5G无线技术基础自学系列 | 无线电波传播模型
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素材来源：《5G无线网络规划与优化》
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无线电波传播模型用于预测无线电波在各种复杂传播路径上的路径损耗，是移动通信网小区规划的基础。无线电波传播模型的准确与否，关系到小区规划是否合理，运营商是否可以以比较经济合理的投资满足用户的需求。模型的价值就是在保证精度的同时，节省了人力、成本和时间。
9.1.1 自由空间传播
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，即自由空间的传播损耗(单位为dB)。
自由空间传播损耗公式如下。
从此公式可以推导出以下结论。
(1)当距离d加倍时，自由空间传播损耗增加6dB，即信号衰减为原来的1/4。
(2)当频率f加倍时，自由空间传播损耗增加6dB，即信号衰减为原来的1/4。
有了自由空间的传播损耗公式后，考虑传播环境对无线电波传播模型的影响，确定某一特定地区的传播环境的主要因素如下。
(1)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)在进行网络规划时，一个城市通常会被划分为密集城区、一般城区、郊区、农村等几类区域，以保证预测的精度。
(4)某地区的植被特征表示为植被覆盖率，需考虑不同季节的植被情况是否有较大的变化。
(5)天气状况，如是否经常下雨、下雪。
(6)自然和人为的电磁噪声状况，周边是否有大型的干扰源(雷达等)。
(7)系统工作频率和终端运动状况，在同一地区，工作频率不同，接收信号的衰减状况也不同，静止的终端与高速运动的终端的传播环境也大不相同。常用传播模型如表9-1所示。
9.1.2 Okumura-Hata模型
Okumura-Hata模型在900MHz的GSM中得到了广泛应用， 适用于宏蜂窝的路径损耗预测。Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式， 应用频率为1501000MHz， 适用于小区半径为120km的宏蜂窝系统，其基站天线高度为30200m，终端有效天线高度为01.5m。
Okumura-Hata传播模型公式为
其中，各参数的含义如下。
(1)f为频率。
(2)hb为基站天线有效高度。
(3)d为发射天线和接收天线之间的水平距离。
(4) Ahm=(1.1xlgf-0.7) hm-(1.56lgf-0.8) 。
当模型应用于郊区和开阔地区时，为了使预测结果更准确，需要对计算结果进行修正。
(1)对于郊区，结果修正如下。
(2)对于开阔地区，结果修正如下。
9.1.3 COST231-Hata模型
COST231-Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Ha a模型的扩展版本， 应用频率为15002000MHz， 适用于小区半径为120km的宏蜂窝系统。发射有效天线高度为30200m， 接收有效天线高度为110m。
COST231-Hata传播模型公式为
其中，各参数的含义如下。
(1)f为频率。
(2)hb为基站天线有效高度。
(3)d为发射天线和接收天线之间的水平距离。
(4) Ahm=(1.1xlgf-0.7) hm-(1.56lgf-0.8) 。
(5)Cm为城市中心校正因子，在大城市中，Cm=3dB，在中等城市和郊区中心区中，Cm=0dB。
当模型应用于农村和开阔地时，为了使预测结果更准确，需要对计算结果进行修正。
(1)对于农村地区(准开阔地)，结果修正如下。
(2)对于开阔地区，结果修正如下。
9.1.4 Keenan-Motley模型
Keenan-Motley模型应用于室内环境， 根据是否基于视距传播主要分为以下两种类型。
(1) 视距(Line of Sight， LoS) 传播模型， 其公式如下。
(2) 非视距(Non Line of Sight， NLoS) 传播模型， 其公式如下。
其中，Xa为慢衰落余量，取值与覆盖概率和室内慢衰落标准差有关；Lf(n)，Pi表示第i面隔墙的穿透损耗，n表示隔墙数量。
隔墙穿透损耗典型值如表9-2所示。
9.1.5 Uma模型
Uma模型是3GPP 36.873和3GPP 38.901协议定义的传播模型， 应用频率为0.5100GHz， 适用于小区半径为105000m的城区宏蜂窝系统，发射有效天线高度为10150m，接收有效天线高度为1.522.5m。Uma模型分为视距传播模型和非视距传播模型两种。
Uma(LoS) 传播模型公式为
Uma(NLoS) 传播模型公式为
其中，各参数的含义如下。
(1)fc为频率。
(2)d3d为基站天线到终端的距离。
(3)W为平均街道宽度。
(4)h为建筑物平均高度。
(5)hbs为天线绝对高度。
(6)hut为接收机绝对高度。
Uma(LoS) 传播模型中默认hbs=25m， hut=1.5m。
9.1.6 Umi模型
Umi模型是3GPP 36.873和3GPP 38.900协议定义的传播模型， 应用频率为0.5100GHz， 适用于室内环境， 发射有效天线高度为10m， 接收有效天线高度为1.522.5m。Umi模型分为视距传播模型和非视距传播模型两种。
Umi(NLoS) 传播模型公式为
Umi(LoS) 传播模型公式为
其中，各参数的含义如下。
(1)fc为频率。
(2)d3D为基站天线到终端的距离。
(3) dbp=4h'bsh'utfc/c， 而h'bs=hbs-1， h'ut=hut-1， fc为频率， c=3.0x10e8m/s。
(4)hbs为天线绝对高度。
(5)hut为接收机绝对高度。
9.1.7 Rma模型
Rma模型是3GPP 36.873和3GPP 38.900协议定义的传播模型， 应用频率为0.5100GHz， 适用于小区半径为1010000m的农村宏蜂窝系统，发射有效天线高度为10150m，接收有效天线高度为110m。Rma模型分为视距传播模型和非视距传播模型两种。
Rma(LoS) 传播模型公式为
Rma(NLoS) 传播模型公式为
其中，各参数的含义如下。
(1)fc为频率。
(2)d3d为基站天线到终端的距离。
(3)W为平均街道宽度，5m<W<50m。
(4)h为建筑物平均高度，5m<h<50m。
(5) hbs为天线绝对高度。
(6)hut为接收机绝对高度。
9.1.8 InH模型
InH模型是3GPP 36.873和3GPP 38.900协议定义的传播模型， 应用频率为0.5100GHz， 适用于小区半径为3150m的室内微蜂窝系统， 发射有效天线高度为36m， 接收有效天线高度为12.5m。InH模型分为视距传播模型和非视距传播模型两种。
InH(LoS) 传播模型公式为
InH(NLoS) 传播模型公式为
其中，各参数的含义如下。
(1)fc为频率。
(2) d3d为基站天线到终端的距离。
9.1.9 通用传播模型
在实际使用过程中，还需要考虑到现实环境中各种地物地貌对电波传播的影响，以保证覆盖预测结果的准确性。因此，在各种规划软件中，一般会使用通用的传播模型，并会根据各个地区的不同情况，对模型参数进行校正后再使用。
通用传播模型公式为
其中，各参数的含义如下。
①K1为与频率相关的常数。
②K2为距离衰减常数。
③d为发射天线和接收天线之间的水平距离。
④K3为基站天线高度修正系数。
⑤Htxeff为发射天线的有效高度。
⑥K4为绕射损耗的修正因子。
⑦Diffractionloss为传播路径上障碍物绕射损耗。
⑧K5为基站天线高度与距离修正系数。
⑨K6为终端天线高度修正系数。
①Hrxeff表示接收天线的有效高度， Kclutter为地物Clutter的修正因子， f(Clutter) 为地貌加权平均损耗。
不同地物地貌场景下的参考修正值如表9-3所示。
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