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5G及無線技術專欄主要介紹5G NR、LTE、WiFi等主流無線通信技術，由業(yè)界一線工程師執(zhí)筆，結合理論與實踐，既有標準解讀，又涵蓋鏈路仿真與測試，是不可多得的進階學習平臺。如有想看到的內(nèi)容或技術問題，可以在文尾寫下留言。

1. 概述

在移動通信網(wǎng)的規(guī)劃階段和網(wǎng)絡優(yōu)化期間，最重要的傳播問題是路徑損耗，它代表大尺度傳播特性，具有冪定律的傳播特征。路徑損耗是移動通信系統(tǒng)規(guī)劃設計的一個重要依據(jù)，對蜂窩設計中的覆蓋范圍、信噪比、遠近效應都有影響。因此，在移動通信網(wǎng)絡最初規(guī)劃階段，或今后的擴容、網(wǎng)絡優(yōu)化期間需要進行路徑損耗預測。無線傳播模型正是用來預測不同傳播環(huán)境下的路徑損耗，從而更好的建設當?shù)氐臒o線通信網(wǎng)絡。

從基站發(fā)出的無線電信號不僅存在大氣層中傳播遇到的路徑損耗，而且還受到地面?zhèn)鞑ヂ窂綋p耗的影響，而地面?zhèn)鞑p耗受地面地形地物的影響很大。移動臺天線高度較低，一般非常接近地平面，這是產(chǎn)生這一附加傳播損耗的原因之—。一般來說，地面的質(zhì)地和粗糙度往往導致能量耗散，減小移動臺和基站的接收信號強度。這種類型的損耗和自由空間損耗相結合，共同構成了傳播路徑損耗。

移動無線電信號還受到各種各樣的多徑現(xiàn)象的影響——它們能引起嚴重的信號衰落，這些影響源于移動無線電通信媒介。移動無線電信號衰落包括長時限衰落和短時限衰落，這是統(tǒng)計上的分類。長時限衰落一般由沿傳播路徑上地形地物的較小規(guī)模變化引起。短時限衰落一般由各種信號散射體固定的和運動的）的反射引起。這類衰落稱為“多徑”衰落。

對在這樣復雜環(huán)境中傳播信號的變化進行精確特征描述，是一項非常艱巨的任務。下面介紹的各種模型，就是通過大量的實測數(shù)據(jù)，或者精確的電磁理論計算，預測了無線信號的變化。

2. 傳播模型的分類

在移動通信網(wǎng)絡設計中，一個主要的任務是在滿足移動用戶所需的話務容量條件下，使網(wǎng)絡達到滿意的質(zhì)量覆蓋率、話音質(zhì)量、掉話率和接通率等。其中很大一部分和接收信號的質(zhì)量有關，而接收信號的質(zhì)量主要由發(fā)射和接收之間的傳播條件決定。在分析移動通信的無線電波傳播過程中，傳播路徑損耗是人們關心的主要參數(shù)之一，我們可以用無線傳播模型分析方法來預測無線電波的傳播路徑損耗。

根據(jù)無線傳播模型的性質(zhì)，可以分為下面幾類：

（1）．經(jīng)驗模型

（2）．半經(jīng)驗或半確定性模型

（3）．確定性模型

經(jīng)驗模型是根據(jù)大量的測試結果統(tǒng)計分析后導出的公式。用經(jīng)驗模型預測路徑損耗的方法很簡單，不需要相關環(huán)境的精確信息，但是不能提供非常精確的路徑損耗估算值。

確定性模型是對具體的現(xiàn)場環(huán)境直接應用電磁理論計算的方法，環(huán)境的描述從地形地物數(shù)據(jù)庫中得到，在環(huán)境描述中可以找到不同的精度等級。在確定性模型中，已使用的幾種技術通常基于射線跟蹤的方法：幾何繞射理論、物理光學，以及不經(jīng)常用的精確方法，如積分方程法或時域有限差分法。在市區(qū)、山區(qū)和室內(nèi)環(huán)境情況中，確定性的無線傳播預測是一種極其復雜的電磁問題。

