移动通信课程设计-链路预算模型含源程序

1、搬动通信课程设计链路估量模型含源程序搬动通信课程设计链路估量模型含源程序搬动通信课程设计链路估量模型含源程序3链路估量模型归纳搬动通信系统的性能主要碰到无线信道特点的限制。发射机与接收机之间的传播路径一般分布有复杂的地形地物，而电磁波在无线信道中流传碰到反射、绕射、散射、多经流传等多种因素的影响，其信道经常是非固定的和不可以预示的。拥有复杂时变的电波流传特点，所以造成了信道解析和流传展望的困难。影响无线信道最主要的因素就是信号衰减。在无线通信系统中，电波流传经常在不规则地区。在估计展望路径耗费时，要考虑特定地区的地形地貌，同时还要考虑树木、建筑物和其他遮挡物等因素的影响。在无线通信系统工程设计

2、中，常采用电波流传耗费模型来计算无线链路的流传耗费，这些模型的目标是为了展望特定点的或特定地区的信号场强。常用的电波流传模型耗费分为宏蜂窝模型和室内模型两大类。其中宏蜂窝模型中使用最宽泛的是Okumura模型，还有建立在Okumura模型基础上的其他模型，如Okumura-Hata模型，COST-231-Hata模型，COST-231Wslfisch-Ikegami模型等；室内模型有衰减因子模型，Motley模型，对数距离路径耗费模型等。下面就重视来讨论这些模型并对部分模型进行仿真解析。宏蜂窝模型Okumura模型（1）归纳Okumura模型为展望城区信号时使用最宽泛的模型。应用频率在150M

3、Hz到1920MHz之间（可扩展到300MHz），收发距离为1km到100km，天线高度在30m到1000m之间。Okumura模型开发了一套在准圆滑城区，基站有效天线高度h_b为，搬动200m台天线高度h_m为3m的空间中值耗费（Amu）曲线。基站和搬动台均使用自由垂直全方向天线，从测量结果获得这些曲线，并画成频率从100MHz到1920MHz的曲线和距离从1km到100km的曲线。使用Okumura模型确定路径耗费，第一确定自由空间路径耗费，尔后从曲线中读出Amu(f,d)值，并加入代表地物种类的修正因子。模型可表示为:L50(dB)LFAmu(f,d)G(hb)G(hm)GAREA（）O

4、kumura发现，其中，L50(dB)为流传路径耗费值的50%（即中值），LF为自由空间流传耗费，Amu为自由空间中值耗费，G(hb)为基站天线高度增益因子，G(hm)为搬动天线高度增益因子，GAREA为环境种类的增益。（注：天线高度增益为严格的高度函数，与天线形式没关）。Okumura模型完好基于测试数据，不供应任何解析讲解。对好多状况，经过外推曲线来获得测试范围以外的值，但这中外推法的正确性依赖于环境和曲线的圆滑性。Okumura模型为成熟的蜂窝和陆地搬动无线系统路径展望供应最简单和最精确的解决方案。但这种模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反响较慢。展望和测试的路径耗费误差为10dB到

5、14dB。（2）中等起伏地上市里流传耗费的中值在计算各种地形。地物上的流传耗费是时，均以中等起伏地上市里流传耗费的中值或场强中值作为基准，所以将其称作基准中值或基本中值。若是Amu(f,d)曲线在基准天线高度下测的，即基站天线高度hb=200m，搬动台天线高度hm=3m。中等起伏地上市里实质流传耗费（LT）应为自由空间的流传耗费(LF)加上基本中值Amu(f,d)（可查得）。即：L_TL_FAmu(f,d)（）若是基站天线高度h_b不是200m则耗费中值的差别用基站天线高度增益因子G(hb)表示，当搬动台高度不是3m时，需用为搬动天线高度增益因子G(hm)加以修正。中等起伏地上市里实质流传耗费

6、（LT）为：LTLFAmu(f,d)G(hb)g(hm)（）（3）郊区和广阔地流传耗费的中值郊区的建筑物一般是分其他、低矮的，故电波流传条件优于市里。郊区的流传耗费中值比市里流传耗费中值要小。郊区场强中值与基准场强中值之差定义为郊区修正因子，记作Kmr。广阔地的流传条件优于市里、郊区及准广阔地，相同条件下，广阔地上的场强中值比市里高近20dB。Q0表示广阔地修正因子，Qr表示准广阔地修正因子。（4）不规则地形上流传耗费的中值实质的流传环境中，以下一些地形需要考虑，用来修正流传耗费展望模型，其解析方法与前面近似。丘陵地的修正因子Kh孤立山丘修正因子Kjs斜坡地形修正因子Ksp水陆混杂路径修正因子

