無(wú)線通信系統(tǒng)中波傳播損耗預(yù)測(cè)模型研究

無(wú)線通信系統(tǒng)中波傳播損耗預(yù)測(cè)模型研究

0無(wú)線通信系統(tǒng)的傳播模型在每個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)中，無(wú)線通信道是波傳輸電氣系統(tǒng)中不可或缺的一部分。這是連接計(jì)算機(jī)和主持的手段。它的特點(diǎn)決定了信息論的容量，即無(wú)線通信系統(tǒng)的最終性能限制。由于電磁波在無(wú)線信道中受到反射、繞射、散射、多徑傳播等多種因素的影響,所以無(wú)線信道不像有線信道那樣固定且容易預(yù)測(cè),分析過(guò)程帶來(lái)了很大的不確定性。因此無(wú)線信道的建模是無(wú)線通信系統(tǒng)研究中的難點(diǎn)和重點(diǎn),而無(wú)線信道的傳播特性對(duì)于無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和規(guī)劃卻有著十分重要的作用。在無(wú)線通信系統(tǒng)中,電波傳播經(jīng)常在不規(guī)則地區(qū)。在估計(jì)預(yù)測(cè)路徑損耗時(shí),要考慮特定地區(qū)的地形地貌,包括簡(jiǎn)單的曲線形狀和多山地區(qū)。同時(shí)還要考慮樹(shù)木、建筑物和其他遮擋物等因素的影響。在無(wú)線通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中,常采用電波傳播損耗模型來(lái)計(jì)算無(wú)線路徑的傳播損耗,這些模型的目標(biāo)是為了預(yù)測(cè)特定點(diǎn)或特定區(qū)域的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。常用的電波傳播損耗模型分為宏蜂窩模型和室內(nèi)模型兩大類(lèi)。其中宏蜂窩模型中使用最廣泛的是Okumura模型,還有建立在Okumura模型基礎(chǔ)上的其他模型,如Hata模型、COST231-Hata模型(Hata模型的PCS擴(kuò)展)、CCIR模型、Walgish-Bertoni模型、Walgish-Ikegami模型、Egli模型和Lee模型等;室內(nèi)模型有Motley模型和對(duì)數(shù)距離模型等。本文著重討論較為普遍采用并具有代表性的宏蜂窩中的Hata模型、Walgish-Ikegami模型和室內(nèi)的Motley模型,為進(jìn)行無(wú)線通信工程的設(shè)計(jì)、仿真和規(guī)劃提供參考。1蜂窩模型1.1覆蓋區(qū)大小的函數(shù)Hata模型是根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗(yàn)公式,該模型是以市區(qū)電波傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)的,郊區(qū)等其他地區(qū)是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的。市區(qū)電波傳播路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式為:PL(dB)(市區(qū))=69.55+26.16logfc-a(hr)-13.82loght+(44.9-6.55loght)logd(1)式中:fc為頻率,范圍150~1500MHz;ht為發(fā)射天線的有效高度,范圍30~200m;hr為接收天線的有效高度,范圍1~10m;d為發(fā)射天線和接收天線之間的距離;a(hr)為接收天線有效高度修正因子,是覆蓋區(qū)大小的函數(shù)。