移动通信电波传播的大尺度路径损耗特性

第六章、移动通信的电波传播无线移动信道是极其随机的无线电波的传播通道，因此，分析移动信道的特性常常会变得很困难。传统的研究移动通信电波传播特性的方法是基于实际测量，研究电波传播的场强均值（平均值）随传播距离的变化特性或电波传播的衰减均值（即损耗平均值）随距离的变化特性，此即电波传播的大尺度路径损耗特性。移动通信电波传播的大尺度路径损耗特性对于研究和预测场强的覆盖特性非常有用。2023/2/21第1节、移动通信电波传播特点特点：移动台在行进中通话，由移动所带来的随机性移动台天线架设高度很低同时存在多径衰落和地形衰落信号场强小很多，通信质量受到环境噪声和多径衰落的严重影响移动台的速度也会对信号电平的衰落带来影响。统计方法的应用2023/2/22典型的移动信道电波传播路径在移动通信中，电波主要以空间波和表面波的方式传播2023/2/232023/2/24多径衰落是快速的微观变化，又称小尺度衰落或简单衰落，用来描述一小段时间内或与波长相比很小的一段传播距离内信号在幅度、相位或多径延迟上的快速波动；地形衰落是缓慢的宏观变化，又称大尺度衰落或阴影效应，这两种衰落叠加在一起。绕射损耗绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。绕射损耗：各种障碍物对电波传播所引起的损耗。传播余隙：设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图所示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中x称为传播余隙。2023/2/25传播余隙2023/2/262023/2/27障碍物引起的绕射损耗与传播余隙之间的关系如图所示。其中x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径）。结论：当横坐标x/x1>0.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约6dB；当x<0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。2023/2/28反射损耗电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，就会发生反射现象。图中给出了从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。反射波与直射波的行距差为：两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差为：

2023/2/29直射波和反射波2023/2/210散射损耗散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射波产生于粗糙表面，小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会引发散射。2023/2/211第2节、地形特征和传播环境的分类和定义我国地域广阔，地形复杂，但大致可分为两类，即“准平坦地形”和“不规则地形”。准平坦地形：在传播路径的地形剖面图上，地形表面起伏高度在20以下，而且其起伏是缓慢的，峰点和谷点之间的距离必须大于波动表面的高度，在以公里计的距离内，其平均地面高度差仍在20以内。不规则地形：除准平坦地形以外的其他地形。2023/2/212一、地形特征和传播环境的分类1.地形特征的分类和定义准平坦地形不规则地形孤立山岳丘陵地形倾斜地形水陆混合路径除准平坦地形以外的其它地形在传播路径的地形剖面图上，地形表面起伏高度在20m以下，而且其起伏是缓慢的，峰点和谷点之间的距离必须大于波动表面的高度，在以公里计的距离内，其平均地面高度差仍在20m以内。2023/2/213各类地形的定义地形h(m)水面或非常平坦的地形0~5平坦地形5~10准平坦地形10~20小土岗式起伏地形20~40丘陵地形40~80小山区80~150山区150~300陡峭山区300~700特别陡峭山区〉7002023/2/214通常传播环境分成三类：开阔区：在电波传播方向上没有高大的树木或建筑物等障碍物的开阔地带，或者在电波传播方向上300～400m以内没有任何阻挡的小片场地，如农田、广场等。郊区：在移动台附近有不太密集的1～2层楼房和稀疏的小树林，包括农村或城市郊公路网等。市区：在此区域内，有拥挤的两层以上的建筑物或密集的高楼大厦，除此之外的区域均称为过渡区域。2023/2/215天线有效高度的定义移动台天线的有效高度：天线在当地地面以上的高度。hb平均高度基站天线15km3kmhm移动台天线基站天线的有效高度：沿通信方向，距发射天线3~15km