7、Ks（5）任意地形地区的流传耗费的中值任意地形地区的流传耗费修正因子KT一般可写成KTKmrQ0QrKhKjsKspKs（）依照实质的地形地物状况，KT修正因子能够为其中的某几项，其他为零。任意地形地区的流传耗费的中值LLTKT（）式中，LTLFAmu(f,d)G(hb)G(hm)Okumura-Hata模型（1）归纳Okumura-Hata模型在900MHzGSM中获得宽泛应用，合用于宏蜂窝的路径耗费预测。该模型的主要缺点是对城市和郊区快速变化的反响快慢。展望和测试的路径损耗误差为10到14dB。Okumura-Hata模型是依照测试数据统计解析得出的经验公式，应用频率在150MHz到1?5

8、00MHz之间，并可扩展3000MHz;合用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，作用距离从1km到20km经扩展可延伸至100km;基站有效天线高度在30m到200m之间，搬动台有效天线高度在1m到10m之间。Okumura-Hata模型路径耗费计算的经验公式为：Lpc13.82lghte(hre)(44.96.55lghte)lgdCcellCterrain（）式中，fc（MHz）为工作频率；hte（m）为基站天线有效高度，定义为基站天线实质海拔高度与天线流传范围内的平均地面海拔高度之差；hre（m）为终端有效天线高度，定义为终端天线超出地表的高度；d（km）：基站天线和终端天线之间的水平距离

9、；(hre)为有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数，其数字与所处的无线环境相关，拜会以下公式。(1.1lgf0.7)hm(1.56lgf0.8)(dB),中、小城市（hm）=8.29(lg1.54hm)21.1(dB),f300MHz,大城市（）3.2(lg1.75hm)24.97(dB),f300MHz,大城市Ccell：小区种类校正因子，即0,城市Ccell2(lgf/28)25.4(dB),郊区（）4.78(lgf)18.33lgf40.98(dB),农村Cterrain：地形校正因子，地形校正因子反响一些重要的地形环境因素对路径耗费的影响，如水域、树木、建筑等。合理的地形校正因子能够经

10、过流传模型的测试和校正获得，也能够由用户指定。（2）Okumura-Hata模型仿真Okumura-Hata模型是展望城市及周边地区路径耗费时使用最为宽泛的模型。它基于测试数据所作的图表,不供应任何的解析讲解。工作频率在150MHz到1500MHz之间,并可扩展3000MHz;作用距离从1km到20km经扩展可延伸至100km;基站天线高度在30m到200m之间,经扩展可延伸至1000m;搬动台天线高度从1m到10m。Hata模型则依照Okumura图表数据,经曲线拟合得出一组经验公式。它以市里路径流传损耗为基准,在此基础上对其他地区进行修正。实测中在基本确定了设备的功率、天线的高度后，可利用

11、Okumura-Hata模型对信号覆盖范围做一个初步的测算。耗费单位为dB。以下就是仿真过程，仿真所用程序见附录，仿真得图形如图3-1和3-2所示：图3-1Okumura-Hata模型（d=0:100km;f=450MHz;h_m=5m;c_t=0;）图3-2Okumura-Hata模型（d=0:100km;f=900MHz;h_m=5m;c_t=0;）从仿真结果中能够看出，中小城市和大城市地形地物基本上差别不大，而搬动台高度、频率、基站高度必然的状况下，耗费曲线基本上是重合的;从仿真结果得知，在010km范围中耗费急剧上升，10km此后信道的衰减诚然也是随着距离的增加也有增大的趋势但对照之下

12、，衰减更为和缓，从图中不难看出，在相同的频率下中小城市和大城市的衰减最为严重，郊区次之，农村的衰减最少，这是由于在城市中间造成衰减的因素更多。其他，在其他条件不变的状况下，频率越大，衰减也就越大。Okumura-Hata模型合用于大区制搬动系统，但是不适合覆盖距离不到1km的个人通信系统，Okumura-Hata模型基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，由于在宏蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的地址，流传路径耗费主要由搬动台周边的屋顶绕射和散射决定。Okumura-Hata模型的建模不但为蜂窝搬动和陆地无线信道流传损耗的展望供应了方便合用的可视化解决方案,而且解决了在无线信道建模中存在的人机

