无线传播与网络规划 课件 第4章 微蜂窝与室内传播预测模型

第4章

微蜂窝与室内传播预测模型1

微蜂窝与室内传播预测模型2在密集城区等通信场景中，应用微蜂窝网络来增加移动通信系统容量，是一项被业界广泛使用的策略。关于市区微蜂窝系统的电波传播问题已经进行了充分的实验测量与理论研究建模。对于移动通信与WLAN应用来说，微蜂窝预测是密集城区无线网络规划与设计的重要工具。一般情况下，微蜂窝被定义为在密集城区环境中的一种蜂窝网通信场景，其覆盖面积小于1km，并且发射功率较低（小于1WERP）。这种微蜂窝网络的建设通常与城市建设相结合。在微蜂窝网络中，街道方向与单个建筑社区群对于电磁波信号的接收会产生重要影响。随着移动通信技术发展，室内通信质量的提升成为5G以及未来通信系统研究的重要内容，而室内环境无线传播特征的研究则是相关信道理论的基础。

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微蜂窝预测模型

4.1.1基本原理和算法31.微蜂窝预测模型的近场距离微蜂窝预测模型中的近场距离是微蜂窝无线传播建模的重要参数，其可以由自由空间中平面双线反射模型推导得到，如图4.1所示。考虑微站场景，基站与终端之间距离远大于各自天线高度，反射波与地面夹角很小，因此终端接收到的信号s与接收功率为图4.1近场距离示意图

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微蜂窝预测模型

4.1.1基本原理和算法41.微蜂窝预测模型的近场距离直射波与反射波的传输路径相位差表示为则，可以将接收功率表示为相位差的函数可见，当

时，接收功率取最大值。此时，可以根据得到上式中

定义为近场距离。在近场距离范围内，可以认为信号路径损耗遵循自由空间路径损耗，基本不受反射波影响。

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微蜂窝预测模型

4.1.1基本原理和算法52.基本模型微蜂窝指的是小区半径小于1千米的蜂窝网络。在微蜂窝场景下，街道的方向与建筑物布局对于接收信号产生重要影响。尽管接收信号主要来自建筑物的多次反射波，而非穿透建筑物的透射波，但是路径损耗依然与传播路径中的建筑物个数存在联系。根据测量经验，建筑物的数目与体积的增大都会导致路径损耗增加。微蜂窝传播机制如图4.2所示。平面地形的微蜂窝预测公式为图4.2微蜂窝传播机制示意图为路径损耗斜率

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微蜂窝预测模型

4.1.1基本原理和算法63.建筑对微蜂窝预测的影响（1）基本LOS场景假设最简单的微蜂窝网络场景，其中无建筑物遮挡，且地形为平面，那么路径损耗只存在由于电磁波扩散引起的传输损耗，则该理想状态平坦地形接收信号强度为

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微蜂窝预测模型

4.1.1基本原理和算法73.建筑对微蜂窝预测的影响对于如图4.4所示的斜率上升地形，地表轮廓会影响接收信号。可以引入有效天线增益，将接收信号功率修正为图4.4上升坡地基站天线有效高度示意图其中，为基站天线有效高度，而为实际高度。

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微蜂窝预测模型

4.1.1基本原理和算法83.建筑对微蜂窝预测的影响（2）NLOS场景假设地面平坦且不考虑建筑物高度，仅分析建筑物厚度对于损耗的影响。整个建筑物群的路径损耗可以表示为图4.3典型基站天线与建筑物布局关系示意图为穿过建筑区块后的接收信号(测量局部均值)。

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微蜂窝预测模型

4.1.1基本原理和算法94.地形效应（1）非阴影区域考虑如图4.5所示的上坡地形场景，终端的接收信号受到建筑物1和建筑物2的遮挡，同时，地形轮廓也带来有效天线增益。受这两方面因素的影响，接收信号表示为图4.5NLOS场景非阴影区域通信场景示意图其中，

为天线高度增益，

为视距损耗，

为有效天线增益，

为建筑阻挡产生的传播损耗。

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微蜂窝预测模型

4.1.1基本原理和算法104.地形效应（2）阴影区域当终端位于阴影区域或者受到刃形边缘遮挡时，路径损耗的分析会更为复杂，如图4.6所示。此时接收信号表示为图4.6NLOS场景阴影区域通信场景示意图其中，