范围内平均地面以上的高度。2023/2/216移动通信中天线有效高度移动台天线有效高度hm：天线在当地地面以上的高度。基站天线有效高度hb：沿通信方向，距发射天线3～15km范围内平均地面以上的高度。2023/2/217地形衰落/慢衰落：接收信号场强中值随时间、地点以及移动体的移动速度作比较平缓的变化的现象。原因：移动体移动过程中，电波传播路径的随机变化。建筑物和地形起伏的阴影效应大气折射状况的平缓变化第3节、移动通信电波传播的大尺度路径损耗特性2023/2/218慢衰落的速度与频率无关，仅取决于移动体的移动速度衰落深度随频率而变化高频信号容易穿透建筑物低频信号绕射能力强慢衰落特性2023/2/219场强中值的变化服从对数正态分布当同时考虑位置分布和时间分布的影响时2023/2/220场强中值随位置分布和时间分布的标准差频L(dB)t(dB)率准平坦地形不规则地形，hDMHz城市郊区50150300Km50100150175508910陆地2571503.5~5.54~791113海面9142045067.5111518混379119006.58141821合2023/2/221h10%90%基站天线10Km接收机D：收、发天线之间的距离；h：地形波动高度。沿通信方向，距接收点10km范围内，分别有10%和90%的地段超过的高度之差。2023/2/222Longley-Rice模型：应用于f为40MHz到100GHz之间，不同种类的地形中点对点的通信系统。可以做到点到点方式的预测和区域预测。Durkin模型：建立访问服务区的地形数据库，可看成是二维阵列，然后计算沿径向的路径损耗，最后仿真的接收机位置可被重复地移动到服务区不同的位置来推导出信号场强轮廓。Okumura模型：应用最广泛。Hata模型：根据Okumura曲线图所作的经验公式，频率范围从150MHz到1500MHz。以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。Walfish和Bertoni模型宽带PCS微蜂窝模型2023/2/223第4节、移动通信场强均值和传输损耗预测模型1．奥村(Okumura)模型OM模型（Okumura模型）：由奥村等人，在日本东京，使用不同的频率，不同的天线高度，选择不同的距离进行一系列测试，最后绘成经验曲线构成的模型。思路：将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中值。对于郊区，开阔区的场强中值，则以城市场强中值为基础进行修正。对于“不规划地形”也给出了相应的修正因子。由于这种模型给出的修正因子较多，可以在掌握详细地形，地物的情况下，得到更加准确的预测结果。2023/2/224Okumura模型为预测城区接收信号场强使用最广泛的模型。应用频率在150MHz～1920MHz之间(可扩展到3GHz），距离为1km～100km之间，天线高度在30m～1000m之间。

特点：以准平坦地形大城市市区的中值场强或路径损耗为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。适用范围2023/2/225（1）准平坦地形大城市市区的中值场强随距离的衰减特性f=150MHz发射天线：半波偶极子天线有效辐射功率：1kWhm=1.5m2023/2/226f=450MHz发射天线：半波偶极子天线有效辐射功率：1kWhm=1.5m2023/2/227f=900MHz发射天线：半波偶极子天线有效辐射功率：1kWhm=1.5m2023/2/228（2）中值路径损耗与距离和频率的关系其中， ——准平坦地形中值路径损耗；

——自由空间的路径损耗；

——准平坦地形相对于自由空间的中值损耗。

中值路径损耗模型：2023/2/2292023/2/230（3）有关中值路径损耗的各种校正因子

——基站天线有效高度增益因子

——移动天线有效高度增益因子a)天线有效高度增益因子：注意：天线有效高度增益为严格的高度函数，与天线类型无关。2023/2/231f=150~2000MHz2023/2/232与频率和传播环境有关2023/2/233b)郊区和开阔区校正因子Ks,Q0,Qr：注意：1）校正因子表现为增益

2）计算损耗时，需减去上述因子

3）若计算出的损耗小于自由空间的损耗，则以自由空间的为准。2023/2/2342023/2/235c)道路走向校正因子Kp,Kv：注意：1）道路走向与通信方向平行和垂直时，接收的场强中值相差较大

