基于LTE系统的传播模型及模型校正算法研究(4)

基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究第２章无线传播模型２．１无线传播理论在蜂窝无线通信系统中，移动无线信道是制约其性能的主要因素之一【１６】。发射机至接收机路径之间的传播环境变化复杂，包括简单的ＬＯＳ（Ｌｉｎｅ视距）传播，到由于复杂地貌特征而导致的ＮＬＯＳ（ＮｏｎＬｉｎｅＯｆＯｆＳｉｇｈｔ，Ｓｉｇｈｔ，非视距）传播Ｉｌ６１。由于无线电波传播受到很多不定因素的影响，例如接收端移动台的移动速度与移动方向，建筑物、树木、山丘等的阻挡等，使得无线信道变得非常随机。所以为了提高移动无线信道中无线电波传播的精确度，就必须充分了解无线电波的传播特性。２．１．１无线传播环境从发射端到接收端的无线电波传播方式有多种，电波传播大致包括直射波、反射波、透射波、绕射波和散射波【１７１，在实际移动通信传播环境中，最为显著的为电波的直射、反射、绕射和散射。直射波是发生在视距传播的条件下。当直射线在传播过程中远离阻挡物时可以被称作自由空间传播，而这种传播过程中产生的传播损耗即为自由空间路径损耗。反射波是在电波传播过程当中遇到比自身波长大得多的物体时发生的，例如地面、建筑物的墙体表面的反射等【０７１。当发射接收端天线之间的距离足够远时，地面反射必须要考虑到地球曲率的影响。当发射接收端天线之间距离很近时，才能够忽略地球表面曲率的影响，从而将地面当成平坦地面的反射。大多数情况下，当移动通信系统的蜂窝半径在几千米以内时，就可以将地面的反射当成平坦地面的反射，不需要考虑地球曲率的影响【１７Ｊ。描述反射特征的参数就是反射系数，其与反射面特征参数、入射角、极化等因素有关。绕射波一般是在发射机和接收机之间无线电波的传播路径受到障碍物阻挡的情况下发生的。因阻挡面的阻挡使得二次波出现在整个空间中，而当发射机和接收机之间不存在视距路径时，电波可以绕过阻挡物并在阻挡物的阴影区内产生弯曲波。绕射系数用来描述绕射特征的参数，其与绕射体的形状以及绕射点处入射基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究波的幅度、相位和极化有关‘１８１。散射波是在电波传播过程中遇到许多尺寸小于电波波长的散射体的情况下发生的，主要由小散射体、粗糙表面或其他不规则的物体引起的，例如城区环境的树叶、灯柱和街道广告牌等就是散射体【１８１。２．１．２无线传播特性无线电波传播特性的研究，一般是在给定区域范围内进行接收场强的预测以及场强变化的预测，根据场强变化的快慢可以将无线信号的传播特性分为大尺度传播特性以及小尺度传播特性。大尺度传播特性主要是包括路径损耗和阴影衰落【１９】。路径损耗通常是由收发天线之问的距离、发射的信号载频以及地形等因素导致的，其中阴影衰落主要是由建筑物或地形地貌的遮挡而导致一些区域的接收信号骤然下降而产生的衰落。小尺度传播特性主要为多径衰落【１９】。由于无线电波的反射、绕射和散射等特性的综合作用，导致从发射端到接收端的传播路径不只一条，就是一个发送信号在信号传播过程中会在接收端接收到多个不同的接收信号，而这些信号是以不同的到达时间和不同的到达强度到达接收天线。传播模型所反映的是在某种特定区域环境以及传播路径下的无线电波的传播损耗情况【２…，而在实际的室外传播模型中，从发射机到接收机之间的传播距离较长，路测的半径可以到达几千米，所以在区域传播模型中主要研究的是传播路径上的路径损耗以及阴影衰落影响，即大尺度慢衰落的影响。２．２传播模型概述无线传播模型是移动无线网络规划的基础，传播模型的准确性关系到网络规划的合理性【２１Ｉ。大多数传播模型是对无线电波传播路径损耗的预测，不同的传播模型都有其不同的路径损耗计算公式，用以匹配当地的传播环境。无线传播模型可以分为室外传播模型和室内传播模型，由于本论文的实测数据是在室外传播环境下建立的，所以着重研究室外传播模型。从覆盖区来看室外传播模型可以分为两类：宏蜂窝模型和微蜂窝模型【２¨。宏蜂窝传播模型的假设前提是传输功率可以达到几十瓦特，蜂窝半径可以为几十公里。而微蜂窝模型传播模型的覆盖范围只有２００ｍ～１０００ｍ，在微蜂窝传播模型中假定基站不高（３ｍ～１０ｍ），发射功率有限（１０ｍｗ～１ｗ），所预测的区域也只在基站附近。７Ｏ２．２．１宏蜂窝传播模型基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究宏蜂窝模主要包括：Ｄｕｒｋｉｎ模型、Ｌｏｎｇｌｅｙ．Ｒｉｃｅ模型、Ｏｋｕｍｕｒａ模型、Ｈａｔａ模型、Ｗａｌｆｉｓｃｈ．Ｂｅｒｔｏｎｉ、ＣＯＳＴ２３１．ＷＩ模型、Ｅｇｌｉ传播模型、ＬＥＥ模型、Ｃａｒｅｙ传播模型、Ｂｅｒｔｏｎｉ—Ｘｉａ模型‘２２１。