无线链路传输模型

       在移动无线电环境中，传播环境的复杂多变和移动台的不断移动导致无线链路呈现复杂多变的特征，影响着无线电信号的传输质量。同时由于在实际的工程设计中，由链路预算得到的最大路径损耗必须依靠无线环境的传播模型才能转换成为小区半径。因此，研究无线通信和无线网络规划的首要问题就是研究无线传播环境对信号的传输质量的影响，也就是研究无线电信号在空中所经历的电波传播损耗，这就需要建立传播模型来模拟电信号在无线环境中的衰减情况，估算出尽可能接近实际的接收点的信号场强中值，从而进行合理的小区规划，在满足用户需求的同时又可以节约投资。

       人们经过理论分析和长期的实际观测，通过建立基站与移动台之间的无线链路的统计模型，发现电波传播的损耗主要由传播路径损耗、多径衰落和慢衰落3个部分构成。其中，传播路径损耗主要是由于电波传播的弥散特性造成的；多径衰落通常是由移动台周围半径约100倍波长内的物体造成的反射，一般认为信号的均值服从瑞利分布；慢衰落是由于地形起伏和人造建筑物引起的慢衰落及由于电波的空间扩散造成的衰减，一般认为信号的均值服从对数正态分布。另外，对信号造成干扰的除了上述3种乘性干扰之外，还始终存在着一种服从高斯分布的加性噪声，其噪声源包括热噪声、雷电噪声等，多用户干扰及来自其他小区的干扰也常被等效为高斯白噪声。

       广泛应用于工程实际的传播模型有适用于室外型大区制蜂窝结构的Okumura-Hata、Cost231-Hata和适用于微蜂窝结构的Walfish-Ikegami经验公式等，它们都是在大量的测试数据中总结出来的信号电平随地理环境变化的衰减分布规律的经验模式。由于这些模型是在大量的统计数据中总结出的经验数据，并且是从特定的地理区域获得的，因此，它们都具有一些地区适应性，如Okumura-Hata更适用于准平坦地形情况、Cost231-Hata适用于中小城市等。在实际的工程使用中，要根据不同地区的无线环境情况有选择地使用，并且在当地进行模型校正。

       在应急通信系统设计中，我们所要考虑的不仅有大区制的扇区覆盖、更有小区制及微小区制的扇区覆盖。因此，在未来的传播预测中，用到的将是一种混合的预测算法，即在大区制覆盖的地区仍然釆用宏蜂窝传播模型经验公式，并且利用通过实地做连续波测试得到的修正因子来更精确地描述当地无线路径损耗。在以微小区结构为主的密集复杂城区，低于周围建筑物高度的基站和周围建筑物形状及高度、街道宽度、地形等对无线传播的影响都应在我们规划的范围之内，运用可视化技术对覆盖区域环境进行描述及射线跟踪算法来进行精确的覆盖模拟。

根据传播模型的获得方式，通常可以将传播模型分为经验模式、半经验或半确定性模式和确定性模式。

       (1) 经验模式是将大量测试的结果经过统计分析得到反映无线路径损耗的公式，如0kumura-Hata>Cost231-Hata>LEE模型等。

       (2) 半经验或半确定性模式是把确定性方法用于一般的市区或室内环境导出的公式。还可以根据实验结果对等式进行修正，得到表征天线周围地区规定特性的函数，如Cost231Walfish-Ikegami等。

       (3) 确定性模式是对具体的现场环境应用电磁理论计算的方法。在这种模式中，已使用的几种技术通常基于射线跟踪的电磁方法，如几何绕射理论、物理光学等。在这种模式中，无线传播与环境特征(如建筑物的高度、棱角、街道宽度、物体表面材质等)有关。

根据移动无线传播环境的不同，可将传播模型分为自由空间传播模型和非自由空间传播模型。

       (1) 自由空间传播模型是指充满均匀理想介质的空间，而且不存在地面和障碍物的影响。在自由空间中传播的电波不产生反射、折射、散射、绕射和吸收等现象，只存在因扩散而造成的衰减。自由空间的基本传输损耗是指位于自由空间的发射系统的等效全向辐射功率与接收系统各向同性接收天线所接收到的可用功率之比，在实际系统中只有在视距情况下发射和接收之间才可以釆用自由空间传播模型。

