海域超远距离覆盖

1 海洋覆盖规划理论目前国际上通用的模型都对应近区覆盖，一般只适用于20KM以内的范围。为了有效预测超远覆盖的效果，基于理论分析和实际测试，校正得到了海洋超远覆盖的模型。CDMA网络每个基站的覆盖主要受天线挂高、天线类型（涉及增益、水平波瓣角、垂直波瓣角等）、下倾角、发射功率、规划区域环境等因素影响。通过电测校模及理论研究，通讯提出了一些海洋覆盖的模型，海南超远覆盖基站出海测试数据分析表明，目前的模型基本符合实际的无线信号传播情况。下面是对海洋超远覆盖方面的一些研究结果。1.1.1 平滑地球无线视距的计算根据Jhong Sam Lee和Leonard E.Miller的看法：在超高频和甚高频频段无线电波的地对地传播模型中，地球影响的大小是依赖于路径的长短。在视距路径上，地球的主要影响在于引起反射波，从而在接收机内部对直射电波产生消极的或积极的干扰。对于超视距的路径，由于电波的衍射及散射的存在，信号传播可能会超过视距。如图2-2所示，通常从一种传播模式到另一种传播模式的转变是渐进的。图2-2 地地通讯的主要传播模式无线电波的传播路径为曲线，比地平线的距离（光学路径）要大，如图2-3，对于一个无任何地形特征的“平滑地球”（如海平面）模型，设天线I的有效高度为h，则从该天线发出或接收到的射线所经过的曲线路径是和地球相切的。从天线到切点的距离即为平滑地球无线视距，在图2-3中左面的图表中标示d。在通信路径的分析中，处理直线路径要方便一些。因此可以设计一个与原有系统在几何上等效的新系统，使得射线看起来是直线。出于此目的，图2-3右面的部分给出了修改后的几何模型，其中虚拟地球的半径akrr(地球半径为r=6370km)，平滑地球无线视距仍为d，为了保证结果的等价性，要求天线高度h在两个模型中保持一致。在此约束条件下，计算出虚拟地球半径应为a4r/3=8493km。当射线路径与地球表面的距离在1km以内时，可将其看作直线传播，此时可利用有效的地球半径公式a4r/3。（参见CDMA系统工程手册）参照图2-3的右图，运用几何学知识可以计算出平滑地球的无线视距，它是天线高度的函数。注意到d和虚拟地球半径a是直角三角形的两条直角边，斜边为ah，知2ah，由此解得d为： d （2-1）式中地球半径和天线高度取相同单位。对于常用单位而言： d（km） （2-2）图2-3无线电波与地球切角的几何模型同样的道理，假设接收端天线挂高为Hr，则可以将传播路径分为两段，包括发射天线到切点的距离及切点到接收端的距离，假设发射天线挂高为Ht，路径为d，同样的推算过程可以得到这种情况下的无线视距： d（km）+ (2-3)根据接收点离开发射天线的距离，称小于0.7d的区域为明区，0.7d(1.21.4)d的区域为半阴影区，大于(1.21.4)d的区域为阴影区。从上面的推算可以看出，无线信号的视距受发射天线挂高和接收天线挂高影响很大，表2-1是一些天线高度和辐射距离的例子： 表2-1 天线高度和辐射距离关系表根据从海事局了解到的信息，一般中小渔船的甲板距海面高度在4米左右，而大船甲板高度一般达到20米左右。1.1.2 直射信号与天线主瓣增益关系考虑地球表面曲率的影响，在一定远的距离上直射信号在垂直面与主瓣方向成一定的夹角，若此夹角大于半功率角，天线增益就会有显著变化。设地球半径为r，直线距离为d，直射信号切线与水平直射的天线主瓣方向夹角为，基站与切点的地心角为，考虑到基站高度为h1，接收机高度为h2，直射信号与地球的切点与接收机并不在一点，但在rh2这个园上，交于一点，相应基站高度为两者的高度差为h，由于rh2，则有以下公式： （2-4）也就是在视距极限处主瓣夹角最小，为。在非切点处可以推导出直射信号与天线主瓣的垂直夹角为： (2-5)以天线高度100米，接收机高度忽略不计为例，在10120km范围内与主瓣最大垂直夹角为0.62度，基本不用考虑由于夹角过大引起天线增益变化。1.1.3 海面反射信号形式为了研究方便，我们要尽量简化海面信号传播形式，直射信号比较简单，反射信号主要是通过海面的一次反射波。考虑到海面上有波浪，我们需要知道在什么条件下海面对电磁波的反射可以等效成镜面反射。