第4章

微蜂窩與室內傳播預測模型1

微蜂窩與室內傳播預測模型2在密集城區等通信場景中，應用微蜂窩網絡來增加移動通信系統容量，是一項被業界廣泛使用的策略。關于市區微蜂窩系統的電波傳播問題已經進行了充分的實驗測量與理論研究建模。對于移動通信與WLAN應用來說，微蜂窩預測是密集城區無線網絡規劃與設計的重要工具。一般情況下，微蜂窩被定義為在密集城區環境中的一種蜂窩網通信場景，其覆蓋面積小于1km，并且發射功率較低（小于1WERP）。這種微蜂窩網絡的建設通常與城市建設相結合。在微蜂窩網絡中，街道方向與單個建筑社區群對于電磁波信號的接收會產生重要影響。隨著移動通信技術發展，室內通信質量的提升成為5G以及未來通信系統研究的重要內容，而室內環境無線傳播特征的研究則是相關信道理論的基礎。

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.1基本原理和算法31.微蜂窩預測模型的近場距離微蜂窩預測模型中的近場距離是微蜂窩無線傳播建模的重要參數，其可以由自由空間中平面雙線反射模型推導得到，如圖4.1所示。考慮微站場景，基站與終端之間距離遠大于各自天線高度，反射波與地面夾角很小，因此終端接收到的信號s與接收功率為圖4.1近場距離示意圖

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.1基本原理和算法41.微蜂窩預測模型的近場距離直射波與反射波的傳輸路徑相位差表示為則，可以將接收功率表示為相位差的函數可見，當

時，接收功率取最大值。此時，可以根據得到上式中

定義為近場距離。在近場距離范圍內，可以認為信號路徑損耗遵循自由空間路徑損耗，基本不受反射波影響。

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.1基本原理和算法52.基本模型微蜂窩指的是小區半徑小于1千米的蜂窩網絡。在微蜂窩場景下，街道的方向與建筑物布局對于接收信號產生重要影響。盡管接收信號主要來自建筑物的多次反射波，而非穿透建筑物的透射波，但是路徑損耗依然與傳播路徑中的建筑物個數存在聯系。根據測量經驗，建筑物的數目與體積的增大都會導致路徑損耗增加。微蜂窩傳播機制如圖4.2所示。平面地形的微蜂窩預測公式為圖4.2微蜂窩傳播機制示意圖為路徑損耗斜率

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.1基本原理和算法63.建筑對微蜂窩預測的影響（1）基本LOS場景假設最簡單的微蜂窩網絡場景，其中無建筑物遮擋，且地形為平面，那么路徑損耗只存在由于電磁波擴散引起的傳輸損耗，則該理想狀態平坦地形接收信號強度為

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.1基本原理和算法73.建筑對微蜂窩預測的影響對于如圖4.4所示的斜率上升地形，地表輪廓會影響接收信號。可以引入有效天線增益，將接收信號功率修正為圖4.4上升坡地基站天線有效高度示意圖其中，為基站天線有效高度，而為實際高度。

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.1基本原理和算法83.建筑對微蜂窩預測的影響（2）NLOS場景假設地面平坦且不考慮建筑物高度，僅分析建筑物厚度對于損耗的影響。整個建筑物群的路徑損耗可以表示為圖4.3典型基站天線與建筑物布局關系示意圖為穿過建筑區塊后的接收信號(測量局部均值)。

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.1基本原理和算法94.地形效應（1）非陰影區域考慮如圖4.5所示的上坡地形場景，終端的接收信號受到建筑物1和建筑物2的遮擋，同時，地形輪廓也帶來有效天線增益。受這兩方面因素的影響，接收信號表示為圖4.5NLOS場景非陰影區域通信場景示意圖其中，

為天線高度增益，

為視距損耗，

為有效天線增益，

為建筑阻擋產生的傳播損耗。

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.1基本原理和算法104.地形效應（2）陰影區域當終端位于陰影區域或者受到刃形邊緣遮擋時，路徑損耗的分析會更為復雜，如圖4.6所示。此時接收信號表示為圖4.6NLOS場景陰影區域通信場景示意圖其中，

有效天線增益可基于地形輪廓來計算得到，

而損耗由建筑阻擋產生，

是由地形帶來的衍射損耗。

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.2典型微站電波傳播損預估模型111.雙線反射模型對于經典空間波傳播模式的雙線反射模型，接收機處的場強計算只需要考慮直射路徑與地面反射路徑的貢獻。這種簡單模式可以處理平坦地區的農村環境，同時也能適用于具有較低基站天線且只存在LOS徑的微蜂窩小區。在這種情況中，盡管建筑物的墻壁會反射或繞射電波，并使得簡單雙射線反射模型中接收場強幅值劇烈或快速變化，但是并不會改變由雙射線模型預測的整個路徑損耗(冪定律指數n的值)。微蜂窩雙線反射模型的路徑損耗表示為在市區微蜂窩小區1800~1900MHz測量結果表明：1.的值在2.0~2.3之間，2.的值在3.3~13.3之間。3.對于理論上的雙射線地面反射模式，