半經(jīng)驗或半確定性模型是基于把確定性方法用于一般的市區(qū)或室內(nèi)環(huán)境中導出的等式。有時候，為了改善它們和實驗結果的一致性，則根據(jù)實驗結果對等式進行修正，得到的等式是天線周圍地區(qū)某個規(guī)定特性的函數(shù)。

由于移動通信的所在環(huán)境的多樣性，每個傳播模型都是對某特定類型環(huán)境設計的。因此，可以根據(jù)傳播模型的應用環(huán)境對它們進行分類。通常考慮三類環(huán)境小區(qū)：宏小區(qū)宏蜂窩、微小區(qū)或微蜂窩、微微小區(qū)或微微蜂窩。

（1）．宏小區(qū)

宏小區(qū)是面積很大的區(qū)域，覆蓋半徑約1～30km，基站發(fā)射天線通常架設在周圍建筑物上方。通常，在收發(fā)之間沒有直達射線。

（2）．微小區(qū)

微小區(qū)的覆蓋半徑在0.1～1km之間，覆蓋面積不一定是圓的。發(fā)射天線的高度可以和周圍建筑物的高度相同或者略高于或低于。通常，根據(jù)收發(fā)天線和環(huán)境障礙物的相對位置分成兩類情況：LOS視距情況和NLOS非視距情況。

（3）．微微小區(qū)

微微小區(qū)的典型半徑是在0.01～0.1km之間。微微小區(qū)可以分為兩類：室內(nèi)和室外。發(fā)射天線在屋頂下面或者在建筑物內(nèi)。無論在室內(nèi)還是在室外情況中，通常要分別考慮LOS和NLOS這兩種情況。

一般，三種類型模型和三種小區(qū)類型之間有相互適應的關系。如經(jīng)驗模型和半經(jīng)驗模型對具有均勻特性的宏小區(qū)是適合的，半經(jīng)驗公式還適用于均勻的微小區(qū)，模型所考慮的參數(shù)能很好地表征整個環(huán)境。確定性模型適用于微小區(qū)和微微小區(qū)，不管它們的形狀如何，但對宏小區(qū)是不能適用的，因為這種環(huán)境所需的CPU時間使這些技術效率變得低下。

2.1 宏小區(qū)傳播模型

2.1.1 Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型是Hata在Okumura大量測試數(shù)據(jù)的基礎上用公式擬合得到的。由于使用Okumura模型，需要查找其給出的各種曲線，不利于計算機預測。Hata根據(jù)Okumura的基本中值場強預測曲線，通過曲線擬合，提出了傳播損耗的經(jīng)驗公式，即Okumura-Hata模型。

這個模型時作了下列三點假設，以求簡化：

（1）．作為兩個全向天線之間的傳播損耗處理；

（2）．作為準平滑地形而不是不規(guī)則地形處理；

（3）．以城市市區(qū)的傳播損耗公式作為標準，其他地區(qū)采用校正公式進行修正。

適用條件：

（1）．f 為150～1500MHz；

（2）．基站天線有效高度hb 為30～200米；

（3）．移動臺天線高度hm 為1～10米；

（4）．通信距離為1～35km；

傳播損耗公式如下：

公式說明：

d 的單位為km；

f 的單位為MHz；

Lb 城為城市市區(qū)的基本傳播損耗中值；

hb 、hm ——基站、移動臺天線有效高度，單位為米；

基站天線有效高度計算：設基站天線離地面的高度為hs ，基站地面的海拔高度為hg ，移動臺天線離地面的高度為hm ，移動臺所在位置的地面海拔高度為hmg ，則基站天線的有效高度hb=hs+hg-hmg ，移動臺天線的有效高度為hm 。

