曲面传播，形 成表面射线。表面射线在沿着凸曲面传播时将不断的沿着凸曲面的切线方向发出 绕射射线。由于表面射线在传播过程中就像是沿着曲面在行走，所以可以形象的 把它称为“爬行波”。如果凸曲面是封闭的，它将“爬行”无穷多周，实际上由 于“爬行波”的衰减特别的快，所以只要考虑一周上的绕射射线就可以了。对于 处在凸曲面阴影区点的场，表面绕射场( 只) 根据几何绕射理论可以写成为 云。( 只) 西。( 昂) 一俐 ( 2 1 8 ) 如图( 2 1 0 ) 所示，表面绕射射线管的相关的参量彳，硝，和一可以 从图上看出。将参考点昂移动到绕射射线的出射点绞点。此时，就可以把( 只) 写成 五4 ( 只) = 躲 厨刚 2 一i 域( 2 - - 1 9 ) 南亲船也大学硕士研究生毕业论文 第二章几何光学和几何绕射理论 若令 孵 厨云。( 咒) _ 罾7 ( 。i ) 亍( 9 l ，q ) ( 2 咄) 定义鼻m o 硝2 反，“l i m + 。s o a ；j 。，于是( 2 - - 1 8 ) 式可以写成 z 。( 只) = l ( g ) 于( 鸟，q 2 ) 一m 。 ( 2 2 1 ) r ( q i ，q 2 ) 为并矢传输函数。用来说明从q l 点表面射线的反射，以及在q 1 和q 2 之 间表面波场的衰减，表面射线在q 点的绕射量。它可以根据典型问题求出。 2 3 凹曲面的反射 图2 1 0 表面绕射射线管 当射线在凹曲面的内侧进行反射的时候，在理想情况下，会有一种在传播时 南京i | | | f i 乜大学坝- k l o f 究生毕业论文第二章几何光学和几何绕射理论 不衰减的束缚模式，称为低音廊模( w h i s p e r i n g g a l l e r ym o d e s ) 。低音廊效应可 以用几何光学来近似的说明，如图( 2 11 ) 所示，低音廊是有一系列的反射波 形成的。反射波的射线沿凹反射面形成许多的弦，在每一个弦上都有个焦散点。 应当指出，越接近掠入射则弦的长度越短，在掠入射时，弦的长度趋于零，这时 还是用几何光学的来说明低音廊模现象就不成立了，几何光学的分析就必须终 止，如果几何光学的分析误差不大，则凹面反射就可以照此分析。否则，就需要 更严格的方法来分析。具体的可参照文献 6 , 1 h 。 4 南京邮l u 人学硕t 研究生学位论文 第三章无线 u 波传播 第三章无线电波传播 3 1 环境对移动通信的影响 无线电波的传播环境【1 2 1 是非常的复杂和多样化。在移动通信中，移动台的 位置总是处于不断的变化过程中，再加上周围环境的影响，就会导致无线电波传 播过程中的多径衰落现象【l3 1 ，形成瑞利衰落，移动台接收到的信号场强的振幅 和相位也发生快速的变化。陆地移动通信的移动台经常穿梭于建筑物等各种障碍 物之间，信号强度随着移动台运动的变化幅度很大。在数字通信中，多径传播产 生多径时延，会致使接收到的信号特性发生变形，增加数字通信中码元的错误。 例如，蜂窝移动通信系统是许多的基站组成，每个基站按照设计的要求覆盖一定 的区域，所有的基站覆盖的区域组成联系的覆盖区。宏蜂窝的基站天线一般是高 于基站周围的障碍物的，但是移动台的位置经常的会低于其周围的障碍物，因此， 基站和移动台之间大部分时间都是非视距的。基站天线发出的无线电波只能通过 障碍物的反射、散射和绕射等传播途径到达移动台。特别是在移动台处，平面波 从四面八方以不同的延迟到达移动台，这种特性称为多径传播，多径传播引起多 径衰落。 3 2 电波在自由空间内的传播 电波在自由空间中传播的情况是在研究电波传播特性中最基本、最简单的一 种情况。