鏈路及空間無線傳播損耗計算

1、第五講 鏈路及空間無線傳播損耗計算 5.1 鏈路預(yù)算 上行和下行鏈路都有自己的發(fā)射功率損耗和路徑衰落。在蜂窩通信中，為了確定有效覆蓋范圍，必須確定最大路徑衰落、或其他限制因數(shù)。在上行鏈路，從移動臺到基站的限制因數(shù)是基站的接受靈敏度。對下行鏈路來說，從基站到移動臺的主要限制因數(shù)是基站的發(fā)射功率。通過優(yōu)化上下行之間的平衡關(guān)系，能夠使小區(qū)覆蓋半徑內(nèi)，有較好的通信質(zhì)量。一般是通過利用基站資源，改善網(wǎng)絡(luò)中每個小區(qū)的鏈路平衡（上行或下行），從而使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。最終也可以促使切換和呼叫建立期間，移動通話性能更好。圖5-01是一基站鏈路損耗計算，可作為參考。圖5-01 上下行鏈路平衡的計算。對于實(shí)現(xiàn)雙向

2、通信的GSM系統(tǒng)來說，上下行鏈路平衡是十分重要的，是保證在兩個方向上具有同等的話務(wù)量和通信質(zhì)量的主要因素，也關(guān)系到小區(qū)的實(shí)際覆蓋范圍。下行鏈路（DownLink）是指基站發(fā)，移動臺接收的鏈路。上行鏈路（UpLink）是指移動臺發(fā)，基站接收的鏈路。上下行鏈路平衡的算法如下：下行鏈路（用dB值表示）：PinMS = PoutBTS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdMS - LslantBTS - LPdown式中：PinMS 為移動臺接收到的功率；PoutBTS為BTS的輸出功率；LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗；LpBTS為BTS

3、的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；GaBTS為基站發(fā)射天線的增益；Cori為基站天線的方向系數(shù)；GaMS為移動臺接收天線的增益；GdMS為移動臺接收天線的分集增益；LslantBTS為雙極化天線的極化損耗；LPdown為下行路徑損耗；上行鏈路（用dB值表示）：PinBTS = PoutMS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdBTS -LPup +Gta式中：PinBTS為基站接收到的功率；PoutMS為移動臺的輸出功率；LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗；LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；GaBTS為基站接收天線的增益

4、；Cori 為基站天線的方向系數(shù)；GaMS為移動臺發(fā)射天線的增益；GdBTS為基站接收天線的分集增益；Gta為使用塔放的情況下，由此帶來的增益；LPup為上行路徑損耗。根據(jù)互易定理，即對于任一移動臺位置，上行路損等于下行路損，即：LPdown = LPup設(shè)系統(tǒng)余量為DL ，移動臺的惡化量儲備為DNMS ，基站的惡化量儲備為DNBTS，移動臺的接收機(jī)靈敏度為MSsense，基站的接收機(jī)靈敏度為BTSsense， Lother為其它損耗，如建筑物貫穿損耗、車內(nèi)損耗、人體損耗等。于是，對于覆蓋區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)，應(yīng)滿足：PinMS - DL - DNMS - Lother = MSsensePinBTS

5、- DL - DNMS - Lother = BTSsense上下行鏈路平衡的目的是調(diào)整基站的發(fā)射功率，使得覆蓋區(qū)邊界上的點(diǎn)（離基站最遠(yuǎn)的點(diǎn)）滿足：PinMS - DL - DNMS - Lother = MSsense于是，得到了基站的最大發(fā)射功率的計算公式：PoutBTS = MSsense - BTSsense + PoutMS + GdBTS - GdMS + LslantBTS - Gta + DNMS - DNBTS5.2 各類損耗的確定 建筑物的貫穿損耗建筑物的貫穿損耗是指電波通過建筑物的外層結(jié)構(gòu)時所受到的衰減，它等于建筑物外與建筑物內(nèi)的場強(qiáng)中值之差。建筑物的貫穿損耗與建筑物的結(jié)

6、構(gòu)、門窗的種類和大小、樓層有很大關(guān)系。貫穿損耗隨樓層高度的變化，一般為-2dB/層，因此，一般都考慮一層（底層）的貫穿損耗。下面是一組針對900MHz頻段，綜合國外測試結(jié)果的數(shù)據(jù)：- 中等城市市區(qū)一般鋼筋混凝土框架建筑物，貫穿損耗中值為10dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差7.3dB；郊區(qū)同類建筑物，貫穿損耗中值為5.8dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差8.7dB。- 大城市市區(qū)一般鋼筋混凝土框架建筑物，貫穿損耗中值為18dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差7.7dB；郊區(qū)同類建筑物，貫穿損耗中值為13.1dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差9.5dB。- 大城市市區(qū)一金屬殼體結(jié)構(gòu)或特殊金屬框架結(jié)構(gòu)的建筑物，貫穿損耗中值為27dB。由于我國的城市環(huán)境與國外有很大的不同，一般比

7、國外同類名稱要高8-10dB。對于1800MHz，雖然其波長比900MHz短，貫穿能力更大，但繞射損耗更大。因此，實(shí)際上，1800MHz 的建筑物的貫穿損耗比900MHz的要大。GSM規(guī)范3.30中提到，城市環(huán)境中的建筑物的貫穿損耗一般為15dB，農(nóng)村為10dB。一般取比同類地區(qū)900MHz的貫穿損耗大5-10dB。 人體損耗對于手持機(jī)，當(dāng)位于使用者的腰部和肩部時，接收的信號場強(qiáng)比天線離開人體幾個波長時將分別降低4-7dB和1-2dB。一般人體損耗設(shè)為3dB。 車內(nèi)損耗金屬結(jié)構(gòu)的汽車帶來的車內(nèi)損耗不能忽視。尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市，人的一部分時間是在汽車中度過的。一般車內(nèi)損耗為8-10dB。 饋線

