无线传播方式决定了蜂窝系统的设计，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数和进行场强预测。

本文主要讲述了蜂窝系统的传播环境，介绍了传播过程中出现的快衰落和慢衰落现象以及传播损耗现象。

本文还介绍了 GSM 移动通信系统的信号损耗中值计算模型和具有代表性的凡种传播模型，同时对 CW 测试原理、测试方法和传播模型的校正进行了介绍。

全文分为四节：

第一节：无线传播基本原理。

讲述了电磁波的不同传播模式。

第二节：无线传播环境。

讲述了快衰落和慢衰落、多普勒频移、分集接收以及传播损耗。

第三节：无线传播模型。

讲述了 Okumura-Hata,COST231-Hata,COST231 Walfish Ikegami,室内传播模型和规划软件 ASSET 使用的传播模型。

第四节：传播模型校正。

讲述了 CW 测试的原理和方法，并列举了模型校正的实例。

2 ．关键词

无线传播 衰落 损耗 传播模型 模型校正 CW 测试




第一章无线传播基本原理

要点：掌握电磁波的多种传播途径。

在规划和建设-个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设

备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。

众所周知，无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：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。如图 1 所示。就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。自由空间指该区域是各向同性（沿各个轴特性-样）且同类（均匀结构）。自由空间波的其他名字有直达波或视距波。如图 1 ( a ) ，直达波沿直线传播，所以可用于卫星和外部空间通信。另外，这个定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之间），见图 l ( b ）。

第二种方式是地波或表面波。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。表面波沿地球表面传播。从发射天线发出的-

些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。表面波在地表面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。当能量进入地面，它建立地面电流。这三种的表面波见图 1 ( c ）。第三种方式即对流层反射波产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。如图 1 ( d ）所示。

对流层方式应用于波长小于 10 米（即频率大于 30MHz ）的无线通信中。第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于 1 米（频率大于30OMHz ）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有-个或多个跳跃，见图 1 ( e ）。这种传播用于长距离通信。除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层-样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波动上是随机的快速波动。蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式。这-点将在后文中论述。

在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因。第-，它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具。因为在大多数情况下覆盖区域从凡百米到凡

十公里，地波传播可以在这种情况下应用。第二，它可计算邻信道和同信道干扰。

预测场强有两种方法。第-种纯理论方法，适用于分离的物体，如山和其他固体物体。但这种预测忽略了地球的不规则性。第二种基于在各种

环境的测量，包括不规则地形及人为障碍，尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频率和较低的移动天线。第三种方法是结合上述两种方法的改进模型，基于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响。在蜂窝系统中，至少有两种传播模型，第-种是 FCC 建议的模型。第二种设计模型由 Okumura 提供，覆盖边界应考虑实际经验结果。

第二章无线传播环境

要点：

掌握快衰落和慢衰落的概念。

掌握多普勒频移的概念。

掌握分集接收的方法。

掌握典型地形传播损耗的计算方法。



2 . 1 快衰落和慢衰落

根据上-节的论述，在-个典型的蜂窝移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑物或其他物体所阻碍，所以，在蜂窝基站

与移动台之间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。在 UHF 频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射，如图 2 所示。



所有的信号分量合成产生-个复驻波，它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小。其合成场强在移动凡个车身长的距离中会有 20

- 30dB 的衰落，其最大值和最小值发生的位置大约相差 1 / 4 波长。大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落，如图 3 所示。

在性质上，多径衰落属于-种快速变化。研究表明，如移动单元所收到的各个波分量的振幅、相位和角度是随机的，那么合成信号的方位角和

幅度的概率密度函数分别为：



其中 r 为标准偏差。（ 2 - l ）式和（ 2 - 2 ）式分别表明方位角夕在 O - 2 兀是均匀分布的，而电场强度概率密度函数是服从瑞利分

布的。故多径衰落也称瑞利衰落。

大量研究结果表明，移动台接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰落外，其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落,见图 3 。它是由阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，就会使接收场强中值的变化。变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与车速有关。研究这种慢衰落的规律，发现其中值变动服从对数正态分布。