所谓的自由空间是指满足下面条件的一种理想空间： ( 1 ) 各向同性。 ( 2 ) 电导率为零，介电常数和磁导率等于真空中的介电常数岛和磁导率。 ( 3 ) 均匀无损耗的无限大空间。 在理想空间中，电磁波的能量没有介质损耗，也不存在电磁波的反射、散射和绕 射等现象。电磁波的传播速度就等于光速。自由空间是一种理想情况，实际上电 波传播总是在有限的空间内，总是要受到周围环境的影响。但是，研究电波在自 由空间的传播，可以提供一个比较有用的参考，来评价电波在实际空间传播的传 南京邮i 乜大学顾士研究生毕业论立 第三章无线电波传播 输路径性能。 用分贝表示自由空间的传输损耗可以写成为： 厶，= 3 2 4 4 7 8 + 2 0 1 0 9 f + 2 0 1 0 9 r ( d b )( 3 1 ) 式中r 是收发天线之间的距离( k r n ) ，f 表示电波的频率( m h z ) 。电波在自由空 间传播的过程中是没有任何的损耗的，能量没有被吸收，能量密度保持不变，因 此，如电波是平面波，则在传播过程中幅度是保持不变的。而在此所讨论的传输 损耗是相对于球面波来说的，随着传输距离的增加，电波将不断的被扩散，接收 点接收到的能量就会减少。这是由于球面波扩散引起的损耗，所以叫做扩散损耗。 3 3 电波在平坦地面环境下的传播 电波在自由空间的传播是没有障碍物的阻挡，收发天线之间只要一路直达信 号就可。但是如果电波是在有平坦地面的环境下传播，即收发天线在平坦地面上， 在收发天线之间就会有两路信号：一路是直达信号；一路是由于地面反射而形成 的反射信号。接收机接收到的信号就是这两路信号的合成。平坦地面上的电波特 性可以用双射线模式【1 4 】来描述。 图3 1 双射线模式 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章光线f b 波传播 双射线模式可以直接用来计算路径损耗。在计算时用平面波代替球面波，计 算如图( 3 1 ) 所示的地面上收发天线之间的电波传播特性。在接收天线处，将 来自发射天线的直达天线和经过平坦地面反射的反射射线相叠加，就可以得到双 射线模式。 假设在自由空间中的收发天线的增益都为1 ，则在接收天线处接收到的场强 可以写为： i ：巫。一m ， ( 3 2 ) 对于平坦的地面，有镜像原理就可以得到处于平坦地面上的接收天线处的场强 为： 西。：华e 一幽+ 掣r ( y ) p 蛳n ) ( 3 _ 3 ) + ，1 、 式中，卑是发射天线的发射功率；r ( ) 表示水平极化波和垂直极化波的反射系 统；1 ，匕和屯的几何意义如图( 3 1 ) 所示。若假设k ) i = 1 ，频率为1 8 0 0 m h z ， 发射天线的高度为9 m ，接收天线的高度为1 6 m 。双射线模式表示的水平极化波 和垂直极化波的接收功率随距离的变化如图( 3 2 ) 所示： 矗 已 攥 辎 堪 瀣 1 7 南京邮l 毡大学硕1 研究生毕业论文 第三章光线 b 波传播 3 4 电波在复杂情况下的传播 在移动通信中，电波传播总是在多障碍物环境下传播的。在城市，电波会经 常的绕过建筑物，穿过建筑物进入室内或者在室内绕过各种拐角传播：在农村， 电波又会越过小山、被湖水反射等。移动通信环境这种复杂而且多变的特点，在 计算路径损耗时，需要进行详细的研究。针对不同的环境，就需要不同的计算方 法。在此将不再介绍，可以从文献【1 2 l 中查到。 3 5 对移动通信无线信道的研究 要研究移动通信中无线电波的传播特性，首先就要去了解移动通信本身的特 性。