这些经典的传播模型大部分有一定的实用经验，所以对于不同的地理环境可以选择不同的传播模型作参考。Ｄｕｒｋｉｎ模型Ｄｕｒｋｉｎ模型由Ｅｄｗａｒｄｓ、Ｄｕｒｋｉｎ和Ｄａｄｓｏｎ提出，描述了不规则地形的场强预测方法【２２１。该模型不仅能够预测大尺度路径损耗，还提供了不规则的障碍物体的损耗预测方法。Ｄｕｒｋｉｎ模型可以分为两个部分：访问电波传播过程的地形数据库以及根据数据重建地理地貌特征。该模型只考虑了自由空间下的视距传播以及电波遭遇障碍物的绕射情，电波的反射和散射情况暂时不考虑。Ｄｕｒｋｉｎ模型中的地形信息是一个二维矩阵，该矩阵是由传播路径中的信息点构成，每一个元素值代表了该点所处的海拔高度。由于数据的离散性与散乱性需要对数据进行差值，以提高数据的有效性，为了提高插值的精度，线性内插重构主要由３条插值路线决定，如图２．１所示：ＲｘｄＬｄ２ｄ３Ｔ。图２－１发射机和接收机之间的重构地形图在图２．１中，每个点的高度是对角线、垂直方向和水平方向由线性插值得到的高度的平均值。从图中可以得到距离矩阵和相应的径向高度，使得地形计算变成了一维的点到点的链路计算。这样我们就可以利用上面已经讨论过的刃形绕射技术计算路径损耗了。霁辜天学“““”””基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究在利用Ｄｕｒｋｉｎ模型计算路径损耗时，首先必须确定发射机和接收机之间是否有视距传播‘１９１。因此，应当首先计算发射机和接收机之间的高度差町。在图２．２中，如果任意点的盯，均为正值，则视距传播路径不存在。若盯，存在负值，则我们认为视距传播路径是存在的。图２．２视距传播图为了确定是否存在无阻挡的第一菲涅尔区，首先应根据式（２—２．１）计算每个路径元素的菲涅尔绕射系数Ｖ【２３】（２．２—１）若对任意路径＿，，始终有＿ｓ＿０～，则空间传播损耗近似于自由空间损耗。此时接收功率为自由空间传播的接收功率：只＝丽ＰｔＧ，Ｇ，．２（４兀）‘ｄ２三（２．２．２）如果存在＿，，使Ｖ，＞一ｏ?８成立，则可能是非视距传播，也可能是非无阻挡第一菲涅尔区的视距传播。对于非无阻挡第一菲涅尔区的视距传播，首先要用式（２－２－３）计算自由空间传播功率，然后利用平地传播公式：只邓，Ｇ，竽和式（２—２－３）进行比较，其中较小者为接收功率。（２—２—３）计算接收场强，式中啊是发射机高度，ｈｒ是接收机高度。最后，将式（２．２．２）９基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究Ｌｏｎｇｌｅｙ－Ｒｉｃｅ模型Ｌｏｎｇｌｅｙ．Ｒｉｃｅ模型也被称为不规则地面模型（ＩＴＭ）【２到，它是由Ｌｏｎｇｌｅｙ和Ｒｉｃｅ于上个世纪６０年代提出的经典统计模型，并且通过大量的实测数据进行验证，所以其又属于半经验预测模型。该模型能够预测自由空间传播过程中因地形的非规则性而导致的中值传输衰落，其被广泛运用于ＶＨＦ／ＵＨＦ广播信道的分配中。该模型的适用频段为２０ＭＨｚ至４０ＧＨｚ，该模型的适用传播路径为收发端ｌｋｍ至２０００ｋｍ的距离【２３】。在Ｌｏｎｇｌｅｙ．Ｒｉｃｅ模型中，利用地貌地形的路径几何学和对流层的绕射性预测中值传输衰落：该模型的接收信号功率不包含信道的详细表征，该模型利用统计资源用以补偿信道，这取决于每个场景和环境变量的改变信号的变化，这些变化包括大气变化，地形轮廓和自由空间，他们能够得到信号的总衰落等有效信息。距离的函数的路径损耗还通过３个方面进行预测：１）视距；２）衍射；３）散射。对于每个这些考虑因素，必须根据链路定义其的衰减系数，同时也参考了ＩＴＳ（Ｉｒｒｅｇｕｌａｒｔｅｒｒａｉｎｓｙｓｔｅｍ）不规则地形模型口２１。Ｌｏｎｇｌｅｙ—Ｒｉｃｅ模型ＬＲ可以分为两种模式：区域预测模型以及点到点预测模型。当信号传播路径中的地形地貌等数据充分时，某些路径参数能够容易的确定下来，这种预测模式可以称为“点到点预测”。另外如果传播路径中的地形地貌数据不太准确，这样必须利用Ｌｏｎｇｌｅｙ—Ｒｉｃｅ模型固定的默认参数值时，这种预测方式为“区域预测模型’’【２２１。Ｌｏｎｇｌｅｙ．Ｒｉｃｅ模型给出了超过自由空问的传输损耗锄的用户自定义公式（坳是沿路径的链路距离的函数）。本模型的输出即为超过自由空间的传输损耗参考中值【２３】。爿Ⅳ（ｄ）＝爿。，＋毛ｄ＋ｋ２Ｉｏｇｄｆ‰函＜ｄ＜ｄ厶、钿（ｄ）２爿副＋坍∥Ａ，盯（ｄ）＝彳甜＋ｍｄｄ（丸＜ｄ＜ｄ，１，ｄ＞ｄ。、＼，（２．２．４）式中，ｄｍｉｎ＜ｄ（屯为视距传播距离，ｄ厶＜ｄ（ｄｘ为衍射传播距离，ｄ＞ｄｘ为散射传播距离。Ｏｋｕｍｕｒａ模型Ｏｋｕｍｕｒａ模型是Ｏｋｕｍｕｒａ于２０世纪６０年代根据日本大量测试数据统计出１０