另外，由于气象条件随时间变化、大气介电常数的垂直梯度发生慢变化，使电波的折射系数随之变化，结果造成同-地点的场强中值随时间的

慢变化。统计结果表明，此中值变化也服从对数正态分布。分布的标准偏差为 rt 。由于信号中值变动在较大范围内随地点和时间的分布均服从对数正态分布，所以它们的合成分布仍服从对数正态分布。在陆地移动通信中，通常信号中值随时间的变动远小于随地点的变动，因此可以忽略慢衰落的影响，二 rL 。但是在定点通信中，需要考虑慢衰落。



总的来说，在蜂窝环境中有两种影响：第-种是多路径，由于从建筑物表面或其他物体反射、散射而产生的短期衰落，通常移动距离凡十米；

第二种是直接可见路径产生的主要接收信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。也就是说，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅

度满足对数正态分布的慢衰落。

2 . 2 多普勒频移

快速运动的移动台还会发生多普勒频移现象，这是因为在移动台高速运动时接收和发送信号将导致信号频率将发生偏移而引起的干扰。多普勒频移符合下面的公式：



当运动速度过高时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高，频移越大。



2 . 3 分集接收

多径衰落和阴影衰落产生的原因是不同的，随着移动台的移动，瑞利衰落随着信号的瞬时值快速变动，而对数正态衰落随着信号平均值变动，这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际，而采用分集方法即在若干支路上接收相互间相关性很小的载有同-消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路的信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。

由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术包括空间分集、时间分集、频率分集、极化分集和角度分集等五种。空间分集：若在空间设立两副接收天线，独立接收同-信号，由于其传播环境及衰落各不相同，具有不相干或相干性很小的特点，采用分集合并技术并使输出较强的有用信号，降低了传播因素的影响。在移动通信中，空间的间距越大，多径传播的差异就越大，所收场强的相关性就越小。天线间隔可以是垂直间隔也可以是水平间隔。但是，垂直间隔的分集性能太差，不主张用这种方式。为获得相同的相关系数，基站两分集天线之间的垂直距离应大于水平距离。这种方式在移动通信中是最有效的，也是应用最普遍的-种分集方式。

时间分集：可采用通过-定的时延来发送同-消息，或在系统所能承受的时延范围以内在不同时间内的各发送消息的-部分。在 GSM 中采用的

是后面会讲到的交织技术来实现时间分集的。

频率分集：这种分集技术在 GSM 中是通过调频来实现的。

极化分集：它是通过采用垂直电子天线、垂直磁性天线和环状天线来实现的。

角度分集：由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向，在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。

2 . 4 传播损耗

在研究传播时，特定收信机功率接收的信号电平是-个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号减小，这种信号强度减小称为传播损耗

。在研究电波传播时，首先要研究两个天线在自由空间（各向同性、无吸收，电导率为零的均匀介质）条件下的特性。以理想全向天线为例。

经推导，自由空间的传播损耗为：



有了自由空间的路径损耗公式后，可以考虑在平坦的，但不理想的表面上 2 个天线之间的实际传播情况。假设在整个传播路径表面绝对平坦（无折射）。基站和移动台的天线高度分别为 h 。和 h 州，如图 4 所示。



与自由空间的路径损耗相比，平坦地面传播的路径损耗为：



地形地物的种类千差万别，对移动通信电波传播损耗的影响也是错综复杂的。在实际应用中是不可能存在绝对的平坦地形的。对于复杂的地形-般可分为两类，即“准平滑地形”和“不规则地形”。

“准平滑地形”指表面起伏平缓，起伏高度小于等于 20 米的地形，平均表面高度差别不大。 Okumura 将起伏高度定义为距离移动台天线前方10 公里内地形起伏 10 ％与 90 ％的差。 CCIR 定义为收信机前方 10 - 50 公里处地形高度超过 90 ％与超过 10 ％的差。除此以外的其它地形统称为“不规则地形”，按其状态可分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和水陆混合地形等。在对市区及其附近地区分析传输损耗时，还可以依据地理区域的拥挤程度分类，如分成：开阔区、密集市区、中等市区、郊区等。

在分析山区或者城市中摩天大楼密布的密集市区的传输损耗时，通常还要分析绕射损耗。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的-种测量。障

碍物高度必须同传播波长比较。同-障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。预测路径损耗时，把这些障碍物看作尖形障碍，即“刃

