微小區(qū)諧波傳播損耗的預(yù)測(cè)模型

微小區(qū)諧波傳播損耗的預(yù)測(cè)模型

在移動(dòng)通信中，一個(gè)基本問題是計(jì)算接收信號(hào)的功率p，這是為了保證移動(dòng)通信系統(tǒng)的電子服務(wù)所必需的。信號(hào)在信道中傳輸時(shí)總是有衰減的:一方面,隨著電波傳播距離的增加,由于球面波的自然擴(kuò)散會(huì)引起衰減;另一方面,周圍的傳播環(huán)境包括各種障礙物等對(duì)電波的吸收、散射、繞射或反射等作用也會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生衰減。通常用傳播損耗來對(duì)電波通過移動(dòng)信道時(shí)的這種衰減特性進(jìn)行度量。在移動(dòng)通信的環(huán)境中,傳播損耗不僅和頻率、距離有關(guān),還和收發(fā)天線的高度有關(guān),更和地形、地物有關(guān)。如何計(jì)算電波傳播損耗,必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前加以預(yù)測(cè),這不僅是模擬蜂窩網(wǎng),在當(dāng)前更是數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)組網(wǎng)規(guī)劃工作中極為重要的組成部分。1擴(kuò)散而損耗的原因無線電波在自由空間中的傳播是電波傳播研究中最基本、最簡(jiǎn)單的一種,它是一種理想化的電波傳播方式,在這種空間中傳播的電磁波不會(huì)產(chǎn)生反射、折射、繞射、吸收和散射等現(xiàn)象,也就是說,電磁波的總能量并沒有被上述作用損耗掉,但其能量會(huì)因?yàn)橄蚩臻g擴(kuò)散而衰耗,并且距離越遠(yuǎn),這種衰耗就會(huì)越大,這是因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)由發(fā)射天線輻射后,便向周圍空間傳播,到達(dá)接收天線的能量僅是一小部分(被接收天線的有效接收面積所限),大部分能量都因擴(kuò)散而損耗掉了。這就是自由空間傳播損耗。設(shè)Pt為發(fā)信設(shè)備采用無方向性天線向周圍空間輻射的電磁波功率,則一個(gè)各向均勻輻射(無方向性)的接收天線接收到的信號(hào)功率可表示為:Ρr=Ρt(λ4πd)2=Ρt(C4πdf)2(1)Pr=Pt(λ4πd)2=Pt(C4πdf)2(1)式中λ為載波工作波長;f為載波工作頻率;d代表收發(fā)天線之間的距離;C為光速。在移動(dòng)通信電路設(shè)計(jì)中,通常用“傳播損耗”來表示這種功率損耗:定義發(fā)送功率Pt與接收功率Pr之比為“傳播損耗”,用Lb表示:Lb=ΡtΡr=(4πdλ)2=(4πdfC)2(2)Lb=PtPr=(4πdλ)2=(4πdfC)2(2)損耗通常用分貝(dB)表示,則由公式(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)就是自由空間傳播損耗模型,Lb僅與頻率f和距離d有關(guān),它并沒有考慮收發(fā)天線增益以及收發(fā)信兩端的分路系統(tǒng)對(duì)電波傳播損耗的影響?？梢奓b確實(shí)反映的是傳輸信道的特征,因此又把Lb稱為電波傳播基本損耗,常把由其它因素所引起的損耗同它相比較。若傳播介質(zhì)與障礙物對(duì)電波傳播影響的程度小到可以忽略,則這種條件下的電波傳播就可以認(rèn)為是自由空間傳播。2模型中微窩區(qū)域微波傳播損失的估計(jì)2.1基于宏植物的方法隨著移動(dòng)通信的快速發(fā)展,移動(dòng)用戶的高速增長以及單用戶話務(wù)量的提高,現(xiàn)有頻率資源對(duì)移動(dòng)通信發(fā)展的制約越來越大,給蜂窩系統(tǒng)帶來了增容的問題。而微蜂窩(Microcell)技術(shù)是一種提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量快速而有效的方法,它是在宏蜂窩(Macrocell)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,通過提高頻譜利用率,在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上形成多層覆蓋以達(dá)到增容目的。小區(qū)縮小后,其電波傳播規(guī)律會(huì)有所變化,正如圖1所示。在電波傳播過程中,若移動(dòng)臺(tái)距基臺(tái)很近時(shí),損耗和距離約是二次方的關(guān)系;當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí),損耗和距離變?yōu)榧s四次方的關(guān)系,它們之間有一明顯的拐點(diǎn)D存在,這意味著在D以內(nèi)的電波傳播損耗符合自由空間傳播損耗的特點(diǎn)?？