一般来说，无线通信环境中的信号有三种传播机制：一个是大范围的路径损 耗，反映了自由空间传播损耗和传播中的扩散损耗，具有幂定律的传播特性：二 是中等范围慢变化的阴影衰落，是由于阴影遮挡、地形变化引起的，具有对正态 分布：三是小范围快速变化的多径衰落，它是有多径效应引起的，它服从瑞利概 率密度函数，也称为瑞利衰落。事实上，移动通信的无线信道已经成为了许多理 论分析和现场测量的课题，并且得到了许多与之相关的结果。某些给出了精确的 数学描述，有些给出了统计的模型。由于移动通信无线信道的复杂性和多样性， 现在仍然有许多的问题要去研究。例如，现代城市建设的建筑物都是五花八门， 就需要对不同环境( 小环境) 的无线信道进行不同的研究。 对移动通信无线信道的研究，有特定的流程和方法： ( 1 ) 进行理论分析，用电磁场理论或者是统计理论分析移动通信中的电波 在某个环境下的传播特性，用各种的数学模型来加以描述。在分析的过程中， 往往要对许多的条件进行假设，以简化模拟过程。所以，数学模型对信道的 描述都是近似描述。即便如此，这些理论分析对认识和研究移动通信的无线 信道仍有指导意义。 ( 2 ) 进行现场实际测量，就是说在特定的环境下，进行传播的试验。测量 内容包括接收信号的幅度、延时以及其它能够表示信道特征的参量。测量完 后，对测量出来的数据进行分析，提取出其中有用的结果。由于移动通信环 境的复杂和多样性，现场的实际的测量是研究移动通信无线信道最可靠，最 南京邮l u 人学顺一e 研究生毕业论文 第三章无线电波传播 直接的重要方法。 ( 3 ) 利用计算机对移动通信无线信道在某些环境下的传播进行仿真，随着 最近几年计算机技术的快速发展，新出现了许多以计算机为基础的模拟仿真 方法。理论分析时需要进行假设，以简化一些条件，近似的认为环境属性是 不变的，这不符合移动通信环境的多样性，限制了理论分析的适用范围。而 现场测量只是对特定的环境进行分析，而且费时、费力。不同的环境都需要 测量，工作量大。现在，在计算机支持下可以随意的模拟各种环境，对不同 环境下的无线信道特性进行模拟仿真，成为了移动通信无线信道研究的重要 方法。 在实际的应用过程中，上述的三种方法是相辅相成、互相补充的。不同的方 法用在不同的研究阶段。移动通信电波传播特性的研究结果常常是用下面的两种 方法给出： ( 1 ) 用某种统计结果来描述移动通信无线电波传播特性。例如，理论与实 际测量的结果相互结合。能够得出接收信号的幅度符合瑞利分布等等。 ( 2 ) 建立电波传播的模型。模型一般是用图表来表示。例如，利用计算机 可以仿真模拟出一个基站天线的覆盖大小，如果把它与电子地图配合，就可 以很方便的找出覆盖的盲区。有助于对移动通信无线基站的规划和优化。 由于移动通信环境的复杂性和多样性，不可能建立一个统一的模型。不同的 模型适用的范围不同。 移动通信无线信道特性还受到系统本身的影响，例如同频干扰、邻频干扰、 移动台的运动状况等等。无线信道不同的工作频率，信道特性也不相同。总之在 分析无线信道特性时必须要搞清楚下面三点：一是无线信号变化的原因；二是变 化对系统的影响；三是解决的方法。 南京邮电大学硕士研究生学位论立第删章电波预测的主要模式 第四章电波预测的主要模式 4 1 电波预测的方法 随着移动通信环境的不同，电波的传播特性也就不同，按照以往的标准， 一般的把这些环境分为市中心、市区、郊区以及农村等。移动通信中的电波传播 环境是一种比较恶劣的环境。在此环境中，电波的传播特性非常的复杂，特别是 在城市市区中，城市建筑物是各种各样的紧临密布，电波的传播不知道要经过多 少次的反射、散射和绕射等，才能到达接收机。