无线传播与网络规划 课件 第3章 宏蜂窝传播预测模型

第3章

宏蜂窝传播预测模型1

宏蜂窝传播预测模型2传统蜂窝网络采用宏蜂窝（MacroCell）形式进行组网，这种网络形式具有网络结构简单，覆盖范围大，成本较低等优点。目前4G与5G移动通信系统中，依然以宏蜂窝为主进行室外场景的无线网络建设。然而工程实践中也发现，部分宏蜂窝网络中存在一些盲点难以得到有效覆盖，而且对于热点

区域也存在容量不足问题。需要采用合理的电波传播预测模型，结合实测分析，开展宏蜂窝网络部署。无线通信信道具有随机特征，给信道建模与分析带来较大困难。传统移动通信电波传播研究方法是基于实测数据进行场强均值随传播距离变化的规律分析。宏蜂窝场景下，影响电波传播的主要因素是大尺度路径损耗，其与无线网络覆盖具有密切关系。本章重点介绍电波传播的建模基本方法，以及常见的几种应用于宏蜂窝环境典型区域预测模型。

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电波传播特性建模方法

3.1.1经验测量方法3利用经验测量方法构建的电波传播预测模型称为经验预测模型。通过对不同时间与地点的电磁场数据的采样测量，利用数学统计理论进行分析归纳得到相应的数学模型。此类模型以ITU-R.P推荐的模型为主，如ITU-R.P368建议书、ITU-R.P528建议书、ITU-R.P1546建议书等。经验预测模型的优点:形式简单，应用时不需要详细的地理环境信息，计算方便且高效，能够直接用于无线通信系统的网络规划与设计；缺点:均为区域性统计模型，即各类模型不具备普适性，而且计算精度较低，对于特定区域传播预测需要结合本地地理特征进行修正处理。

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电波传播特性建模方法

3.1.2确定性预测方法4确定性预测方法是在严格的电磁波传播理论基础上，根据电磁辐射源或者电波传播初始条件，结合所研究区域的边界条件，经过严格的波动方程求解，从而获得传播路径上的电磁场值分布。一般来说，初始条件由辐射源或者所选取的参考面上场值分布决定。边界条件则受到传播环境的约束，而且随着传播路径发生变化。需要指出，初始条件往往是确定性因素，而边界条件则可能为时间的函数。由于边界条件的建立基础是传播环境，所以针对电波传播区域及其内部散射体或反射体的几何建模对于边界条件的精度具有重要影响。

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典型区域预测模型5表3.1常用电波传播模式宏小区微小区室内经验模式经验模式半经验模式其他模式IkegamiAndersen双射线长距离路径损耗COST231-HataWalfish&BertoniZhang多射线衰减因子LeeXia&BertoniSaunder多缝隙波导模式Keenan-MotleyIbrahim&parsonsCOSTWalfish-IkegamiBonarUni-Lund模式多墙模式McGeehan＆Griffiths

Atefi&parson

Sakagami-Kuboi

考虑到移动通信环境的多样性，需要针对特定的环境类型设计出相应的电波传播模式用于路径损耗预估。根据常见的传播模式特征，通常研究宏蜂窝、微蜂窝及微微蜂窝三种通信场景下的典型区域预测模型。宏蜂窝通常指面积较大的通信环境，覆盖面积达到1~30km，其基站天线一般架设于覆盖区域附近的较高建筑物或者铁塔上。该场景通常不存在直射路径，无线多径信道的包络统计特性呈现瑞利分布特征。微蜂窝覆盖面积较小，一般在0.1~1km范围内。其基站天线高度与建筑物高度相近。此类环境中覆盖区域往往无法实现规则形状的小区规划，而是需要结合城市环境建设开展无线网络规划设计。通常存在视距(LOS)和非视距(NLOS)两种电波传播路径，因而多径信道的统计特性呈现莱斯分布特征。微微蜂窝自从3G移动通信系统部署后，开始受到广泛的关注与研究。其典型覆盖面积为0.01~0.1km。根据通信环境，微微蜂窝网络可以分为室内与室外两种场景。基站天线根据网络规划需求部署于较低建筑物上或者建筑物内部。在微微蜂窝网络中，LOS和NLOS均广泛存在，并且需要根据通信制式与频段进行分别考虑分析。

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典型区域预测模型

3.2.1Okumara-Hata模型6图3.1奥村模型建立思路图3.2常见电波传播地形分类

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典型区域预测模型

3.2.1Hata模型7在奥村模型的基础上，Hata模型为该模型的条件为：工作频率在100~1500MHz范围内；传播距离在1~20km之间；基站天线高度在30m~200m之间；移动台天线高度在1m~10m之间。1.Hata公式

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典型区域预测模型

3.2.1Hata模型8考虑到拓展Hata模型的应用范围，对Hata公式进行修正可以提高其与奥村实验曲线的拟合精度。利用表3.2中的说明。可以在奥村曲线的整个有效范围内提高Hata公式的精度。修正后的Hata公式为2.改进的Hata公式修正因子分别为：地球曲率的修正郊区/市区修正建筑物的百分比

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典型区域预测模型

3.2.1Hata模型9Hata-Davidson模型也是基于Hata模型建立。其包含的主要参数为区域类型、接收天线和频率距离修正，该模型基于高于平均地形高度的发射天线来计算场强中值。Hata-Davidson的路径损耗表示为3.Hata-Davidson模型传统Hata模型的路径损耗拓展范围到300km的距离修正因子拓展到2500MHz的基站天线高度修正因子频率拓展到1500MHz的频率修正因子

