段澤鵬

太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院,山西 太原 030024

在通信系統(tǒng)中，信道占有極其重要的位置。根據(jù)傳輸媒質(zhì)，可將信道分成有線信道和無(wú)線信道兩種。無(wú)線信道直接決定著無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。實(shí)際中，電磁波常常會(huì)在無(wú)線信道中遭到散射、反射、移動(dòng)臺(tái)的速度、信號(hào)的傳輸帶寬等諸多因素的影響，因此，相較于有線信道，無(wú)線信道缺乏其的固定性和易于預(yù)測(cè)性，存在著很大的隨意性和分析困難性。所以，在無(wú)線通信系統(tǒng)研究工作中，無(wú)線信道的建模一直都是其永恒主題。

1.無(wú)線電波的傳播

通信網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)過(guò)程中，從頻段的明確、頻率的分配、無(wú)線電波的覆蓋范圍、計(jì)算機(jī)通信概率、系統(tǒng)間的電磁干擾到無(wú)線設(shè)備參數(shù)的明確均應(yīng)借助于對(duì)電波傳播特性的研究與據(jù)此實(shí)施的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。

無(wú)線電波的傳播方式具體有：直達(dá)波或自由空間波；地波或表面波；對(duì)流層反射波、電離層波蜂窩系統(tǒng)的無(wú)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(wú)線通信電波傳播模型

2.1 自由空間傳播模型

關(guān)于自由空間中距發(fā)射機(jī)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(fā)射功率，Pr（d）代表的是接收功率，是T-R距離的函數(shù)，G1代表的是發(fā)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(guān)的系統(tǒng)損耗因子；λ代表波長(zhǎng)，單位：米。綜合損耗L(L≥1)一般是因?yàn)閭鬏斁€衰減、濾波損耗以及天線損耗，L=1代表著系統(tǒng)硬件中不存在損耗情況。

從上述公式中可以看出，接收機(jī)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(guān)系是20dB/10倍程。

Friis自由空間模型在d位置時(shí)，其發(fā)射天線遠(yuǎn)場(chǎng)值中使用最為理想。將天線的遠(yuǎn)場(chǎng)規(guī)定為超出遠(yuǎn)場(chǎng)距離df的區(qū)域，df和發(fā)射天線截面的最大線性尺寸與載波波長(zhǎng)息息相關(guān)。將Fraunhofer距離規(guī)定為：df=2D2/λ，D代表的是天線的最大物理線性尺寸。

對(duì)于尺度較大的傳播模型應(yīng)將近距離d0當(dāng)做接收功率的參考點(diǎn)。

2.2 Walgish-Ikegami 模型的基本原理

為了對(duì)微小區(qū)域及宏小區(qū)域的傳播損耗予以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，在實(shí)際的預(yù)測(cè)過(guò)程中，一個(gè)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(qū)的小到中型蜂窩的半確定模型中比較適用，具體的使用費(fèi)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(dòng)臺(tái)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(jié)果

根據(jù)工程設(shè)計(jì)的具體情況，本文只對(duì)基站天線高于建筑物平均高度的情況予以了考慮。同時(shí)，出于對(duì)PL msd因子平臺(tái)的簡(jiǎn)化考慮，應(yīng)在街道中央設(shè)置移動(dòng)臺(tái)，同時(shí)，合理選取f=950MHz，要求天線高度應(yīng)為h=30m，移動(dòng)臺(tái)高度應(yīng)為hm=1.5m，街道寬度應(yīng)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(guò)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(huì)在距離的增加下而有所增大。

2.4 地形效應(yīng)模型

像一些佇立在地形起伏的城市區(qū)域中，如果靠近移動(dòng)用戶的屋頂在基站天線的LOS路徑內(nèi)，那么，將會(huì)把局部地面坡度考慮進(jìn)去。如果中間山阻擋LOS路徑，那么，就必須對(duì)它們的衍射效應(yīng)予以充分考慮。當(dāng)超過(guò)山有一定距離時(shí)，可通過(guò)形邊緣或者以簡(jiǎn)化的刃形邊緣對(duì)其衍射進(jìn)行計(jì)算。如果屋頂在基站的視距范圍內(nèi)，那么，路徑損耗就由自由空間損耗、歸因于前面建筑物到達(dá)用戶之前最后一個(gè)屋頂上的場(chǎng)損耗與一直到街面用戶的屋頂場(chǎng)衍射相關(guān)的損耗共同組合而形成。

2.5 樹(shù)叢效應(yīng)模型

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

3.結(jié)語(yǔ)

綜上所述可知，通信系統(tǒng)中的無(wú)線電波傳播模型和預(yù)測(cè)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)性工程，尤其是隨著我國(guó)CDMA系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，使得運(yùn)營(yíng)維護(hù)者面臨各種新的內(nèi)容與新的任務(wù)。CDMA具有和GSM系統(tǒng)不一樣的特性。因?yàn)樵贑DMA系統(tǒng)中，人們除了要時(shí)刻觀察信號(hào)的強(qiáng)度外，還必須注重因諸多因素而導(dǎo)致的碼片延遲情況，這在系統(tǒng)中屬于核心指標(biāo)。不過(guò)，電波傳播和預(yù)測(cè)的基本方法依舊以大量的測(cè)試為核心，據(jù)此，從電磁波理論角度出發(fā)，通過(guò)不同有效的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀枰孕拚?，并且，及時(shí)掌握了解對(duì)電波傳播造成影響的主要因素。

[1]王正海,田茂,胡樹(shù)楷,王玉.基于無(wú)線電波廣播特性的多用戶自動(dòng)請(qǐng)求重傳[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2011年2期.

[2]胡正群,施滸立,裴軍,杜曉輝.無(wú)線通信系統(tǒng)中的OFDM技術(shù)[A].中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)2009年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C],2009年.

[3]馬捷.無(wú)線通信系統(tǒng)中天線的優(yōu)化與設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué),2011年.

[4]毛定軍,林先壹.移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)仿真專題三維數(shù)字地圖分析[J].移動(dòng)通信,2011年10期.