對(duì)于中小型城市,接收天線高度修正因子為:a(hr)=(1.1logfc-0.7)hr-(1.56logfc-0.8)對(duì)于大城市,接收天線高度修正因子為:a(hr)=8.29(log1.54hr)2-1.1大城市,f<200MHza(hr)=3.2(log11.75hr)2-4.97大城市,f>400MHz為了獲得郊區(qū)和開(kāi)闊地區(qū)的路徑損耗,標(biāo)準(zhǔn)Hata模型修正為:PL(dB)(郊區(qū))=PL(dB)(市區(qū))-5.4-2[log(fc/28)]2(2)PL(dB)(開(kāi)闊區(qū))=PL(dB)(市區(qū))-40.98-4.78[log(fc)]2+18.33logfc(3)1.2距離的函數(shù)關(guān)系Hata模型在市區(qū)、郊區(qū)和開(kāi)闊區(qū)三種不同地區(qū)下,電波傳播損耗與發(fā)射天線和接收天線之間的距離的函數(shù)關(guān)系如圖1所示。圖1中選取的仿真參數(shù):fc=900MHz,ht=100m,hr=5m。圖1表明:1)建筑物的密度越大,電波傳播路徑損耗越大,即城市的路徑損耗最大,郊區(qū)次之,開(kāi)闊區(qū)最小;2)同一地區(qū)的電波傳播路徑損耗隨著收發(fā)之間的距離增加而增大。1.3路徑損耗的sHata模型在d>1km時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果與原始的Okumura模型非常接近,該模型使用于大區(qū)域移動(dòng)通信系統(tǒng),但不適用于小區(qū)半徑為1km以下的個(gè)人通信系統(tǒng)(PCS)。所以為了能夠預(yù)測(cè)微小區(qū)域和宏小區(qū)域的傳播損耗,Walfish和Ikegami提出了Walgish-Ikegami模型。Walgish-Ikegami模型也稱(chēng)為WIM模型,該模型用于高樓林立地區(qū)的小到中型蜂窩的半確定模型,其使用范圍為頻率f在800~2000MHz之間,基站天線高度h為4~50m,移動(dòng)臺(tái)天線高度hm為1~3m,距離d為0.02~5km。圖2為Walgish-Ikegami模型的示意圖。在這個(gè)模型中,總的路徑損耗包括自由空間的路徑損耗PL0、沿著傳播路徑的多屏損耗PLmsd以及最后一個(gè)屋頂邊沿到移動(dòng)臺(tái)的衰減PLrts(屋頂?shù)浇值赖睦@射和散射損失)。其計(jì)算表達(dá)示為:PL=PL0+PLmsd+PLrts(4)式中:1)自由空間的路徑損耗依賴于載波頻率和距離,具體表達(dá)式為:PL0=32.4+20log(f)+20log(d)(5)從式(5)中可以得出:PL0隨頻率增加而增大,隨距離的增加也增大。2)屋頂?shù)浇值赖睦@射和散射損耗取決于頻率、街道寬度、移動(dòng)臺(tái)的高度以及街道相對(duì)于基站-移動(dòng)臺(tái)連線的方位,具體表達(dá)式為:PLrts=-16.9-10logw+10logf+20logΔhm+PLstreethb>hm(6)PLrts=0hb≤hm(7)這里:Δhm=hb-hm且PLstreet=(-10)+0.354α0≤α<35°(8)PLstreet=2.5+0.075(α-35)35°≤α<55°(9)PLstreet=4.0?0.114(α?55)55°≤α<90°(10)ΡLstreet=4.0-0.114(α-55)55°≤α<90°(10)從式(6)中可以得出:PLrts隨街道寬度增加而減少,隨建筑物高度增加而增大。3)多屏繞射損耗依賴于建筑物之間的距離、基站和移動(dòng)臺(tái)的高度以及載波頻率、基站高度和屋頂高度。