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典型区域预测模型

3.2.2典型城市环境传播模型10Walfisch-Bertoni模型是一种用来预估城市环境电波传播特性的物理模型。该模型包括四条主要传播路径：在终端附近建筑物顶部的衍射路径1，来自终端建筑物顶部反射到终端的路径2，建筑物穿透路径3级多次反射路径4。在部分工程案例中，路径3与路径4可以根据现场具体环境考虑将其忽略。1.Walfisch-Bertoni模型图3.4Walfisch-Bertoni模型示意图

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典型区域预测模型

3.2.2典型城市环境传播模型11Ikegami模型的特点在于尝试基于几何光学近似建立一个简单的双线模型来分析和预估城市区域场强分析，如图3.5所示。该模型基于日本东京的路测数据，其对射线路径的追踪是根据具体城市地图中建筑物的高度、形状和位置信息而完成。该模型充分考虑了终端附近建筑物单元的单刃边缘衍射，并假设建筑物墙壁反射损耗为固定值。终端的接收场强表示为1.Ikegami模型图3.5Ikegami模型示意图

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典型区域预测模型

3.2.2典型城市环境传播模型12与Ikegami模型类似，Saunders提出的平坦边缘模型也假设建筑物等高且等间距1.平坦边缘模型图3.6平坦边缘模型示意图

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典型区域预测模型

3.2.3身体模型131.模型一在移动通信系统中，身体模型对于终端侧接收场强会产生重要影响。当处于通信状态时，身体尺寸、形状和姿势以及天线与用户身体的方向和距离都会成为无线通信系统的一部分，称为身体区域网络或体域网(Body-AreaNetwork，BAN)。因为BAN将影响移动信号的接收幅度与极化状态，所以需要将身体因素引入到移动无线传播的整体路径损耗预测之中。对于当前无线网络，针对宏蜂窝与微蜂窝（含室内蜂窝）网络，可以将身体模型分为两种。将接收信号分解为常量LOS信号与符合瑞利分布的时变信号，对于给定发射端接收单元间隔，接收功率项Pr可建模为

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典型区域预测模型

3.2.3身体模型142.模型二模型1中，终端侧的接收天线没有包含其位置变化、指向和阴影数量导致的等价统计。模型2加入索引i附加于接收功率Pr和莱斯K因子，以此表示接收天线环境特征，则MIMO信道矩阵可表示为一般来说，模型1较好表征了腰带胸部信道，模型2则提供了腰带-头部信道的更可靠表征以及这类信道的容量估计。

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典型区域预测模型

3.2.4COST231模型151.COST231-Hata模型欧洲协作科技研究局（EURO-COST，EuropeanCo-operativeforScienceandTechnicalresearch）成立的COST-231工作委员会，将Hata模型的工作频段由1500MHz拓展至2GHz。与传统Hata模式相同，COST231-Hata模型也是以Okumura等人的测试结果作为根据。通过对较高频段的Okumura传播曲线进行分析，得到了所建议的路径损耗公式

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典型区域预测模型

3.2.4COST231模型162.COST231-Walfisch-Ikegami模型COST-231工作委员会根据Walfisch-Beroni的工作和Ikegami的工作及实验系数创建了适用于市区环境的COST231-Walfisch-Ikegami模型。该模式结合Walfisch-Bertoni对城区环境的计算结果与Ikegami的处理街道走向的修正函数，并且考虑了用于处理固定基站天线低于屋顶高度的情况的实验修正因子。图3.7COST231-Walfisch-Ikegami模型参数

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典型区域预测模型

3.2.4COST231模型172.COST231-Walfisch-Ikegami模型COST-231-Walfish-Ikegami模型应用于两种通信场景：（1）低基站天线情况，适用于LOS场景；（2）高基站天线情况，适用于NLOS场景。该模型的应用范围如表3.5所示。

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典型区域预测模型

3.2.4COST231模型182.COST231-Walfisch-Ikegami模型（1）低基站天线情况，适用于LOS场景；在城区街道中，电波传播呈现出类似波导效应，与自由空间的传播特性有明显差别。一般将这种通信场景成为街道峡谷。根据该传播模型，如果在街道峡谷中存在LOS路径，则路径损耗表示为

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典型区域预测模型

3.2.4COST231模型192.COST231-Walfisch-Ikegami模型（2）高基站天线情况COST-231-Walfish-Ikegami模型针对NLOS场景引入多径传播项，路径损耗为上式中的第1项代表自由空间损耗，第2项为最后的屋顶到街道的绕射和散射损耗，表示街道内的绕射和反射，第3项为多重屏前向绕射损耗，表示屋顶上方的多次绕射。

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典型区域预测模型

3.2.5Lee宏蜂窝模型202.COST231-Walfisch-Ikegami模型Lee宏蜂窝模型可以广泛适用于市区与郊区，并且能够结合测量数据通过对参数设置的调整实现使用范围的拓展和预估精度的提高。Lee模型中的“点-点”模型是基于基站与终端之间通信链路的变化而进行接收信号局部均值的预估，进而实现无线网络中所有可能移动路径的局部均值预测。故而对于大区域的无线网络规划而言，“点-点”模型能够有效降低网规成本。Lee模型的推荐参考频率为850MHz，然而实际应用中，该模型在150~2400MHz频率范围内均适用。在欧洲、亚洲与美国开展的500多次实测，包括各类城