1、移動通信中的電波傳播當(dāng)前陸地移功通信主要使用的頻段為VHF和UHF即150 MHZ450 M12.90OMiz 1800 MHz。發(fā)射機天線發(fā)出的無線電波，可依不同的路徑到達接收當(dāng)頻率f30MHz時，典 型的傳播通路如圖3- 1所示。沿路徑(1)從發(fā)射天線直接到達接收天線的電波稱為直射波，它是VHF和UHF頻段的主要傳播方式；沿路徑(2)的電波經(jīng)過地面反射到達接收機，稱為地面反射波路徑(3)的電波沿地球表面?zhèn)鞑?，稱為地表面波。由于地表面波的損耗隨頻率 升高而急劇增大，傳播距離迅速減小，因此在VH和UHF頻段地表面波的傳播可 以忽略不計。除此之外，在移動信道中，電波遇到各種障礙物時會發(fā)生反射、繞

2、射和散射現(xiàn)象， 它對直射波會引起干涉，即產(chǎn)生多徑衰落現(xiàn)象。移動通信中，移動臺是處在運動狀態(tài)之中的，電波傳播的條件隨著移動而發(fā)生較 大的變化，接收信號的場強起伏也很大，可達幾十分貝，極易出現(xiàn)嚴(yán)重的衰 落現(xiàn)象。圖3示出了一個場強的實測記錄。由此可見，接收信號出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落 現(xiàn)象是移動通信電波傳播的個基本特點。下面先討論直射波和反射波的傳播特性。傳播模式的分類注意到傳播模式的性質(zhì)，它們可分為經(jīng)驗?zāi)Ｊ剑话虢?jīng)驗或半確定性模式；確定性模式。經(jīng)驗?zāi)Ｊ绞歉鶕?jù)大量的測量結(jié)果統(tǒng)計分析后導(dǎo)出的公式。用經(jīng)驗?zāi)Ｊ筋A(yù)測路徑損 耗的方法很簡單：不需要相關(guān)環(huán)境的詳細(xì)信息，但是不能提供非常精確的路徑 損耗估算值。由于經(jīng)驗?zāi)Ｊ接?/p>

3、算的是閉式形式的公式，所以可以很容易和快速地 應(yīng)用它們。確定牲模式是對具體的現(xiàn)場環(huán)境直接應(yīng)用電磁理論計算的方法。環(huán)境的描述從地 形地物數(shù)據(jù)庫中得到.在環(huán)境描述中可以找到不同的精度等級。在確定性模式中 己使用的幾種技術(shù)通 通?；谏渚€跟蹤的電磁方法:幾何繞射理論(GTD)、物理光學(xué)(PO)以及不經(jīng) 常用的精確方祛，如積分方程(TE)法或有限差分時域法(FDTD)。在市區(qū)、山區(qū)和 室內(nèi)環(huán)境情況中，確定性的無線傳播預(yù)測是一種極其復(fù)雜的電磁問題。電磁覆蓋 的數(shù)學(xué)復(fù)雜度使它不可能預(yù)測高度精確的無線傳播。無線傳播和環(huán)境特征(諸如 建筑物高度、街道寬度、地面類型等)有關(guān)。半經(jīng)驗或半確定性模式是基于把確定性方

4、法用于一般的市區(qū)或室內(nèi)環(huán)境中導(dǎo)出 的等式。有時候。為了改善它們和實驗結(jié)果的一我性，則根據(jù)實驗結(jié)果對等式進 行修正，得到的等式是天線周圍地區(qū)某個規(guī)定特性的函數(shù)。半經(jīng)驗或半確定性模 式的商國目推很容易。速度很快，因為和經(jīng)驗?zāi)Ｊ揭粯?，結(jié)果是從 閉式中得到。射線跟蹤內(nèi)容（老師PPT）一、射線跟蹤基本概念由于移動通信大多采用VIR UHE頻段300MEz30GH2），在這些領(lǐng)段內(nèi)的最大波長 只有10m，與傳播路徑上的建筑物、樹林、山丘等物體的線度相比要小得多，故 電波主要以直射、反射、散射、繞射等方式傳播。射線跟蹤技術(shù)就是，跟蹤發(fā)射源在整個4開立體角射線空間中根據(jù)GO （幾何光 學(xué)）理論射出的直射線，并

