綜合無線傳播模型

目 錄

第1章 無線通信移動信號建模導論 1

1.1 為什么寫這本書？ 1

1.2 自由空間通信和移動通信的傳播區(qū)別 1

1.3 移動信號處理 1

1.4 Lee模型發(fā)展歷史 2

1.5 基本系統運行 3

1.6 移動射頻信號：衰落信號 3

1.6.1 移動信號接收環(huán)境 3

1.6.2 信號衰落類型 4

1.6.3 衰落信號特性 4

1.6.4 平坦衰落 8

1.6.5 時延擴展引起的信號衰落——頻率選擇性衰落 9

1.6.6 多普勒擴展引起的信號衰落 10

1.6.7 短期衰落信號和長期衰落信號 10

1.7 頻率復用引起的共道干擾 11

1.7.1 基本概念 11

1.7.2 仿真模型 13

1.7.3 仿真結果 14

1.8 傳播衰落模型 17

1.8.1 瑞利衰落模型——短期衰落模型 17

1.8.2 對數衰落模型——長期衰落模型 18

1.8.3 無偏均值噪聲估計 19

1.8.4 萊斯分布 21

1.9 三種基本傳播機制 22

1.9.1 反射 22

1.9.2 衍射 26

1.9.3 散射 33

1.10 預測模型的應用 33

1.10.1 預測模型分類 33

1.10.2 不同大小區(qū)域的傳播預測模型 34

1.10.3 一般環(huán)境下信號強度預測的考慮因素 34

1.10.4 預測干擾信號 36

1.11 總結 36

參考文獻 36

附加文獻 39

第2章 宏蜂窩預測模型I：區(qū)域-區(qū)域模型 40

2.1 自由空間損耗 40

2.2 平面地球模型 40

2.3 Young模型 41

2.4 布林頓（Bullington）組合 43

2.4.1 衰落、對流層傳輸折射和衍射 44

2.4.2 建筑和樹木效應 44

2.5 Egli模型——雜波因子模型之一 46

2.6 JRC方法 47

2.7 整合地形的粗地球模型（TIREM） 48

2.7.1 TIREM簡介 48

2.7.2 陸地傳播公式總結 49

2.8 Carey模型 51

2.9 CCIR模型 51

2.9.1 模型描述 51

2.10 Blomquist-Ladell模型和Edwards-Durkin模型 53

2.11 Ibrahim-Parsons模型 55

2.11.1 經驗公式的發(fā)現 55

2.11.2 兩個建議模型 57

2.12 Okumara-Hata模型和COST 231 Hata模型 59

2.12.1 Okumura方法 59

2.12.2 COST 231 Hata模型 63

2.13 Walfisch-Bertoni模型 64

2.14 Ikegami模型 65

2.15 Walfisch-Ikegami模型 66

2.16 平坦邊緣模型 69

2.17 ITU模型 70

2.17.1 ITU-R提案P.1546 71

2.17.2 ITU-R提案P.530-9 73

2.18 身體模型 74

2.18.1 模型1 74

2.18.2 模型2 74

2.19 總結 75

參考文獻 75

第3章 宏蜂窩預測模型II：點-點模型 78

3.1 Lee模型 78

3.1.1 Lee宏蜂窩模型 78

3.1.2 Lee單斷點模型——點-點模型 79

3.1.3 Lee模型變形 91

3.1.4 地形高度對信號強度預測的影響 93

3.1.5 地表形態(tài)對信號強度預測的影響 96

3.1.6 水增強 103

3.1.7 天線方向效應 108

3.1.8 預測數據文件 121

3.2 微調Lee模型 122

3.2.1 地形規(guī)范化方法 123

3.2.2 測量數據特性 124

3.2.3 無阻擋情形下測量曲線和預測曲線比較 125

3.2.4 阻擋路徑的測量曲線與預測曲線比較 127

3.2.5 結論 132

3.3 改進Lee宏蜂窩預測模型 132

3.3.1 簡介 132

3.3.2 算法 132

3.3.3 測量數據與預測數據 134

3.3.4 結論 137

3.4 Longley-Rice模型 137

3.4.1 點-點模型預測 137

3.4.2 區(qū)域模型預測 137

3.5 總結 140

3.5.1 模型實施方法 141

3.5.2 模型特征 142

參考文獻 143

第4章 微蜂窩預測模型 146

4.1 簡介 146

4.2 基本Lee微蜂窩預測模型 147

4.2.1 基本原理和算法 147

4.2.2 微蜂窩預測的輸入數據 156

4.2.3 建筑對微蜂窩預測的影響 160