13、交互性差,对模型进行参数解析、综合计算及全过程演示困难的问题。模型（1）COST-231Walfisch-Ikegami模型的基根源理COST-231Walfisch-Ikegami模型宽泛地用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，它可用于宏蜂窝及微蜂窝作流传路径耗费展望，经常在搬动通信的系统（GSM/PCS/DECT/DCS）的设计中使用。COST-231Walfisch-Ikegami模型是基于Walfisch模型和Ikegami模型获得的，该模型也考虑了自由空间的路径耗费、散射耗费以及由建筑物边缘引起的附加耗费，其使用范围为频率f在8002000MHz之间，基站天线高度h为450米，搬动

14、台天线高度hm为13米，距离d为5km。图3-3为COST-231Walfisch-Ikegami模型的表示图。图3-3COST-231Walfisch-Ikegami模型的表示图COST-231Walfisch-Ikegami模型分视距流传（LOS）和非视距流传（NLOS）两种状况计算路径耗费。视距（LOS）流传路径耗费为Lf的单位为Lf42.626logd20logf（）式中，f的单位为，d的单位为。dBMHzkm在非视距流传中，总的路径耗费包括自由空间流传耗费（Lfs），屋顶至街道的绕舌及散射耗费（Lrts），多重屏障的绕射耗费（Lmsd）。其路径耗费Lb(dB)LfsLrtsLmsd（

15、）式中：Lfs为自由空间的路径耗费，其依赖于载波频率和距离，详细表达式为Lfs(dB)32.4520logd(km)20logf(MHz)（）从式（）中能够得出：Lfs虽频率增加而增大，随距离的增加也增大。Lrts为屋顶到街道的绕射和散射耗费，其取决于频率、街道宽度、搬动台的高度以及街道有对于基站、搬动台连线的方向，详细表达式为：16.910logw10logf20loghmLori,hRoofhmLrtsLrts（）0,0这里，hmhbhm式中，Lori是考虑到街道方向的实验修正当，且各项参数为100.345,035Lori2.50.075(35),3555（）4.00.114(35),55

16、90从式（）中能够得出：Lrts虽街道宽度增加而减少，虽建筑物增加而增大。Lmsd多重屏障的绕射耗费依赖于建筑建的距离、基站和搬动台的高度以及载波频率、基站高度和屋顶高度。详细表达式为：LmsdLbshKaKdlogdKflogf9logb（）式中，Lbsh和Ka表示由于基站天线高度降低而增加的路径耗费；Kd和Kf为Lmsd与距离d和频率f相关的修正因子，与流传环境相关，各项参数的值为Lbsh18log(1hb),hbhRoof（）0,hbhRoof54,hbhRoofKa540.8hb,hbhRoof且d0.5km（）540.8hb,hbhRoof且d0.5km18,hbhRoof（）Ka(

17、hb/hRoof),hbhRoof184(f/9251),中等城市及拥有中等密度Kf树林的郊区中心（）4(f/9251),大城市中心从式（）中得出：Lbsh虽建筑物间隔增大而减少；当基站天线高于屋顶（hhRoof）时，将以致54dB的耗费，当天线低于屋顶时将以致节余54dB的耗费，此时当链路距离相当小（1Zil2（）其中，i表示多径流传中的一根射线在流传过程中经历的反射次数，（对于非视距流传状况下，则i0）；l表示经历了i次反射的第l条多径重量；k表示第il条射线的第k次反射。Pexp(j2Zil/)，是载波的波长。Lilk是由于对散射体il的反射而造成的路径耗费，用来表征第il条多径重量经过

18、k次反射此后的能量损失，单位为dB。La是由于天线方向性等因素造成的能量耗费，单位也为dB。（i）为Dirac-函数；Zil是第il条射线的路径长度，Zil1是远场辐射条件的要求。由于实质流传环境中反射的复杂性，Lilk能够被建模为一个呈正态分布的随机变量，即LilkN(Llll,(L/10)2)。lll考虑了多径重量在流传过程中与散射体碰撞产生的反射耗费此后，利用电磁波流传的概率模型，在NLOS状况下，拟定地址r处的接受功率能够计算以下：1lLilk(1(i)LaP(x,y)PTxGtGr1010k0Qi(r)（）i1式中PTx是发射功率，Gt，Gr分别是发射增益和接收增益，Qi(r)是在连

