移动通信中的电波传播

移动通信中的电波传播
当前陆地移功通信主要使用的频段为VHF和UHF即
150 MHZ450 M12.90OMiz 1800 MHz。

发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收当频率f>30MHz时，典型的传播通路如图3- 1所示。

沿路径（1）从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，
它是VHF和UHF频段的主要传播方式; 沿路径（2）的电波经过
地面反射到达接收机，称为地面反射波
路径（3）的电波沿地球表面传播，称为地表面波。

由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大，传播距离迅速减小，因此在VH和UHF频段地表面波的传播可以忽略不计。

除此之外，在移动信道中，电波遇到各种障碍物时会发生反射、绕射和散射现象，它对直射波会引起干涉，即产生多径衰落现象。

移动通信中，移动台是处在运动状态之中的，电波传播的条件随着移动而发生较大的变化，接收信号的场强起伏也很大，可达几十分贝，极易出现严重的衰
落现象。

图3示出了一个场强的实测记录。

由此可见，接收信号出现严重的衰落现象是移动通信电波传播的个基本特点。

下面先讨论直射波和反射波的传播特性。

1.传播模式的分类
注意到传播模式的性质，它们可分为
(1) 经验模式;
(2) 半经验或半确定性模式;
(3) 确定性模式。

经验模式是根据大量的测量结果统计分析后导出的公式。

用经验模式预测路径损耗的方法很简单: 不需要相关环境的详细信息，但是不能提供非常精确的路径损耗估算值。

由于经验模式计算的是闭式形式的公式，所以可以很容易和快速地应用它们。

确定牲模式是对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法。

环境的描述从地形地物数据库中得到.在环境描述中可以找到不同的精度等级。

在确定性模式中己使用的几种技术通
通常基于射线跟踪的电磁方法:几何绕射理论(GTD) 、物理光学(PO) 以及不经常用的精确方祛，如积分方程(TE)法或有限差分时域法(FDTD)。

在市区、山区和室内环境情况中，确定性的无线传播预测是一种极其复杂的电磁问题。

电磁覆盖的数学复杂度使它不可能预测高度精确的无线传播。

无线传播和环境特征(诸如建筑物高度、街道宽度、地面类型等)有关。

半经验或半确定性模式是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的等式。

有时候。

为了改善它们和实验结果的一我性，则根据实验结果对等式进行修正，得到的等式是天线周围地区某个规定特性的函数。

半经验或半确定性模式的商国目推很容易。

速度很快，因为和经验模式一样，结果是从
闭式中得到。

射线跟踪内容（老师PPT）
一、射线跟踪基本概念
由于移动通信大多采用VIR UHE频段300MEz30GH2),在这些领段内的最大波长只有10m，与传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的线度相比要小得多，故电波主要以直射、反射、散射、绕射等方式传播。

射线跟踪技术就是，跟踪发射源在整个4开立体角射线空间中根据GO (几何光学) 理论射出的直射线，并附加考虑反射、折射、绕射等传播现象，以便有效地找出从发射到接收的GO传播路径。

一旦找到后，对多条从发射到接收的传播路径的扬强叠加就可确定所接收的场强。

用来进行基站选址和网络优化、无找定位等。

所进行的讨论将主要集中在如何找出有效的.GO传播路径上。

二、直射波、反射波、绕射波
2.1反射定律和折射定律
射线在传播中遇到不同媒质的分界面时，将发生反射和折射现象，由费马原理可以推导出反射射线和折射射线遵循的传播规律，即反射定律和折射定律。

1、反射定律包括三个内容:
（1）反射射线、反射点处反射面法线及入射射线在同一平面内:
(2)反射射线、入射射线分居法线两侧:
(3)入射角号与反射角化。

相等，即θi=θr
2、折射定律也包括三个内容:
（1）折射射线、法线和入射射线在同一平面内
(2)折射射线和入射射线分居法线两侧:
（3）折时角。

与人时给。

之间满足斯时尔折射定律n1sinθi=n2sinθr
2.2 边缘绕射射线
几何绕射理论认为，当入射射线遇到散射体边界面的边缘、拐角、尖顶和凸曲面时会产生一新的绕射射线。