2）道路走向因子是通信距离的函数，与频率无关2023/2/236在纵向街道上衰耗较小，横向街道上衰耗较大。也就是说，在纵向街道上的场强中值高于基准场强中值，在横向街道上的场强中值低于基准场强中值。纵向修正因子kal和横向修正因子kac如图3-16所示。2023/2/2372023/2/238d)道路宽度校正因子Wf：有效道路宽度W’:2023/2/2392023/2/240e)不规则地形校正因子Kh,KA,Kis,Ki：2023/2/2412023/2/2421）表现为增益2）和水面与基站和移动台的相对位置有关2023/2/2432023/2/244f）建筑物的影响影响因素：

建筑物的高度，传播方向和直射波到达的角度。式中,Lb为实际路径衰耗中值，L0在街心的衰耗中值，Lp为建筑物的穿透衰耗。建筑物的穿透衰耗：2023/2/2452023/2/2462023/2/247建筑物的穿透衰耗特点：一般来说波长越短，穿透能力越强。各个建筑物对电波的吸收也是不同的。不同的材料，结构和楼房层数，其吸收衰耗的数据都不一样。例如，砖石的吸收较小，钢筋混凝土的大些，钢结构的最大。如果移动台要在室内使用，在计算传播衰耗和场强时，需要把建筑物的穿透衰耗也计算进去，才能保持良好的可通率。2023/2/248g)植被衰耗树木、植被对电波有吸收作用。在传播路径上，由树木、植被引起的附加衰耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树木的路径长度等多方面因素。一般来说，垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些。

2023/2/2491)传播路径全部在稠密森林的内部

2023/2/2502)传播路径全部接近树顶的平均高度

收、发天线位于树木的顶部，且相距1km以上2023/2/2513)传播路径部分穿过稠密的树林

2023/2/2524)传播路径穿过或临近中等稠密的树林，天线高度低于树顶高度

2023/2/2535)树叶的影响

2023/2/2542023/2/255h)隧道中的传播衰耗

空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗。电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关，频率越高，衰耗越小。当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲度越大，衰耗越严重。2023/2/256电波在隧道中的传播特性：1）隧道构成了波导2）损耗随频率升高而减小2023/2/257解决电波在隧道中的电波传播问题，通常可采用两种措施：

①在较高频段（数百兆赫），使用强方向性天线，把电磁波集中射入隧道中内，但传播距离也不能很长。②在隧道中，纵向沿隧道壁铺设导波线(通常为泄漏电缆)，使电磁波沿着导波线在隧道中传播，从而减小传播衰耗。

2023/2/258（4）中值路径损耗的预测

其中， ——基站天线高度增益因子

——移动天线高度增益因子a)准平坦地形大城市市区的中值路径损耗：2023/2/259

其中， ——郊区校准因子

——丘陵地形校准因子

——斜坡地形校准因子

——水陆混合路径校准因子b)不同环境及不同地形条件下的中值路径损耗：2023/2/260例1：计算准平滑地形，城市地区的路径衰耗中值，已知：hb=200m,hm=3m,d=10km,f=900MHz

解：首先求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为：

查图可求得Am(f,d)，即利用公式就可以计算出准平滑地形，城市街道地区的传播衰耗中值：2023/2/261若hb=50m,hm=2m，其他条件不变，求损耗中值。查图,得在上题结果的基础上，要再加入基站和移动台的高度增益因子。则修正后的路径衰耗中值为：2023/2/262例2：某一移动电话系统，工作频率为450MHZ，基地站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的衰耗中值？解：⑴求自由空间的传播衰耗Lbs由图,查得：

由图，查得：

由图，查得：⑵计算准平滑地形市区的衰耗中值

2023/2/263所以准平滑地形市区衰耗中值为：

⑶计算任意地形地物情况下的衰耗中值根据已知条件可知：

2023/2/264例3：若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且Qm=15mr，其它条件不变，再求传播路径的衰耗中值？