19、续状况下从原点出发，经过i次反射，最后到达地址（x，y）的随机射线的概率密度函数。在二维平明中，我们主要研究Euclid距离胸襟下的连续状况随机射线的概率密度函数为：Qk(r,)22exp2rDkDk（）2(1p)exp2ra2kak/(1p)式中Dk为一个拘束参数，一般能够令Dkdk，k表示反射的次数。d是二维渗流网格中一个特别重要的几个参数，定义为网格中非空格子之间的平均距离，写为da/1p，其中，a是网格的间隔，p是网格为空的概率。不失一般性，我们能够将参数先设置为：La0，LilkLLlll,k1,2,i,Lln10/10,PTGtGr1，经过严格的数学推导，能够获得Euclid距离胸

20、襟下的随即网络信道中（x,y）处的接受功率为：3rP(r)2(1p)ey0(1ueu2)C（）ay03其中C为常数，是初始耗费量，y03a2r3r3(1p)，u3p)a(1p)(1对数距离路径耗费模型室内无线信道与传统的无线信道对照，拥有两个显着的特点：其一，室内覆盖面积小得多；其二；收发机间的流传环境变化更大。研究表示，影响室内流传的因素主若是建筑物的布局，建筑资料和建筑种类等。室内通道分为两种，一种是视线可及的信道，另一种是碰到不相同程度间隔的通道。建筑物有好多不相同的间隔方式，它们的实体和电气特点也差别很大，很难靠着通用模型来解析室内信道。以下方程式是利用对数距离路径耗费模型所获得的室内

21、信道实质路径耗费模型：PL(d)PL(d0)10nlog(d/d0)X其中X是以分贝为单位的零平均值高斯随机变量，则是标准差。若是为固定装置，则可X的影响忽略不计。利用式计算式（）中距离的路径耗费值，再将结果代入式（）即可获得：PL(d)20log10(fMHZ)20log10(d)28PL(d)20log10(fMHZ)10nlog10(d)28X的值不会随频率改变太多，但会受周围环境和建筑物种类影响。建筑物内的流传模型包括建筑物种类和阻挡物的影响。此模型不仅有弹性，还能够将路径耗费测量值与展望值间的标准差减到4dB左右，胜过仅使用对数距离模型是的13dB，式衰减因子模型；PL(d)20lo

22、g10(fMHZ)10nSFlog10(d)28FAF其中nSF代表同楼层测量时的路径耗费指数，FAF则是好多研究表示，无论室内与室外，平均接收信号功率距离的对数衰减。而室内路径耗费依照公式：PL(dB)PL(d0)10nlog(d/d0)X其中，n为路径耗费指数，表示路径耗费随距离增加的速率，它依赖于周围坏境和建筑物种类。d0为近地参照距离，pl（d0）为参照路径耗费，由测试决定，d为收发天线之间的距离。X表记标准误差为的正态随机变量，考虑环境纷乱因子。该模型可用于无线系统设计和解析过程中，对任意地址接收功率进行计算机仿真。小结搬动通信系统与固定通信系统基本差别在于信号的流传特点不相同，信号

23、传输过程很难确定，特别是在室内环境和室外环境中，搬动通信信道在这些条件下的复杂性使得无法推导出能估计任一点给定点上的信号场强值的模型。搬动通信系统的设计人员利用的模型，要么就是统计的和近似地反响真实环境的，要么就是需要功能富强地计算机来进行计算，已获得更确实的结果。若是要采用更为精确的方法，则需要知道传输环境的详细、精确的数据（如建筑物的地址和尺寸、种类等）。所以，在系统设计阶段运用这些模型进行流传展望是特别重要的，对蜂窝系统特别是这样。附录Okumura-Hata模型源程序clc;clearall;disp(pleaseinputd=?(0:100)d=input(d=);disp(plea

24、seinputf=?(150:1500)f=input(f=);disp(pleaseinputh_m=?(1:10)h_m=input(h_m=);disp(pleaseinputc_t=?)c_t=input(c_t=)%地形校正因子，本程序中取为零l_p1=okumura_hata_mode(f,h_m,d,1,1,c_t);%l_p2=okumura_hata_mode(f,h_m,d,2,1,c_t);%中小城市okumura_hata_mode大城市f=300MHz)okumura_hata_model_p4=okumura_hata_mode(f,h_m,d,2,2,c_t);%

