第6章-传播模型及其校正

1、 传播模型校正传播模型校正6.4 引引 言言6.1 小小 结结6.5 无线传播特性和传播方式无线传播特性和传播方式 6.2 电波传播预测模型电波传播预测模型 6.3无线传播特性和传播方式无线传播特性和传播方式本章内容本章内容 无线传播特性和传播方式无线传播特性和传播方式 电波传播预测模型电波传播预测模型 传播模型校正传播模型校正本章重点本章重点 无线传播特性、大尺度衰落与小尺无线传播特性、大尺度衰落与小尺度衰落度衰落 各种经验模型及其应用范围各种经验模型及其应用范围 传播模型校正流程与原理传播模型校正流程与原理学习本章目的和要求学习本章目的和要求 了解无线传播环境特性了解无线传播环境特性 掌握

2、各种衰落特性及其衡量参数掌握各种衰落特性及其衡量参数 熟悉各种经验模型熟悉各种经验模型 了解传播模型校正原理了解传播模型校正原理 熟悉传播模型校正流程熟悉传播模型校正流程 无线信道的电波传播特性与其传播环无线信道的电波传播特性与其传播环境密切相关。境密切相关。 对传播模型的研究，主要集中在给定对传播模型的研究，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。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，描述传播道环境、电波传播特性及方式，描述传播模型

3、的基本理论及其在网络规划中的重要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。性、校正原理、过程和误差分析。 6.2.1 无线传播特性无线传播特性 移动信道是一种时变信道，无线电信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号通过移动信道时会受到来自不同途径的衰减损害。衰减损害。 人们把无线信号的衰减分为传播损耗、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（接收信号功率的关系如式（6-1）所示）

4、所示( )( ) ( )nP ddS d R d式中，式中， 为接收信号功率，它是基站和为接收信号功率，它是基站和移动台之间距离的函数；移动台之间距离的函数； 为矢量，表示距离的方向性；为矢量，表示距离的方向性； 为空间传播损耗，为空间传播损耗，n一般为一般为34；( )P ddnd 为阴影衰落，是由传播环境中的为阴影衰落，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；落特性符合对数正态分布；( )S d 为多径衰落，是由移动传播环境为多径衰落，是由移动传播

5、环境中多径传播引起的衰落，也称其为快衰落，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。其衰落特性符合瑞利分布。( )R d 6.2.2 自由空间的传播自由空间的传播 自由空间是指一种充满均匀、各向同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。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，则接收处的功率为面波辐射，则接收处的功率为2ttrr224PG GPd L 天线增益天线增益Gt、Gr的表达式分别为的表达式分别为ett2err244AGAG 波长波长 的表达式为的表达式为cf 在工程中经常采用各方向具有相

6、同单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此，定义有效全向发射功率EIRP为为ttEIRPPG 6.2.3 三种基本传播方式三种基本传播方式 1反射反射 2绕射绕射 3散射散射 6.2.4 大尺度衰落大尺度衰落 大尺度传播描述了长距离（几百米甚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，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

7、者更多）后所产生的波长大几百倍以上或者更多）后所产生的平均衰落情况。平均衰落情况。 产生的主要原因是无线电波在空间的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传播损耗，以及服从正态对数分布的阴影效应。效应。 在理想的自由空间传播环境下，电磁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。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大尺度衰落可以由天线分集和功率控制得到补偿。制得到补偿。 6.2.5 小尺度衰落小尺度衰落 无线电波在空间传播中除了要经历大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，其尺度衰落

8、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）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（衰落幅度一般在波动（衰落幅度一般在10dB30dB之间）。之间）。这一波动是由于两种独立而又相关的效应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。造成的，即多径衰落与多普勒频移。 当接收信号中当接收信号中LOS信号占有的比例很信号占有的比例很少时（实际传播环境的情况大抵如此），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）的概率密多径信号总和的包络（即振幅）的概率密度分布符

9、合瑞利或者莱斯分布概率密度函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。数，因此小尺度衰落又被称之为瑞利衰落。 1多径衰落多径衰落图图6-1 多径衰落多径衰落 2多普勒频移多普勒频移22coslv td1cos2vft图图6-2 多普勒频移多普勒频移 如果发送信号的码元周期大于信道的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，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，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

