自由空间损耗计算
摘要 .................................................................................................................................................. 1 Abstract ............................................................................................................................................. 2 引言 .................................................................................................................................................. 3 1 绪 论......................................................................................................................................... 4
1.1植被对路径损耗影响研究的意义 .................................................................................... 4 1.2 植被树木中电波传播路径损耗研究常用的方法 ........................................................... 4 1.3论文的研究目标及主要内容 ............................................................................................ 5
1.3.1论文的研究目标 .................................................................................................... 5 1.3.2研究的主要内容 .................................................................................................... 5
2 无线电波传播理论基础 ............................................................................................................... 6
2.1无线电波传播方式 ............................................................................................................ 6
2.1.1传播方式分类 ........................................................................................................ 6 2.1.2移动通信中的传播方式 ........................................................................................ 6 2.2电磁理论基础 .................................................................................................................... 7
2.2.1麦克斯韦方程 ........................................................................................................ 7 2.2.2边界条件 ................................................................................................................ 8 2.3电波的传播机制 ................................................................................................................ 9
2.3.1反射和折射 ............................................................................................................ 9 2.3.2散射 ...................................................................................................................... 11 2.3.3绕射（衍射） ...................................................................................................... 12 2.4自由空间的电波传播 ...................................................................................................... 14
2.4.1自由空间中的接收功率 ...................................................................................... 14 2.4.2功率和接收场强的关系 ...................................................................................... 15 2.4.2自由空间中的传播损耗 ...................................................................................... 15 2.5侧面波（表面波） .......................................................................................................... 16 3 GSM系统植被中电波传播路径损耗 ........................................................................................ 19
3.1问题的引出 ...................................................................................................................... 19 3.2路径损耗预测及模型的分类 .......................................................................................... 20 3.3用Tamir树林模型分析问题 .......................................................................................... 21
3.3.1 Tamir树林模型 .................................................................................................. 21 3.3.1 Tamir树林模型各区域的场强 .......................................................................... 22 3.3.2 Tamir树林模型的损耗 ...................................................................................... 26
4 其他树林模型简介 ..................................................................................................................... 31
4.1 四层树林模型 ................................................................................................................. 31 4.2威斯鲍格（Weissberger）经验模式 ............................................................................ 31 4.3树冠散射的随机模式 ...................................................................................................... 32 结论 ................................................................................................................................................ 33 致谢 ................................................................................................................................................ 35 参考文献......................................................................................................................................... 36 附录1 MATLAB仿真程序 ............................................................................................................. 37 附录2 翻译 .................................................................................................................................. 41
摘要
环境是影响无线通信的一个主要因素，由于移动通信最先在城市崛起，所以对于在城市环境下信号衰减的研究进行的比较多，而且也较成熟。随着移动通信事业的发展，移动用户数量的增加，移动通信网在郊区和农村的覆盖也在逐年扩大。在郊区和农村，树木或其他植被是影响信号的一个重要原因，所以研究电波在植被中的损耗将成为一个重要的课题。
本文在前言部分介绍了植被损耗研究的意义及相关内容，第二章主要介绍
了一些与课题有关的电波传播理论基础，第三章是本课题的重点，按照Tamir树林模型分析了接收点在不同位置时的场强以及传输损耗情况，参阅了文献给出的基本路径损耗公式和附加路径损耗公式，还分别给出了频率在900MHZ和1800MHZ时的仿真图，最后做出分析。
植被对电波的影响很复杂，本文只是选取了比较简单的模型下树木中的损耗，并未考虑草地、庄稼的影响。所以要得到实用的路径损耗计算模型日后还需要进一步的研究。
关键词：电波传播，移动通信，地面植被，路径损耗
Abstract
The environment is an influence wireless communication primary factor, because the mobile communication rises first in the city, therefore regarding signal attenuation's research carries on under the urban environment are quite many, moreover is also mature. Along with the mobile communication enterprise's development, mobile subscriber quantity's increase, moves the communications network year by year is also expanding in the suburb and the countryside cover. In the suburb and the countryside, the trees or other vegetations are affect the signal a substantial clause, therefore the research electric wave's will become an important topic in vegetation loss.
This article introduced in the foreword part the vegetation loss research's significance and the correlation content, the second chapter mainly introduced some with the topic related radio wave propagation rationale, the third chapter are this topic key points, according to the Tamir woods model analysis point of reception in the different position's time field intensity as well as the transmission loss situation, has referred to the elementary path loss formula which and the attachment path loss formula the literature gives, but also has given the frequency separately in time 900MHZ and the 1800MHZ simulation chart, finally makes the analysis.