海面是否可以看成光滑平面必须满足一定的条件，判断的依据是雷利准则。假设海面波浪的平均高度为，电波的掠射角为，雷利准则指出，可视为镜面反射的最大的波浪平均高度差为： (2-6)该式为一个经验公式。在一个正常海况条件下（平均浪高1米），基站天线设为100米，频率为800MHz时，可以得到满足以上条件的距离为： (2-7)以上结果表明即使最保守的情况下，对于100米的高站，在距离基站14Km以外的区域，海面反射就可以看作是镜面反射。通常我们的海面超远覆盖的目标区域在10Km120Km范围内，可以满足近似要求，因此后面的推导将以此为据。1.1.4 海面明区无线信号传播反射信号到达接收机处的相位差还与直射信号和反射信号的路径差有关，路径差为： (2-8)相应产生的相位差为： (2-9)在超高频和甚高频频段可以忽略从发射台通过地波传播到接收机的一部分信号，接收场强和自由空间场强的比值的平方为： (2-10)综合以上推导，可以得到路径的净增益为： (2-11)当距离d较远满足条件时，可以得到以下一系列近似公式： (2-12)可以得到海面超远覆盖视距传播的路径损耗的近似公式为： (2-13)1.1.5 半阴影区和阴影区的无线信号传播如果把传播距离和收、发天线高度对应表示成无量纲的距离和高度L、和。半阴影区及阴影区电磁波的绕射损耗：单位是dB。其中为无线电视距；是参数的函数；L为。加上自由空间的损耗，可得该区域电磁波传播路径损耗的近似公式为： (2-14)1.1.6 海洋覆盖反向链路预算表 表2-2 海洋超远覆盖反向链路预算表cdma2000 1x系统800M反向链路预算 (海洋）传播环境海 洋业务类型数据业务话音业务业务速率（kbps）153.60 76.80 38.40 19.20 9.60 1X 测试环境甲板甲板甲板甲板甲板甲板手机标称发射功率(dBm)232323232323手机天线增益(dBi)000000人体损耗（dB）000003手机有效全向发射功率（dBm)232323232320基站天线增益(dBi)17.00 17.00 17.00 17.00 17.00 17.00 基站馈缆损耗(dB/100米)444444基站馈缆长度(米）101010101010其它损耗估计(dB)111111基站天馈损耗(dB)热噪声谱密度(dBm/Hz)-174-174-174-174-174-174噪声系数（dB）数据速率(bps)76800384001920096009600Eb/No（dB)2.20 2.70 3.30 4.00 4.90 4.90 负载0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 干扰裕量（dB）3.01 3.01 3.01 3.01 3.01 3.01 基站灵敏度(dBm)-112.73 -115.24 -117.65 -119.96 -122.07 -122.07 软切换增益（dB）正态衰落方差(dB)888888覆盖区边缘的通信概率0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 正态衰落裕量(dB)5.40 5.40 5.40 5.40 5.40 5.40 最大允许的空间损耗150.03 152.54 154.95 157.26 159.37 156.37 建筑物穿透损耗（dB）000000上行链路损耗150.03 152.54 154.95 157.26 159.37 156.37 射频中心频率（MHz）825825825825825825基站天线高度（m）100100100100100100移动台高度（m）4.00 4.00 4.00 4.00 4.00 4.00 明区参数K177.7877.7877.7877.7877.7877.78明区参数K238.8138.8138.8138.8138.8138.81无线视距(km)34.634 34.634 34.634 34.634 34.634 34.634 明区覆盖半径（km)34.634 34.634 34.634 34.634 34.634 34.634 阴影区参数K1-41.26 -4