無線電波傳播損耗模型的研究

無線電波傳播損耗模型的研究

1研究電磁傳播模型的意義在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，移動設(shè)備和基站之間的通信通過微波通信進(jìn)行信息連接。但由于發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波在到達(dá)接收機(jī)之前，可能要受到地形、植被、建筑物及移動物體等因素的影響而引發(fā)反射、衍射、散射等現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生電磁波信號的時延擴(kuò)散和多徑衰落效應(yīng)。這些效應(yīng)將大大降低移動通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，嚴(yán)重時，甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛?。因此，研究電磁波在不同環(huán)境中的傳播特性，選擇恰當(dāng)、合適的傳播模型進(jìn)行測算，對于我們做好移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)劃尤為重要。它將直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的高低，關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的好壞。2自由空間傳播損耗的數(shù)學(xué)模型蜂窩無線電通信系統(tǒng)若不進(jìn)行科學(xué)的頻率指配和嚴(yán)格的系統(tǒng)設(shè)計與科學(xué)的場強(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。為滿足無線電通信業(yè)務(wù)覆蓋服務(wù)區(qū)的需要和保證無線電波的可靠傳播，我們必須仔細(xì)計算發(fā)射天線到接收天線之間的傳播損耗。理想的電磁波傳播環(huán)境是自由空間，其路徑傳播損耗的計算公式為:L=32.45+20lgd+20lgf(d—km,f—MHz),即在自由空間，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。但在實際通信中，無線電波的通信距離、覆蓋范圍受傳播路徑上各種因素的影響，如山體、建筑物、湖泊、海洋、地球的自身曲率等。因此，必須在綜合考慮這些因素影響的基礎(chǔ)上，對自由空間傳播損耗公式進(jìn)行修正，從而產(chǎn)生了一系列傳播損耗計算的數(shù)學(xué)模型，即電磁波的傳播模型。電磁波的傳播模型通常是很復(fù)雜的，對不同的頻段我們要選擇不同的傳播模型進(jìn)行測算，以初步預(yù)測每個基站的發(fā)射覆蓋區(qū)域和場強(qiáng)傳播規(guī)律，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)投資最省、干擾最小的目的。3針對移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的各種通信模型的介紹1.hata模型簡介日本科學(xué)家奧村通過對城市進(jìn)行大量無線電波傳播損耗的測量，得出了一系列經(jīng)驗曲線用于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計。在這些經(jīng)驗曲線的基礎(chǔ)上，推出了簡化的Hata模型。其公式為:式中:hr—接收天線高度（m)K—用于小型城市郊區(qū)和開闊地的校正因子Hata模型中，有關(guān)a(hr)和K的參數(shù)如下表所示:該模型由原CCIR（現(xiàn)ITU-R）提出，綜合考慮了自由空間傳播和地形效應(yīng)損耗對無線電波傳播的影響。計算公式為:式中:B=30-25lg(地面建筑物覆蓋率)CCIR和Hata模型適用的天線高度和終端高度適合小型城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的地物情況，因此常用于小型城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域1.5G以下的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。3.z頻次擴(kuò)展的計算公式該模型是歐洲研究委員會（COST231）在Hata模型的基礎(chǔ)上修正得出的，通常認(rèn)為是Hata模型在2GHz頻段的有效擴(kuò)展。其計算公式為:式中:f、ht、hr、a(hr)、d的含義同1,C—在中型城市及郊區(qū)時，取0;在密集城區(qū)時，取3。COST231-Hata模型適應(yīng)條件為:COST231-Hata模型的天線高度適用范圍較大，在應(yīng)用到不同類型的城市時均能達(dá)到預(yù)期的效果，因此，該模型適用于城市地貌及郊區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。4.cost231模型實踐發(fā)現(xiàn)，COST-231模型應(yīng)用于高樓密集的城區(qū)時誤差很大。