而且接收的射线经过叠加，接收 信号的幄度和相位会发生很大的变化，加上城市移动通信非常重要，覆盖城市的 基站又多又复杂，所以，市区内的电波传播特性历来是研究的重点。按照地理位 置来划分的话，移动通信系统可以分为两种：室内无线通信系统和室外无线通信 系统。室内无线通信系统包括无线接入网、蜂窝电话、无绳电话等，一般的都是 采用微蜂窝和微微蜂窝来覆盖，室内无线通信系统的覆盖半径小，天线的发射功 率低，用户密度高，建筑物的结构复杂，移动性低。室外无线通信系统包括蜂窝 、电话、卫星通信等，一般采用的是微蜂窝与宏蜂窝叠加覆盖，特别是在市中心， 般是采用微蜂窝覆盖。城市的人口密度大，用户量高，环境复杂，所以，研究 城市微小区的电波传播特性有非常重要的意义。 对无线通信信道的传播特性的研究方法可以分为两类： 第一类：统计方法，即在各种类型地传播环境中进行发射和接收的实验，现 场记录下接收信号的各种数据。实测后，用计算机对大量地数据进行统计分析， 寻找出反映传输特性的各种参数地统计分布。再根据数据分析的结果，建立传输 信道的统计模型来进行传播预测。此方法的最大缺点是计算不够精确，但它有节 约时间的优势。若对场强分布的计算要求不高的情况下，统计方法就是最简单有 效的方法。无线信号在传播的时候，会受到多径衰落的影响，具体的表示式一般 的可表示【”j 为： p ( d ) = d “s ( d ) r ( d ) ( 4 - - 1 ) 式中，d 是基站和移动台之间的距离，尸p ) 表示信号的平均损耗，它是d 南京邮i 乜大学硕士研究生学位论文 第刖章电波预测的主篮模式 的函数：d 1 是信号的空间传播损耗，h 一般为3 4 ；s ( d 1 为阴影衰落，它是 由于无线信号传播环境中的地形起伏、建筑物以及其他障碍物对电波的反射、散 射和绕射等引起的衰落，也称为长期衰落或慢衰落。r ( d ) 为多径衰落，是由移 动传播的多径传播引起的衰落，也称短期衰落或快衰落。统计性方法进行电磁波 传播预测时，普遍用到的就是奥村一哈塔经验公式、c o s t 2 3 1 模式、l o n g l e y - - r i c e 模型、d u r k i n 模型、e g l i 模型、l e e 模型、点对点预测模型。 不管是用那一种模式来预测无线覆盖范围，只是基于理论和测试结果统计的 近似计算。由于实际地理环境千差万别，很难用一种数学模型来精确的描述。但 是统计模型公式简单，使用方便，在现实地形地物和公式约束条件相差不远的条 件下，统计模型的确是种省时省力的预测方法。由于统计方法需要现场测试， 而且实测对测试环境的依赖性很大，对实测设备的要求也比较高，同时测试的工 作量大。特别是对微蜂窝环境的多样性以及实测数据的环境依赖性，较难建立具 有一定普遍意义的实测统计模型，鉴于此，在个人通信环境传播特性的研究中， 更多用到的是确定性方法。 第二类：确定性方法，即用电磁波的传播理论来计算路径的传播损耗，但是 直接用解麦克斯韦方程的纯理论方法却很少，因为传播环境的复杂性使得求解方 程所需的边界条件很难确定。所以多数研究采用的是射线跟踪法以及由射线跟踪 法衍生出来的种种算法，即用射线来表示电磁波束的传播，在确定发射天线和接 收天线的位置及其周围建筑等环境特征后，根据反射、绕射、折射、散射等波动 现象，找出主要的传播路径，再用理论分析的方法，计算出路径损耗及其其它反 映信道特性的参数。在分析中，往往要忽略次要因素，突出主要因素，建立简化 的传输模型，从而简化计算。确定性方法对传播环境的结构及其物理特性做了相 对精确的描述，因此更加适用于对预测精度高、情况多变的电磁波传播损耗预测。 