5、附加考慮反射、折射、繞射等傳播現(xiàn)象，以便有效 地找出從發(fā)射到接收的GO傳播路徑。一旦找到后，對多條從發(fā)射到接收的傳播 路徑的揚強疊加就可確定所接收的場強。用來進行基站選址和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、無找定 位等。所進行的討論將主要集中在如何找出有效的.GO傳播路徑上。二、直射波、反射波、繞射波2.1反射定律和折射定律射線在傳播中遇到不同媒質(zhì)的分界面時，將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，由費馬原理可 以推導(dǎo)出反射射線和折射射線遵循的傳播規(guī)律，即反射定律和折射定律。1、反射定律包括三個內(nèi)容：（1）反射射線、反射點處反射面法線及入射射線在同一平面內(nèi)：（2）反射射線、入射射線分居法線兩側(cè)：（3）入射角號與反射角化。相等，即0i=

6、0r2、折射定律也包括三個內(nèi)容：（1）折射射線、法線和入射射線在同一平面內(nèi)（2）折射射線和入射射線分居法線兩側(cè)：（3）折時角。與人時給。之間滿足斯時爾折射定律n1sin0i=n2sin0r2.2邊緣繞射射線幾何繞射理論認(rèn)為，當(dāng)入射射線遇到散射體邊界面的邊緣、拐角、尖頂和 凸曲面時會產(chǎn)生一新的繞射射線。圖22所示的是邊緣繞射情況。凱勒指出，邊緣繞射射線與邊緣的夾角等于入射射線與邊緣的夾角。一條入射 射線會激起無窮多條繞射射線，它們都位于一個以繞射點為頂點的圓錐面上。 圓錐軸就是繞射點所在邊緣的切線，圓錐的半頂角等于入射射線與邊緣切線的 夾角。除了邊緣繞射外，通常還有尖頂繞射、表面繞射和多次繞射如

7、圖2.3所示。實際環(huán)境中，電波在傳播過程中，建筑物對電波產(chǎn)生反射和繞射作用。由于反射 面有一定大小，邊緣角有一定內(nèi)角，射線在經(jīng)過反射（繞射）后，射線可能經(jīng)過的 區(qū)域就在一定范圍內(nèi)，這個范圍就是進行射線追蹤的有效區(qū)域。鏡像源的作用范圍是由產(chǎn)生鏡像源的墻面的被照射部分所確定的，由于反射面大 小一定，故反射射線只可能存在于鏡像源與反射面兩個邊緣連線所夾區(qū)域內(nèi)，在 二維預(yù)測環(huán)境中，墻面是由矩形的邊即一條線段所表示的，因此鏡像源的作用范 圍就是鏡像源與被照射的部分線段的兩個端點分別相連而成的兩條射線所圍的范圍。（圖2.3.b陰影部分）；繞射源的作用范圍是由發(fā)生繞射現(xiàn)象的墻角所確定的，即它是由與該墻角相連

8、的 兩個墻面所圍成的，若假設(shè)所有的墻的拐角都為直角，因此繞射源的有效范圍為 3n/2。（如圖23.C陰影部分）找出可視區(qū)域的意義在于:可以大大減少進行遮擋測試的面或邊金彖的數(shù)量， 從而提高追蹤的效率。由于反射波（繞射波）只存在于可視區(qū)域內(nèi)，因此只需要對 可視區(qū)域內(nèi)的反射面和邊緣進行測試。而在區(qū)域外的反射面，則可以不考慮。三、射線的跟蹤計算機程序通過射線跟蹤找到每條路徑，從發(fā)射位置輻射出的能量將沿著這些路 徑到達接收點。在實際的城市或室內(nèi)環(huán)境中，射線跟除的數(shù)量將非常大，因此整 個射線跟蹤過程可安排和儲存在所謂的“射線跟蹤樹”中。樹起源于源點，樹的 分支是所要跟蹤的射線，樹節(jié)是傳播過程中射線遇到障

9、礙物（多面體面）后的反射 點或繞射點。通常，射線在到達接收點之前可能會遇到障礙物體，當(dāng)一射線遇到 障礙物時，就會發(fā)生反射和折射，它們服從反射定律和折射（Snell）定律射線被 折射和反射后，將分解成為兩條“子”射線一一反射射線和折射射線，并按新的 反射、折射方向維續(xù)傳播，當(dāng)一射線遇到礙物邊緣、拐角、尖頂和凸曲面時，會 發(fā)生繞時，繞射射線有無窮多條。但是在室外傳播中，折射射線一般被丟棄。為了計算反射系數(shù)，在每個樹節(jié)中儲存了 GO所需的參量（入射角、射線路徑長度、 多面體面材料的類型等等）。樹包含了有關(guān)射線跟蹤的信息，它們?nèi)坑煤线m的 格式表示。實際中，發(fā)射天線發(fā)射幾千條射線。采用鏡像法的射線跟蹤