图22所示的是边缘绕射情况。

凯勒指出，边缘绕射射线与边缘的夹角等于入射射线与边缘的夹角。

一条入射射线会激起无穷多条绕射射线，它们都位于一个以绕射点为顶点的圆锥面上。

圆锥轴就是绕射点所在边缘的切线，圆锥的半顶角等于入射射线与边缘切线的夹角。

除了边缘绕射外，通常还有尖顶绕射、表面绕射和多次绕射如图2.3所示。

实际环境中，电波在传播过程中，建筑物对电波产生反射和绕射作用。

由于反射面有一定大小，边缘角有一定内角，射线在经过反射(绕射)后，射线可能经过的区域就在一定范围内，这个范围就是进行射线追踪的有效区域。

镜像源的作用范围是由产生镜像源的墙面的被照射部分所确定的，由于反射面大小一定，故反射射线只可能存在于镜像源与反射面两个边缘连线所夹区域内，在二维预测环境中，墙面是由矩形的边即一条线段所表示的，因此镜像源的作用范围就是镜像源与被照射的部分线段的两个端点分别相连而成的两
条射线所围的范围。

(图2.3.b阴影部分);
绕射源的作用范围是由发生绕射现象的墙角所确定的，即它是由与该墙角相连的两个墙面所围成的，若假设所有的墙的拐角都为直角，因此绕射源的有效范围为3π/2。

(如图23.C阴影部分)
找出可视区域的意义在于:可以大大减少进行遮挡测试的面或边緣的数量，从而提高追踪的效率。

由于反射波(绕射波)只存在于可视区域内，因此只需要对可视区域内的反射面和边缘进行测试。

而在区域外的反射面，则可以不考虑。

三、射线的跟踪
计算机程序通过射线跟踪找到每条路径，从发射位置辐射出的能量将沿着这些路径到达接收点。

在实际的城市或室内环境中，射线跟除的数量将非常大，因此整个射线跟踪过程可安排和储存在所谓的“射线跟踪树”中。

树起源于源点，树的分支是所要跟踪的射线，树节是传播过程中射线遇到障碍物(多面体面)后的反射点或绕射点。

通常，射线在到达接收点之前可能会遇到障碍物体，当一射线遇到障碍物时，就会发生反射和折射，它们服从反射定律和折射(Snell)定律射线被折射和反射后，将分解成为两条“子”射线一一反射射线和折射射线，并按新的反射、折射方向维续传播，当一射线遇到碍物边缘、拐角、尖顶和凸曲面时，会发生绕时，绕射射线有无穷多条。

但是在室外传播中，折射射线一般被丢弃。

为了计算反射系数，在每个树节中储存了GO所需的参量(入射角、射线路径长度、多面体面材料的类型等等)。

树包含了有关射线跟踪的信息，它们全部用合适的格式表示。

实际中，发射天线发射几千条射线。

采用镜像法的射线跟踪技术。

3.1镜像法的射线跟踪技术
传统镜像法的射线跟踪技术是点到点的跟踪技术，并能提供精确的结果。

它还有非常好的计算效率，原因是由于不能到达接收机的射线在计算开始时就没有考虑。

但是，这种方法在复杂环境中选择产生镜像的散射体非常困难。

己知源点S和多面体面，根据镜像法原理，由该多面体面反射的射线可以认为是从镜像源1的虚源点直接辐射的射线。

镜像源1的位置和源点S对于多面体面所在的平面是对称的见图3.1)。

从实源点S的辐射特性及多面体面的电特性可得到镜像
对于已知的观察点o,很容易知道反射点R是线段10和多现用的交点。

当所求空间城中有N个平坦多面体面时，镜像的数目将是N个。

因此，到达一观察点的最大反射射线数目是N。

显然，实际上到达观察点的反射射线数目要少得多，这是因为
(1) 由于多面体面的尺寸有限，只有
位于多面体面的反射空间(RS)(见图3.2)
内的观察点才能接收到反射射线。

