移动通信课程设计—链路预算模型(含源程序)

3链路预算模型3.1概述移动通信系统的性能主要受到无线信道特性的制约。

发射机与接收机之间的传播路径一般分布有复杂的地形地物，而电磁波在无线信道中传播受到反射、绕射、散射、多经传播等多种因素的影响，其信道往往是非固定的和不可预见的。

具有复杂时变的电波传播特性，因而造成了信道分析和传播预测的困难。

影响无线信道最主要的因素就是信号衰减。

在无线通信系统中，电波传播经常在不规则地区。

在估计预测路径损耗时，要考虑特定地区的地形地貌，同时还要考虑树木、建筑物和其他遮挡物等因素的影响。

在无线通信系统工程设计中，常采用电波传播损耗模型来计算无线链路的传播损耗，这些模型的目标是为了预测特定点的或特定区域的信号场强。

常用的电波传播模型损耗分为宏蜂窝模型和室内模型两大类。

其中宏蜂窝模型中使用最广泛的是Okumura 模型，还有建立在Okumura 模型基础上的其他模型，如Okumura-Hata 模型，COST-231-Hata 模型，COST-231 Wslfisch-Ikegami 模型等；室内模型有衰减因子模型，Motley 模型，对数距离路径损耗模型等。

下面就着重来讨论这些模型并对部分模型进行仿真分析。

3.2宏蜂窝模型3.2.1 Okumura 模型（1）概述Okumura 模型为预测城区信号时使用最广泛的模型。

应用频率在150MHz 到1920MHz 之间（可扩展到300MHz ），收发距离为1km 到100km ，天线高度在30m 到1000m 之间。

Okumura 模型开发了一套在准平滑城区，基站有效天线高度h_b 为200m ，移动台天线高度h_m 为3m 的空间中值损耗（A mu ）曲线。

基站和移动台均使用自由垂直全方向天线，从测量结果得到这些曲线，并画成频率从100MHz 到1920MHz 的曲线和距离从1km 到100km 的曲线。

使用Okumura 模型确定路径损耗，首先确定自由空间路径损耗，然后从曲线中读出A mu (f,d)值，并加入代表地物类型的修正因子。

模型可表示为:AREA m b mu F G h G h G d f A L dB L ---+=)()(),()(50 （3.1）Okumura 发现，m h m h h G m h h h G m h m h h G m m m m m m b b b 310),3lg(20(3),3lg(10)(301000),200lg(20)()>>=≤=>>= 其中，L 50(dB)为传播路径损耗值的50%（即中值），L F 为自由空间传播损耗，A mu 为自由空间中值损耗，G(h b )为基站天线高度增益因子，G(h m )为移动天线高度增益因子，G AREA 为环境类型的增益。

（注： 天线高度增益为严格的高度函数，与天线形式无关）。

Okumura 模型完全基于测试数据，不提供任何分析解释。

对许多情况，通过外推曲线来获得测试范围以外的值，但这中外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑性。

Okumura 模型为成熟的蜂窝和陆地移动无线系统路径预测提供最简单和最精确的解决方案。

但这种模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反应较慢。

预测和测试的路径损耗偏差为10dB 到14dB 。

（2）中等起伏地上市区传播损耗的中值在计算各种地形。

地物上的传播损耗是时，均以中等起伏地上市区传播损耗的中值或场强中值作为基准，因而将其称作基准中值或基本中值。

如果A mu (f,d)曲线在基准天线高度下测的，即基站天线高度h b =200m ，移动台天线高度h m =3m 。

中等起伏地上市区实际传播损耗（L T ）应为自由空间的传播损耗(L F )加上基本中值A mu (f,d)（可查得）。

即：),(__d f A F L T L mu += （3.2）如果基站天线高度h_b 不是200m 则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子G(h b )表示，当移动台高度不是3m 时，需用为移动天线高度增益因子G(h m )加以修正。

中等起伏地上市区实际传播损耗（L T ）为：)()(),(m b F T h g h G d f Amu L L --+= （3.3）（3）郊区和开阔地传播损耗的中值郊区的建筑物一般是分散的、低矮的，故电波传播条件优于市区。

郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。

郊区场强中值与基准场强中值之差定义为郊区修正因子，记作K mr 。

开阔地的传播条件优于市区、郊区及准开阔地，相同条件下，开阔地上的场强中值比市区高近20dB 。

Q 0表示开阔地修正因子，Q r 表示准开阔地修正因子。

（4）不规则地形上传播损耗的中值实际的传播环境中，如下一些地形需要考虑，用来修正传播损耗预测模型，其分析方法与前面类似。

丘陵地的修正因子K h孤立山丘修正因子K js斜坡地形修正因子K sp水陆混合路径修正因子K s（5）任意地形地区的传播损耗的中值任意地形地区的传播损耗修正因子K T 一般可写成s sp js h r mr T K K K K Q Q K K ++++++=0 （3.4）根据实际的地形地物情况，K T 修正因子可以为其中的某几项，其余为零。