4.2.4 地形效應 162

4.2.5 四種情形的預測模型 165

4.2.6 測量數據的特性 166

4.2.7 模型有效性：測量與預測 168

4.2.8 整合其他屬性于模型 173

4.3 微蜂窩預測模型和宏蜂窩預測模型的整合 175

4.3.1 兩個模型的整合算法 175

4.3.2 測量數據處理 177

4.3.3 模型有效性：測量與預測 180

4.4 特定區(qū)域的模型調整 183

4.4.1 調整之前的Lee微蜂窩模型 183

4.4.2 Lee模型的調整算法 183

4.4.3 Lee模型驗證 185

4.5 其他微蜂窩預測模型 186

4.5.1 簡介 186

4.5.2 經驗（路徑損耗）模型 187

4.5.3 物理模型 190

4.5.4 非視距（NLOS）模型 192

4.5.5 ITU-R P.1411模型 194

4.6 總結 199

參考文獻 200

第5章 室內（皮蜂窩）預測模型 203

5.1 簡介 203

5.1.1 與其他模型的區(qū)別 203

5.1.2 室內射頻系統的傳播損傷和質量測量 203

5.1.3 Lee室內模型的閃光點 204

5.2 Lee室內預測模型 204

5.2.1 室內模型近中心距離的推導 204

5.2.2 單樓層（同一樓層）模型 209

5.2.3 確定室內路徑損耗斜率 214

5.2.4 Lee模型的應用 214

5.2.5 測量數據的特征 214

5.2.6 模型驗證（測量與預測） 216

5.2.7 覆蓋與干擾之間的平衡 217

5.2.8 分析Lee室內預測模型 218

5.3 增強Lee室內模型 226

5.3.1 增強Lee模型的閃光點 226

5.3.2 研究不同情形的測量數據 226

5.3.3 測量數據與預測數據的比較 236

5.3.4 應用測量數據優(yōu)化Lee模型 242

5.3.5 增強Lee室內模型的通用公式 247

5.4 路徑損耗經驗模型 249

5.4.1 Keenan-Motley模型（經驗）與Lee模型的比較 250

5.4.2 愛立信斷點模型（經驗） 252

5.5 ITU模型 253

5.5.1 COST 231多墻模型（經驗） 253

5.5.2 ITU-R 1238（經驗） 254

5.6 物理模型——應用衍射幾何理論（GTD） 255

5.6.1 室內射線跟蹤模型（皮蜂窩） 255

5.6.2 FDTD 257

5.7 總結和結論 260

參考文獻 261

第6章 Lee復合模型——三個模型的綜合 266

6.1 引言 266

6.2 綜合三個Lee模型 266

6.2.1 驗證宏蜂窩模型 267

6.2.2 驗證微蜂窩模型 268

6.2.3 驗證建筑物內模型（皮蜂窩模型） 269

6.3 采用不同預測模型的系統設計 269

6.3.1 系統設計準備 269

6.3.2 設計參數和輸入數據 269

6.3.3 系統覆蓋 270

6.3.4 CDMA覆蓋 272

6.3.5 采用新技術的特殊區(qū)域系統設計 274

6.4 Lee綜合模型的用戶菜單 284

6.4.1 Lee綜合模型的整體系統設計流程圖 284

6.4.2 室內蜂窩——Lee室內模型的點-點分析 286

6.4.3 微蜂窩——Lee微蜂窩模型的點-點分析 289

6.4.4 宏蜂窩——Lee宏蜂窩模型的點-點分析 291

6.5 如何應用預測工具 294

6.5.1 無線通信鏈路——信道 294

6.5.2 噪聲、損耗和增益的類型 294

6.5.3 接收信號功率與噪聲功率 295

6.5.4 計算鏈路預算所需的信息 296

6.5.5 鏈路預算分析 297

6.6 如何規(guī)劃和設計好的無線系統 298

6.6.1 理解系統需求 299

6.6.2 選擇正確預測模型 299

6.7 不同傳輸媒介的傳播預測 300

6.7.1 衛(wèi)星通信信號預測 300

6.7.2 水下通信信號預測 303

6.7.3 航空通信信號預測 304

6.7.4 動車通信信號預測 307

6.7.5 毫米波信號 308

6.8 總結和結論 308

參考文獻 3092100433B

本書引據經典與展現前沿相結合，全面闡述了無線通信的傳播預測模型，并涉及不同媒介傳播及毫米波通信等前沿技術。全書共分6章，理論分析與實踐數據相融合，對無線通信系統的Lee宏蜂窩、微蜂窩、室內蜂窩及其集成作了詳細論述和分析比較，為無線網絡的設計和管理提供了綜合解決方案。 全書圖文豐富、語言流暢，非常適合無線通信領域的工程技術人員及前沿技術研發(fā)工作者閱讀。