(2)第2个原因是反射射线或入射射线
多面体面(从S到R）可能被环境中的其它多面体面
所选挡。

这必须通过阴影测试来获知。

可以用类似的方法分析二次反射射线。

二次反射线的源是一阶镜像
（一次反射的镜像）的镜像。

它们被称
为二阶位对于二次反财公须满定
3个条件：
(1) 观察点必须在第2个多面体面的RS中。

换句话说，第2个反射点必须位于第2个多面体面上。

(2) 第2个反射点必须是在第1个多面体面的RS中。

换句话说,第1个反射点必须位于第1个多面体面上。

(3) 图3.3中画出的3条路径(S-R1,,R1-R2,R2-0)中没有一条被环境中的其它多面体面所遮挡(阴影测试)。

用同样的方法可以分析多次反射。

重要的是应注意到在镜像法中，有些射线将被障碍物所遮挡。

已知源S(它可以是实源或者是一个镜
像源)，当多面体面F(用背面采集判断在
源S的可视区内)被另一个多面体面F全部
遮挡时，它的镜像1可以从镜像树中拿走，
并且由1所得到的镜像也可以全部拿走(见
图3.4)。

这样就简化了镜像树，大大地节
省了储存空间和CPU时间。

绕射边缘也一样。

如果多面体面位于RS外部，也可以
简化镜像树。

假设整个F是在多面体面F
的RS外部，那么就没有二次反射S-F-
T“见图3.5).因此，紧接着F镜像的F1
可以从树中撒走。

显然，树中随后像也都可以拿走。

此外，在室外方案中应该利用背面采集算法来丢弃树中的镜像。

附录8B背面采集
当射线和具有闭合面的物体相交时，射线至少要穿过物体表面两次，也就是至少有两个交点。

设物体表面的外法向矢量为n，那么较接近射线起始点的交点总是满足(r2-r1)*n<0 (8B.l)
远离射线起始点的交点总是满足：(r2-r1)*n<0(8B.2)
式中r1是射线起始点的矢径,r2是射线端点的矢径，n是交点处表面的外法向矢量(见图8B.1)。

因此，如果物体表面用平面多面体面来建模的话，在阴影测试中只是满足
8B.1)式的多面体面才必须考虑。

这样可以大大地减少CPU时间。

背面采集准则可用在对反射点和绕射点的搜寻中，因为反射点和绕射
能于满足方程（8B.1）的多面体面上
3.2 可见反射面-绕射边缘树结构
在射线追踪时，波从源点出发，除直射波外，其他的射线都要经过反射或绕射才能到达场点，这些射线都只存在于各反射面或边缘绕射角的可视区域内。

射线从源点出发，经过反射面或绕射边缘作用后，最终到达场点。

这过程中，射线经过的反射面(或绕射边缘)可以用树结构图来记录。

图3.6.a说明了一个简单的环境，由2个建
筑物及源点(S,)和场点(F)构成，每个建筑物
有4个面和4个角点，分别标号为1-8和a-h,图
中，S为一阶镜像点，一阶以上镜像点图中略去。

该环“反射面一绕射边缘结构如图3.6.b。

图3.6.b展示出2.D室外环境镇像
树一绕射边缘树结构(只考虑3
级反射)的一个例子。

通过应用背面采集和丢弃了在相应的RS
外部的多面体面后，简化了镜像树。

发射源SO是可视反射面-绕射边缘树结构的根S0，在一阶反射、绕射(反射面或绕射边缘应在发射源SO的可视范围之内，且对发射源SO是可见的)时，由背面采集射线与两个墙面4、5相交，与三个墙角a、d、e发生绕射;二阶反射、绕射的反射面、绕射边缘应在一阶虚拟源的可视区域之内，且对一阶虚拟源是可见的);更高阶类推。