形”。用物理光学中常用的方法可计算损耗。图 5 中有两种障碍物。第-种情况下，高 H 处的视距路径无障碍物。第二种情况下，障碍物在

电波路径中。第-种中我们假设障碍物高度是负数，第二种假设障碍物高度是正数。绕射损耗 F 可通过绕射常数 v 求出， v 由下式给出。

第三章无线传播模型

要点：掌握凡种典型的传播模型。

传播模型是非常重要的。传播模型是移动通信网小区规划的基础。模型的价值就是保证了精度，同时节省了人力、费用和时间。在规划某-区

域的蜂窝系统之前，选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰，是-个重要的任务。如果不用预期方法，唯-的方法就是尝试法，通过实际测

量进行。这就要进行蜂窝站址覆盖区的测量，在所建议的方案中，选择最佳者。这种方法费钱，费力。利用高精度的预期方法并通过计算机计算，通过比较和评估计算机输出的所有方案的性能，我们就能够很容易地选出最佳蜂窝站址配置方案。因此，可以说传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。由于我国幅员辽阔，各省、市的无线传播环境千差万别。例如，

处于丘陵地区的城市与处于平原地区的城市相比，其传播环境有很大不同，两者的传播模型也会存在较大差异。因此如果仅仅根据经验而无视各地不同地形、地貌、建筑物、植被等参数的影响，必然会导致所建成的网络或者存在覆盖、质量问题，或者所建基站过于密集，造成资源浪费。随着我国移动通信网络的飞速发展，各运营商越来越重视传播模型与本地区环境相匹配的问题。



-个优秀的移动无线传播模型要具有能够根据不同的特征地貌轮廓，像平原、丘陵、山谷等，或者是不同的人造环境，例如开阔地、郊区、市

区等，做出适当的调整。这些环境因素涉及了传播模型中的很多变量，它们都起着重要的作用。因此，-个良好的移动无线传播模型是很难形

成的。为了完善模型，就需要利用统计方法，测量出大量的数据，对模型进行校正。传播模型的校正问题将在第 4 节中做具体的介绍。-个好的模型还应该简单易用。模型应该表述清楚，不应该给用户提供任何主观判断和解释，因为主观判断和解释往往在同-区域会得出不同的预期值。-个好的模型应具有好的公认度和可接受性。应用不同的模型时，得到的结构有可能不-致。良好的公认度就显得非常重要了。多数模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的。所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用，确定某-特定地区的传播环境的主要因素有：

( l ）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等） ;

( 2 ）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；

( 3 ）该地区的植被特征；

( 4 ）天气状况；

( 5 ）自然和人为的电磁噪声状况。

另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响。在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异；静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相同。-般分为：室外传播模型和室内传播模型。常用的模型如表 1 所示。



3 . 1 okumura-Hata 模型

Okumura - Hata 模型由在日本测得的平均测量数据构成。市区的路径损耗中值可以用下面的近似解析式表示：

3 . 2 C0ST231 - Hata 模型

适合频段： 1500 - 2000 MHz

基站的天线高度 Hb : 30 - 200m

移动台天线高度 Hm : 1 - 10m

覆盖距离： 1 - 20 km

大城市区域（在农村地区和郊区可以从图 3 中得到校正因子）。



3.3 C0ST231 Walfish Ikegami 模型

该模型适合于大城市环境。

适合频段： 800 - 2000 MHz

使用的天线挂高： 4 - 50m

移动台高度： 1 - 3m

覆盖距离： 0 . 02 - 5km

Height of buildings : Hroof ( m )

Width of road : w ( m )

Building separation : b ( m )

Road orientation with respect to the direct radio path : Phi(o) Urban areas

1 ．基站和移动台之间没有直射径的情况（ s mall cells )





2 ．基站和手机之间有直射路径的情况（ Street Canyon )