8、損耗在GSM900中經(jīng)常使用的是7/8的饋線，在1000MHz的情況下，每100米的損耗是4.3dB；在2000MHz的情況下，每100米的損耗則為6.46dB，多了2.16個dB。5.3 無線傳播特性 移動通信的傳播如圖5-02中的曲線所示，總體平均值隨距離減弱，但信號電平經(jīng)歷快慢衰落的影響。慢衰落是由接受點(diǎn)周圍地形地物對信號反射，使得信號電平在幾十米范圍內(nèi)有大幅度的變化，若移動臺在沒有任何障礙物的環(huán)境下移動，則信號電平只與發(fā)射機(jī)的距離有關(guān)。所以通常某點(diǎn)信號電平是指幾十米范圍內(nèi)的平均信號電平。這個信號的變化呈正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)偏差對不同地形地物是不一樣的，通常在68dB左右?？焖ヂ涫钳B加在慢衰落

9、信號上的。這個衰落的速度很快，每秒可達(dá)幾十次。除與地形地物有關(guān)，還與移動臺的速度和信號的波長有關(guān)，并且幅度很大，可幾十個dB，信號的變化呈瑞利分布。快衰落往往會降低話音質(zhì)量，所以要留快衰落的儲備。 圖5-02 無線電波在自由空間的傳播是電波傳播研究中最基本、最簡單的一種。自由空間是滿足下述條件的一種理想空間：1. 均勻無損耗的無限大空間，2. 各項(xiàng)同性，3. 電導(dǎo)率為零。應(yīng)用電磁場理論可以推出，在自由空間傳播條件下，傳輸損耗Ls的表達(dá)式為：Ls32.45+20lgf+20lgd自由空間基本傳輸損耗Ls僅與頻率f和距離d有關(guān)。當(dāng)f 和d擴(kuò)大一倍時，Ls均增加6dB，由此我們可知GSM1800基站

10、傳播損耗在自由空間就比GSM900基站大6個dB，如圖5-03所示。圖5-03陸地移動信道的主要特征是多徑傳播，實(shí)際多徑傳播環(huán)境是十分復(fù)雜的，在研究傳播問題時往往將其簡化，并且是從最簡單的情況入手。僅考慮從基站至移動臺的直射波以及地面反射波的兩徑模型是最簡單的傳播模型。兩徑模型如圖5-04所示，應(yīng)用電磁場理論可以推出，傳輸損耗Lp的表達(dá)式為：Lp=20lg(d2/(h1*h2)圖5-045.4 常用的兩種電波傳播模型 Okumura電波傳播衰減計算模式GSM900MHz主要采用CCIR推薦的Okumura電波傳播衰減計算模式。該模式是以準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)的中值場強(qiáng)或路徑損耗作為參考，對其他傳播

11、環(huán)境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進(jìn)行修正。不同地形上的基本傳輸損耗按下列公式分別預(yù)測。L(市區(qū)）69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a)L(郊區(qū))=64.15+26.16lgf-2lg(f/28)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)L(鄉(xiāng)村公路)=46.38+35.33lgf-lg(f/28)2-2.39(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)L(開闊區(qū))=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6

12、.55lgh1)lgd-a(h2)L(林區(qū))=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)其中：f-工作頻率，MHzh1-基站天線高度，mh2-移動臺天線高度，md-到基站的距離，kma(h2)-移動臺天線高度增益因子，dBa(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lgf+0.8(中，小城市)=3.2lg(11.75h2)2-4.97(大城市)s(a)-市區(qū)建筑物密度修正因子，dB;s(a)=30-25lga (5%a50%)=20+0.19lga-15.6(lga)2 (1%a5%)=20 (a1%) Cost-231-Walfi

13、sh-Ikegami電波傳播衰減計算模式GSM 1800 MHz主要采用歐洲電信科學(xué)技術(shù)研究聯(lián)合推薦的Cost- 2-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計算模式。該模式的特點(diǎn)是：從對眾多城市的電波實(shí)測中得出的一種小區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)的電波損耗模式。分視距和非視距兩種情況：(1) 視距情況基本傳輸損耗采用下式計算L42.6+26lgd+20lgf(2) 非視距情況基本傳輸損耗由三項(xiàng)組成:LLo+Lmsd+LrtsLo=32.4+20lgd+20lgfa)Lo代表自由空間損耗 b)Lmsd是多重屏蔽的繞射損耗c)Lrts是屋頂至街道的繞射及散射損耗。不管是用哪一種模式來預(yù)測無線覆蓋范圍，只是基于理論和測試結(jié)果統(tǒng)計的近似計算由于實(shí)際地理環(huán)境千差萬別，很難用一種數(shù)學(xué)模型來精確地描述，特別是城區(qū)街道中各種密集的、下規(guī)則的建筑物反射、繞射及阻擋，給數(shù)學(xué)模型預(yù)測帶來很大困難。因此。有一定精度的預(yù)測雖可起到指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)基站選點(diǎn)及布點(diǎn)的初步設(shè)什，但是通過數(shù)學(xué)模型預(yù)測與實(shí)際信號場強(qiáng)值總是存在差別。由于移動環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，要對接受信號