2.2 传播模型

为了掌握无线信号的传播规律，我们需要建立无线信号的传播模型，主要用来把握传播损耗与空间之间的关系。传播模型可以理解为一种数学公式，通过计算可以得到相应区域的传播损耗。

有两种方法可以用来建立传播模型：归纳法和演绎法。所谓归纳法就是通过收集和整理实际环境下传播损耗与空间之间关系的数据，得到一个传播模型；而演绎法就是分析无线信号传播各种方式（直射、反射和衍射等）的效应，叠加后得到一个传播模型。

传播模型在无线网络规划设计中具有举足轻重的作用，特别是常用的奥村（Okumura）模型。

在介绍传播模型前，我们需要先了解一下移动信道的特点。

2.2.1 移动信道特点

移动通信系统的特殊性在于利用无线电波在移动中传递信息，因此移动通信系统使用移动信道。与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种信道，其特点如下：

（1）易衰减

信号在信道传递时，由于信道的衰耗，因此与信号源越远，信号的强度就越弱，信号的强度与传输的距离有直接关系。有线信道可以看做线传播，移动信道可以看做面传播，距离效应在移动信道上表现得更为明显。根据前文提到的无线电波空间效应，移动信道中信号的强度与距离的高次幂成反比；而在有线信道中，信号的强度与距离成反比。相同强度的信号传输同样的距离，移动信道与有线信道相比，信道上的衰耗较大，信号的强度会显著降低。

（2）干扰强

移动信道是面传播，相对于线传播的有线信道，自然就更加容易引入干扰。例如，在有线信道中，可以保证信号能量远远高于噪声能力，典型的信噪比约为46 dB，也就是说，信号功率要比噪声功率高上40000倍。而在移动信道中，由于自然环境中的干扰和工业干扰，会引入背景噪声，这种干扰的频率范围往往很广，而且系统中其他设备的存在，也会引入系统内干扰，这种干扰通常是同频干扰。由于以上的众多干扰，移动信道中信号强度与干扰强度往往处于同一数量级，有时甚至还更低。

（3）不稳定

由于用户在移动中通信，环境不断发生变化，信号传输路径不断发生变化，加上多径效应的存在，因此信号传输质量非常不稳定，随时间不断波动。例如，对有线信道来说，传输线路的物理特性相当稳定，可以确保信噪比的波动通常不超过2 dB，也就是信号强度基本稳定。与此相对照，移动信道中信号强度的快速衰落是经常发生的，衰落现象非常明显。在城市环境中，一辆行驶车辆上的终端的接收信号在一秒之内可能发生上百次衰落。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信可靠性。

在移动通信中，由于信号易衰减、干扰强、信号不稳定，有时有用信号的强度比干扰强度还要弱。当发生深度衰落时，接收机就会接收到错误的信号。对于数字传输来说，衰落将使信号的质量大幅下降，甚至不能维持通信的持续进行。

移动信道的传输特性还取决于无线电波传播环境。例如，一个有许多高层建筑的城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的移动信道传输特性也大相径庭。而传播环境的复杂性，也使得移动信道的传输特性变得十分复杂。复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是移动通信这一通信方式本身所决定的。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。要在这样的传播条件下保持可以接受的业务质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。这就需要使用各种抗衰落技术，包括分集、扩频/跳频、均衡、交织和纠错编码等。另外，信号的调制方式对信道的衰落也要有一定的适应能力。

2.2.2 大尺度和小尺度衰减

通常移动设备接收信号的强度是空间、阴影和多径效应的综合体现，例如，当接收机不断改变与发射机之间距离的时候，我们可以测量出接收机接收到信号强度的变化，如图2.3所示，图中反映了即时的接收信号强度变化和平均接收信号强度的变化。