微小区（天线低于屋顶高度），路径损耗模型如下：

Lb = 42.6 + 26*log(d)+20*log(f)for d >=0.020 km




4.2 CW测试的方法

1 . CW 测试的站址选择在测试之前首先需要确定测试站址及其数量，根据-般经验，在人口密集的大城市，测试站址应不少于 5 个；对于中

小城市-般-个测试站址就够了，这主要取决于测试基站天线高度及其 EIRP 大小。站址选择的原则是要使它能够覆盖足够多的地物类型（这

些地物类型来自数字地图）。

在实际测试中为便于测试，测试站址可按以下标准来确定站址是否合适：

( l ）天线高度大于 20 米；

( 2 ）天线高于最近的障碍物 5 米以上。



如图 6 所示，在此障碍物主要指天线所在屋顶上的最高建筑物，作为站址的建筑物应高于周围建筑物的平均高度。

2 . CW 测试准备

CW 测试首先需要有-个测试基站发射 RF 信号，可以 FM 调制，也可以不调制，然后用 CW 测试设备进行驱车测试。基站系统包括发射天线,馈线、高功放、高频信号源。测试系统包括测试接收机、 GPS 接收机、测距仪、测试软件以及便携式计算机等。

测试接收机的采样速度要尽可能高。测试基站设备安装在选定的测试站址后，应用功率计测量天线口的发射功率和反射功率，计算出测试基站的有效辐射功率（ EIRP ）。计算公式如下：





基站设备安装调试正常后，记录下该基站的 EIRP 。用 GPS 测量站址的经纬度；用三角测量法测量建筑物的高度。天线高度为建筑物高度加上天线桅杆高度以及天线本身长度的-半。用便携式测试设备扫频，以确认测试基站设备工作正常，并且周围无干扰信号。



3 . CW 测试

专业的 CW 测试设备的采样方式有三种：按时间采样；按脉冲采样；按距离采样。通用测试设备-般只能按时间采样。按距离采样进行测试时

，能够严格满足李氏定理 40 个波长采样 36 - 50 个样点的要求，测量准确度很高。距离采样方法对于车速要求不严格，但是存在-个车速

上限。车速的上限 ( Vmax ）与 CW 测试设备的最大采样速率（ Tsample ）有关：

Vmax＝0.8λTsamPle

在测试过程中，应选取包含各种地物类型的测试路径作随机驱车测试。当移动台离测试基站距离在 3km 以内时，接收信号受基站周围建筑物结构和天线高度的影响较大；平行于信号传播方向的信号强度与垂直于信号传播方向的信号强度差 10dB 左右。因此在距基站半径 3km 以内的街道上测试时，纵向和横向的街道最好采样同样数量的样本，以消除其影响。测试路径尽量不要选择高速公路以及很宽阔平直的街道，而应选择较窄的街道。对每个测试基站应采样尽量多的数据，-般每个站点测试 4 小时以上为宜。当遇到红灯等停车时，应停止记录。



由于地形地物在-段时间内基本固定，所以对于某-确定的基站，在某-确定地点的本地均值是确定的。该本地均值就是 CW 测试期望测得的

数据，它也是与传播模型预测值最逼近的值。



4.3传播模型校正及实例

如果进行模型校正，就必须具有数字地图。移动通信所用的数字地图包括地形高度，地面用途种类等对移动通信电波传播有影响的地理信息，是规划软件进行模型校正、覆盖预测、干扰分析、频率规划的重要基础数据。各软件商开发的用于计算机辅助分析的传播模型各不相同，但都基于 Okumura 的基本模型，并提供可作修正的参数。下面结合前文曾提到的规划软件 ASSET 中的传播模型介绍具体的模型校正的方法。需要说明的是，如果已有地形地物相似城市的模型参数，可以直接用于规划预测，而没有必要重做 CW 测试和模型校正，以节省人力物力。

ASSET 模型的 Kl 至 K7 参数由具体的传播环境决定， K ( dutter ）是由不同地物决定的修正系数。不同的地物决定了不同的K(dutter)，这些 K 参数是通过 CW 测试的数据逐步拟合出来的。获得 CW 测试数据后，可以通过 K 参数试验法和最小方差法两种途径得到。

在标准模型的众多 K 参数中，每个 K 参数对模型的影响程度是不-样的，从对模型的分析可知， Kl 、 K ( cl utter ）是常量，与传播距

离，天线高度等因素无关； K3 、 K4 为移动台的高度修正因子，由于移动台的高度变化不大（可定为 1 . 5 米左右），因此， K3 、 K4 最终可以归结为最后阶段的微量调整， K2 、 KS 、 K6 的调整要视具体的测试数据和测试路径而定。