解：根据已知条件，由图查得：

由图查得：斜坡修正因子

所以地形地物修正因子KT为：

因此传播路径衰耗中值LA为：郊区修正因子2023/2/2652．Hata模型Hata对Okumura提出的基本中值场强曲线进行了公式化处理后所得的基本传输损耗的计算公式如下：式中，d为收发天线之间的距离（km）；f为工作频率（MHz）

hb为基站天线有效高度（m）；hm为移动台天线高度（m）为移动台天线高度校正因子。

2023/2/266此公式适用范围为：

150MHz≤f≤1500MHz,30m≤hb≤200m,1m≤hm≤10m，1km≤d≤20km，准平滑地形。由下式计算：2023/2/2673、COST231-Hata模型COST231-Hata模型是欧洲研究委员会（COST231）在Hata模型的基础上修正得到的，其传输损耗的计算公式为：f——频率，MHz；D——距离，km；hb——基站天线的有效高度，m；hm——移动台天线的有效高度，m；

——移动台高度修正因子，在不同的环境中的修正值不同；C——传播环境的校正因子，在中型城市及郊区取0；在密集大城区取3。2023/2/2684.Egli模型中的路径损耗均值预测对于不规则地形上的电波传播，Okumura模式仅适用于UHF频段，在VHF频段，应使用Egli模型的经验公式：2023/2/2695.CCIR（现为ITU—R）公式CCIR模型在Okummura模型的基础上给出了反映自由空间损耗和地形引入的路径损耗联合效果的经验公式。2023/2/2706.Walfish和Bertoni模型由Walfish和Bertoni开发的模型，考虑了屋顶和建筑物高度的影响，使用绕射来预测街道的平均信号场强。2023/2/2717.Walfish-Ikegami模型Walfish-Ikegami模型用于高楼林立地区的中到大型蜂窝的半确定性模型，Walfish-Ikegami模型也称为WIM模型。其适用范围为频率f在800~2000MHz之间，基站天线高度为4~50m，移动台天线高度为1~3m，距离d为0.02~5km。2023/2/2728.Lee模型类似于Okummura模型，Lee模型是基于特定环境的测量，该测量业已在北美的一些城市进行过，Lee根据所接收的信号功率与相对一英里处截获的信号功率得出通用的路径损耗公式为：2023/2/2739.PlaNET通用模型在PlaNET中定义Okummura-Hata模型有两种方法。第一种方法是从ModelEditor菜单中选择Okummura-Hata模型，然后，引入与郊区、开阔区域和移动台高度等相应的修正因子。第二种方法是使用PlaNET中的通用模型，它的系数由Hata公式确定。PlaNET通用模型由下面的方程确定：2023/2/27410.微蜂窝系统的覆盖区预测模型Okumura-Hata模型适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，因为在宏蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射决定。在微蜂窝系统中，基站天线高度通常低于屋顶，电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定。即主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中进行，可用COST-231-Walfish-Ikegami模型做微蜂窝系统传播损耗预测。在做微蜂窝覆盖区预测时，必须有详细的街道及建筑物的数据，不能采用统计近似值。2023/2/275微蜂窝覆盖区预测计算模型分为两部分：视距传播和非视距传播。微蜂窝覆盖区预测计算的适用条件为：

f：800—2000MHz；hb：4—50m；

hm：1—3m；d：0.02—5km2023/2/276第5节、路径损耗与场强的关系路径损耗均值也称为衰减均值。在研究电波的传播特性的时候，使用场强比较方便，但在工程上，讨论路径损耗均值将更具有普遍意义。因此，我们有必要了解LM和场强之间的关系。

K值应包括馈线和接收机之间的失配损耗。2023/2/277第6节、室内电波传播特性室内无线信道与传统的无线信道相比，具有两个明显的特点：其一，传输功率较小，室内覆盖面积小得多；其次，收发机间的传播环境变换更大。室内环境会由于墙壁、天花板、地板的一次或多次反射，使得到达接收站的信号不是单一路径传播来的，而是从许多路径传播来的众多反射波的合成，这就是所谓的多径效应。如图6.18所视为室内环境反射示意图。2023/2/278几种室内电波传播的经验模型分隔损耗（同楼层）模型楼层间分隔损耗模型对数距离路径损耗模型Ericsson多重断点模型衰减因子模型2023/2/2791、对数距离路径损耗模型研究表明，室内路径损耗（同楼层）遵从公式：2023/2/280