The vegetation the influence is very complex to the electric wave, this article has only selected under the quite simple model in trees' loss, has not considered the lawn and the crops's influence. Therefore obtain the practical path loss computation model also to need the further research in the future.
Key word: Radio wave propagation, Mobile communication，ground vegetation, path loss
引言
自进入21世纪以来，移动通信已经在城郊和农村等地普遍使用，城郊和农村的环境特点是树木或其他植被较多，所以研究树木或其他植被对电波传播的影响已经成为摆在广大通信学者面前的重要课题之一，特别是电波在树林中传输的路径损耗的研究变得越来越重要。
植被对电波传播的影响研究开始与20世纪60年代美国国防部的研究，他们不仅进行了理论上的研究，而且也做了大量的试验工作，得到了大量的试验数据。后来Tamir , Charles R. Burrows等人使用这些数据证实了一个理论传播模型，该模型证明当电波频率低于200MHZ时，长距离通过电波传播主要通过表面波进行传播。后来由于宽带数字通信的速度发展，移动通信的频率主要在UHF频段，这已经不同于以前的通信模型，特别是信号的波长已经小于树木等植被的尺寸，在理论上研究相对比较困难，很多学者使用实际测量的方法建立电波经过树林时的传播模型，比较著名的是奥村-哈塔模型，该模型是在东京城区和郊区通过对大量树林进行实际测量的基础上，对所的数据进行统计分析的道德，该模型的适用范围较大，一度成为普遍采用的标准。但随着人们对电波传播理论的深入研究，许多学者力求从理论上得出解析解，80年代中后期，S.Seker和A.Schneider等人已经通过并矢介电常数对树林中的数字脉冲信号的电波传播路径损耗进行了研究，虽然没有得到准确的解析解，但得到了近似的解析解；到了90年代已经有许多学者利用各种不同的方法进行求解，Fawwazt T.Ulaby和Kyle Mcdonald等人采用散射的方法进行计算Le-wei和Jin-Hon Koh等人用格林函数法进行计算；总之，人们想尽一切方法进行求解计算，但由于树木本身的随机性，所以到目前为止还没有一种比较简单有效且能准确计算树木中电波传播路径损耗的模型可供使用。
本课题将采用Tamir树林模型，分析当发射天线位于树林层内接收天线位于不同位置时的场强，同时将仿真出900MHZ和1800MHZ时路径损耗，并对其进行分析。对提高GSM系统的QOS提供一定的参考。
1 绪 论
1.1植被对路径损耗影响研究的意义
早期蜂窝移动无线电话开始使用以来，其在商业化方面的成功已经使无线通信工程技术人员对理解和预测无线电在障碍物内传播产生了极大的兴趣。在90年代，由于移动通信首先在比较发达的城市地区使用比较密集，许多通信专家和学者们纷纷对研究城市建筑物等对无线电波传播的影响产生了浓厚的兴趣。由于移动通信的进一步发展，移动通信已经迅速在农村得到了普及，由于农村环境的特点是树木或其他植被较多，且由于城市的日益绿化，公路边和小区内均树木立林。正如大家所知道的，现代无线通信系统中，电波的波长比树木均小，信道特性极大地受到树木的影响，所以研究树木等植被对电波传播的影响已经变得十分重要。另一方面，目前军事通信技术也在不断的提高，使用的频段也已经达到UHF频段，且一般作战环境比较复杂，树木、森林和植被均严重影响着通信效果，因此研究树木等植被对电波传播的影响在军事上也有着很大的现实意义。最后，3G虽然在部分城市已经试运营，但仍存在一些问题，对植被损耗的深入研究是普及第三代移动通信系统的良好基础。
1.2 植被树木中电波传播路径损耗研究常用的方法
纵观树木中电波传播路径损耗研究发展历程，对电波传播路径损耗研究常采用的方法主要有以下四种： 1、
采用实际测量的方法。即通过实际测量得到大量数据，并对所的数据进行分析，最后得出树林对电波传播路径损耗的统计模型，该方法虽然比较准确，但每次都进行实际的测量不太现实，顾不是很实用。 2、
采用等效处理的方法。即将树林或其他植被等效为一种介质，采用电波在不同媒质分几方面处理的传播理论进行求解，该方法适用于低频段，如：VHF频段，但目前移动通信采用的频段范围已经到达L和S频段，采用该方法已不再有效，有很大误差存在。 3、
利用散射场的分析方法求解。即将树林看作随机离散的介质进行处理，但并没有给出实用的计算模型和分析方法。 4、
运用分形理论求解。即根据树木本身的自相似性，通过编写程序，运用递归算法，仅利用很少参数即可表示一棵树的所有特性，通过这些参数