专题R__无线覆盖区设计要素.ppt

COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 无线覆盖区的设计是移动通信系统网络设计和优化的 一个重要组成部分，无论是宏小区或微小区, 室内或室外， 都必须选择合适的传播模式, 进行覆盖区可通率验证、链路 预算和上下链路平衡分析。这些设计分析的要素是： 使覆盖区内有足够的话务通道并协助运营商进行网络优化 保证覆盖区内达到规定的可通率和上下行链路的平衡 选择合适的电波传播模式并做好链路预算 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems * 接收灵敏度、最低功率电平和覆盖区可通率的关系 * 移动通信的电波传播及常见传播模型 * 链路预算和上下行链路的平衡 为此，我们分三个题目来讨论 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 接收灵敏度、最低功率电平 与 覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 接收机灵敏度Sv 在实际噪声环境中的恶化量d 对覆盖区及覆盖区边缘的可通信概率 通常，在进行项目设计时，我们会得到一个数据，即所需 覆盖区边缘的可通率(如：90%)和功率电平（如: -85dBm）。我们 可以接受所提出的这个要求。也可以从现场测试中得到这个数据 ，但从理论上，我们同样必须了解这个数据的含义。 与这个数据有关的技术指标主要是： 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems Prmin = Sv + d +x Prmin -接收机输入端所需的最低功率电平 Sv -接收机灵敏度 d 恶化量 影阴损耗偏差 移动通信接收设备的一个主要技术指标是接收灵敏度Sv。一个 数字系统接收机灵敏度是指接收机在满足一定的误码率性能的 条件下，接收机输入端所需的最低信号点平，通常用-dBm或 dBv表示。但是，必须特别强调的是，接收灵敏度Sv是在实验 室静态条件下所得到的指标。 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 当将一个接收机置于实际通信环境中时，由于噪声及多 径衰落的影响，其误码性能将大大地恶化，此时，为了保证误 码性能达到系统的要求，就必须加大信号电平。因此，将实际 环境中接收机所要求的输入最低保护信号电平。 Vrmin = Sv + d d:实际环境中由于噪声和多径衰落造成的恶化量 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 国际电联的相关研究报告给出了不同噪声环境（对移动 台而言，主要是车辆密度及其点火噪声）下的各通信频段的恶 化量数值, 其中 对模拟系统（900MHz频段）约815dB 对数字系统（900MHz频段）约510dB。 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 接下来的问题是，当覆盖区边缘信号电平达到最低输入 保护电平（Vrmin)时，是否能保证正常通信？ 答案是能保证，但不能完全保证。因为移动通信的电波 传播具有衰减特性，且服从对数正态分布。因此，必须具有 一定的衰落余量才能完全地保证通信效果。在工程上归结为覆 盖区或覆盖区边缘的可通信概率。 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems v 对数正态分布的数学模型特征由中值及标准偏差（） 所确定；中值应对应于Vrmin，标准偏差即系统余量。 v 所谓覆盖区内通信概率是指移动台在无线覆盖区边缘（或 整个区内）进行满意通话（误码率指标达到规定要求）的 成功概率。 v 通信概率与系统余量的关系（见下图） v 系统余量的取值直接与运营商的投资成本有关。 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 当系统余量为0时，覆盖区边缘可通概率为50 (68%) 当系统余量为时，覆盖区边缘可通概率为84 (92%) 当系统余量为2时，覆盖区边缘可通概率为97 (99%) 当系统余量为3时，覆盖区边缘可通概率为99.7 (99.99%) 当系统余量为1.28时，覆盖区边缘可通概率为90 (95%) 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 覆盖区可通概率与覆盖区边缘可通概率可以用一个误差 函数的积分求得，随阴影损耗偏差和衰落指数n而变。 例如： 当 10dB n = 4 时 覆盖区边缘可通概率为90时可求得整个覆盖区内可通 概率为95 (上图中蓝色的 %数即是) 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 总之，覆盖区边缘信号电平 Prmin = Vrmin + x = Sv + d + x 例如：GSM系统接收机灵敏度为-102dBm，环境恶化量为9dB，衰落偏差为 6dB，当需要覆盖区边缘可通概率为90时，其最低信号电平应为： Prmin = -102dBm + 9dB + 1.28*6dB = -93dBm + 7.7dB = -85.3dBm 接受灵敏度、最低功率电平与覆盖区位置百分比的关系 012345678 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.95 0.9 0.55 0.5 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 移动通信的 电波传播模型 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 移动通信的电波传播产生三类不同的损耗： 路径(中值)损耗：它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映 了传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号电 平平均值的变化趋势。 慢衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的 阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。一般遵从对数正态分布， 其变化率较慢故又称为慢衰落。 快衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映微观 小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般 遵从Rayleigh（瑞利）分 布。 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 移动通信的场强是在中值的慢变化上叠加一个快速变化的信号， 因此快衰落被称为短时限衰落，可认为是“微观”的变化；而慢衰落 被称为长时限衰落，可认为是“宏观”的变化。