微小区谐波传播损耗的预测模型

微小区谐波传播损耗的预测模型

在移动通信中，一个基本问题是计算接收信号的功率p，这是为了保证移动通信系统的电子服务所必需的。信号在信道中传输时总是有衰减的:一方面,随着电波传播距离的增加,由于球面波的自然扩散会引起衰减;另一方面,周围的传播环境包括各种障碍物等对电波的吸收、散射、绕射或反射等作用也会使信号产生衰减。通常用传播损耗来对电波通过移动信道时的这种衰减特性进行度量。在移动通信的环境中,传播损耗不仅和频率、距离有关,还和收发天线的高度有关,更和地形、地物有关。如何计算电波传播损耗,必须在系统设计前加以预测,这不仅是模拟蜂窝网,在当前更是数字蜂窝移动通信网组网规划工作中极为重要的组成部分。1扩散而损耗的原因无线电波在自由空间中的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种,它是一种理想化的电波传播方式,在这种空间中传播的电磁波不会产生反射、折射、绕射、吸收和散射等现象,也就是说,电磁波的总能量并没有被上述作用损耗掉,但其能量会因为向空间扩散而衰耗,并且距离越远,这种衰耗就会越大,这是因为信号经由发射天线辐射后,便向周围空间传播,到达接收天线的能量仅是一小部分(被接收天线的有效接收面积所限),大部分能量都因扩散而损耗掉了。这就是自由空间传播损耗。设Pt为发信设备采用无方向性天线向周围空间辐射的电磁波功率,则一个各向均匀辐射(无方向性)的接收天线接收到的信号功率可表示为:Ρr=Ρt(λ4πd)2=Ρt(C4πdf)2(1)Pr=Pt(λ4πd)2=Pt(C4πdf)2(1)式中λ为载波工作波长;f为载波工作频率;d代表收发天线之间的距离;C为光速。在移动通信电路设计中,通常用“传播损耗”来表示这种功率损耗:定义发送功率Pt与接收功率Pr之比为“传播损耗”,用Lb表示:Lb=ΡtΡr=(4πdλ)2=(4πdfC)2(2)Lb=PtPr=(4πdλ)2=(4πdfC)2(2)损耗通常用分贝(dB)表示,则由公式(2)可得:Lb(dB)=10lg(ΡtΡr)=20lg(4πdfC≈32.45+20lgd(km)+20lgf(ΜΗz)(3)Lb(dB)=10lg(PtPr)=20lg(4πdfC≈32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz)(3)公式(3)就是自由空间传播损耗模型,Lb仅与频率f和距离d有关,它并没有考虑收发天线增益以及收发信两端的分路系统对电波传播损耗的影响。可见Lb确实反映的是传输信道的特征,因此又把Lb称为电波传播基本损耗,常把由其它因素所引起的损耗同它相比较。若传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略,则这种条件下的电波传播就可以认为是自由空间传播。2模型中微窝区域微波传播损失的估计2.1基于宏植物的方法随着移动通信的快速发展,移动用户的高速增长以及单用户话务量的提高,现有频率资源对移动通信发展的制约越来越大,给蜂窝系统带来了增容的问题。而微蜂窝(Microcell)技术是一种提高蜂窝网络系统容量快速而有效的方法,它是在宏蜂窝(Macrocell)的基础上发展起来的,通过提高频谱利用率,在现有网络的基础上形成多层覆盖以达到增容目的。小区缩小后,其电波传播规律会有所变化,正如图1所示。在电波传播过程中,若移动台距基台很近时,损耗和距离约是二次方的关系;当距离较远时,损耗和距离变为约四次方的关系,它们之间有一明显的拐点D存在,这意味着在D以内的电波传播损耗符合自由空间传播损耗的特点。可见,D是划分两段不同传播规律的分界点,所以把D称为最小拐点距离,它将整个无线覆盖范围划分成了不同的传播空间。