移动通信中电波传播损耗的预测模型

移动通信中 的一个基本问题就 是计算接收信号的 功率
Pr , 这是 为保证移动通信系统电磁兼容性所必须的。信号在 信道 中传输时总 是有衰减 的: 一方 面, 随 着电波传 播距离 的 增加, 由于球面波的自然扩散会引起衰减; 另 一方面, 周 围的 传播 环境包括各 种障碍物 等对电波的 吸收、散射、绕射或 反 射等作用也会使信号产生衰减。通常用传播损 耗来对电波通 过移动信道时的这种衰减特性进行度量 。
在 第二台计算机上 运行: “开始”→ “程序”→ “N or to n Gho st”→ “M ulticast Ser ver ”。在 SessionN ame 处输入多播 的 节目名 称, 这里 我们 输入 a. 然 后选 中 L oa d T o Clien; 在 Imag e 处 填 入 d: dbak. g ho; 选 择 Disk, 然 后 单 击 [ A cceptClient ] 按钮。
在移动通信的环境中, 传播损耗不仅和频率、距离有关, 还和收发天线的高度有关, 更和地形、地物有关。如何计算电 波传 播损耗, 必须在系 统设计前加 以预测, 这不仅 是模拟 蜂 窝网, 在当前更是数字蜂窝移动通信网组网规划工作中 极为 重要的组成部分。
1 自由空间传播损耗模型
无线 电波在自由 空间中的 传播是电波 传播研 究中最 基 本、最简单的一种, 它是一种理想化的电波传 播方式, 在 这种 空间中传播的电磁波不会产生反射、折射、绕 射、吸收和 散射 等现 象, 也就 是说, 电磁波的总 能量并没 有被上述 作用损 耗
摘 要: 在自由 空间电波 传播损耗模 型基础上, 基于微 小区内电 波传播新特 点, 给出 了电波传 播损耗的一 般预测 模型, 其特点是用最 小拐点距离 D 来统一反映天线高度 和系统工作频率对 电波传播损耗的影 响, 同时对 电波在传播过 程中经过的不同环境, 分别用不同的路径衰减指数 n 来反映。
若传 播介质与障 碍物对电 波传播影响 的程度 小到可 以
忽 略, 则 这种 条件下 的电 波传 播就可 以认 为是 自由 空间 传
播。
2 微蜂窝小区内的电波传播 损耗预测模型
2. 1 特性研究 随着移动通信的快速发展, 移动用户的高速增长以 及单
用户话务量的提高, 现有频率资源对移动通信发展的制 约越 来 越 大, 给 蜂 窝 系 统 带 来 了 增 容 的 问 题。而 微 蜂 窝 ( M icr ocell) 技术是 一种提 高蜂窝网 络系统 容量快 速而有 效 的 方法, 它是在宏蜂 窝( M a cr ocell) 的基 础上发展 起来的, 通 过提高频谱利用率, 在现有网络的基础上形成多层覆盖 以达 到增容目的。小区缩小后, 其电波传播规律会有所变化, 正如 图 1 所示。在电波传播过程中, 若移动台距基台很近时, 损耗和 距离约是二次方的关系; 当距离较远时, 损耗和距离变为约四 次方的关系, 它们之间有一明显的拐点 D 存在, 这意味着在 D 以内的电波传播损耗符合自由空间传播损耗的特点。可见, D 是划分两段不同传播规律的分界点, 所以把 D 称为最小拐点距 离, 它将整个无线覆盖范围划分成了不同的传播空间。
Abstract: Based o n the radio wav e propagat io n l oss model in f ree space and the new characterist ics of radio wave propagat io n in microcell , t his paper pr opo ses t he generalized predicting m odel o f r adio w ave propag ation loss , w hose key po int s are t o use t he minim um inflection point dist ance t o ref lect unit edly the inf luences of ant enna height and sy st em frequency and t he pat h att enuat io n ex ponent ial is used to ref lect t he varying surrounding s in t he r adio w ave pro pagat ion path.
2. 3 预测模型
由式( 2) 可知, 自由空间传播损耗与距离的平方成 正比,
即 L b∝d2. 在复杂的现 实蜂窝移动 通信环境 中, 系统 不可能 工作在 理想 的自 由空间 中, 所以实 际空 间的 电波 传播 损耗
L s 要比 按 d2 规律计算 出的结果大 许多, 一般情况下 可表示 为: L s∝d n, n 为路径衰 减指数( 不 同的传播条件下, n 有不同 的取值: 可取 3 或 4 甚至更高) 。
收到的信号功率可表示为:
Pr =
P t( 4 d ) 2 =
Pt ( 4
C df
)
2
( 1)
式中 为载波工作 波长; f 为载波工作频 率; d 代表收发天 线之间的距离; C 为光速。
在移动通信电路设计中, 通常用“传播损耗”来表示这种
功率损耗: 定义发 送功率 Pt 与接收 功率 P r 之比 为“传播损 耗”, 用 L b 表示:
( 5) 建立启动盘上的批处理文件: 第一 台工作站启 动盘的批 处理文件名 为 1. bat, 文件 内 容为
@ Echo O ff r tsptk. co m 0x 60 5 0x 300( 注: 软中断为 0x 60, 中断为 5, 地址为 0x 300) Gho st. ex e Echo O n 第二 台工作 站启动盘 的批处 理文件 与第一 台 工作站的内容相同只是 w att cp. cfg 的内容不同而已, 其他的 工作站类推。
= Pt( 4 d ) 24 sin2( ! r )
( 7)
若使得 Pr 最大, 则会 发生在 第一个使 sin( !r ) = 1 处, 即
为: !r = 2 , 把式( 6) 代入:
2hT hR d
=
2 , 得到 d = D = 4hT hR
( 8)