有效天线增益可基于地形轮廓来计算得到，

而损耗由建筑阻挡产生，

是由地形带来的衍射损耗。

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微蜂窝预测模型

4.1.2典型微站电波传播损预估模型111.双线反射模型对于经典空间波传播模式的双线反射模型，接收机处的场强计算只需要考虑直射路径与地面反射路径的贡献。这种简单模式可以处理平坦地区的农村环境，同时也能适用于具有较低基站天线且只存在LOS径的微蜂窝小区。在这种情况中，尽管建筑物的墙壁会反射或绕射电波，并使得简单双射线反射模型中接收场强幅值剧烈或快速变化，但是并不会改变由双射线模型预测的整个路径损耗(幂定律指数n的值)。微蜂窝双线反射模型的路径损耗表示为在市区微蜂窝小区1800~1900MHz测量结果表明：1.的值在2.0~2.3之间，2.的值在3.3~13.3之间。3.对于理论上的双射线地面反射模式，

和

的值分别是2和4。4.这个近似式称为双斜率模式。

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微蜂窝预测模型

4.1.2典型微站电波传播损预估模型122.多射线模型当基站天线高度低于屋顶平面时，多射线模型被广泛应用于LOS场景下的市区微蜂窝小区中。考虑到在密集城区，大量街道两侧的建筑物对于电波传播的影响类似于波导，此类多射线模型假设街道为“介质峡谷”结构，并认为接收场值来自直射路径、沿地面的反射路径以及介质峡谷的垂直平面反射路径。理论上会有无数条多径反射的射线达到接收机侧，但是多射线模型中仅考虑最重要的路径对结果的影响。因此双线反射模型可被看作为只考虑两条射线的多射线模型。目前已经提出了四射线和六射线模式。四射线模式由直达射线、地面反射射线和两条被建筑物墙壁反射一次的射线。六射线模式和四射线模式机理相同，再加上两条被建筑物墙反射两次的射线。

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微蜂窝预测模型

4.1.2典型微站电波传播损预估模型133.多隙缝波导模式实际城市建设中，不存在理想的建筑物排布状态。通过引入建筑物墙的实际介质特性、实际分布的街道宽度以及从马路上的反射效应，Blaunstein和Levin提出了一个多隙缝波导结构模型。该模型假设城市建筑物结构由两排平行的具有随机分布隙缝(建筑物之间的缺口)的屏(模拟建筑物墙)所形成，考虑了直射路径、建筑物墙壁的多次反射、建筑物拐角的绕射以及地面反射，如图4.7所示。图4.7多缝隙波导模式三维示意图

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微蜂窝预测模型

4.1.2典型微站电波传播损预估模型143.多隙缝波导模式图4.8街道路口二维波导示意图规则分布的建筑物组成了城市街道微蜂窝三维波导传播模型。收发信机高度均低于建筑物屋顶。地面反射路径的电波场强可以利用镜像原理计算获得。这种波导在yz平面上的投影呈现出具有随机分布屏的平行多隙缝阻抗波导，并且可被认为是二维的城市街道模式，如图4.8所示。结合GTD理论，可以将街道传播环境中的路径损耗给出

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室内预测模型15室内电波传播特征：室内无线通信系统中，电波传播环境与宏站室外场景区别较大，例如多径现象复杂，视距传播较少甚至不存在，而且可能短时间和短距离内环境变化剧烈。室内建筑物包括墙壁、门、家具，以及人体都会对信号衰减产生重要影响。其中电磁波的多次反射现象是室内无线传播研究的重要内容。室内预测建模方法：随着可用的数字建筑数据增加与计算机性能提升，现在可以结合计算电磁学方法，通过构建包含建筑材料信息的数字模型来进行信号衰减计算与预估。目前与GTD/UTD、FDTD和TLM模型相结合的射线跟踪模型都可用来预测室内系统覆盖。基于对电磁场的空间分布数值计算，可以在无线网络规划中使得干扰、容量、系统性能和切换的推导得到优化。室内预测建模难点：对于室内环境，电磁波的传播会受到建筑物几何结构的约束和建筑材料的影响。这种不同于开放域环境的电波传播特征，增加了干扰控制的维度，对于同一楼层及不同楼层的频率复用技术提出挑战。同时，随着毫米波通信技术在5G系统中的应用，需要在室内网络部署中考虑传播路径上微小信道变化对于毫米波信号的严重影响。

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室内预测模型16

4.2.1经典室内电波传播预测模型室内路径损耗影响因素：通过长期实测发现，在室内NLOS传播路径受到障碍物的影响一般会经历瑞利衰落，而LOS传播路径则经历莱斯衰落。建筑物的材料、内部空间大小及窗户类型均会对楼层间路径损耗产生影响。楼层之间衰减的典型值对于第一层分隔是15dB，然后每层分隔再附加6~10dB，最多到4层分隔。对于5层或更多层的分隔，每个附加层的路径损耗增加很小。如果采用室外宏基站进行室内覆盖，建筑物内部接收信号强度会随着楼层升高而增强。电磁波穿透效果与频率直接相关，穿透损耗随频率增加而显著降低。