在大多数情况下，快 衰落可认为是瑞利分布的。接收机接收到的电波有效值电平与发射 功率、发射天线高度及其增益、接收天线高度及其增益、频率以及 与发射台的距离有关。很明显，它还和通信地区的地形地貌有关。 前人已进行很多的研究，提出很多模型，有基于理论的模型， 有基于实测数据的经验模型，也有理论与经验的混合模型。它们的 表示形式也各不相同，有的是解析公式，有的是图表曲线，还有的 是计算机辅助型等等。 下面, 我们介绍几种常用模型: COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 平滑地面理论模型 当天线是架高（相对于波长）的情况，若地面是平面地，则无线 电波主要传播方式为直射波和反射波。根据布林顿(Bullington)的 推导，这种情况接收功率可以用下式表示: 平滑地面传播理论模型 d r = d1-d0 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 式中，第一项为直射波，第二项为地面反射波，第三项为沿 地表面传播的表面波，在频率增高和天线架高的情况下，第三项 可以略去。(/4d)2 是自由空间损耗因子。r是反射波与直 射波之间的行程差。 在理想平面条件下，反射系数R1，在 ht+hr dp L3 = L(Xc)+ Lc + 10 n3 log(C/Xc) 式中，n1，n2，n3表示每一段的衰减指数，X为接收点的距 离变量，Xc为拐角处到发信机的距离。 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 当街道宽度Ws30m，0.15m，hbhm11.25m2时， 曼哈顿微小区模型的路径衰耗模式最终可表达为： L1 = 82 + 20log(X/300) L2 = 82 + 40log(X/300) L3 = L(Xc)+ (17+ 0.05Xc) + (2.5+0.02Xc)log(X/Xc) COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 室内传播模型 室内无线环境可以用一个有几层楼的隔离建筑模拟。相关参 数是基站（天线）的位置和数量，包括墙壁和地板的穿透损耗。 我们可以采用MotleyKeenan模型来模拟室内路径损耗。 其计算公式如下： Lp = L0 +10 n log(X) + Nwj*Lwj + Nfi*Lfi 其中L0表示在参考点（1m处）上的损耗，n是衰减指数， X代表接收点到发射机的路径长度，Nwj和Nfi表示信号穿过不同 种类墙壁和地板的数量，Lwj和Lfi代表它们相应的损耗因子。 这些参数典型的建议值为： COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems L0 = 37dB; Lf = 20dB; Lw = 3dB; N = 2 Lp = 37 + 20log(X) + 3Nw + 20Nf 。 LOS和NLOS情况下的微小区传播 NLOS d 1525dB n=2 n=4 n=2 d db PinLOS n=46 Pin COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 链路预算和 上下行链路平衡 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 链路预算参数 链路预算参数 主要根据系统 的有关技术指 标确定，例如 GSM系统的主要 参数于右表所示。 项目典型值 备注 带宽 200KHz 热噪密度-174dBm/Hz 基站噪声系数5dB 手机噪声系数6dB 基站灵敏度 -104dBm C/I=9dB(带FH) 12dB(不带FH) 手机灵敏度-102dBm 手机最大发射功率 33dBm 干扰储备（干扰 概率10%时） 3dB COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 覆盖链路预算目的 （1）求取室内天线端口的发射功率； 如上所述，链路预算参数众多，我们可以根据设定的参数来 计算天线端口的发射功率。然后，根据每个小区域（或每个 层楼）的所需功率计算信源输出到各天线端口之间的电平分配。 （2）验算系统余量是否足够； 如果每个小区域天线端口的发射功率也已经设定，则我们可 以根据所有设定的参数来验算系统余量是否足够，是否能确 保所要求的覆盖区及其边缘的通信可通率。 （3）验算最大允许的路径损耗； 对于环境较为复杂的室内覆盖区，我们也可以计算出最大允 许的路径损耗值。然后对于选用的传播模型或通过实测来作 证实际衰耗不大于最大允许的路径损耗。 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 上/下行链路平衡计算 通常，设计人员应该将预算参数分上行和下行进行列表， 作上下行链路平衡计算。 如果直放站 Prep30dBm。NF1rep9.3dB，覆盖天线架 高40m，天线增益16dBi，馈线损耗3dB，则可将上下链路平衡 计算结果列于下表。 COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 上/下行链路平衡 下行链路上行链路 直放站输出功率+30dBm移动台输出功率+33dBm 直放站天线增益16dBi移动台天线增益0dBm 直放站馈线损耗-3dB移动台馈线损耗0dBm 移动台接收灵敏度-102dBm直放站接收灵敏度-99.7dBm 移动台馈线损耗0dB直放站天线增益16dBi 移动台天线增益0dB直放站馈线损耗-3dB 允许传输路径损耗L1 （未考虑余量） -145dB 允许传输路径损耗L1 （未考虑余量） -145.7dB COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 衰落余量（8dB， 90%） -10dB衰落余量（8dB，90%）-10dB 干扰储备-3dB干扰储备-3dB 人体损耗-3dB人体损耗-3dB 建筑物衰耗 -10dB 建筑物衰耗-10dB 路径损耗余量L2 -26dB路径损耗余量L2-26dB 允许传输路径损耗 Lmax （考虑余量） -119dB 允许传输路径损耗Lmax （考虑余量） -119.7dB 最大覆盖半径（900m ， Hata模型） 1.6Km 最大覆盖半径（900m， hata模型） 1.7Km COMBA 京 信 通 信 系 统 COMBACOMBA COMBACOMBA COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA COMBA C COMBA CO COM COM Comba Telecom Systems 小结 无线覆盖设计方程 (1) 综上所述, 我们可以将所有无线覆盖区设计要素归结 为以下一个设计方程: SG SL = SM 式中 SG = Pt +Gt +Gr + Vrmin 系统增益项 Pt 发信机功率(dBm) Gt/ Gr - 发信/接收天线增益(dB) Vrmin - 收信机最低功率电平(dBm) (= Sv + d) COMBA 京 信