基于无线通信电波传播模型分析与研究

段泽鹏

太原理工大学信息工程学院,山西 太原 030024

在通信系统中，信道占有极其重要的位置。根据传输媒质，可将信道分成有线信道和无线信道两种。无线信道直接决定着无线通信系统的性能。实际中，电磁波常常会在无线信道中遭到散射、反射、移动台的速度、信号的传输带宽等诸多因素的影响，因此，相较于有线信道，无线信道缺乏其的固定性和易于预测性，存在着很大的随意性和分析困难性。所以，在无线通信系统研究工作中，无线信道的建模一直都是其永恒主题。

1.无线电波的传播

通信网规划与建设过程中，从频段的明确、频率的分配、无线电波的覆盖范围、计算机通信概率、系统间的电磁干扰到无线设备参数的明确均应借助于对电波传播特性的研究与据此实施的场强预测。

无线电波的传播方式具体有：直达波或自由空间波；地波或表面波；对流层反射波、电离层波蜂窝系统的无线传播利用了第二种地波或表面波传播方式。主要的传播途径是反射、绕射、散射。

2.无线通信电波传播模型

2.1 自由空间传播模型

关于自由空间中距发射机d位置处天线的接收功率，主要采用Friis公式列出：

上述公式中，P1代表的是发射功率，Pr（d）代表的是接收功率，是T-R距离的函数，G1代表的是发射天线增益；Gr代表的是接收天线增益；d主要是T-R间距离，单位：米；L代表的是和传播不相关的系统损耗因子；λ代表波长，单位：米。综合损耗L(L≥1)一般是因为传输线衰减、滤波损耗以及天线损耗，L=1代表着系统硬件中不存在损耗情况。

从上述公式中可以看出，接收机功率主要随着T-R距离的平方而衰减，也就是接收功率衰减和距离间的关系是20dB/10倍程。

Friis自由空间模型在d位置时，其发射天线远场值中使用最为理想。将天线的远场规定为超出远场距离df的区域，df和发射天线截面的最大线性尺寸与载波波长息息相关。将Fraunhofer距离规定为：df=2D2/λ，D代表的是天线的最大物理线性尺寸。

对于尺度较大的传播模型应将近距离d0当做接收功率的参考点。

2.2 Walgish-Ikegami 模型的基本原理

为了对微小区域及宏小区域的传播损耗予以准确的预测，在实际的预测过程中，一个非常重要的模型为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。此模型还可称之为WIM模型，其在一些高楼林立地区的小到中型蜂窝的半确定模型中比较适用，具体的使用费范围是频率f在800到2000MHz间，基站天线具体高度h在4到50m间，移动台天线具体高度hm在1到3m间，距离d为0.02到5km。下图是Walgish-Ikegami 模型示意图：

图1

2.3 Walgish-Ikegami 模型的仿真结果

根据工程设计的具体情况，本文只对基站天线高于建筑物平均高度的情况予以了考虑。同时，出于对PL msd因子平台的简化考虑，应在街道中央设置移动台，同时，合理选取f=950MHz，要求天线高度应为h=30m，移动台高度应为hm=1.5m，街道宽度应为w=10m。下图中主要是建筑物间的距离db=20m一定的情况下，各建筑物高度下的电波传播模型损耗随距离的变化曲线。

图2

通过仿真看到，在建筑物间距离一定的情况下，电波传播路径损耗主要是在建筑物高度的增加下而有所增大，并且，电波传播模型损耗还会在距离的增加下而有所增大。

2.4 地形效应模型

像一些伫立在地形起伏的城市区域中，如果靠近移动用户的屋顶在基站天线的LOS路径内，那么，将会把局部地面坡度考虑进去。如果中间山阻挡LOS路径，那么，就必须对它们的衍射效应予以充分考虑。当超过山有一定距离时，可通过形边缘或者以简化的刃形边缘对其衍射进行计算。如果屋顶在基站的视距范围内，那么，路径损耗就由自由空间损耗、归因于前面建筑物到达用户之前最后一个屋顶上的场损耗与一直到街面用户的屋顶场衍射相关的损耗共同组合而形成。

2.5 树丛效应模型

树叶与树枝的存在一定程度上衰减了UHF与微波信号，在树林里，树对直射波的衰减发挥着和建筑物基本一样的作用，可求得在树林中路径损耗的距离指数为n=4，这与在平坦地面上方传播中所求得的结果相一致。衰减主要由频率和树丛的实际类型而决定，比如，树的大小、叶子的角度分布、树枝的分布等。笔者从在一个梨园里实施的11.2GHz测量结果中提取出的直至20米距离上的特定衰减值看到如果树叶上有树叶，那么，此衰减值是a dB=2.0dB/m，没有树叶的，a dB=1.7dB/m。

3.结语

综上所述可知，通信系统中的无线电波传播模型和预测是一项庞大的系统性工程，尤其是随着我国CDMA系统的实际应用，使得运营维护者面临各种新的内容与新的任务。CDMA具有和GSM系统不一样的特性。因为在CDMA系统中，人们除了要时刻观察信号的强度外，还必须注重因诸多因素而导致的码片延迟情况，这在系统中属于核心指标。不过，电波传播和预测的基本方法依旧以大量的测试为核心，据此，从电磁波理论角度出发，通过不同有效的经验模型予以修正，并且，及时掌握了解对电波传播造成影响的主要因素。

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