對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線電波傳播模型的比較研究

對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線電波傳播模型的比擬研究摘要：本文是關(guān)于被稱為長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)升級(jí)版〔LTEAdvanced〕的第四代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線電波傳播模型的比擬研究。無(wú)線電波傳播模型的選擇是必要的，這是因?yàn)閭鞑ツＰ湍軌蚬烙?jì)和預(yù)測(cè)在不同類型環(huán)境下發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無(wú)線電波傳播路徑損耗值。初步結(jié)果說(shuō)明，COST-231Hata模型產(chǎn)生更高的路徑損耗值是由于它僅適用于LOS情形和宏蜂窩環(huán)境，而沒(méi)有考慮無(wú)線電波傳播的反射和遮擋。相比之下,COST-231Walfisch-Ikegami同時(shí)適用于LOS/NLOS情形以及宏蜂窩和微基站環(huán)境，因?yàn)槠淇紤]了無(wú)線電波傳播的反射和遮擋。關(guān)鍵詞：4G，COST-231Hala,Walfisch-Ikegami，傳播模型I.簡(jiǎn)介移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中首次引入的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)〔GSM〕正在逐漸被通用分組無(wú)線效勞技術(shù)〔GPRS)，增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)技術(shù)(EDGE)，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)，高速下行分組接入(HSDPA)，長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)，長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)升級(jí)版(LTE-Advanced)所代替。圖1說(shuō)明了第一代至第四代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的類型。長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)升級(jí)版〔LTE-Adanced)是長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)〔LTE)的下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)效勞，其開展符合由國(guó)際電信聯(lián)盟〔ITU〕和第三代合作伙伴方案(3GPP〕所定義的高級(jí)國(guó)際移動(dòng)通信以及第四代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。LTE經(jīng)常被定義為4G效勞，因?yàn)樗闹饕阅茉鰪?qiáng)，但是第三代合作伙伴方案〔3GPP〕和國(guó)際電信聯(lián)盟〔ITU〕仍沒(méi)有考慮把LTE作為一個(gè)4G效勞。LTE-Advanced下載峰值速率超過(guò)IGbps，上行峰值速率大于500Mbps的。LTE-Advanced開發(fā)具有向后兼容性，當(dāng)部署已經(jīng)被LTE占用的頻譜時(shí)以確保其不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的LTE通信產(chǎn)生影響。一般來(lái)講，無(wú)線電波傳播模型可分為兩大類，分別是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛_定性模型。有很多無(wú)線電波傳播模型都可以預(yù)測(cè)在不同類型環(huán)境下發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的路徑損耗，例如，其中的一些模型是：Ericsson9999，Lee，Egli，COST-231Hata，OkumuraHata，COST-231Walfisch-Ikegami，,Walfisch-Ikegami和StanfordUniversityInterim〔SUI〕模型。圖2為無(wú)線電波傳播模型。