25、l_p5=okumura_hata_mode(f,h_m,d,3,3,c_t);%plot(d,l_p1,-r,d,l_p2,-r,d,l_p3,-r,d,l_p4,.,d,l_p5,.m);郊区okumura_hata_mode农村okumura_hata_modexlabel(距离/km);ylabel(路径耗费/dB);title(Okumura-Hata模型路径耗费);legend(中小城市,大城市f=300MHz,郊区,农村,location,best);functionl_p=okumura_hata_mode(f,h_m,d,q,p,c_t)ifq=1&p=1a=*log10(f

26、).*h_m-*log10(f);%中小城市，搬动台天线高度修正因子h_b=50;c=0;elseifq=2&p=1a=*(log10*h_m).;%大城市（f300MHz)，搬动台天线高度修正因子h_b=50;c=0;end%ifq=1&p=1%c=0;%城市，小区种类修正因子c%endifq=2&p=2c=-2*(log10(f/28).;%郊区，小区种类修正因子ca=*log10(f).*h_m-*log10(f);h_b=100;elseifq=3&p=3c=*(log10(f).*log10(f);%农村，小区种类修正因子ca=*log10(f).*h_m-*log10(f);h_b

27、=100;endl_p=+*log10(f)*log10(h_b)-a+附录COST-231Walfisch-Ikegami模型源程序：clc;clearall;f=900;d=:5;y=Walfish_Ikegami_LOS(900,d);d1=:5;Model=1;Hm=;Hb=30;w=20;b=40;Phi=90;Hroof=15;f1=900;f2=1800;y1=Walfish_Ikegami_NLOS(Model,f1,d1,Hm,Hb,Hroof,w,b,Phi);y2=Walfish_Ikegami_NLOS(Model,f2,d1,Hm,Hb,Hroof,w,b,Phi);

28、plot(d,y,-b,d1,y1,-r,d1,y2,:k);xlabel(距离/km);ylabel(路径耗费/dB);title(COST-231-Walfish-Ikegami模型路径耗费);legend(视距路径耗费f=900MHz,视距路径耗费f=900MHz,视距路径耗费f=1800MHz,location,best);grid;%COST-231-Walfish-Ikegami视距模型functiony=Walfish_Ikegami_LOS(f,d)y=+26*log(d)+20*log(f);%COST-231-Walfish-Ikegami非视距模型functiony=Wa

29、lfish_Ikegami_NLOS(Model,f,d,Hm,Hb,Hroof,w,b,Phi)Lfs=+20*log(d)+20*log(f);%自由空间的耗费%-从屋顶到街道的绕射和散射耗费if(Phi=0)&Phi=35&Phi=55&PhiHmLrts=Lrts;elseLrtsHroofLbsh=-18*log(1+Hb-Hroof);elseLbsh=0;endifHbHroofka=54;elseifHb=ka=*(Hb-Hroof);elseifHb=Hroof&dHroofkd=18;elsekd=18-15*(Hb-Hroof)/Hroof;endifModel=1%-M

30、odel=1;中等规模城市和植被密度适中的郊区中心kf=-4+*(f/925-1);elseifModel=2%-Model=2;大城市的中心kf=-4+*(f/925-1);endLmsd=Lbsh+ka+kf*log(f)+kd*log(d)-9*log(b);%多屏绕射耗费y=Lfs+Lrts+Lmsd;%非视距流传路径耗费附录COST-231Hata模型源程序：（不相同地区相同工作条件）clear;f=1800;Hm=3;Hb=150;d=1:20;C_terrian=0;Cm=3;%大城市a_Hm=*(log10*Hm);C_cell=0;Lp1=+*log10(f)*log10(H

31、b)-a_Hm+%大城市耗费；Cm=0;%中小城市a_Hm=*log10(f)*Hm-*log10(f);C_cell=0;Lp2=+*log10(f)*log10(Hb)-a_Hm+%中小城市耗费；Cm=0;%郊区a_Hm=*(log10*Hm);C_cell=-2*(log10(f/28);Lp3=+*log10(f)*log10(Hb)-a_Hm+%郊区耗费；plot(d,Lp1,m,d,Lp2,b-,d,Lp3,k);title(COST-231Hata模型);xlabel(收发天线间的水平距离/km);ylabel(路径耗费/dB);legend(大城市耗费,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=3m,中小城市损耗,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=3m,郊区耗费,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=3m,4)（同一地区不相同工作条件）clear;f=1800;%大城市Hm=3Hm=3;Hb=150;d=1: