基于無線通信電波傳播模型分析與研究

段澤鵬

太原理工大學信息工程學院,山西 太原 030024

在通信系統中，信道占有極其重要的位置。根據傳輸媒質，可將信道分成有線信道和無線信道兩種。無線信道直接決定著無線通信系統的性能。實際中，電磁波常常會在無線信道中遭到散射、反射、移動臺的速度、信號的傳輸帶寬等諸多因素的影響，因此，相較于有線信道，無線信道缺乏其的固定性和易于預測性，存在著很大的隨意性和分析困難性。所以，在無線通信系統研究工作中，無線信道的建模一直都是其永恒主題。

1.無線電波的傳播

通信網規劃與建設過程中，從頻段的明確、頻率的分配、無線電波的覆蓋范圍、計算機通信概率、系統間的電磁干擾到無線設備參數的明確均應借助于對電波傳播特性的研究與據此實施的場強預測。

無線電波的傳播方式具體有：直達波或自由空間波；地波或表面波；對流層反射波、電離層波蜂窩系統的無線傳播利用了第二種地波或表面波傳播方式。主要的傳播途徑是反射、繞射、散射。

2.無線通信電波傳播模型

2.1 自由空間傳播模型

關于自由空間中距發射機d位置處天線的接收功率，主要采用Friis公式列出：

上述公式中，P1代表的是發射功率，Pr（d）代表的是接收功率，是T-R距離的函數，G1代表的是發射天線增益；Gr代表的是接收天線增益；d主要是T-R間距離，單位：米；L代表的是和傳播不相關的系統損耗因子；λ代表波長，單位：米。綜合損耗L(L≥1)一般是因為傳輸線衰減、濾波損耗以及天線損耗，L=1代表著系統硬件中不存在損耗情況。

從上述公式中可以看出，接收機功率主要隨著T-R距離的平方而衰減，也就是接收功率衰減和距離間的關系是20dB/10倍程。

Friis自由空間模型在d位置時，其發射天線遠場值中使用最為理想。將天線的遠場規定為超出遠場距離df的區域，df和發射天線截面的最大線性尺寸與載波波長息息相關。將Fraunhofer距離規定為：df=2D2/λ，D代表的是天線的最大物理線性尺寸。

對于尺度較大的傳播模型應將近距離d0當做接收功率的參考點。

2.2 Walgish-Ikegami 模型的基本原理

為了對微小區域及宏小區域的傳播損耗予以準確的預測，在實際的預測過程中，一個非常重要的模型為Walgish Ikega-mi模型，它主要是由Walfish 和Ikegami 二人共同提出的。

Walfish 和Ikegami 提出了Walgish Ikega-mi模型。此模型還可稱之為WIM模型，其在一些高樓林立地區的小到中型蜂窩的半確定模型中比較適用，具體的使用費范圍是頻率f在800到2000MHz間，基站天線具體高度h在4到50m間，移動臺天線具體高度hm在1到3m間，距離d為0.02到5km。下圖是Walgish-Ikegami 模型示意圖：

圖1

2.3 Walgish-Ikegami 模型的仿真結果

根據工程設計的具體情況，本文只對基站天線高于建筑物平均高度的情況予以了考慮。同時，出于對PL msd因子平臺的簡化考慮，應在街道中央設置移動臺，同時，合理選取f=950MHz，要求天線高度應為h=30m，移動臺高度應為hm=1.5m，街道寬度應為w=10m。下圖中主要是建筑物間的距離db=20m一定的情況下，各建筑物高度下的電波傳播模型損耗隨距離的變化曲線。

圖2

通過仿真看到，在建筑物間距離一定的情況下，電波傳播路徑損耗主要是在建筑物高度的增加下而有所增大，并且，電波傳播模型損耗還會在距離的增加下而有所增大。

2.4 地形效應模型

像一些佇立在地形起伏的城市區域中，如果靠近移動用戶的屋頂在基站天線的LOS路徑內，那么，將會把局部地面坡度考慮進去。如果中間山阻擋LOS路徑，那么，就必須對它們的衍射效應予以充分考慮。當超過山有一定距離時，可通過形邊緣或者以簡化的刃形邊緣對其衍射進行計算。如果屋頂在基站的視距范圍內，那么，路徑損耗就由自由空間損耗、歸因于前面建筑物到達用戶之前最后一個屋頂上的場損耗與一直到街面用戶的屋頂場衍射相關的損耗共同組合而形成。

2.5 樹叢效應模型

樹葉與樹枝的存在一定程度上衰減了UHF與微波信號，在樹林里，樹對直射波的衰減發揮著和建筑物基本一樣的作用，可求得在樹林中路徑損耗的距離指數為n=4，這與在平坦地面上方傳播中所求得的結果相一致。衰減主要由頻率和樹叢的實際類型而決定，比如，樹的大小、葉子的角度分布、樹枝的分布等。筆者從在一個梨園里實施的11.2GHz測量結果中提取出的直至20米距離上的特定衰減值看到如果樹葉上有樹葉，那么，此衰減值是a dB=2.0dB/m，沒有樹葉的，a dB=1.7dB/m。

3.結語

綜上所述可知，通信系統中的無線電波傳播模型和預測是一項龐大的系統性工程，尤其是隨著我國CDMA系統的實際應用，使得運營維護者面臨各種新的內容與新的任務。CDMA具有和GSM系統不一樣的特性。因為在CDMA系統中，人們除了要時刻觀察信號的強度外，還必須注重因諸多因素而導致的碼片延遲情況，這在系統中屬于核心指標。不過，電波傳播和預測的基本方法依舊以大量的測試為核心，據此，從電磁波理論角度出發，通過不同有效的經驗模型予以修正，并且，及時掌握了解對電波傳播造成影響的主要因素。

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