10、信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；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个或多个信号码元周期内是相对稳定不变的，称此信道

11、为慢衰落信道。的，称此信道为慢衰落信道。 6.2.6 无线信道分类无线信道分类图图6-3 无线信道衰落类型分类无线信道衰落类型分类图图6-4 小尺度衰落信道分类小尺度衰落信道分类 传播模型就是对无线传输信道的一种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播路径上障碍物阴影效应带来的慢衰落影响。响。 目前，在传播模型研究方面主要有以目前，在传播模型研究方面主要有以下两种方法。下两种方法。（1）直接应用电磁理论计算出确定）直接应用

12、电磁理论计算出确定性模型，比较有代表性的是射线追踪性模型，比较有代表性的是射线追踪法。法。 （2）基于大量测量数据的统计模型，）基于大量测量数据的统计模型，又称为经验模型。又称为经验模型。 6.3.1 室外传播模型室外传播模型 1Okumura-Hata模型模型 日本科学家奥村通过对城市进行大量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，得出系列经验曲线，基于这些测试数据，得出Okumura模型的表达式为模型的表达式为 (dB)50FmutereAREA( , )()()LLAf dG hG hG Ok

13、umura-Hata模型路径损耗计算的模型路径损耗计算的经验公式为经验公式为 (dB)5010c10tere10te10cellterrain69.5526.16log13.82log44.96.55loglogLfhhhdCC 2COST 231-Hata模型模型 COST 231-Hata模型是模型是EURO-COST组成的组成的COST工作委员会开发的工作委员会开发的Hata模型模型的扩展版本，应用频率扩展到的扩展版本，应用频率扩展到1 500MHz2 000MHz，而其他适用条件与，而其他适用条件与Okumura-Hata模型相同。通常视其为模型相同。通常视其为Hata模型在模型在2G

14、频段上的有效扩展。频段上的有效扩展。 COST 231-Hata模型路径损耗计算的模型路径损耗计算的经验公式为经验公式为 (dB)10c10tere10te10cellterrainM46.333.9log13.82log44.96.55loglogLfhhhdCCC 3COST 231-Walfisch-Ikegami模型模型 从名称中就可以看出，从名称中就可以看出，COST 231-Walfisch-Ikegami模型与模型与COST 231模型之模型之间存在一定的关系。间存在一定的关系。 图图6-5 COST 231-WI模型（模型（NLOS） 4CCIR模型模型 CCIR模型由原模型由

15、原CCIR（现（现ITU-R）提）提出，综合考虑了自由空间路径损耗和地形出，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，引入的路径损耗对无线电波传播的影响，计算公式为计算公式为 (dB)10c10tere10te1069.5526.16log13.82log44.96.55loglogLfhhhdB 5LEE模型模型（1）LEE宏蜂窝模型宏蜂窝模型 考虑人为建筑物对接收功率影响的考虑人为建筑物对接收功率影响的LEE宏蜂窝模型宏蜂窝模型rr00r10PPP d 加入地形地貌影响后的加入地形地貌影响后的LEE宏蜂窝宏蜂窝模型模型 无阻挡的情况无阻挡的情况brr1100101

16、00b0log20logloghdfPPndhf r1(dBm)P(dB/dec)自由空间自由空间4520开阔地区开阔地区4943.5郊区郊区61.738.4表表6-1衰减因子数值衰减因子数值 有阻挡的情况有阻挡的情况 rr11001000loglogrfPPL vnrf 水面反射的情况水面反射的情况2r04PPd（2）LEE微蜂窝模型微蜂窝模型 LEE微蜂窝小区路径损耗预测公式为微蜂窝小区路径损耗预测公式为 (dB)lost,ABLLdhL 6SPM模型模型 现在很多的网络规划软件中经常使用现在很多的网络规划软件中经常使用标准传播模型，也叫标准传播模型，也叫SPM（Standard Prop

17、agation Model）模型，它建立在）模型，它建立在COST 231-Hata经验模型的基础上。经验模型的基础上。 其计算公式为其计算公式为 (dB)501210310te4Diffraction51010te610re7ClutterlogloglogloglogLKKdKhK LKdhKhK f 1K2K3K4K5K6K7K密密 集集 城城 区区城城 区区郊郊 区区乡乡 村村39.0121.29238.8738.6940.0733.4840.196.385.015.455.830.160.120.380.126.556.559.616.5500001111表表6-2 不同区域的模型校