式( 8) 即为 D 的定 量分析公式, 它表 明: 拐 点 D 的位置 与收发天线 的高度成 正比, 即 天线越高, 符合 自由空 间传播
)
=
20 lg
(
4
d C
f
≈ 32. 45 + 20lgd ( km) + 20lgf ( M Hz)
( 3)
公式( 3) 就是 自由空间传播损耗模 型, L b 仅与频 率 f 和 距离 d 有关, 它并没有考虑 收发天线增益以及收发信两端的 分路系统对电波传播损耗的影 响。可见 L b 确实反映的 是传 输信道的特征, 因此又把 L b 称为电波传播基 本损耗, 常 把由 其它因素所引起的损耗同它相比较。
W EI L ing , YANG Hui-jun
( Inf ormation Scien ce & En gineering Coll ege, Liaoning Inst it ut e of T echnol ogy , Jin zhou 121001, China)
Key words: radio w ave propagat io n loss; m inimum inf lect ion po int dist ance; pat h at t enuat ion exponent ial
图 1 微小区内电波传播损耗特点 2. 2 最小拐点距离 D 的定量分析
在很少建筑物的开阔地区, 两径( 即两条波 束) 模型 能近 似反映出实际的传播环境, 它的损耗中值可以认为与自 由空 间的 损耗相 当, 故 在此利 用两径 模型进 行分析 研究, 如 图 2
图 2 两径传播模型 所示: 它包括 一条直射 波和一条理 想的地面 反射波, 地表 面 平坦光滑, 空间充满着空气。其中: hR、hT 分别 为收发天线高
关键词: 电波传播损耗; 最小拐点距离; 路径衰减指数 中图分类号: T N 801 文献标 识码: B 文章编号: 1005-1090( 2003) 02-0027-03
Model Prediction of Radio Wave Propagation Loss in Mobile Communications
第 23卷 第 2期 2 0 0 3年 4月
辽宁工学院学报
JOU RNAL OF L IAONING INST IT U T E OF T ECHNOLOGY
Vo l. 23 N o. 2 Apr . 2 0 0 3
移动通信中电波传播损耗的预测模型
魏 玲, 杨汇军
( 辽宁工学院 信息科学与工程学院, 辽宁 锦州 121001)
d hT + hR. 则有下式成立:
!r ≈ d -
(d -
2h T d
h
R
)
2
=
2hT hR d
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
( 6)
参考布 林顿的推 导公式及在 理想平面 条件下采 用全向
天线, 则接收到的信号功率 P r 可表示为:
Pr = P t( 4 d) 2 1 - ex p( j 2 !r 2
= Pt( 4 d ) 2 1 - co s( 2 !r ) - j sin( 2 !r ) 2
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辽宁工学院学报
第 23 卷
( 注: 第一行为 IP 地址, 第二行为子网掩码) 第二台 工作站的网络配置文 件名也为 w attcp. cfg , 但 文 件内容为
IP = 192. 168. 100. 4
N etmask= 255. 255. 255. 0 ( 注: 第一行是 IP 地址, 第二行是子网掩码) 其他的工作站类推。
度; d 为收发天线之间的距离; d 为直射波的路径长度; dr 为 反射波的路径长度。由图中的几何关系可知:
d = ( hT - hR ) 2 + d 2
= hT + hR ) 2 + d 2 - 4hT hR
( 4)
d r = ( hT + hR ) 2 + d 2
( 5)
若规定: ! r = dr - d , 且假设: hT 、hR ; d 在视距内, 且
在公式( 3) 基础上, 可得到如下公式:
L s( dB) =
10nlg (
4 ( m)
)
+
10nlgd ( m)
( 9)
由此可得出微蜂窝小区内的电波传播损耗预测模型:
L s( dB) =
L 0 + 10n0lg d , d < D
L0 +
10n0lg D +
10n1lg (
d D
) ,
d
>
D
( 10)
特性的距离就越大; 当信号波长减小, 即频率增加时, D 也会 加大, 也会使得符合自由空间传播特性的距 离加大。
利用两径 模型进行分 析的主要 目的就是 要找出 基站与
移动台天线 之间的传 播信道中第 一个散射 体或障碍 物的反
射波所构成 的最小拐 点距离, 在这个拐 点距离以 内, 可以认
为是没有反射波的自由空间传播。
掉, 但其能量会因为向空间扩散而衰耗, 并且距离越远, 这种
衰耗就会越 大, 这 是因为信号 经由发射 天线辐射 后, 便向周
围空间传 播, 到达 接收天线 的能量仅是 一小部分 ( 被 接收天
线的有效接收面积所限) , 大部分能量都因扩散而损耗 掉了。
这就是自由空间传播损耗。
设 Pt 为 发信设备采用无方向性天线向周 围空间辐射的 电磁波功率, 则一个各向均匀辐射( 无方向性) 的接收天线接
Lb =
Pt Pr
=
(4 d)2 =
(
4 df C
)2
( 2)
收稿日期: 2002-11-18 作者简介: 魏 玲( 1972-) , 女, 辽宁葫芦岛人, 讲师, 硕士。
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辽宁工学院学报
第 23 卷
损耗通常用分贝( dB) 表示, 则由公式( 2) 可得:
L b( dB) =
10 lg
(
Pt Pr
式中 L 0 = 20 lg ( 4 / ) , 表示 d = 1 m 时的 自由空 间传播 损耗; n0 和 n1 分别为拐点 D 以 内和 D 以外的 路径衰减指数 ( 当 然, 若 D 以 内无二 次波干 涉, 则 可以认 为是自 由空 间传
播, 即 n0= 2) .
3 一般预测模型
综上所述, 当信号通过 N 个不 同环境的区间传播 时, 移 动信道电波传播损耗的一般预测模型可参照式( 10) 写出: