無線通信中電磁波傳播損耗的影響因素分析

無線通信中電磁波傳播損耗的影響因素分析

無線通信是一種具有低傳輸特性的信道。首先是信道的衰減大而且衰減的情況非常復(fù)雜,不僅有和距離有關(guān)的衰減而且還有陰影衰落和多徑衰落;其次無線傳播路徑既存在直線傳播路徑,也存在由于建筑物、山脈的阻擋而反射和散射的傳播路徑等等,無線信道衰減的偶然性很難分析,相對移動速度也極大地影響衰落的程度。因而,無線移動信道的建模問題,一般是在經(jīng)驗(yàn)傳播模型的基礎(chǔ)上,經(jīng)過大量實(shí)地測量,采用統(tǒng)計的方法對經(jīng)驗(yàn)傳播模型進(jìn)行修正。1電磁傳播損耗特性在確定無線電系統(tǒng)實(shí)際通信距離、覆蓋范圍和無線電干擾影響范圍時,無線電傳播損耗是一個關(guān)鍵參數(shù)。無線電通信系統(tǒng)若不進(jìn)行科學(xué)的頻率指配和嚴(yán)格的系統(tǒng)設(shè)計與場強(qiáng)預(yù)測,會使系統(tǒng)之間產(chǎn)生嚴(yán)重干擾而不能正常工作。為了保證無線電通信用戶的通信質(zhì)量,確保無線電波發(fā)射的業(yè)務(wù)覆蓋服務(wù)區(qū)和電波傳播的可靠程度,必須仔細(xì)地計算從接收天線到發(fā)射天線之間的傳播損耗。理論上講,在自由空間無線電波的傳播損耗大小與傳播距離的平方及使用頻率的平方成正比關(guān)系,但是在確定無線電系統(tǒng)實(shí)際通信距離、覆蓋范圍和無線電干擾影響范圍時,還要考慮在傳播路徑上存在的各種影響,如高空電離層影響,高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影響等。因而電磁波具有反射、繞射、散射和波導(dǎo)傳播等傳播方式。在研究電磁波傳播特性時,通常以數(shù)學(xué)表達(dá)式即所謂的數(shù)學(xué)模型來描述這些傳播損耗特性。常用電磁波傳播損耗模型有Okumura-Hata模型、Walfish-Ikegami模型、Lee模型等。無線電磁波傳播模型通常是很復(fù)雜的,必須對不同的頻段使用不同的電磁波傳播模型,以預(yù)測發(fā)射臺覆蓋和傳播場強(qiáng)。1.1覆蓋面為移動臺天線高度,見表3GSM900MHz主要采用CCIR推薦的OkumuraHata電波傳播衰減計算模型。該模型是以準(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。式中:f為工作頻率(MHz);h1為基站天線高度(m);h2為移動臺天線高度(m);d為移動臺到基站的距離(km);a(h2)為移動臺天線高度增益因子(dB),在中、小城市環(huán)境下,a(h2)=(1.1Igf-0.7)h2-1.56Igf+0.8;在大城市環(huán)境下,a(h2)=3.2[lg(11.75h2)]2-497。s(a)為市區(qū)建筑物密度修正因子(dB),a為建筑物密度。根據(jù)建筑物的密度,修正因子分別選取:在應(yīng)用Okumura-Hata公式之前需要對覆蓋區(qū)建筑特點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真分析,不能盲目運(yùn)用,應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的修正方法。如:對于農(nóng)村,如果采用鄉(xiāng)村模型預(yù)測結(jié)果將與實(shí)際結(jié)果差別較大。鑒于我國現(xiàn)階段農(nóng)村建筑物特點(diǎn)可以采用市區(qū)修正方法對農(nóng)村覆蓋進(jìn)行預(yù)測。建筑物密度可通過下式計算獲得:a=戶數(shù)×150/村莊面積。1.2基本傳輸損耗GSM1800MHz主要采用歐洲電信科學(xué)技術(shù)研究會聯(lián)合推薦的“Cost231-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:(2)非視距情況基本傳輸損耗由三項(xiàng)組成:式中:L0為自由空間損耗;Lmsd是多重屏蔽的繞射損耗;Lrts,是屋頂至街道的繞射及散射損耗。