梢?D是劃分兩段不同傳播規(guī)律的分界點(diǎn),所以把D稱為最小拐點(diǎn)距離,它將整個(gè)無線覆蓋范圍劃分成了不同的傳播空間。2.2信號(hào)功率pr的基本原理在很少建筑物的開闊地區(qū),兩徑(即兩條波束)模型能近似反映出實(shí)際的傳播環(huán)境,它的損耗中值可以認(rèn)為與自由空間的損耗相當(dāng),故在此利用兩徑模型進(jìn)行分析研究,如圖2所示:它包括一條直射波和一條理想的地面反射波,地表面平坦光滑,空間充滿著空氣。其中:hR、hT分別為收發(fā)天線高度;d為收發(fā)天線之間的距離;dσ為直射波的路徑長度;dr為反射波的路徑長度。由圖中的幾何關(guān)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)若規(guī)定:Δr=dr-dσ,且假設(shè):hT?λ、hR?λ;d在視距內(nèi),且d?hT+hR.則有下式成立:Δr≈d-√(d-2hΤhRd)2=2hΤhRd(6)Δr≈d?(d?2hThRd)2??????????√=2hThRd(6)參考布林頓的推導(dǎo)公式及在理想平面條件下采用全向天線,則接收到的信號(hào)功率Pr可表示為: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,則會(huì)發(fā)生在第一個(gè)使sin(πλΔr)=1sin(πλΔr)=1處,即為:πλΔr=π2πλΔr=π2,把式(6)代入:πλ2hΤhRd=π2?得到d=D=4hΤhRλ(8)式(8)即為D的定量分析公式,它表明:拐點(diǎn)D的位置與收發(fā)天線的高度成正比,即天線越高,符合自由空間傳播特性的距離就越大;當(dāng)信號(hào)波長減小,即頻率增加時(shí),D也會(huì)加大,也會(huì)使得符合自由空間傳播特性的距離加大。利用兩徑模型進(jìn)行分析的主要目的就是要找出基站與移動(dòng)臺(tái)天線之間的傳播信道中第一個(gè)散射體或障礙物的反射波所構(gòu)成的最小拐點(diǎn)距離,在這個(gè)拐點(diǎn)距離以內(nèi),可以認(rèn)為是沒有反射波的自由空間傳播。2.3路徑衰減指數(shù)ls由式(2)可知,自由空間傳播損耗與距離的平方成正比,即Lb∝d2.在復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)蜂窩移動(dòng)通信環(huán)境中,系統(tǒng)不可能工作在理想的自由空間中,所以實(shí)際空間的電波傳播損耗Ls要比按d2規(guī)律計(jì)算出的結(jié)果大許多,一般情況下可表示為:Ls∝dn,n為路徑衰減指數(shù)(不同的傳播條件下,n有不同的取值:可取3或4甚至更高)。在公式(3)基礎(chǔ)上,可得到如下公式:Ls(dB)=10nlg(4πλ(m))+10nlgd(m)(9)由此可得出微蜂窩小區(qū)內(nèi)的電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型:Ls(dB)={L0+10n0lgd,d＜DL0+10n0lgD+10n1lg(dD),d＞D(10)式中L0=20lg(4π/λ),表示d=1m時(shí)的自由空間傳播損耗;n0和n1分別為拐點(diǎn)D以內(nèi)和D以外的路徑衰減指數(shù)(當(dāng)然,若D以內(nèi)無二次波干涉,則可以認(rèn)為是自由空間傳播,即n0=2).3lspdb的計(jì)算綜上所述,當(dāng)信號(hào)通過N個(gè)不同環(huán)境的區(qū)間傳播時(shí),移動(dòng)信道電波傳播損耗的一般預(yù)測(cè)模型可參照式(10)寫出:Lsp(dB)=L0+10n0lgD+10n1lg(d1D)+10n2lg(d2d1)+?+10nΝlg(ddΝ-1)(11)其中d>dN-1>…>d2>d1>D;n1、n2、…、nN分別代表N種不同傳播環(huán)境下的路徑衰減指數(shù)。4對(duì)通信系統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)關(guān)于移動(dòng)信道電波傳播損耗方面的研究已經(jīng)非常深入,并建立了較為成熟的預(yù)測(cè)模型:有基于理論的模型、有基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、也有理論與經(jīng)驗(yàn)的混合模型。然而,目前得到廣泛使用的電波傳播損耗模型,如:Egli(艾格里)模型、Okumura(奧村)模型以及M.Ha