簡介

無線電波在空間或介質中傳播具有折射、反射、散射、繞射以及吸收等特性。這些特性使無線電波隨著傳播距離的增加而逐漸衰減，如無線電波傳播到越來越大的距離和空間區(qū)域，電波能量便越來越分散，造成擴散衰減；而在介質中傳播，電波能量被介質消耗，造成吸收衰減和折射衰減等。

特性一

無線電波在真空中傳播，稱為在自由空間傳播，它的傳播特征為擴散衰減。衰減的定義為：距輻射源某傳播距離處的功率密度同單位距離處的功率密度之比，其值反比于傳播距離的平方。

特性二

在傳播介質中，無線電波的傳播特性不僅有擴散衰減，還有介質的折射和吸收造成的衰減。

通常指電磁波在各種介質中傳播的一些典型方式。在地球上，無線電波的傳播介質有地殼、海水、大氣等。根據物理性質，可將地球介質由下而上地分為地殼高溫電離層、地殼介質巖層、地殼表面導電層、大氣對流層、高空電離層。不同頻率的無線電波，在各層介質中傳播的折射率n和吸收衰減常數ɑ各不相同。因而各種頻段的無線電波在介質中傳播均有其衰減較小的傳播模式。適于通信的傳播模式主要有以下九種。

地殼波導傳播

以地殼表面導電層和地殼高溫電離層為界面，以地殼介質巖層為介質形成地殼波導的傳播模式。超長波或更長波段的電波可以在地殼波導中傳播到千余公里。但由于深入地下數公里的天線難以建造，現在還不能實際應用于通信。

水下傳播

無線電波在海水中傳播的傳播模式。電波在海水中的吸收衰減隨頻率升高而增大，目前僅用于超長波水下通信。

地表波傳播

無線電波沿地殼表面?zhèn)鞑サ膫鞑ツＪ?，又稱地波傳播。地面吸收衰減導致波陣面前傾，使單位距離吸收衰減率隨傳播距離的增大而增大。地面吸收衰減隨頻率升高而增大。地波傳播用于中頻（中波）以下頻段。

電離層傳播

利用電離層和地面對電磁波的一次或多次反射進行傳播的傳播模式，又稱天波傳播。電離層按高度由下而上地分為D、E、F1和F2等幾個主要層次。各個層次中部的電子密度最大值由下而上逐層增加，而電子和中性氣體分子的單位時間碰撞次數則逐層減少。電離層的高度和電子密度均隨季節(jié)、晝夜和太陽黑子活動而變化。

無線電波只能在折射率n值隨高度遞減的區(qū)域開始折返地面，電波途徑最高點處的折射率n值等于電波入射角θ₀的正弦函數。對應于某一折射角，存在一個最高頻率，其傳播途徑的最高點可以達到F2層的最大電子密度區(qū)。此頻率稱為最高可用頻率MUF。頻率超過MUF的電波則穿透電離層不再返回地面。對應于最大入射角的最高可用頻率的最大值約為30MHz。

由于電離層的吸收衰減，不同波段的無線電波各具有不同的特點，從而形成不同的傳播模式。①短波段：電波可穿過D、E層到達F層，一般可滿的條件，吸收衰減大致與頻率的平方成反比，所以工作頻率應盡量接近MUF。由于MUF隨季節(jié)、晝夜和太陽黑子活動周期變化，工作頻率必須相應地改變。此外，地殼表面導電層的上界面，對大入射角短波有良好的反射作用，可使下行天波轉變?yōu)樯闲刑觳ǎ@樣就形成了多跳電離層傳播模式。②中波段：晝間的D層有強烈的吸收作用，只有當夜間僅有E層存在時，才能形成電離層傳播模式。③長波段和超長波段：電離層下緣滿足條件ωV，晝間D層形成導電層反射面，夜間E層形成介質層反射面，并與地殼表面導電層構成大地-電離層波導的上下界面，其傳播衰減主要來自電離層的吸收，衰減值隨頻率遞增，超長波段的傳播距離可達數千公里。