       (2) 非自由空间传播模型是指在基站和移动台之间不存在直射信号，接收的信号是发射信号经过若干次反射、绕射和散射后的叠加，在某些特别空旷地区或基站天线特别高的地区存在直射传播路径。人们经过理论分析和长期的实际观测，建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型，电波传播的损耗主要由传播路径损耗、快衰落(多径衰落)、慢衰落等3个部分构成。

       Okumura-Hata模型是预测城区信号中使用最广泛的经验模型，一般应用的频率是150~2000MHz,后来利用测试结果又扩展到100〜3000MHz的频率上，适用距离为1〜20km,天线高度在30〜200m范围内。

       Okumura-Hata模型以准平坦地形为基准，并按照地形地貌分为城区、开阔地和郊区。其路径损耗公式为

      其中:

      (1) 城区：指传播路由上集中分布着两层楼或以上的建筑物，或者有茂密的森林。城区路径损耗的计算公式为

       开阔地：指传播路由上没有大的障碍物的开阔地带，以及前方数百米内没有任何阻挡的区域。开阔地路径损耗的计算公式为

      (2) 郊区：指传播路由上分布有少量的不太密集的障碍物及障碍物的高度比较低的区域。郊区路径损耗的计算公式为

       为了使Okumura-Hata模型能适用于一些特殊地区，如丘陵地形、斜坡地和水陆混合地区等，Okumura-Hata模型定义了基站的有效天线高度，来应用于无线电波传播模式中。

       通常在我们使用的各种规划软件中，将该模型进行了修正，使该模型更能适用于实际工程及更便于计算机进行模拟计算。因此，使用Okumura-Hata模型首先需要对所研究的地区进行分类，即把所研究地区按照地物的分布划分为开阔地、郊区和城区、密集市区等，然后根据不同的地形分类来进行实地连续波测试，再通过模型校正得到关于Okumura-Hata模型在当地的修正因子。这样就得到比较能够精确反映当地路径损耗的预测结果。

       该模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反应较慢，预测和实测值之间的偏差在10dB左右，并且在小区半径1km之内的偏差较大，只适用于基站半径较大的宏蜂窝的覆盖预测。

       Cost231-Hata模型也是以Okumura等人的测试结果为依据，通过对高频段的Okumura传播曲线进行分析，得到所建议的公式：

其中a(Hms)是有效移动天线修正因子。Cm取值如表4.1所示。

表4.1 Cm取值

        Cost 231-Hata模型是以中小城市的无线环境为基准，适用的工作频率为1500〜2000MHz,天线高度为30〜200m,手持机的天线高度为1〜10m,适合的基站半径为1〜20km,校正后可以适用于100m以内。

       Cost231报告建议的Cost231Walfish-Ikegami模型是适用于微蜂窝环境的模型，是经验模式和确定性模式的结合。在使用时引入一些描述市区环境特征的地理化信息参数，包括建筑物高度、街道宽度、建筑物的间隔、阻挡物相对于直达无线电路径的道路方位角度，同时对当固定基站天线等于或低于屋顶高度时的情况进行了一些修正。此模型只有当传播距离大于20m时有效。

       Cost231Walfish-Ikegami模型在应用时要分成两种情况来处理：一种是低基站天线情况，适用于视距情况；另一种是高基站天线情况，适用于非视距情况，如图4.1所示。

图4.1   Cost 231  Walfish-ikegani 模型应用

     （1）低基站天线情况：基站天线低于周围建筑物的平均高度时，信号是在街道形成的峡谷中传播的，其传播特性与高基站天线的传播特性不同。经过实际测试,得到对街道峡谷内的视距通信情况使用的公式：路径损耗Lb=42.6+261og(d)+201og(∫)20m≤d≤5km。

       (2)高基站天线情况：在这种情况下应用的公式适合于非视通情况的传播路径，可以简单表达为

      式中Lbf——自由空间损耗；

             Lrts——最后的屋顶到街道的绕射和散射损耗，用来计算街道内的绕射和反射;
             Lmsd——多重屏前向绕射损耗，计算屋顶上方的多次绕射。