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室内预测模型17

4.2.1经典室内电波传播预测模型1.对数距离路径损耗模型该模型简单认为平均路径损耗是距离的n次幂的函数，n是取决环境的平均路径损耗指数从上式发现路径损耗是对数正态分布的。n是取决于建筑物类型、建筑物侧面以及发射机和接收机之间楼层数的参数。在收发间隔距离d米处的路径损耗可以给出上式基于测量经验获得，是具有标准差(dB)的零均值对数正态分布随机变量，表示环境地物的影响。在900~4000MHz之间，n的值在1.6和3.3之间变化，的值在3.0和14.1dB之间变化。该模型的简单形式使其在室内环境中得到广泛应用，并且可以尝试应用于室外微蜂窝小区。

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室内预测模型18

4.2.1经典室内电波传播预测模型2.衰减因子模型该经验模型能够预测同一楼层或通过不同楼层的传播路径损耗。对于穿过多个楼层的传播，平均路径损耗为在衰减因子基本模型的基础上，可以得到改进的单斜率模型

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室内预测模型19

4.2.1经典室内电波传播预测模型3.软隔墙和混凝土墙衰减因子模式对于同一楼层中发射机和接收机之间有软隔墙(墙板)和混凝土墙的情况，路径损耗表示为上式中p是收发之间的软隔墙数，q是收发之间的混凝土墙数。根据经验，AF（软隔墙）值为1.39dB，AF（混凝土墙）的值为2.38dB。

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室内预测模型20

4.2.1经典室内电波传播预测模型4.Keenau-Motley模式对于通过各个单独墙壁与楼层的情况，有一种更为精细的模型通过楼层衰减的典型值是在12~32dB之间。通过墙壁衰减的值完全取决于所用隔墙的类型。对于典型的软隔墙，衰减值在近似为1~5dB之间变化，硬隔墙的衰减可能在5~20dB之间变化。

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4.2.2Lee室内预测模型室内环境电波传播环境的研究和预估对于移动蜂窝网与室内无线局域网的建设都具有重要的意义。Lee室内预测模型主要针对单楼层建筑物，同时也适用于多楼层之间电波传播。与其他传统室内模型类似，该模型也需要重点考虑多层建筑物之间的传播损耗。Lee室内预测模型的建立基础是在900MHz多做的实测分析，能够处理不同类型障碍物的传输损耗，其有效性经过工程实践的验证，测量结果与预估值之间标准偏差一般小于5dB。

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室内预测模型22

4.2.2Lee室内预测模型对于微蜂窝系统采用近场距离来判断信号传播特征，而室内环境更为复杂，因此需要引入近中心距离来代替近场距离作为路径损耗建模的基础。近中心距离指在室内环境中，距离微基站较近的一段距离，在该近中心距离范围内信号较强，电波的传播可以视为只存在自由空间路径损耗。近中心距离范围以内的空间被称为近中心环境。典型的近中心环境由地板、天花板与两侧墙壁构成。由于微基站天线通常位于室内较高位置，经由地板的反射波是接收场强的主要分量。而来自于天花板与墙壁的反射波相对较弱，所以在近中心环境中只考虑直射波与地板反射波。1.室内模型近中心距离

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室内预测模型23

4.2.2Lee室内预测模型1.室内模型近中心距离图4.10近中心环境的双线反射模型与近场距离类似，近中心距离也可以由双线反射模型得到。在室内双线反射模型中，接收信号功率表示为其中，

是入射角，等效介电常数表示为

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室内预测模型24

4.2.2Lee室内预测模型1.室内模型近中心距离图4.10近中心环境的双线反射模型由图4.10与斯涅耳定律，可得根据上式，建筑物的介电常数值越高，近中心距离越大。近中心距离与频率无关。

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室内预测模型25

4.2.2Lee室内预测模型2.室内单楼层模型图4.11单楼层建筑物布局图如图4.11所示，为一类室内单楼层通信环境。通过设定建筑边界、房屋内部信息以及特殊房间（如电梯、储物间等），可以进行信号覆盖预估分析。在该场景下，路径损耗可以分为三种类型：标准LOS路径损耗，其由建筑物布局可以确定。LOS信号不受遮挡，并且终端处于近中心区域。信号穿透房间的衰减，终端位于近中心区内。信号穿透房间的衰减，终端位于近中心区外。在计算分析过程中，需要将分别计算规则房间与特殊房间的损耗。特殊房间一般指与建筑或同楼层的大多数房间不同材料建成的房间，通常包含电梯和储物间。