2.2信号功率pr的基本原理在很少建筑物的开阔地区,两径(即两条波束)模型能近似反映出实际的传播环境,它的损耗中值可以认为与自由空间的损耗相当,故在此利用两径模型进行分析研究,如图2所示:它包括一条直射波和一条理想的地面反射波,地表面平坦光滑,空间充满着空气。其中:hR、hT分别为收发天线高度;d为收发天线之间的距离;dσ为直射波的路径长度;dr为反射波的路径长度。由图中的几何关系可知:dσ=√(hΤ-hR)2+d2=√hΤ+hR)2+d2-4hΤhR(4)dr=√(hΤ+hR)2+d2(5)dσ=(hT−hR)2+d2−−−−−−−−−−−−−√=hT+hR)2+d2−4hThR−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(4)dr=(hT+hR)2+d2−−−−−−−−−−−−−√(5)若规定:Δr=dr-dσ,且假设:hT≫λ、hR≫λ;d在视距内,且d≫hT+hR.则有下式成立:Δr≈d-√(d-2hΤhRd)2=2hΤhRd(6)Δr≈d−(d−2hThRd)2−−−−−−−−−−√=2hThRd(6)参考布林顿的推导公式及在理想平面条件下采用全向天线,则接收到的信号功率Pr可表示为:Ρr=Ρt(λ4πd)2|1-exp(j2πλΔr|2=Ρt(λ4πd)2|1-cos(2πλΔr)-jsin(2πλΔr)|2=Ρt(λ4πd)24sin2(πλΔr)(7)Pr=Pt(λ4πd)2|1−exp(j2πλΔr|2=Pt(λ4πd)2|1−cos(2πλΔr)−jsin(2πλΔr)|2=Pt(λ4πd)24sin2(πλΔr)(7)若使得Pr最大,则会发生在第一个使sin(πλΔr)=1sin(πλΔr)=1处,即为:πλΔr=π2πλΔr=π2,把式(6)代入:πλ2hΤhRd=π2‚得到d=D=4hΤhRλ(8)式(8)即为D的定量分析公式,它表明:拐点D的位置与收发天线的高度成正比,即天线越高,符合自由空间传播特性的距离就越大;当信号波长减小,即频率增加时,D也会加大,也会使得符合自由空间传播特性的距离加大。利用两径模型进行分析的主要目的就是要找出基站与移动台天线之间的传播信道中第一个散射体或障碍物的反射波所构成的最小拐点距离,在这个拐点距离以内,可以认为是没有反射波的自由空间传播。2.3路径衰减指数ls由式(2)可知,自由空间传播损耗与距离的平方成正比,即Lb∝d2.在复杂的现实蜂窝移动通信环境中,系统不可能工作在理想的自由空间中,所以实际空间的电波传播损耗Ls要比按d2规律计算出的结果大许多,一般情况下可表示为:Ls∝dn,n为路径衰减指数(不同的传播条件下,n有不同的取值:可取3或4甚至更高)。在公式(3)基础上,可得到如下公式:Ls(dB)=10nlg(4πλ(m))+10nlgd(m)(9)由此可得出微蜂窝小区内的电波传播损耗预测模型:Ls(dB)={L0+10n0lgd,d＜DL0+10n0lgD+10n1lg(dD),d＞D(10)式中L0=20lg(4π/λ),表示d=1m时的自由空间传播损耗;n0和n1分别为拐点D以内和D以外的路径衰减指数(当然,若D以内无二次波干涉,则可以认为是自由空间传播,即n0=2).3lspdb的计算综上所述,当信号通过N个不同环境的区间传播时,移动信道电波传播损耗的一般预测模型可参照式(10)写出:Lsp(dB)=L0+10n0lgD+10n1lg(d1D)+10n2lg(d2d1)+⋯+10nΝlg(ddΝ-1)(11)其中d>dN-1>…>d2>d1>D;n1、n2、…、nN分别代表N种不同传播环境下的路径衰减指数。4对通信系统模型的预测关于移动信道电波传播损耗方面的研究已经非常深入,并建立了较为成熟的预测模型: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。然而,目前得到广泛使用的电波传播损耗模型,如:Egli(艾格里)模型、Okumura(奥村)模型以及M.Ha