無論采用哪一種模式預(yù)測無線覆蓋范圍,都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、無規(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,無線通信工程上的做法是,在大量場強(qiáng)測試的基礎(chǔ)上,經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計處理,找出各種地形地物下的傳播損耗(或接受信號場強(qiáng))與距離、頻率以及天線高度的關(guān)系,給出傳播特性的各種圖表和計算公式,建立傳播預(yù)測模型,從而能用較簡單的方法預(yù)測接受信號的中值。2cw測試原理根據(jù)抗衰落變化規(guī)律,信號在幾十個波長的距離上經(jīng)歷較慢的隨機(jī)變化,其統(tǒng)計規(guī)律服從對數(shù)正態(tài)分布。若在40個波長的空間距離上取平均數(shù),就可以得到其均值包絡(luò),這個量通常稱作本地均值,它和特定地點(diǎn)上的平均值相對應(yīng)。模型校正的原理和方法就是通過CW連續(xù)波測試來獲取特定長度上的本地均值,從而利用這些本地均值來對該區(qū)域的傳播模型進(jìn)行校正,得到本區(qū)域內(nèi)信號傳播的慢衰落變化特征。利用隨機(jī)過程的理論分析,移動通信傳播可以表示為:式中:x為距離;r(x)為接收信號;r0(x)為瑞利衰落;m(x)為本地均值,即長期衰落和空間傳播損耗的合成,表示為式中,2l為平均采樣區(qū)間長度,也稱本征長度。根據(jù)著名的李建業(yè)定理,在移動通信中,當(dāng)2l取40個波長,采樣點(diǎn)為30～50時,能有效地達(dá)到消除快衰落、保留慢衰落的目的。因此,要求在傳播模型的校正工作中,CW測試必須達(dá)到李氏定理所要求的測試密度,才能使得測試數(shù)據(jù)與實(shí)際本地均值之差最小。在傳播模型的修正過程中要注意以下幾點(diǎn)。2.1利用測試站位設(shè)置測試站服務(wù)區(qū)傳播環(huán)境較為復(fù)雜,應(yīng)盡可能選擇服務(wù)區(qū)內(nèi)具有代表性的傳播環(huán)境,對不同的典型傳播環(huán)境如密集城區(qū)、一般城區(qū)、農(nóng)村、開闊地、道路等等,應(yīng)分別設(shè)置測試站點(diǎn),測試站點(diǎn)的天線最好比周圍200m范圍內(nèi)的障礙物高出5m以上,對每一種典型環(huán)境最好有3個以上的測試站點(diǎn),盡可能消除位置因素。2.2天線高度測試根據(jù)測試環(huán)境不同,可以采用全向天線進(jìn)行測試,基站天線的有效高度可以在4～50m之間,移動臺天線的高度一般在1～2m之間。測試時,要記錄測試站點(diǎn)經(jīng)緯度、天線高度、天線類型、饋線型號和損耗、發(fā)射功率、接收機(jī)增益、是否有人體和車內(nèi)損耗及其損耗幅度等參數(shù)。條件允許,最好使用場強(qiáng)測試車,以防止干擾。2.3所測地的地面物。據(jù)第四,當(dāng)?shù)孛看伍_始測試前要計劃好測試路線,測試路線的選擇應(yīng)該保證能夠得到不同距離、不同方向的測試數(shù)據(jù),盡可能地要經(jīng)過各種地形地物。測試路線直接關(guān)系到測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,測試可以采用2種方法:一種是走“8”字形的測試路線;另一種是走螺旋形的測試路線。在具體實(shí)踐中,還要根據(jù)實(shí)際條件選擇允許的測試路線。2.4地物覆蓋和利用的數(shù)字地圖。據(jù)分為以下四種數(shù)字地圖是進(jìn)行模型校正的必備工具,移動通信所用的數(shù)字地圖包括地形高度、地面用途種類等對移動通信電波傳播有影響的地理信息,該信息是規(guī)劃軟件進(jìn)行模型校正、覆蓋預(yù)測、干擾分析、頻率規(guī)劃的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)字地圖包含以下內(nèi)容:①數(shù)字高程模型(DEM數(shù)據(jù))。按規(guī)定分辨率等間隔表示的地面高程數(shù)據(jù),采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。②地面覆蓋模型(DOM數(shù)據(jù))。