為了改善COST231的模型使之能適用于高樓密集城區(qū)的鏈路計算，歐洲研究委員會（COST231）進(jìn)行了大量的現(xiàn)場實測和模型分析后，認(rèn)為在該區(qū)域基站天線高度相對周圍樓層高度低，電波傳播由兩種情況組成:一是視距傳播，二是非視距傳播。因此，COST231將COST231模型分成自由空間傳播損耗、屋頂?shù)浇值姥苌浜蜕⑸鋼p耗以及多次屏蔽損耗3個部分。該模型我們稱之為COST231-WIM模型。(1）傳播路徑上沒有障礙物時，WIM模型的計算公式為:(2）傳播路徑上有障礙物時的WIM模型的計算公式為:（有關(guān)Lrts、Lmds的具體計算公式較為復(fù)雜，這里不再敘述）。COST231-WIN模型的適用條件為:該模型對不同類型的傳播損耗進(jìn)行了較為細(xì)致的分類，科學(xué)地建立了自由空間損耗、繞射損耗和散射損耗的數(shù)學(xué)模式，能夠?qū)Σ煌愋统鞘协h(huán)境下的無線電傳播進(jìn)行簡單的模擬，較為適用城市環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。5評估模型的建立Planet是由馬可尼公司在Hata模型的基礎(chǔ)上研發(fā)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件。其計算公式為:式中:PRx—接收功率PTx—發(fā)射功率K1—固定偏移量K2—距離增加因子K3—與發(fā)射天線有效高度相關(guān)的因子K4—與衍射相關(guān)的因子K5—與lgHefflgd相關(guān)的奧村哈塔型因子K6—與接收天線有效高度相關(guān)的因子d—到接收端的距離Heff—基站天線有效高度S—衍射損耗Kclutter—地貌修正因子Hmeff—接收天線有效高度。該公式的準(zhǔn)確性建立在實測的基礎(chǔ)上，一般情況下，應(yīng)當(dāng)對需要規(guī)劃的地區(qū)進(jìn)行連續(xù)波（CW）測試，通過對規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行有效的現(xiàn)場信號采樣分析，最終得出適合當(dāng)?shù)氐匚?、地貌特征的傳播模型。K1～K6的常用參考值如下表:Planet模型是在Hata模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的現(xiàn)場測試結(jié)果得出的通用模型，能夠適用于所有地物、地貌情況下無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。但由于不同地物、地貌情況下的K值有較大的差別，故在仿真無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域時，須進(jìn)行大量的現(xiàn)場測試工作，實現(xiàn)起來較為復(fù)雜，且成本較高。因此，進(jìn)一步細(xì)分傳播環(huán)境特性，不斷積累并總結(jié)出適合于不同環(huán)境的傳播模型參數(shù)，以便實現(xiàn)以扇區(qū)為單位的傳播模型適配，這將是今后繼續(xù)有待研究的課題。4傳播模型的建立在移動網(wǎng)絡(luò)的實際建設(shè)中，首先應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的所用無線電頻段的傳播特點(diǎn)及基站和移動臺的實際天線高度等，初步選擇合適的電磁波傳播模型，然后再根據(jù)各個地區(qū)不同的地理環(huán)境進(jìn)行測試，運(yùn)用分析和計算手段對傳播模型的參數(shù)進(jìn)行修正。通過實地架設(shè)發(fā)射機(jī)進(jìn)行連續(xù)波（CW）測試，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員可獲得準(zhǔn)確的無線電信號的路徑損耗值，再與仿真模擬的結(jié)果進(jìn)行反復(fù)比較修正，最終得出所用頻段在當(dāng)?shù)貍鞑キh(huán)境中的最實際可靠的傳播模型。其具體的校正過程如下:5移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃根據(jù)所用頻段的無線電傳播特性及移動網(wǎng)絡(luò)所設(shè)區(qū)域的地理情況，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ褪且苿油ㄐ诺木W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中一個十分重要的環(huán)節(jié)。通過這項工作可以確定基站的位置和高度，以實現(xiàn)良好的電波覆蓋和減少對頻率復(fù)用區(qū)的干擾。它可以節(jié)省人力、財力和時間，是移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化者必須了解和掌握的技術(shù)手段。為此，筆者通過本文簡單介紹了移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中涉及傳播模型的相關(guān)方面知識，希望對大家在無線電傳播模型的實際運(yùn)用方面有所幫助。f—工作頻率(MHz)ht—發(fā)射天線高度(m)a(hr)—接