具體表達(dá)式為:PLmsd=PLmsd(1)+ka+kdlog(d)+kflogf-9log(db)(11)PLmsd=0Lmsd<0(12)這里:Δh=h-hb且PLmsd(1)=?18log(1+Δh)h>hb(13)ΡLmsd(1)=-18log(1+Δh)h>hb(13)PLmsd(1)=0h≤hb(14)ΡLmsd(1)=0h≤hb(14)ka=54?0.8Δhd≥0.5kmh≤hb(15)ka=54-0.8Δhd≥0.5kmh≤hb(15)ka=54?0.8Δhd0.5d≤0.5ka=54-0.8Δhd0.5d≤0.5kmh≤hb(16)ka=54h>hb(17)kd=18h>hb(18)kd=18?15Δhhbh≤hb(19)kd=18-15Δhhbh≤hb(19)kf=?4+0.7(f925?1)(20)kf=-4+0.7(f925-1)(20)kf=?4+1.5(f925?1)(21)kf=-4+1.5(f925-1)(21)式中:ka代表由于基站天線低于附近建筑物頂高度導(dǎo)致路徑損耗的增加;kd和kf分別控制對(duì)應(yīng)于距離和頻率的多屏繞射損耗。從式(11)中可以得出:PLmsd隨建筑物間隔(db)增大而減小;當(dāng)基站天線高于屋頂(h>hb)時(shí),將導(dǎo)致54dB的損耗,當(dāng)天線低于屋頂時(shí)則導(dǎo)致多于54dB的損耗,此時(shí)當(dāng)鏈路距離相當(dāng)小(<500m)時(shí),超出54dB的損耗數(shù)會(huì)減小;當(dāng)基站天線高于屋頂(h>hb)時(shí),距離每增加10km,PLmsd增加18dB;當(dāng)基站天線低于屋頂(h≤hb)時(shí),PLmsd隨距離的增大而增加的更多。1.4模型路徑損耗隨建筑物高度的變化特性考慮到工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況,這里只考慮基站天線高于建筑物平均高度的情況;另外,考慮PLstreet因子的簡(jiǎn)化,設(shè)移動(dòng)臺(tái)位于街道中央,并選取頻率f=950MHz,天線高度h=30m,移動(dòng)臺(tái)高度hm=1.5m,街道寬度w=10m。圖3表示在建筑物之間的距離db=20m一定的情況下,電波傳播模型路徑損耗在不同的建筑物高度下隨距離的變化曲線;圖4表示在建筑物高度hb=15m一定的情況下,電波傳播模型路徑損耗在不同的建筑物之間的距離下隨距離的變化曲線。仿真表明:1)在建筑物之間的距離一定的情況下,電波傳播路徑損耗隨著建筑物高度的增加而增大,同時(shí),電波傳播路徑損耗隨著距離的增加也增大;2)在建筑物高度一定的情況下,電波傳播路徑損耗隨著建筑物之間的距離的增加而減少,但電波傳播路徑損耗隨著距離的增加而增大。2模型1:受拉n對(duì)于室內(nèi)的環(huán)境,墻壁的衰減起著非常重要的衰減作用,考慮到這個(gè)因素,Motley提出了室內(nèi)傳播的模型。Motley模型的路徑損耗公式為:PL=PL0+10nlog(d)+Fwall+Ffloor(22)式中:PL0=37dB為參考點(diǎn)(Motley推薦為1m)的損耗,n為衰減因子(推薦為2),d為收發(fā)距離;Fwall為多徑分量從發(fā)送端到接收端需要穿過(guò)的墻壁所引起的衰減總和;Ffloor表示位于基站和移動(dòng)臺(tái)之間的地面引起的衰減總和。墻壁的衰減與建筑物材料有關(guān),在300MHz~5GHz頻率范圍內(nèi)衰減可達(dá)1~20dB,頻率越高衰減也會(huì)更大。Motley模型是一種特定地點(diǎn)模型,因?yàn)樗枰竞鸵苿?dòng)臺(tái)的位置信息以及建筑物的設(shè)計(jì)圖,但是它并不是很準(zhǔn)確,因?yàn)樗雎粤搜貕Α白邅?lái)走去”的傳播路徑。例如,兩個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開(kāi)的辦公室之間的傳播要么通過(guò)很多墻壁(準(zhǔn)視距路徑,準(zhǔn)LOS),要么通過(guò)走廊(信號(hào)離開(kāi)辦公室,沿著走廊傳播,并進(jìn)入辦公室內(nèi)的接收端)。后者形式的傳播路徑往往更加有效,但是在Motley模型中并沒(méi)有考慮。3模型的校正方法本文介紹了無(wú)線通信系統(tǒng)中室外宏蜂窩的Hata、Walgish-Ikegami兩種模型和室內(nèi)的Motley一種模型,基