确定性方法主要有解析法和射线追踪法。由于解析法运算量大，对计算机的 处理能力和容量的要求都非常的高，所以在实际中运用较少，特别是宏蜂窝。但 是随着移动通信系统向微蜂窝发展以及计算机速度的加快，解析法得到了广泛的 运用；射线追踪是一种被广泛应用于移动通信和个人通信环境( 室外宏蜂窝、街 道微蜂窝和室内微蜂窝) 中的预测无线电磁波传播特性的技术，可以用来辨认出 多径信道中收发之间所有可能的射线路径。一旦所有可能的射线被辨认出后，就 南京邮l 毡夫学颂士研究生学位论文第阴章电波预测的主要模式 可根据电磁波传播来计算每条射线的幅度、相位等，然后就可得到到达接收点的 所有射线的相干合成结果。 射线追踪技术又被称为高频技术。工作频率越高，运用射线光学原理处理电 磁波传播问题的精度就越高。 射线追踪技术是基于几何光学假设的基础之上的，因此电波波长假设为远小 于环境物体的大小，而事实上这种假设也是合理的。在u h f 和微波段，虽然漫 散射也可能很重要，但入射到建筑物墙上的射线在镜像方向的反射最强。在这种 前提下，电磁波的能量可以认为能通过直径为无限小的细管，经常称之为射线， 向外辐射，每条电波传播路径都可以用一条射线来代替，这些射线来源于发射天 线，并且在自由空间中经历直线传播。由于障碍物的存在，射线要经历反射，折 射和绕射等，每个障碍物被模型化为一系列的散射单元，比如平面墙壁产生的反 射和折射，直角边产生的绕射等，而每个散射单元都将由其电磁特性( 介电常数 、磁导率盯、电导率等) 来描述。当一条射线入射到一个平面墙表面时，部 分能量传输通过，部分能量反射回来，即射线一分为二。反射射线场和折射射线 场可以利用菲涅儿反射系数和菲涅儿折射系数来计算。当障碍物是一条棱边时， 射线被绕射，并且绕射线将沿一个锥体表面传播，而绕射射线场可以通过在绕射 点处的入射射线场乘以绕射系数和一个扩展因子来得到。这样每一条射线的相对 幅度和相对相位都得到后，接收端所收到的场强就是到达接收端的所有射线强度 的矢量和。 根据无线通信信道的传播特性研究的方法，可以把电波传播模式分为三种： ( 1 ) 经验模式。经验模式是根据大量的统计分析后得出的公式。用经验模 式的方法预测路径损耗非常的简单，不依赖相关环境的详细信息。但是，经验模 式只是能够对路径损耗的预测进行粗略的估计，精确度非常的低。 ( 2 ) 确定性模式。确定性模式是对一个具体的现场环境直接应用电磁场和 几何绕射等理论进行计算。得出在这个环境下场强预测比较精确的结果。对于环 境的描述可以从已有的数据库中直接得到，在环境描述中可以得到需要的精确等 级。用确定性模式的方法来预测路径损耗非常复杂，计算量大。 ( 3 ) 半经验或半确定性模式。半经验或半确定性模式是基于把确定的方法 用于一般的市区或室内环境下，导出计算的公式，为了改善它的精确度还需要与 南京邮l 乜_ 人学硕一 ：研究生学位沦义第阴市电波预测的主要模式 试验结果进行比较、修正得出公式。但是这些公式的应用只能是在周围环境相似 的时候才能用，不同的环境，公式不同。因为有了现成的公式，半经验或半确定 性模式应用起来也非常的方便、容易和速度很快。 由于移动通信环境的多样性和复杂性，每个传播模式都有自己的应用范围。 因此也可以根据它们的应用范围进行分类。移动通信环境通常只考虑三类：宏小 区( 或宏蜂窝) 、微小区( 或微蜂窝) 、微微小区( 或微微蜂窝) 。这三类小区都 有与之相适用的传播模式。例如，经验模式和半经验模式对具有均匀特性的宏小 区比较适合，半经验模式还适合于均匀的微小区，确定性模式适合微小区和微微 小区。 4 2 经验模式