按規(guī)定分辨率等間隔表示的地面覆蓋類型,采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。③線狀地物模型(LDM數(shù)據(jù))。以弧段坐標(biāo)表示的線狀地物平面位置,采用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。④建筑群空間分布模型(BDM數(shù)據(jù))。描述建筑物的平面位置和高度數(shù)據(jù),采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在上述四層數(shù)字地圖中,DEM層、DOM層、LDM層是必須數(shù)據(jù),BDM層一般只用于微蜂窩,在微蜂窩用量較大時才需要用到這層數(shù)據(jù)。數(shù)字地圖的精度為100m、50m、20m、5m。5m精度的數(shù)字地圖用于微蜂窩,20m用于城市,50和100m用于農(nóng)村。用途最廣的是20m精度數(shù)字地圖,其地物數(shù)據(jù)包括塊狀地物,如內(nèi)陸水域、海洋、濕地、鄉(xiāng)村開闊地、市內(nèi)公園、市區(qū)開闊地、綠地、林地、高層建筑群、一般建筑群、低矮建筑群、郊區(qū)村莊等。線狀地物包括高速公路、國道線、主要道路、主要街道、一般街道、鐵路、航道、機(jī)場跑道、水系邊界線、河岸線、湖泊岸線、海岸線、行政區(qū)界等。地圖的平面精度為20m,高于30m的建筑定義為高層建筑,15～30m的建筑定義為一般建筑,低于15m的建筑定義為低矮建筑。2.5測試車速的關(guān)系路測的原則是消除快衰落,保留慢衰落。在使用測試車的情況下,要考慮測試設(shè)備和測試車速的關(guān)系。例如,對2140MHz,波長為0.14m,為了滿足李氏定理的要求,至少在每0.11m的距離內(nèi)測試采樣一次。如果測試設(shè)備的測試速度不夠快就只能降低車的速度以滿足測試要求。然而,降低車速會大大降低測試的效率。2.6離基地的測試數(shù)據(jù)考慮到接收機(jī)的接收靈敏度,需將接收靈敏度范圍之外的數(shù)據(jù)過濾掉。在基站附近,接收功率主要受基站附近建筑物和街道走向的影響,因此離基站很近的測試數(shù)據(jù)不能用于修正傳輸模型。另外,在有效距離內(nèi),最好具有相似的單一人為環(huán)境,如密集城區(qū)環(huán)境或一般城區(qū)環(huán)境。2.7測試數(shù)據(jù)的定位在實(shí)踐中由于GPS存在偏差,測試數(shù)據(jù)的顯示并不總是在測試的路徑上。因此,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)定位以消除地理偏差。2.8傳播方向的信號強(qiáng)度電波傳播測試一般在街道上進(jìn)行,然而街道上存在“波導(dǎo)效應(yīng)”,即平行于傳播方向的信號強(qiáng)度比垂直于傳播方向的信號強(qiáng)度高出10dB左右。因此,與道路相關(guān)的因素應(yīng)該予以考慮,否則會導(dǎo)致修正后的傳播模型整體偏大或偏小。3環(huán)境傳播特性預(yù)測移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中,電磁波傳播特性是其通信系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。手機(jī)用戶與基站之間通信是以電磁波傳播的方式進(jìn)行信息聯(lián)系的,但由發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波在到達(dá)接收機(jī)前要受到地形、建筑物、植物和移動體的影響,從而產(chǎn)生多徑衰落和時延擴(kuò)散等效應(yīng),這些效應(yīng)會大大降低移動通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量,甚至出現(xiàn)通信中斷。因此,在電磁波傳播特性的研究中,基站站址的確定(以便在服務(wù)區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的電磁波傳播覆蓋)、基站天線高度的設(shè)計(以獲得所期望的區(qū)域邊界)以及天線設(shè)計等方面,都具有非常重要的作用。環(huán)