10、技術(shù)。3.1鏡像法的射線跟蹤技術(shù)傳統(tǒng)鏡像法的射線跟蹤技術(shù)是點到點的跟蹤技術(shù)，并能提供精確的結(jié)果。它還有 非常好的計算效率，原因是由于不能到達接收機的射線在計算開始時就沒有考 慮。但是，這種方法在復(fù)雜環(huán)境中選擇產(chǎn)生鏡像的散射體非常困難。己知源點s和多面體面，根據(jù)鏡像法原理，由該多面體面反射的射線可以認(rèn)為是 從鏡像源1的虛源點直接輻射的射線。鏡像源1的位置和源點S對于多面體面所 在的平面是對稱的見圖3.1）。從實源點S的輻射特性及多面體面的電特性可得 到鏡像對于已知的觀察點o,很容易知道反射點R是線段10和多現(xiàn)用的交點。當(dāng)所求空間城中有N個平坦多面體面時，鏡像的數(shù)目將是N個。因此，到 達一觀察點的

11、最大反射射線數(shù)目是此顯然，實際上到達觀察點的反射射線數(shù)目 要少得多，這是因為由于多面體面的尺寸有限，只有位于多面體面的反射空間(RS)(見圖3.2)內(nèi)的觀察點才能接收到反射射線。第2個原因是反射射線或入射射線多面體面(從S到R)可能被環(huán)境中的其它多面體面所選擋。這必須通過陰影測試來獲知?？梢杂妙愃频姆椒ǚ治龆畏瓷渖渚€。二次反射線的源是一階鏡像(一次反射的鏡像)的鏡像。它們被稱為二階位對于二次反財公須滿定3個條件：觀察點必須在第2個多面體面的RS中。換句話說，第2個反射點必須位于 第2個多面體面上。第2個反射點必須是在第1個多面體面的RS中。換句話說，第1個反射點 必須位于第1個多面體面上。圖

12、3.3中畫出的3條路徑(S-R1,R1-R2,R2-0)中沒有一條被環(huán)境中的其它 多面體面所遮擋(陰影測試)。用同樣的方法可以分析多次反射。重要的是應(yīng)注意到在鏡像法中，有些射線將被障礙物所遮擋。已知源S (它可以是實源或者是一個鏡像源)，當(dāng)多面體面F (用背面采集判斷在源S的可視區(qū)內(nèi))被另一個多面體面F全部遮擋時，它的鏡像1可以從鏡像樹中拿走，并且由1所得到的鏡像也可以全部拿走(見圖3.4)。這樣就簡化了鏡像樹，大大地節(jié)省了儲存空間和CPU時間。繞射邊緣也一樣。如果多面體面位于RS外部，也可以簡化鏡像樹。假設(shè)整個F是在多面體面F的RS外部，那么就沒有二次反射S-F-T “見圖3.5).因此，緊

13、接著F鏡像的F1可以從樹中撒走。顯然，樹中隨后像也都可以拿走。此外，在室外方案中應(yīng)該利用背面采集算法來丟棄樹中的鏡像。附錄8B背面采集當(dāng)射線和具有閉合面的物體相交時，射線至少要穿過物體表面兩次，也就是至少 有兩個交點。設(shè)物體表面的外法向矢量為n，那么較接近射線起始點的交點總是 滿足(r2-r1)*n0 (8B.l)遠離射線起始點的交點總是滿足：（r2-r1）*n0（8B.2）式中r1是射線起始點的矢徑,r2是射線端點的矢徑，n是交點處表面的外法向矢 量（見圖8B.1）。因此，如果物體表面用平面多面體面來建模的話，在陰影測試中只是滿足 8B.1）式的多面體面才必須考慮。這樣可以大大地減少CPU時

14、間。背面采集準(zhǔn)則可用在對反射點和繞射點的搜尋中，因為反射點和繞射 能于滿足方程（8B.1）的多面體面上3.2可見反射面-繞射邊緣樹結(jié)構(gòu)在射線追蹤時，波從源點出發(fā)，除直射波外，其他的射線都要經(jīng)過反射或繞射才 能到達場點，這些射線都只存在于各反射面或邊緣繞射角的可視區(qū)域內(nèi)。射線從 源點出發(fā)，經(jīng)過反射面或繞射邊緣作用后，最終到達場點。這過程中，射線經(jīng)過 的反射面（或繞射邊緣）可以用樹結(jié)構(gòu)圖來記錄。圖3.6.a說明了一個簡單的環(huán)境，由2個建 筑物及源點（S,）和場點（F）構(gòu)成，每個建筑物 有4個面和4個角點，分別標(biāo)號為1-8和a-h,圖 中，S為一階鏡像點，一階以上鏡像點圖中略去。該環(huán)“反射面一繞射邊

