基于三维射线跟踪技术的电波传播预测分析-信号与信息处理专业论文.docxVIP

华 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 PAGE 10 PAGE 10 1 绪 论 本章介绍了电波传播预测的背景以及进行精确电波传播预测的必要性，阐述了射 线跟踪技术的发展现状以及三维射线跟踪技术的优势，最后简要地介绍了本文的主 要内容和章节安排。 1.1 课题研究的背景和意义 电波传播预测是移动通信系统设计中重要的一环，是网络规划过程中的必备先 期工作，而且结合了电波传播预测功能的软件也是网络优化过程中重要的辅助工具 之一。一个精确的小区内各点传播损耗的预测结果不仅可以提高小区基站选址的准 确性，以减少后期维护过程中变址的风险；而且有助于基站参数如高度、发射功率、 载频等的优化配置，以达到最佳的基站与移动终端的通讯效果。 电波传播预测需要有传播预测模型，接收点信号的功率虽然可以通过实地测量 获得，但是费时费力，而根据传播模型可以直接计算出接收点的接收功率和传播损 耗。传统的传播预测模型是根据大量的统计数据得到近似公式来计算传播损耗，只 能应用于具有相似测量环境的场景，并且大部分传播模型只能用于城市宏小区、郊 区、农村等大场景，这些传播模型在 2G 移动通信时代是能够满足需要的。 然而，随着移动通信技术的快速发展，移动通讯服务呈现爆炸式增长，移动通 信系统的更新周期也在缩短，通信行业的激烈竞争使得运营商要在低成本下迅速和 精确的规划和部署这些通信系统；而且，随着微小区和微微小区的应用，小区范围 越来越小，使得电波传播环境变得多样化，传统的电波传播预测模型不再具备可复 用性，电波传播损耗的预测精度下降。而基于环境数字地图的电波传播预测以其高 精度的预测性能逐渐得到发展，并通常与站点规划软件相结合，从而设计出最优的 无线通信系统，提供快速、可靠、低成本的服务。 基于环境数字地图的电波传播预测可以考虑到细致的环境结构和参数，采用射 线跟踪技术进行电波传播路径查找和接收点场强计算，不仅可以提供传播环境内各 个场点的接收信号强度，还可以提供各个路径的时延信息和到达角，这些参数对于 一个最佳的通信系统的设计都是很重要的。因此，针对真实无线通信环境的电波传 播预测软件的需求将会越来越大。 1.2 电波传播预测现状 现有的电波传播预测模型可以划分为三类：经验模型、理论模型和确定性模型 [1,2]。经验模型是根据真实场景的电波传播损耗实测结果进行建模后得出的近似计算 公式[3-6]，这种模型易于使用，但是只在具有类似于原始测量环境的场景中才具备较 高的精度，且只能预测某一距离上而非某一场点的传播损耗。确定性模型将传播环 境的细致结构和材质参数考虑进去并进行数值计算，能够提供更高精度的损耗预测 [7-9]。确定性模型通常运用射线跟踪技术或 FDTD 技术根据电磁波传播理论进行接收 点场强的计算，可以预测电波传播环境中各个场点的场强，适用于城市环境下的室 内、室外传播环境，其计算开销随着环境的范围和环境模型数据的精细程度的增加 而增大。理论模型是按照理想的条件，例如统一的建筑物高度和建筑物间距等，进 行理论计算得出来的近似公式[10]。理论模型在效率上比确定性模型快，在精度上比 经验模型高[10]。理论模型同经验模型一样，具有易于使用的特点，但是仅适用于有 相似假设条件的场景中，且只能预测某一距离上而非某一场点的传播损耗。 目前，国内对电波传播预测模型的研究主要集中在传播模型的本地精度验证、 模型校正和本地化工作中。文献 [11] 详细分析了两种常用的传播预测模型 Okumura-Hata 和 COST231-Hata，论述了两种模型在参数和应用范围上的差别。文献 [12] 分析了移动通信中常用的传播模型，包括 Okumura-Hata 、 COST231 Walfisch-Ikegami、SPM 通用传播模型等，以及各个模型的应用条件，并指出对电波 传播预测模型进行实地校正的必要性。文献[13-15]分别研究了针对 2G 和 3G 频段进 行 SPM 模型的实地校正工作，并给出了仿真分析。文献[16]研究了针对 4G 频段的 传播模型建模方法，并将模型的预测结果与国际标准 SUI 模型和 COST231-Hata 模 型的预测值进行了对比分析。表 1-1 描述了现有的部分常用的传播损耗预测模型及其 适用环境。 表 1-1 现有的部分传播损耗预测模型 模型实例 适用频率 适用距离 适用环境 备注 经验模型 Okumura-Hata 150~1500MHz 1~20km 城区、郊 区、乡村 对微小区 预测误差 较大 COST231-Hata 1500~2000MHz 1~20km 城区、郊 区、乡村 对微小区 预测误差 较大 理论模型 Walfisch-Ikegami 800~2000MHz 0.02~5km 均匀城区 假设建筑 物