由于图中发射机的信号发射强度是不变的，根据2.1.2 中的公式，接收信号强度与路径损耗之间有密切的联系，图2.3也反映了路径损耗的变化情况。

从图2.3中可以看出，接收信号强度的变化表现出以下两种趋势：

一种趋势由图2.3中平均接收信号强度表示，是由于接收机大范围的移动产生的，主要与发射机和接收机之间的地形影响有关，称为大尺度衰减。因此，大尺度衰减与阴影效应关系密切。所谓大尺度，是指尺度是载波的波长几十或几百倍。

还有一种趋势是接收机进行距离移动甚至不动都会发生，即图2.3中即时的接收信号强度变化部分。这种趋势也就是前面提到的快速衰落，主要由瑞利衰落产生，称为小尺度衰减。小尺度衰减用来描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收信号强度的快速波动。

因此，总的路径衰耗Lg主要由视距路径衰耗LLos、大尺度衰减Ls和小尺度衰减Lf组成。而传播模型主要关注的就是视距路径衰耗和大尺度衰减。

2.2.3 移动信道模型

信道模型用于研究无线信号的传播规律，与多径效应有密切关系。2.1.4一节已经提到多径效应是无线信号传播的重要特点，而信道模型用于对多径效应的定量估计。

在规范TS25.943 中，3GPP定义了各种信道模型，目前常用的有TU3，TU50，RA3和RA50等信道模型。其中，TU即城区，RA即农村，而3和50代表终端的运动速度（km/h）。ITU也定义了相应的信道模型，可以与3GPP定义的信道模型联系起来，其中PedB和VehA等价于TU，PedA等价于RA。

在信道模型中列出了不同路径的平均延时和功率差别。例如，TU模型中分别列出了20条路径的平均延时以及与总功率差别，如表2.3所示。

城市与农村信道模型的差别在于多径中LOS视距是否占主导地位，显然城市是以非视距路径为主的。

从使用的角度看，每种信道模型代表不同无线环境参数的集合。

2.2.4 奥村（Okumura）模型

奥村模型（Okumura）是最常用的传播模型，比较简单，分析起来比较方便，常用于无线网络的设计中。

奥村模型得名于奥村，奥村在20世纪60年代测量了日本东京等地无线信号的传播特性，根据测量数据得到了一些统计图表，用于对信号衰耗的估计。

奥村模型有一定的适用范围，例如，载波频率从150～2000 MHz；离基站不能太近，有效距离为1～100 km；天线高度要在30 m以上。

Hata在奥村模型上做了改进，将统计图表转换为公式，这样计算信号衰耗就不必查图表，非常方便，而且还适合计算机处理。尽管如此，这些公式仍然统称为奥村模型。

在城市，奥村模型描述为以下的Hata公式：

Lp = 69.55 + 26.16 lg f – 13.82 lg hb – a（hm）+（44.9 – 6.55 lg hb）lg d

式中，Lp对应路径损耗；f 代表载波频率；hb代表基站的等效高度；hm代表终端的等效高度；d 代表基站与终端之间的距离；a（hm）是与终端有关的修正因子，当终端的等效高度为1.5 m时a（hm）被忽略。

除了城市以外，奥村模型还分别针对郊区、农村和开阔地定义了相应的公式。

一般天线的高度为30 m，考虑到上行信号的频率为1.9 GHz，可以简化Hata公式中上行信号损耗计算公式，为：

Lp = A+35.2 lg d

其中，城市环境A为134.7，郊区环境A为127.5，农村环境A为115.4。

同样地，考虑到下行信号的频率为2.1 GHz，可以简化Hata公式中下行信号损耗计算公式，为：

Lp = A+35.2 lg d

其中，城市环境A为135.8，郊区环境A为128.6，农村环境A为116.5。

奥村模型是无线信号传播模型的鼻祖，后来又产生了许多基于奥村模型的修正模型，如COST-231 Hata模型、TCPU规划工具采用的9999模型和Atoll规划工具采用的SPM模型等。其中COST值得一提，这是European Co-Operation in the field of Scientific and Technical research的缩写，是欧洲的一个科研项目组织。COST组织了不少科研项目，传播模型包括前面提到的信道模型都是其中的研究成果，而231代表项目编号。