18、正结果中的不同区域的模型校正结果中的K值值 7标准宏小区模型标准宏小区模型 网络规划软件网络规划软件AIRCOM还支持的一种还支持的一种传播模型，叫做标准宏小区传播模型传播模型，叫做标准宏小区传播模型（Standard MarcroCell Model）。）。 该模型也是建立在该模型也是建立在COST 231-Hata经经验模型基础之上，适用的频段从验模型基础之上，适用的频段从150MHz2 000MHz，基站天线高度范围，基站天线高度范围为为15m200m， 接收机高度范围为接收机高度范围为1m10m，其计算，其计算公式为公式为 (dB)5012103 re410re510te61010te

19、7DiffractionClutterlogloglogloglogLKKdK hKhKhKdhK LL 6.3.2 室内传播模型室内传播模型 室内的无线传播同样符合反射、绕射、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，散射的传播机理，但与室外传播环境相比，条件却不相同。条件却不相同。 1对数距离路径损耗模型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很多研究表明，室内路径损耗遵从公式式 (dB)0100()10 logdLL dnXd 2Ericsson多重断点模型多重断点模型Ericsson多重断点模型是通过对多层多重断点模型是通过对多层办公室建筑物

20、大量测试总结得出的。办公室建筑物大量测试总结得出的。 图图6-6 多重断点室内路径损耗模型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 衰减因子模型中包含了建筑物类型影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。衰减因子模型响以及阻挡物引起的变化。衰减因子模型的公式为的公式为 （dB） 0SF100( )()10logdL dL dnFAFd 传播模型是对无线信道的一种仿真，传播模型是对无线信道的一种仿真，在在CDMA网络规划中，人们用它来预测接网络规划中，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

21、程度。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，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。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一般传播模型校正可大致按以下三步进行。进行。 1数据准备数据准备 2路测数据处理路测数据处理 3模型校正模型校正 以以CW测试为例，传播模型校正的流测试为例，传播模型校正的流程如图程如图6-7所示。所示。图图6-7 传播模型校正流程图传播模型校正流程图 6.4.1 数据准备数据准备 1电子地图与基站数据电

22、子地图与基站数据 进行模型校正就必须具有电子数字地进行模型校正就必须具有电子数字地图。图。 电子地图是由反映地形高度的数字高电子地图是由反映地形高度的数字高程模型程模型DEM数据、反映地面覆盖种类的地数据、反映地面覆盖种类的地面覆盖模型面覆盖模型DOM数据、反映地面线状的线数据、反映地面线状的线状地物模型状地物模型LDM数据及反映建筑群高度的数据及反映建筑群高度的建筑物分布模型建筑物分布模型BDM数据等构成。数据等构成。 对于对于CW测试，需要架设专门的测试测试，需要架设专门的测试基站。基站。 校正时所需要的基站数据信息有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

23、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。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 车载测试的类型有两种，一种是车载测试的类型有两种，一种是CW测测试，即在典型区域架设发射天线，发射单试，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车载测试，使用车载接收机接收并记录各处的信号场强。处的信号场强。 另一种是现网测试，即在已经运营的另一种是现网测试，即在已经运营的CDMA网络中，在预先设定的

24、路线上进行网络中，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。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。路测路径直接关系到测试数据的准确性。 选择测试路径时，应考虑以下几个方选择测试路径时，应考虑以下几个方面：面：（1）测试路线必须在规划范围内，）测试路线必须在规划范围内，得到该区域内不同距离、不同方向的得到该区域内不同距离、不同方向的测量数据；测量数据；（2）测试路线应涵盖能够跑到的所）测试路线应涵盖能够跑到的所有道路，以一

25、般道路为主，尽量避免有道路，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，选择高速公路、高架路或较宽的公路，最好选择宽度不超过最好选择宽度不超过3m的狭窄公路；的狭窄公路；（3）尽量避免跑到高楼阴影区，避）尽量避免跑到高楼阴影区，避免在同样的路线上反复测试；免在同样的路线上反复测试；（4）确保在某一距离上至少有）确保在某一距离上至少有45个测量数据，以消除位置影响；个测量数据，以消除位置影响；图图6-8 CW车载测试设备车载测试设备 6.4.2 CW路测数据预处理路测数据预处理 车载测试收集到测试区域瞬时接收功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。数据处理率数