15、緣結(jié)構(gòu)如圖3.6.b。圖3.6.b展示出2.D室外環(huán)境鎮(zhèn)像 樹一繞射邊緣樹結(jié)構(gòu)（只考慮3 級反射）的一個例子。通過應(yīng)用背面采集和丟棄了在相應(yīng)的RS 外部的多面體面后，簡化了鏡像樹。發(fā)射源SO是可視反射面-繞射邊緣樹結(jié)構(gòu)的根S0，在一階反射、繞射（反 射面或繞射邊緣應(yīng)在發(fā)射源SO的可視范圍之內(nèi)，且對發(fā)射源SO是可見的）時， 由背面采集射線與兩個墻面4、5相交，與三個墻角a、d、e發(fā)生繞射;二階反射、 繞射的反射面、繞射邊緣應(yīng)在一階虛擬源的可視區(qū)域之內(nèi)，且對一階虛擬源是 可見的）；更高階類推。由于波在經(jīng)歷反射或繞射時，反射波或繞射波電場幅度將 變小，因此可以設(shè)定一個整數(shù)值N,當(dāng)考慮階數(shù)大于N時，可

16、以認(rèn)為此時射線中 電磁波衰減很大，己經(jīng)可以忽略。當(dāng)場點在可視范圍內(nèi)，并且未被遮擋時，可以判定可能有射線經(jīng)過該支點的面和 邊緣作用最終到達場點。這樣就可以找出能到該點的射線。如圖3.7（a）所示，發(fā)射源所發(fā)出的射線被墻面:4、5與墻角:a、d、e所遮擋， 由此產(chǎn)生2個反射源S1、S2和3個繞射源S3、S4、S5。而這5個射線源構(gòu)成了 虛擬源樹的第一層子樹結(jié)點。同時這5個射線源會由于其它墻面與墻角的遮擋而產(chǎn)生作為下一級子樹結(jié)點的 反射源與繞射源。b2如:反射源S2被墻面3、4與墻角a、d、c所遮擋，由此產(chǎn)生2個反射源SS6、SS7和3個繞射源 SS8、SS9、SS10，如圖 3.7（b）所示；這種

17、遞歸一直維續(xù)下去直到超過樹的最大層數(shù)，或射線強度掉到門限以下 或不再發(fā)生相交為止。門限電平必須小心選擇，如果門限電平選得太低的話，算 法就會浪費CPU時間和存儲容量，而對結(jié)果沒有什么重大改善。相反，如果門限 電平太高的話，就可能會丟失許多對接收場有重要作用的射線。計算機程序?qū)ι渚€跟蹤樹完整地執(zhí)行后，就完成了射線跟蹤。3.3有效射線及射線路徑【146】【74】【75】有效射線是推那些能夠達到場點，對場點總場有貢獻的射線?？梢暦瓷涿胬@射邊緣樹結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成后，就可以得到射線的傳播路徑。方法是:從樹結(jié)構(gòu)的最末端（也就是場點）出發(fā)，找出所有能到達場點的樹結(jié)構(gòu) 的枝，得到射線傳播路徑上所有的反射面和繞射邊

18、緣。由幾何運算，就可以 求出射線與路徑上反射面和繞射邊緣的交點，從而求得傳播路徑。圖3.8.a 中畫出了兩條有效射線。計算時，多徑反射和繞射的射線振幅可通過平面波的反射系數(shù)和繞射系數(shù)來 計算，但還必須由波的極化來決定是用垂直極化反射系數(shù)還是用水平極化反射系 數(shù)。如在室內(nèi)微蜂窩系統(tǒng)中，當(dāng)被地板或天花板反射和折射時，則可用水平極化 的反射系數(shù)和折射系數(shù)；當(dāng)射線與建筑物的直立墻面相交時，可用垂直極化的 反射系數(shù)和折射系數(shù)。當(dāng)用復(fù)相對介電常數(shù)時，就可以考慮有損耗媒質(zhì)。當(dāng)所考慮的反射次數(shù)和多面體面數(shù)目增加時，意味著陰影測試的數(shù)目就增 加。因此，鏡像方法應(yīng)該和減少陰影測試數(shù)量的射線跟蹤加速算法結(jié)合起來。這 些加速算法將在8.5節(jié)中介紹。陰影測試：檢查傳播路徑是否被所討論的空間城中的另一個多面體面所遮擋。3.4遮擋測試在實際環(huán)境中，對于一個波源（輻射源、等效源）來說，構(gòu)成其周圍環(huán)境的表面都 是層層疊疊的，波源可以直接照射到的表面或邊緣并不多，因此需要進行遮擋測 試，以確定哪一些