電離層散射傳播

利用高度約85公里處電離層的不均勻性所產生的散射波進行通信的傳播模式。工作頻率為30～60MHz，傳播距離為800～2000公里。

對流層散射傳播

利用無線電波在大氣湍流氣團中產生的散射波進行超視距通信的傳播模式。適用于超短波段，通信距離可達數百公里。

對流層視距傳播

在低層大氣中，利用直射波的傳播模式，可分為廣播通信和點對點通信兩類。在大氣折射率隨高度增加而減小的正常分布情況下，直射波的傳播途徑向下彎曲，地球等效半徑大于實際半徑。當大氣折射率在某高度區(qū)間出現隨高度增加而增大的異常分布時，就會形成大氣波導，使傳播衰減遠遠小于正常的自由空間衰減值，短于厘米波段的直射波還會因為雨、雪、云、霧的吸收，雨滴的去極化和不均勻氣團的散射，而受到影響。在收、發(fā)天線間不存在反射波屏蔽時，必須考慮地面反射波的影響。視距傳播是超短波段和微波段的主要傳播模式。用于廣播通信和移動通信的傳播距離一般可達60公里，用于微波接力通信的傳播距離一般在50公里左右。

繞射傳播

利用沿地殼表面的繞射波的傳播模式。適用于超短波通信，也常用于廣播和移動通信。

地空傳播

無線電波穿透電離層的直射傳播模式。電波穿過電離層會受到衰落、吸收、方向變化、傳播時延、頻率變化和極化面轉動等的影響，這些影響隨頻率升高而迅速減弱。千兆赫以上的無線電波在穿過大氣層時，受到氧分子和水分子吸收。在頻率為60GHz處出現氧分子吸收峰值。水分子吸收則從頻率為 15GHz才開始顯著，并在頻率為23GHz處出現一個吸收峰值。由于10MHz～20GHz的電波在自由空間傳播所受的衰減影響較小，這個頻率范圍就形成一個無線電波的大氣窗口，適于地空傳播，是衛(wèi)星通信、空間通信的唯一傳播模式。

波段劃分

在通信中根據無線電波的波長（或頻率）把無線電波劃分為各種不同的波段（或頻段）。

各波段傳播的特點

不同波長（或頻率）的無線電波，傳播特性往往不同，應用于通信的范圍也不相同。

長波傳播　距離300km以內主要是靠地波，遠距離(2000km)傳播主要靠天波。用長波通信時，在接收點的場強穩(wěn)定，但由于表面波衰減慢，對其它收信臺干擾大。長波受天電干擾的影響亦很嚴重。此外由于發(fā)射天線非常龐大，所以利用長波作為通信和廣播的不多，僅在越洋通信、導航、氣象預報等方面采用。

中波傳播　白天天波衰減大，被電離層吸收，主要靠地波傳播，夜晚天波參加傳播，傳播距離較地波遠，它主要用于船舶與導航通信，波長為2000—200m的中波主要用于廣播。

短波傳播　有地波也有天波。但由于短波的頻率較高．地面吸收強烈，地表面波衰減很快，短波的地波傳播只有幾十公里。天波在電離層中的損耗減少，常利用天波進行遠距離通信和廣播。但由于電離層不穩(wěn)定，通信質量不佳，短波主要用于電話電報通信，廣播及業(yè)余電臺。

超短波傳播　由于超短波頻率很高，而地波的衰減很大，電波穿入電離層很深乃至穿出電離層，使電波不能反射回來，所以不能利用地表面波和天波的傳播方式，主要用空間波傳播。超短波主要用于調頻廣播、電視，雷達、導航傳真、中繼、移動通信等。電視頻道之所以選在超短波(微波及分米波)波段上，主要原因是電視需要較寬的頻帶(我國規(guī)定為8Mllz)。如果載頻選得比較低，例如選在短波波段，設中心頻率f_o=20MHz，則相對帶寬f/f_o=8/20=40%。這么寬的相對帶寬會給發(fā)射機、天饋線系統、接收機以及信號傳輸帶來許多困難，因此選超短波波段，提高載頻以減小相對帶寬。