任意地形地区的传播损耗的中值T T K L L -= （3.5）式中， )()(),(m b mu F T h G h G d f A L L --+=3.2.2 Okumura-Hata 模型（1）概述Okumura-Hata 模型在900MHz GSM 中得到广泛应用，适用于宏蜂窝的路径损耗预测。

该模型的主要缺点是对城市和郊区快速变化的反应快慢。

预测和测试的路径损耗偏差为10到14dB 。

Okumura-Hata 模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在150MHz 到1 500MHz 之间，并可扩展3000MHz;适用于小区半径大于1km 的宏蜂窝系统，作用距离从1km 到20km 经扩展可延伸至100km;基站有效天线高度在30m 到200m 之间，移动台有效天线高度在1m 到10m 之间。

Okumura-Hata 模型路径损耗计算的经验公式为：terrain cell te re te c p C C dh h h f dB L ++-+--+=lg )lg 55.69.44()(lg 82.13lg 16.2655.69)(α （3.6）式中，f c （MHz ）为工作频率； h te （m ）为基站天线有效高度，定义为基站天线实际海拔高度与天线传播范围内的平均地面海拔高度之差；h re （m ）为终端有效天线高度，定义为终端天线高出地表的高度； d （km ）：基站天线和终端天线之间的水平距离；α(h re ) 为有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数，其数字与所处的无线环境相关，参见以下公式。

22(1.1lg 0.7)(1.56lg 0.8)(), 8.29(lg1.54) 1.1(), 300MHz,3.2(lg1.75) 4.97(), 300MHz,m m m m f h f dB h h dB f h dB f α---⎧⎪-≤⎨⎪->⎩中、小城市（）=大城市大城市（3.7）C cell ：小区类型校正因子，即[]20, 2(lg /28) 5.4(dB), 4.78(lg )18.33lg 40.98(dB), cellC f f f ⎧⎪⎪=--⎨⎪---⎪⎩城市郊区乡村 （3.8）C terrain ：地形校正因子，地形校正因子反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响，如水域、树木、建筑等。

合理的地形校正因子可以通过传播模型的测试和校正得到，也可以由用户指定。

（2）Okumura-Hata 模型仿真Okumura-Hata 模型是预测城市及周边地区路径损耗时使用最为广泛的模型。

它基于测试数据所作的图表, 不提供任何的分析解释。

工作频率在150MHz 到1500MHz 之间, 并可扩展3000MHz; 作用距离从1km 到20km 经扩展可延伸至100km; 基站天线高度在30m 到200m 之间, 经扩展可延伸至1000m;移动台天线高度从1m 到10m 。

Hata 模型则根据Okumura 图表数据, 经曲线拟合得出一组经验公式。

它以市区路径传播损耗为基准, 在此基础上对其他地区进行修正。

实测中在基本确定了设备的功率、天线的高度后，可利用Okumura-Hata 模型对信号覆盖范围做一个初步的测算。

损耗单位为dB 。

以下就是仿真过程，仿真所用程序见附录，仿真得图形如图3-1和3-2所示：图3-1 Okumura-Hata 模型（d=0:100km; f=450MHz; h_m=5m;c_t=0;）图3-2 Okumura-Hata 模型（d=0:100km; f=900MHz; h_m=5m;c_t=0;）从仿真结果中可以看出，中小城市和大城市地形地物基本上差别不大，而移动台高度、频率、基站高度一定的情况下，损耗曲线基本上是重合的;从仿真结果得知，在0～10km 范围中损耗急剧上升，10km 之后信道的衰减虽然也是随着距离的增加也有增大的趋势但相比之下，衰减更为平缓，从图中不难看出，在相同的频率下中小城市和大城市的衰减最为严重，郊区次之，农村的衰减最少，这是因为在城市当中造成衰减的因素更多。

此外，在其他条件不变的情况下，频率越距离 /km 路径损耗 /d B Okumura-Hata 模型路径损耗-30-20-101020304050距离 /km 路径损耗 /d B Okumura-Hata 模型路径损耗大，衰减也就越大。

Okumura-Hata 模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不到1km 的个人通信系统，Okumura-Hata 模型基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，因为在宏蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射决定。

Okumura-Hata 模型的建模不仅为蜂窝移动和陆地无线信道传播损耗的预测提供了方便实用的可视化解决方案, 而且解决了在无线信道建模中存在的人机交互性差, 对模型进行参数分析、综合计算及全过程演示困难的问题。

3.2.3 COST-231 Walfisch-Ikegami 模型（1） COST-231 Walfisch-Ikegami 模型的基本原理COST-231 Walfisch-Ikegami 模型广泛地用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，它可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播路径损耗预测，经常在移动通信的系统（GSM/PCS/DECT/DCS ）的设计中使用。

COST-231 Walfisch-Ikegami 模型是基于Walfisch 模型和Ikegami 模型得到的，该模型也考虑了自由空间的路径损耗、散射损耗以及由建筑物边缘引起的附加损耗，其使用范围为频率f 在800—2000MHz 之间，基站天线高度h 为4—50米，移动台天线高度h m 为1—3米，距离d 为0.02—5km 。