由于波在经历反射或绕射时，反射波或绕射波电场幅度将变小，因此可以设定一个整数值N,当考虑阶数大于N时，可以认为此时射线中电磁波衰减很大，己经可以忽略。

当场点在可视范围内，并且未被遮挡时，可以判定可能有射线经过该支点的面和边缘作用最终到达场点。

这样就可以找出能到该点的射线。

如图3.7(a)所示，发射源所发出的射线被墙面:4、5与墙角:a、d、e所遮挡，由此产生2个反射源S1、S2和3个绕射源S3、S4、S5。

而这5个射线源构成了虚拟源树的第一层子树结点。

同时这5个射线源会由于其它墙面与墙角的遮挡而产生作为下一级子树结点的反射源与绕射源。

b2
如:反射源S2被墙面3、4与墙角a、d、c所遮挡，
由此产生2个反射源SS6、SS7和3个绕
射源SS8、SS9、SS10，如图3.7(b)所示;
这种递归一直维续下去直到超过树的最大层数，或射线强度掉到门限以下或不再发生相交为止。

门限电平必须小心选择，如果门限电平选得太低的话，算法就会浪费CPU时间和存储容量，而对结果没有什么重大改善。

相反，如果门限电平太高的话，就可能会丢失许多对接收场有重要作用的射线。

计算机程序对射线跟踪树完整地执行后，就完成了射线跟踪。

3.3有效射线及射线路径【146】【74】【75】
有效射线是推那些能够达到场点，对场点总场有贡献的射线。

可视反射面绕射边缘树结构构建完成后，就可以得到射线的传播路径。

方法是:从树结构的最末端(也就是场点)出发，找出所有能到达场点的树结构的枝，得到射线传播路径上所有的反射面和绕射边缘。

由几何运算，就可以求出射线与路径上反射面和绕射边缘的交点，从而求得传播路径。

图 3.8.a 中画出了两条有效射线。

计算时，多径反射和绕射的射线振幅可通过平面波的反射系数和绕射系数来计算，但还必须由波的极化来决定是用垂直极化反射系数还是用水平极化反射系数。

如在室内微蜂窝系统中，当被地板或天花板反射和折射时，则可用水平极化的反射系数和折射系数; 当射线与建筑物的直立墙面相交时，可用垂直极化的反射系数和折射系数。

当用复相对介电常数时，就可以考虑有损耗媒质。

当所考虑的反射次数和多面体面数目增加时，意味着阴影测试的数目就增加。

因此，镜像方法应该和减少阴影测试数量的射线跟踪加速算法结合起来。

这些加速算法将在8.5节中介绍。

阴影测试：检查传播路径是否被所讨论的空间城中的另一个多面体面所遮挡。

3.4遮挡测试
在实际环境中，对于一个波源(辐射源、等效源)来说，构成其周围环境的表面都是层层叠叠的，波源可以直接照射到的表面或边缘并不多，因此需要进行遮挡测试，以确定哪一些表面和边缘是可视的。

遮档测试的基本原理是从源点引一条线到需要进行测试的表面的边缘点，看是否有更近的反射面将面遮挡
在可视区有效射线找寻法中，采用斜率判断的方法，来确定是否被遮挡。

方法是:先以源点(等效源点)为中心，将可视区域内各反射面按相对于源点的距离从小到大排序，则距离最小的面不会被遮挡，记录其相对于源点的斜率范围;然后考虑第二近的面是否被最近的面所遮挡(即看第二近的面是否在最近的面的斜率范围以内)。

如图3.9.a，较远的面在较近面所遮挡范围以外，故较远面未被遮挡;而图3.9.b所示的情况，则有部分被遮挡;图3.9.C所示情况则完
全被遮挡。

3.7几何模型和形态模型
电波传播确定性算法所能要的地理信息通常可分成两本料不也就是所在地物体材料所在地的几何描述:所在地的形态描述，的特性。

3.7.1几何模型
通常微小区和微微小区的几何描述相当复杂，包含有大量的不同物体:建筑物、路灯杆、电话亭、树及家具等，另外还有一些移动的物体，如汽车和人。

它们都会对无线传播产生影响，虽然产生的影响不同。

结果是，在这样的环境中，若不作一定的简化，即使利用了近似的电磁技术，也无法得到确定性解。

另一方面，小物体的几何信息通常不可能包括在数据库中，因此不可能得到足够的和移动障碍物有关的信息。

几何模型数据库中的详细程度必须和能得到的数据有关，
和所利用的电磁方法有关，一般可以得到的只有建筑物数据，有时候会考虑室内物体的信息。