和

的值分別是2和4。4.這個近似式稱為雙斜率模式。

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.2典型微站電波傳播損預估模型122.多射線模型當基站天線高度低于屋頂平面時，多射線模型被廣泛應用于LOS場景下的市區微蜂窩小區中。考慮到在密集城區，大量街道兩側的建筑物對于電波傳播的影響類似于波導，此類多射線模型假設街道為“介質峽谷”結構，并認為接收場值來自直射路徑、沿地面的反射路徑以及介質峽谷的垂直平面反射路徑。理論上會有無數條多徑反射的射線達到接收機側，但是多射線模型中僅考慮最重要的路徑對結果的影響。因此雙線反射模型可被看作為只考慮兩條射線的多射線模型。目前已經提出了四射線和六射線模式。四射線模式由直達射線、地面反射射線和兩條被建筑物墻壁反射一次的射線。六射線模式和四射線模式機理相同，再加上兩條被建筑物墻反射兩次的射線。

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.2典型微站電波傳播損預估模型133.多隙縫波導模式實際城市建設中，不存在理想的建筑物排布狀態。通過引入建筑物墻的實際介質特性、實際分布的街道寬度以及從馬路上的反射效應，Blaunstein和Levin提出了一個多隙縫波導結構模型。該模型假設城市建筑物結構由兩排平行的具有隨機分布隙縫(建筑物之間的缺口)的屏(模擬建筑物墻)所形成，考慮了直射路徑、建筑物墻壁的多次反射、建筑物拐角的繞射以及地面反射，如圖4.7所示。圖4.7多縫隙波導模式三維示意圖

§4.1

微蜂窩預測模型

4.1.2典型微站電波傳播損預估模型143.多隙縫波導模式圖4.8街道路口二維波導示意圖規則分布的建筑物組成了城市街道微蜂窩三維波導傳播模型。收發信機高度均低于建筑物屋頂。地面反射路徑的電波場強可以利用鏡像原理計算獲得。這種波導在yz平面上的投影呈現出具有隨機分布屏的平行多隙縫阻抗波導，并且可被認為是二維的城市街道模式，如圖4.8所示。結合GTD理論，可以將街道傳播環境中的路徑損耗給出

§4.2

室內預測模型15室內電波傳播特征：室內無線通信系統中，電波傳播環境與宏站室外場景區別較大，例如多徑現象復雜，視距傳播較少甚至不存在，而且可能短時間和短距離內環境變化劇烈。室內建筑物包括墻壁、門、家具，以及人體都會對信號衰減產生重要影響。其中電磁波的多次反射現象是室內無線傳播研究的重要內容。室內預測建模方法：隨著可用的數字建筑數據增加與計算機性能提升，現在可以結合計算電磁學方法，通過構建包含建筑材料信息的數字模型來進行信號衰減計算與預估。目前與GTD/UTD、FDTD和TLM模型相結合的射線跟蹤模型都可用來預測室內系統覆蓋。基于對電磁場的空間分布數值計算，可以在無線網絡規劃中使得干擾、容量、系統性能和切換的推導得到優化。室內預測建模難點：對于室內環境，電磁波的傳播會受到建筑物幾何結構的約束和建筑材料的影響。這種不同于開放域環境的電波傳播特征，增加了干擾控制的維度，對于同一樓層及不同樓層的頻率復用技術提出挑戰。同時，隨著毫米波通信技術在5G系統中的應用，需要在室內網絡部署中考慮傳播路徑上微小信道變化對于毫米波信號的嚴重影響。

§4.2

室內預測模型16

4.2.1經典室內電波傳播預測模型室內路徑損耗影響因素：通過長期實測發現，在室內NLOS傳播路徑受到障礙物的影響一般會經歷瑞利衰落，而LOS傳播路徑則經歷萊斯衰落。建筑物的材料、內部空間大小及窗戶類型均會對樓層間路徑損耗產生影響。樓層之間衰減的典型值對于第一層分隔是15dB，然后每層分隔再附加6~10dB，最多到4層分隔。對于5層或更多層的分隔，每個附加層的路徑損耗增加很小。如果采用室外宏基站進行室內覆蓋，建筑物內部接收信號強度會隨著樓層升高而增強。電磁波穿透效果與頻率直接相關，穿透損耗隨頻率增加而顯著降低。