注：基站天線有效高度計算有多種方法，如基站周圍5~10公里的范圍內(nèi)的地面海拔高度的平均；基站周圍5~10公里的范圍內(nèi)的地面海拔高度的地形擬合線；等等；不同的計算方法一方面與所使用的傳播模型有關，另外也與計算精度要求有關。

移動臺天線高度修正因子：

遠距離傳播修正因子：

2.1.2 COST-231-Hata模型

COST-231-Hata模型也是以Okumura等人的測試結果為依據(jù)，通過對較高頻段的Okumura傳播曲線進行分析得到的公式。

適用條件：

（1）．f 為1500～2000MHz；

（2）．基站天線有效高度hb 為30～200米；

（3）．移動臺天線高度hm 為1～10米；

（4）．通信距離為1～35km。

傳播損耗公式：

公式說明：

d 的單位為km，f的單位為MHz；

Lb城為城市市區(qū)的基本傳播損耗中值；

hb 、hm ——基站、移動臺天線有效高度，單位為米；

基站天線有效高度計算：設基站天線離地面的高度為hs ，基站地面的海拔高度為hg ，移動臺天線離地面的高度為hm ，移動臺所在位置的地面海拔高度為hmg 。則基站天線的有效高度hb=hs+hg-hmg ，移動臺天線的有效高度為hm 。

移動臺天線高度修正因子：

遠距離傳播修正因子：

2.2 微小區(qū)傳播模型

2.2.1 雙射線模型

雙射線傳播模型在計算接收處的場時只考慮直達射線和地面反射射線的貢獻。對平坦的農(nóng)村環(huán)境是可以勝任的，而且它也適合于具有低基站天線的微蜂窩小區(qū)，因為收發(fā)天線之間有LOS路徑。在這種情況中，若建筑物的墻對電波也發(fā)生反射和繞射的話，它們將在簡單的雙射線模型中導致場強幅度的快速變化，但是并不改變由雙射線預測的整個路徑損耗冪定律指數(shù)n 的值。

雙射線模式給出的路徑損耗被寫成為收發(fā)之間的距離d的函數(shù)，并且可以用兩個不同斜率n1 和n2 的直線段近似。兩線段之間的突變點也稱為拐點出現(xiàn)在離發(fā)射端的距離為：

式中hr 和ht 分別是收發(fā)天線的高度。

路徑損耗可以用下式表示：

這個近似式稱為雙斜率模型。對于理論上的雙射線地面反射模型，n1 和n2 的值分別是2和4。在市區(qū)微蜂窩小區(qū)1800～1900MHz測量結果表明n1 的值在2.0～2.3之間，n2 的值在3.3～13.3之間。Lb 是在突變點處的路徑損耗：

2.2.2 多射線模型

多射線模型已被用在LOS情況下的市區(qū)微蜂窩小區(qū)中，當收發(fā)天線比屋頂平面低得多時。這些模型假設所謂的街道為“介質(zhì)峽谷”結構也成為波導結構，接收端的場，來自收發(fā)之間的直達射線、沿地面的反射射線、以及峽谷的垂直平面建筑物墻反射的射線。雙射線模型可以被看作為只考慮兩條射線的多射線模型。四射線和六射線模型已被提出：四射線模型由直達射線、地面反射射線和兩條被建筑物墻壁反射一次的射線相加得到；六射線模型和四射線模型機理相同，再加上兩條被建筑物反射兩次的射線。

2.2.3 多縫隙波導模型

當多射線模型用到市區(qū)環(huán)境時，通常假設街道的建筑物是連續(xù)排列的，建筑物之間沒有間隙。Blaunstein和Levin提出了一個多縫隙波導結構模型，考慮了建筑物墻的實際介質(zhì)特性、實際分布的街道寬度以及從馬路上的反射如圖1所示。這個模型假設城市結構是由兩排平行的具有隨機分布縫隙建筑物之間的缺口所形成，考慮了直達場，建筑物墻的多次反射，墻角拐角處多次繞射理論以及地面的反射。

