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(wèn)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(lái)對(duì)電波通過(guò)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(wú)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(shuō),電磁波的總能量并沒(méi)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?jī)H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(wú)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(wú)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(zhǎng);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(lái)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(méi)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?jiàn)Lb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(zhǎng)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(lái)越大,給蜂窩系統(tǒng)帶來(lái)了增容的問(wèn)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(lái)的,通過(guò)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(guò)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)。可見(jiàn),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(wú)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(kāi)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(zhǎng)度;dr為反射波的路徑長(zhǎng)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(zhǎng)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(méi)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(wú)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(guò)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(xiě)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汀⒁灿欣碚撆c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