適用于LTE-A移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線電波傳播模型的選擇是必要的，因?yàn)檫@關(guān)系到在不同類型的環(huán)境之間下，它可以估算預(yù)測(cè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無(wú)線電波傳播路徑損耗值。在本文的研究中只集中在兩個(gè)電波傳播模型之間的比擬，它們分別是COST-231Rata模型〔AdvancedOkumura-Rata〕和COST-231Walfisch-Ikegami模型〔AdvancedWalfisch-Ikegami〕。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第一局部涵蓋了對(duì)LTE-A的介紹和根本觀點(diǎn)以及無(wú)線電波傳播模型。第二局部描述了兩個(gè)無(wú)線電波傳播模型：COST-231Rata模型和COST-231Walfisch-Ikegami模型。第三局部是在COST-231Rata和COST-231Walfisch-Ikegami兩種無(wú)線電波傳播模型之間作比照和討論。第四局部總結(jié)全文以及展望未來(lái)工作。II.COST-231HATA模型COST-231Hata模型是Okumura-Rata傳播模型的擴(kuò)展版本。與頻率范圍只有100MHZ-1500MZ的Okumura-Rata模型相比，它把頻率范圍擴(kuò)展到1500MHZ-2000MHZ。和Okumura-Rata模型類似，COST-231Hata基站〔BS〕天線高度范圍是從30到200米，移動(dòng)臺(tái)天線高度范圍為1至10米，基站收發(fā)臺(tái)〔BTS〕和移動(dòng)站〔MS〕之間的距離范圍在1到20公里。式〔1〕所示的公式計(jì)算路徑損耗是采用COST-231Hata模式：其中：I是頻率〔MHz〕，Hb是基站天線高度〔m〕，a〔Hm〕是移動(dòng)天線修正因子〔米〕，d是在BTS和MS〔千米〕之間的距離，C是一個(gè)常數(shù)因子〔C=0db適用郊區(qū)范圍，C=3db適用城市和大都市地區(qū))。有兩種類型修正因子a(Hm),一種適用于中小型城市，如方程式〔2〕：一種適用于大型城市，如方程式〔3〕：III.COST-231WALFTSCH-IKEGAMI模型COST-231Walfisch-Ikegami模型是Walfisch-Ikegami模型的改良版，它在復(fù)雜的城市環(huán)境下，考慮了更多因素比方建筑物的高度，道路的寬度，建筑物障礙以及道路定向的無(wú)線電波直線傳播路徑，因此提高了路徑損耗值的精度。COST-231Walfisch-Ikegami和Walfisch-Ikegami模型有著共同的頻率、移動(dòng)臺(tái)天線高度、基站天線高度以及發(fā)射器和接收器的距離等特性參數(shù)。它們的可用頻率范圍都在800-2000MHz。移動(dòng)臺(tái)天線高度是1-3米，基站天線高度為4-50米，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離在0.02到5km之間。COST-231Walfisch-Ikegami模型可分為兩種類型，分別是視距〔LOS〕和無(wú)視距〔NLOS〕。公式〔4〕適用視距情況下路徑損耗的估算：其中：d為距離〔km)；f為頻率〔MHZ〕式〔5)〔6〕和〔7〕適用于無(wú)視距可分為三種情況分別是自由空間損耗〔5〕，屋頂街道衍射和散射損耗〔6〕，以及多屏繞射損耗〔7〕。其中，Lo是自由空間損耗，d是距離〔km)，f是頻率〔MHZ〕其中，Lrts是屋頂街道衍射和散射損耗，w是街道寬度〔m)，hroof是建筑物高度〔m)其中，Lmsd是多屏繞射損耗，ka和kd是多屏衍射損耗距離和頻率，f是頻率〔MHZ〕，d是障礙物間距離〔m)。IV.傳播模型比擬本文的研究是基于1900兆赫的頻率，這是因?yàn)槭澜绱缶植繀^(qū)域使用TDDTE-A技術(shù)時(shí)都采用這一頻率?；趦煞N無(wú)線電波傳播模型的比擬的目的是為了找出最正確適用于特殊地形比方城市，郊區(qū)和農(nóng)村的模型。這種比擬是建立在路徑損耗，天線高度以及發(fā)送頻率根底上的。仿真參數(shù)如表1：V：初步結(jié)果表2結(jié)果是在1900MHz頻率，天線之間距離為5km，基站天線高度為30m，接收天線高度為3m的條件下研究的初步結(jié)果。V.結(jié)論和展望表2的初步成果充分說(shuō)明了當(dāng)兩者模型參數(shù)完全一致時(shí)，COST-231Hata模型比COST-231Walfisch-Ikegami模型具有更高的路徑損耗值。這是由于COST-231模型沒(méi)有考慮無(wú)線電波傳播的反射和遮擋因素。這種模型還只是基于地勢(shì)平坦或LOS情況。因此，COST231Hata模型僅適用于宏蜂窩環(huán)境。另一方面，COST231Walfisch-Ikegami模型考慮了無(wú)線電波傳播的反射和遮擋。也就是說(shuō)，該模型適用于