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室内预测模型26

4.2.2Lee室内预测模型2.室内单楼层模型图4.11单楼层建筑物布局图(1)LOS场景LOS场景下，接收机位于发射机的可视距离范围内，传播路径不受任何建筑物遮挡，路径损耗与接收功率可以由下式计算

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室内预测模型27

4.2.2Lee室内预测模型2.室内单楼层模型图4.12NLOS场景终端位于近中心区域俯视图(2)NLOS场景：终端位于近中心区域以内当终端位于近中心区域时，如图4.12所示，由一面墙遮挡了信号的视距传播，同时终端接收机处于电磁波传播的近场区域，因此路径损耗表示为其中，

为由于在天线与近场距离之间缺少近中心空隙产生的损耗，可以通过经验数据拟合得到其中B为阻挡物（墙壁）的厚度。工程测试经验表明，当终端处于近中心区域时，信号受墙壁的穿透损耗影响很大。

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室内预测模型28

4.2.2Lee室内预测模型2.室内单楼层模型图4.13NLOS场景终端位于近中心区域之外俯视图(3)NLOS场景：终端位于近中心区域以外如果终端处于近中心区域之外时，由于信号受到单个或者多个墙壁的遮挡，会产生更多的路径损耗分量。该额外的路径损耗与建筑物的墙壁厚度和材料密切相关。因为对于常见建筑物，其墙壁材料往往大致相同，所以可以采用线性回归方法推导得到信号损耗特征。如图4.13所示，该场景下路径损耗包含沿d1的路径损耗与额外的路径损耗Lroom一般建筑物中，通常约为27dB/dec。Q：沿d1的路径损耗如何考虑分析？

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室内预测模型29

4.2.2Lee室内预测模型3.Lee室内预测模型小结在室内无线通信系统中，路径损耗的主要来源有三项：收发信机之间的自由空间损耗、内外墙壁的反射损耗以及房间的穿透损耗。Lee室内模型对这三项损耗分量分别进行了建模分析，有助于理解建筑物环境对于电波传播特征的影响，并为室内网络系统设计提供了简便的方法。在该模型的实际工程应用过程中，首先基于建筑材料的类别，通过查表方式获知建筑物的介电特性，进而计算出建筑物的路径损耗值，然后就可以依据该模型的预估结果，设置和优化室内微基站的位置与天线工程参数，从而获得最优覆盖与最小干扰。

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毫米波室内传播建模考虑到室内通信将成为未来增强型移动通信典型场景之一，而毫米波技术是5G通信系统的关键技术基础，毫米波室内传播建模对于通信系统的研究与监理具有重要价值。下面以会议室场景为例，介绍毫米波信道建模方法。表4.8不同频点下100m处的自由空间路损表4.928GHz电磁波在室内、室外环境下，穿透不同物体的损耗

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室内预测模型31

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毫米波室内传播建模1.路径损耗和阴影衰落通常情况下，路径损耗可以表示为在实际的测量中，不仅要考虑天线增益，还要考虑系统增益，包括放大器增益、低噪放增益和电缆损耗。因此，路径损耗可以改写为

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室内预测模型32

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毫米波室内传播建模2.莱斯因子莱斯因子定义为确定性多径和其它随机多径的功率比，可以用来度量信道衰落严重程度。当莱斯因子为零时，莱斯信道退化成为瑞利信道。通常采用矩量法结合时变信道的采样进行莱斯因子估计。在室内LOS环境下，莱斯因子平均值为7。原因是在相对狭窄的室内环境，墙壁与天花板会增强反射效应，同时，该环境中遮挡物如果较少，会使得接收机能够收到较强的反射径，从而导致莱斯因子较小。对室内毫米波无线系统而言，较小的莱斯因子说明信道中多径功率分布较为均匀，所以需要扫描更大的范围来获得最佳传输路径。

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毫米波室内传播建模3.时延特性从接收机侧观察，来波在空间中经过了各种不同路径，所以多径信号具有不同的时延与强度。时延扩展用于描述多径信号在时间域的色散，该指标是室内系统设计的重要指标。时延扩展一般用于计算相干带宽，并且用于设计OFDM（正交频分复用）系统的保护间隔与循环前缀。电波在空间中传播经过不同的路径先后到达接收端，从而使得多径具有不同的时延以及功率。时延扩展描述了多径信号在时延域的色散，对于系统设计具有重要的作用。例