§4.2

室內預測模型17

4.2.1經典室內電波傳播預測模型1.對數距離路徑損耗模型該模型簡單認為平均路徑損耗是距離的n次冪的函數，n是取決環境的平均路徑損耗指數從上式發現路徑損耗是對數正態分布的。n是取決于建筑物類型、建筑物側面以及發射機和接收機之間樓層數的參數。在收發間隔距離d米處的路徑損耗可以給出上式基于測量經驗獲得，是具有標準差(dB)的零均值對數正態分布隨機變量，表示環境地物的影響。在900~4000MHz之間，n的值在1.6和3.3之間變化，的值在3.0和14.1dB之間變化。該模型的簡單形式使其在室內環境中得到廣泛應用，并且可以嘗試應用于室外微蜂窩小區。

§4.2

室內預測模型18

4.2.1經典室內電波傳播預測模型2.衰減因子模型該經驗模型能夠預測同一樓層或通過不同樓層的傳播路徑損耗。對于穿過多個樓層的傳播，平均路徑損耗為在衰減因子基本模型的基礎上，可以得到改進的單斜率模型

§4.2

室內預測模型19

4.2.1經典室內電波傳播預測模型3.軟隔墻和混凝土墻衰減因子模式對于同一樓層中發射機和接收機之間有軟隔墻(墻板)和混凝土墻的情況，路徑損耗表示為上式中p是收發之間的軟隔墻數，q是收發之間的混凝土墻數。根據經驗，AF（軟隔墻）值為1.39dB，AF（混凝土墻）的值為2.38dB。

§4.2

室內預測模型20

4.2.1經典室內電波傳播預測模型4.Keenau-Motley模式對于通過各個單獨墻壁與樓層的情況，有一種更為精細的模型通過樓層衰減的典型值是在12~32dB之間。通過墻壁衰減的值完全取決于所用隔墻的類型。對于典型的軟隔墻，衰減值在近似為1~5dB之間變化，硬隔墻的衰減可能在5~20dB之間變化。

§4.2

室內預測模型21

4.2.2Lee室內預測模型室內環境電波傳播環境的研究和預估對于移動蜂窩網與室內無線局域網的建設都具有重要的意義。Lee室內預測模型主要針對單樓層建筑物，同時也適用于多樓層之間電波傳播。與其他傳統室內模型類似，該模型也需要重點考慮多層建筑物之間的傳播損耗。Lee室內預測模型的建立基礎是在900MHz多做的實測分析，能夠處理不同類型障礙物的傳輸損耗，其有效性經過工程實踐的驗證，測量結果與預估值之間標準偏差一般小于5dB。

§4.2

室內預測模型22

4.2.2Lee室內預測模型對于微蜂窩系統采用近場距離來判斷信號傳播特征，而室內環境更為復雜，因此需要引入近中心距離來代替近場距離作為路徑損耗建模的基礎。近中心距離指在室內環境中，距離微基站較近的一段距離，在該近中心距離范圍內信號較強，電波的傳播可以視為只存在自由空間路徑損耗。近中心距離范圍以內的空間被稱為近中心環境。典型的近中心環境由地板、天花板與兩側墻壁構成。由于微基站天線通常位于室內較高位置，經由地板的反射波是接收場強的主要分量。而來自于天花板與墻壁的反射波相對較弱，所以在近中心環境中只考慮直射波與地板反射波。1.室內模型近中心距離

§4.2

室內預測模型23

4.2.2Lee室內預測模型1.室內模型近中心距離圖4.10近中心環境的雙線反射模型與近場距離類似，近中心距離也可以由雙線反射模型得到。在室內雙線反射模型中，接收信號功率表示為其中，

是入射角，等效介電常數表示為

§4.2

室內預測模型24

4.2.2Lee室內預測模型1.室內模型近中心距離圖4.10近中心環境的雙線反射模型由圖4.10與斯涅耳定律，可得根據上式，建筑物的介電常數值越高，近中心距離越大。近中心距離與頻率無關。

§4.2

室內預測模型25

4.2.2Lee室內預測模型2.室內單樓層模型圖4.11單樓層建筑物布局圖如圖4.11所示，為一類室內單樓層通信環境。通過設定建筑邊界、房屋內部信息以及特殊房間（如電梯、儲物間等），可以進行信號覆蓋預估分析。在該場景下，路徑損耗可以分為三種類型：標準LOS路徑損耗，其由建筑物布局可以確定。LOS信號不受遮擋，并且終端處于近中心區域。信號穿透房間的衰減，終端位于近中心區內。信號穿透房間的衰減，終端位于近中心區外。在計算分析過程中，需要將分別計算規則房間與特殊房間的損耗。特殊房間一般指與建筑或同樓層的大多數房間不同材料建成的房間，通常包含電梯和儲物間。