26、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损耗的计算。由此，数据处理可分为数据过滤、过滤、GPS调整、地理平均、数据筛选四调整、地理平均、数据筛选四部分，部分， 图图6-9 路测数据预处理流程路测数据预处理流程 1CW测试数据过滤测试数据过滤 2测试数据测试数据GPS调整调整图图6-10 GPS调整前测试数据在电子地图上的位置图调整前测试数据在电子地图上的位置图图图6-11 GPS调整后测试数据在电子地图上的位置图调整后测试数

27、据在电子地图上的位置图 3计算每个计算每个bin的接收功率的接收功率图图6-12 各个各个bin的路测路径及瞬时接收功率的路测路径及瞬时接收功率 第第i个个bin的瞬时接收功率均值为的瞬时接收功率均值为1iNkkiiEEN 4计算路径损耗计算路径损耗 第第i个个bin的路径损耗计算为的路径损耗计算为btbbmother()iiiLEIRPEPGLGLE 5数据筛选数据筛选 数据筛选的条件包括：数据筛选的条件包括：（1）过滤近端数据，一般滤除距离）过滤近端数据，一般滤除距离测试基站测试基站100m范围以内的数据点；范围以内的数据点；（2）过滤远端数据，一般滤除距离）过滤远端数据，一般滤除距离测试

28、基站测试基站3 000m范围以外的数据点；范围以外的数据点；（3）使用经典模型计算该）使用经典模型计算该bin的路径的路径损耗，称其为预测路径损耗，而后比损耗，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，将较预测路径损耗与实测路径损耗，将与预测值相差大于与预测值相差大于50dB的实测值对的实测值对应的数据点滤除；应的数据点滤除；（4）根据用户自身需求，可以设定）根据用户自身需求，可以设定天线辐射方向某个范围内的数据有效天线辐射方向某个范围内的数据有效（数据点与测试基站连线与参照物的（数据点与测试基站连线与参照物的夹角在设定的天线辐射有效起止角度夹角在设定的天线辐射有效起止角度之内为

29、有效）。之内为有效）。 6.4.3 校正原理与误差分析校正原理与误差分析 1模型校正原理说明模型校正原理说明 传播模型校正问题实际上就是数学上传播模型校正问题实际上就是数学上的多元线性回归方法问题。的多元线性回归方法问题。 2校正算法流程校正算法流程 不同的传播模型可以有不同的校正流不同的传播模型可以有不同的校正流程程 3校正结果及误差分析校正结果及误差分析 模型模型名称名称系数系数原始原始CCIR模型系数模型系数校正后校正后CCIR模型系模型系数数K169.5564.30K226.1626.16K313.8213.82K444.957.24K56.556.55K62.542.54K70.50

30、.5K810.98表表6-3 校正前后校正前后CCIR模型参数对比模型参数对比 校正后引入的地物类型因子如表校正后引入的地物类型因子如表6-4所所示。示。地地 物物 因因 子子校正后取值校正后取值乡村开阔地乡村开阔地0.92市区开阔地市区开阔地0.89绿地绿地0.61高层建筑群高层建筑群0.32一般规则建筑一般规则建筑0.12平行规则建筑平行规则建筑0.03大基底、不规则低矮建筑大基底、不规则低矮建筑0.67不规则低矮建筑不规则低矮建筑0.24表表6-4校正后地物类型因子值校正后地物类型因子值图图6-13 路径损耗实测值和校正前、后模型预测值对比路径损耗实测值和校正前、后模型预测值对比图图6-14 校正前后误差均值对比校正前后误差均值对比 在校正过程中，校正的精度受到多种在校正过程中，校正的精度受到多种因素的影响，如果不考虑工程设计方案和因素的影响，如果不考虑工程设计方案和人为因素，影响模型精度的还有如下几个人为因素，影响模型精度的还有如下几个方面。方面。（1）发射机和接收机的精度及其工）发射机和接收机的精度及其工作的稳定性；作的稳定性；（2）数据采集的数量、覆盖地物类）数据采集的数量、覆盖地物类型的范围及其代表性；型的范围及其代表性；（3）数字地图的精度及其更新程度；）数