圖1. 多縫隙波導模型

2.3 室內(nèi)傳播模型

實驗研究指出，在建筑物內(nèi)對于有障礙物的傳播路徑NLOS將經(jīng)歷瑞利衰落，對于視距路徑LOS經(jīng)歷萊斯衰落，與建筑物類型無關。萊斯衰落是強的視距LOS路徑加上許多弱反射的地面路徑聯(lián)合引起的。建筑物的材料、建筑物邊的縱橫比和窗戶的類型已表明對樓層間的射頻衰減有影響。測量已經(jīng)指出，樓層間的損耗并不隨分隔距離的增加按分貝線性增加。樓層之間衰減的典型值對于第一層分隔是15dB，然后每層分隔再附加6～10dB，最多分到4層分隔。對于5層或更多層的分隔，每個附加層的路徑損耗增加只有幾分貝。

對于用室外基站覆蓋室內(nèi)的系統(tǒng)，實驗研究已經(jīng)表明建筑物內(nèi)部接收到的信號強度隨樓層高度而增加。在建筑物的較低層，由于都市群的原因有較大的衰減，使穿透進入建筑物的信號電平很小。在較高樓層，若存在視距路徑的話，就會產(chǎn)生較強的直射到建筑物外墻處的信號。信號的穿透損耗是頻率和建筑物內(nèi)部高度的函數(shù)。穿透損耗隨頻率的增加而增大。測量表明，有窗戶的穿透損耗比沒有窗戶的建筑物少6dB。

2.3.1 對數(shù)距離路徑損耗模型

平均路徑損耗是距離的n 次冪的函數(shù)，如下：

式中L50（d ）是平均路徑損耗dB，d 是收發(fā)之間的距離m，L （d0 ）是發(fā)射點到參考距離d0 的路徑損耗，d0 是參考距離m，n 是取決于環(huán)境的平均路徑損耗指數(shù)。參考路徑損耗可以通過測試或利用自由空間路徑損耗表示式計算得到。

從上式發(fā)現(xiàn)路徑損耗是對數(shù)正態(tài)分布的。平均路徑損耗指數(shù)n 和標準差σ 是取決于建筑物類型、建筑物側面以及發(fā)射機和接收機之間樓層數(shù)的參數(shù)。在收發(fā)間隔距離d 米處的路徑損耗可以給出：

L（d ）=L50 （d）+Xσ（dB）

這是一個經(jīng)驗模型，式中Xσ 是具有標準差σ（dB）的零均值對數(shù)正態(tài)分布隨機變量，代表環(huán)境地物的影響。

2.3.2 衰減因子模型

前面的公式也可以用下式來替代：

式中，n1 是位于同一樓層上的路徑損耗指數(shù)，它取決于建筑物的類型，其典型值是2.8；FAF 是樓層衰減因子，它是樓層數(shù)和建筑物類型的函數(shù)。

3.傳播模型在蜂窩設計中的應用

在無線蜂窩設計中，為了預測基站的覆蓋半徑或接收機的接收功率功率鏈路預算，可用如下公式：

Pr =Pt +Gt +Gr -Lt -Lr -Lbf

式中，Pr 和Pt 分別是接收功率和發(fā)射功率，單位是dBm；Gr 和Gt 分別是收發(fā)天線的增益，單位是dB；Lr 和Lt 分別是上下行鏈路的饋線損耗，單位是dB；Lbf 是傳播路徑損耗，單位是dB。其中Lbf 可以通過前面介紹的模型進行預測。

為了提高預測精度和減少無線網(wǎng)絡規(guī)劃工程師的工作量，更多的是采用計算機程序來預測傳播損耗和所覆蓋的區(qū)域。路徑損耗的預測，和基站周圍的地形、地物、距離密切相關，因此我們可以把地形、地物等信息存儲在電子地圖中，計算機在運算時可以隨時調(diào)用這些信息。圖2是某地的電子地圖，圖中不同顏色表示的是不同的地物。