§4.2

室內預測模型26

4.2.2Lee室內預測模型2.室內單樓層模型圖4.11單樓層建筑物布局圖(1)LOS場景LOS場景下，接收機位于發射機的可視距離范圍內，傳播路徑不受任何建筑物遮擋，路徑損耗與接收功率可以由下式計算

§4.2

室內預測模型27

4.2.2Lee室內預測模型2.室內單樓層模型圖4.12NLOS場景終端位于近中心區域俯視圖(2)NLOS場景：終端位于近中心區域以內當終端位于近中心區域時，如圖4.12所示，由一面墻遮擋了信號的視距傳播，同時終端接收機處于電磁波傳播的近場區域，因此路徑損耗表示為其中，

為由于在天線與近場距離之間缺少近中心空隙產生的損耗，可以通過經驗數據擬合得到其中B為阻擋物（墻壁）的厚度。工程測試經驗表明，當終端處于近中心區域時，信號受墻壁的穿透損耗影響很大。

§4.2

室內預測模型28

4.2.2Lee室內預測模型2.室內單樓層模型圖4.13NLOS場景終端位于近中心區域之外俯視圖(3)NLOS場景：終端位于近中心區域以外如果終端處于近中心區域之外時，由于信號受到單個或者多個墻壁的遮擋，會產生更多的路徑損耗分量。該額外的路徑損耗與建筑物的墻壁厚度和材料密切相關。因為對于常見建筑物，其墻壁材料往往大致相同，所以可以采用線性回歸方法推導得到信號損耗特征。如圖4.13所示，該場景下路徑損耗包含沿d1的路徑損耗與額外的路徑損耗Lroom一般建筑物中，通常約為27dB/dec。Q：沿d1的路徑損耗如何考慮分析？

§4.2

室內預測模型29

4.2.2Lee室內預測模型3.Lee室內預測模型小結在室內無線通信系統中，路徑損耗的主要來源有三項：收發信機之間的自由空間損耗、內外墻壁的反射損耗以及房間的穿透損耗。Lee室內模型對這三項損耗分量分別進行了建模分析，有助于理解建筑物環境對于電波傳播特征的影響，并為室內網絡系統設計提供了簡便的方法。在該模型的實際工程應用過程中，首先基于建筑材料的類別，通過查表方式獲知建筑物的介電特性，進而計算出建筑物的路徑損耗值，然后就可以依據該模型的預估結果，設置和優化室內微基站的位置與天線工程參數，從而獲得最優覆蓋與最小干擾。

§4.2

室內預測模型30

4.2.4

毫米波室內傳播建模考慮到室內通信將成為未來增強型移動通信典型場景之一，而毫米波技術是5G通信系統的關鍵技術基礎，毫米波室內傳播建模對于通信系統的研究與監理具有重要價值。下面以會議室場景為例，介紹毫米波信道建模方法。表4.8不同頻點下100m處的自由空間路損表4.928GHz電磁波在室內、室外環境下，穿透不同物體的損耗

§4.2

室內預測模型31

4.2.4

毫米波室內傳播建模1.路徑損耗和陰影衰落通常情況下，路徑損耗可以表示為在實際的測量中，不僅要考慮天線增益，還要考慮系統增益，包括放大器增益、低噪放增益和電纜損耗。因此，路徑損耗可以改寫為

§4.2

室內預測模型32

4.2.4

毫米波室內傳播建模2.萊斯因子萊斯因子定義為確定性多徑和其它隨機多徑的功率比，可以用來度量信道衰落嚴重程度。當萊斯因子為零時，萊斯信道退化成為瑞利信道。通常采用矩量法結合時變信道的采樣進行萊斯因子估計。在室內LOS環境下，萊斯因子平均值為7。原因是在相對狹窄的室內環境，墻壁與天花板會增強反射效應，同時，該環境中遮擋物如果較少，會使得接收機能夠收到較強的反射徑，從而導致萊斯因子較小。對室內毫米波無線系統而言，較小的萊斯因子說明信道中多徑功率分布較為均勻，所以需要掃描更大的范圍來獲得最佳傳輸路徑。

§4.2

室內預測模型33

4.2.4

毫米波室內傳播建模3.時延特性從接收機側觀察，來波在空間中經過了各種不同路徑，所以多徑信號具有不同的時延與強度。時延擴展用于描述多徑信號在時間域的色散，該指標是室內系統設計的重要指標。時延擴展一般用于計算相干帶寬，并且用于設計OFDM（正交頻分復用）系統的保護間隔與循環前綴。電波在空間中傳播經過不同的路徑先后到達接收端，從而使得多徑具有不同的時延以及功率。時延擴展描述了多徑信號在時延域的色散，對于系統設計具有重要的作用。例