建筑物

频率（MHz）n

σ(dB)零售商店9142.28.7蔬菜店9141.85.2办公室，硬分隔15003.07.0办公室，软分隔9002.49.6办公室，软分隔19002.614.1室内走廊9003.07.02、Ericsson多重断点模型Ericsson多重断点模型有四个断点，并考虑了路径损耗的上下边界，模型假定在d0=1m处衰减为30dB，这对于频率为900MHz的单位增益天线是准确的。Ericsson多重断点模型没有考虑对数正态阴影部分，它提供特定地形路径损耗范围的特定限度。2023/2/2813、衰减因子模型建筑物楼层间损耗主要是由建筑物外部面积和材料及建筑物的类型决定，建筑物窗口的数量也会影响楼层间的损耗。常采用经验性的衰减因子模型为：2023/2/2824、Chan传播模型Chan模型适用于室内微蜂窝区的场强预测，该模型认为电波在室内传播时的路径损耗L近似于电波在自由空间直接传播时的路径损耗Lp加上室内墙壁的穿透损耗2023/2/2835、马特内-马恩纳模型马特内-马恩纳模型用于模拟室内路径损耗。这是一个试验模型，用以考虑从发射击到接收机的路径中，由墙壁和地板造成的损耗。模型预测的路径损耗如下：2023/2/2846、多墙模型为了更好的符合测量，马特内和马恩纳模型可以通过用包括关于穿过地板数目的非线性函数来修正。路径损耗为：2023/2/285第7节、射线跟踪法当电波的频率较高，因而波长与传播路径上的物体的尺寸相比要小得多，此时电波的传播可以用几何光学来近似，即认为电波沿直线传播。射线跟踪法无论应用到什么领域，都是基于几何光学理论，通过模拟射线(光线)的传播路径,主要考虑直射波、在建筑物垂直面上的反射波、在建筑物垂直棱上的衍射波、在建筑物水平棱上的衍射波以及高阶的反射/衍射波（其中二阶反射/衍射波的影响相当大）等来确定反射、折射和阴影等。接收点的场强可表示为2023/2/2861、射线跟踪法中的绕射理论引入绕射理论的必要性电波射线遇到一个光滑表面的阻挡时，就会发生反射、折射等现象。反射射线的轨迹遵循shell定律，折射射线的轨迹遵循折射定理。几何光学（GO）理论只研究高频电磁场的直射、反射和折射射线，而在与这些射线边界相对应的过渡区空间里，用GO理论计算的电磁场在过渡区会发生突变。这种结果与实际情况不符，试验结果表明阴影区内的场并不为零。这表明几何光学方法这时是无效的。因为当电磁波传播过程中遇到具有小曲率半径的边缘、拐角、尖端或是入射到光滑凸曲面的表面上时，都会出现电磁波的绕射现象。Keller等人在1960年代提出了几何绕射理论(GTD)，目的就是解决几何光学无法解决的问题，消除几何光学射线边界上场的不连续性。2023/2/287根据Fermat原理可确定绕射点的位置和绕射线的轨迹，通过光程累积求取相位，通过几何光学的强度定律来求取绕射场。将到达观察点的所有射线的散射场进行叠加。求绕射系数是绕射理论中最关键的内容。2023/2/2882、射线跟踪法的建模基本思想是：首先确定一个发射源的位置，根据三维地图上的建筑物特征和分布，找出发射源到每个接收位置(测试点)射线的所有传播路径；然后根菲涅尔等式和几何绕射理论(衍射几何理论GTD和一致性几何绕射理论UTD)等，确定反射和绕射损耗，这样得到通过每条路径到达每个测试点的场强。再将到达同