天線基本知識(shí)及應(yīng)用—鏈路及空間無線傳播損耗計(jì)算
1 鏈路預(yù)算
上行和下行鏈路都有自己的發(fā)射功率損耗和路徑衰落。在蜂窩通信中,為了確定有效覆蓋范圍,必須確定最大路徑衰落、或其他限制因數(shù)。在上行鏈路,從移動(dòng)臺(tái)到基站的限制因數(shù)是基站的接受靈敏度。對(duì)下行鏈路來說,從基站到移動(dòng)臺(tái)的主要限制因數(shù)是基站的發(fā)射功率。通過優(yōu)化上下行之間的平衡關(guān)系,能夠使小區(qū)覆蓋半徑內(nèi),有較好的通信質(zhì)量。
一般是通過利用基站資源,改善網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)小區(qū)的鏈路平衡(上行或下行),從而使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。最終也可以促使切換和呼叫建立期間,移動(dòng)通話性能更好。
上下行鏈路平衡的計(jì)算。對(duì)于實(shí)現(xiàn)雙向通信的GSM系統(tǒng)來說,上下行鏈路平衡是十分重要的,是保證在兩個(gè)方向上具有同等的話務(wù)量和通信質(zhì)量的主要因素,也關(guān)系到小區(qū)的實(shí)際覆蓋范圍。
下行鏈路(DownLink)是指基站發(fā),移動(dòng)臺(tái)接收的鏈路。
上行鏈路(UpLink)是指移動(dòng)臺(tái)發(fā),基站接收的鏈路。
上下行鏈路平衡的算法如下:
下行鏈路(用dB值表示):
PinMS = PoutBTS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdMS - LslantBTS - LPdown
式中:
PinMS 為移動(dòng)臺(tái)接收到的功率;
PoutBTS為BTS的輸出功率;
LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗;
LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗;
GaBTS為基站發(fā)射天線的增益;
Cori為基站天線的方向系數(shù);
GaMS為移動(dòng)臺(tái)接收天線的增益;
GdMS為移動(dòng)臺(tái)接收天線的分集增益;
LslantBTS為雙極化天線的極化損耗;
LPdown為下行路徑損耗;
上行鏈路(用dB值表示):
PinBTS = PoutMS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdBTS -LPup +[Gta]
式中:
PinBTS為基站接收到的功率;
PoutMS為移動(dòng)臺(tái)的輸出功率;
LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗;
LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗;
GaBTS為基站接收天線的增益;
Cori 為基站天線的方向系數(shù);
GaMS為移動(dòng)臺(tái)發(fā)射天線的增益;
GdBTS為基站接收天線的分集增益;
Gta為使用塔放的情況下,由此帶來的增益;
LPup為上行路徑損耗。
根據(jù)互易定理,即對(duì)于任一移動(dòng)臺(tái)位置,上行路損等于下行路損,即:
LPdown = LPup
設(shè)系統(tǒng)余量為DL ,移動(dòng)臺(tái)的惡化量儲(chǔ)備為DNMS ,基站的惡化量儲(chǔ)備為DNBTS,移動(dòng)臺(tái)的接收機(jī)靈敏度為MSsense,基站的接收機(jī)靈敏度為BTSsense, Lother為其它損耗,如建筑物貫穿損耗、車內(nèi)損耗、人體損耗等。于是,對(duì)于覆蓋區(qū)內(nèi)任一點(diǎn),應(yīng)滿足:
PinMS - DL - DNMS - Lother >= MSsense
PinBTS - DL - DNMS - Lother >= BTSsense
上下行鏈路平衡的目的是調(diào)整基站的發(fā)射功率,使得覆蓋區(qū)邊界上的點(diǎn)(離基站最遠(yuǎn)的點(diǎn))滿足:
PinMS - DL - DNMS - Lother = MSsense
于是,得到了基站的最大發(fā)射功率的計(jì)算公式:
PoutBTS <= MSsense - BTSsense + PoutMS + GdBTS - GdMS + LslantBTS - Gta + DNMS - DNBTS
2 各類損耗的確定
◆ 建筑物的貫穿損耗
建筑物的貫穿損耗是指電波通過建筑物的外層結(jié)構(gòu)時(shí)所受到的衰減,它等于建筑物外與建筑物內(nèi)的場強(qiáng)中值之差。
建筑物的貫穿損耗與建筑物的結(jié)構(gòu)、門窗的種類和大小、樓層有很大關(guān)系。貫穿損耗隨樓層高度的變化,一般為-2dB/層,因此,一般都考慮一層(底層)的貫穿損耗。
下面是一組針對(duì)900MHz頻段,綜合國外測試結(jié)果的數(shù)據(jù):
--- 中等城市市區(qū)一般鋼筋混凝土框架建筑物,貫穿損耗中值為10dB,標(biāo)準(zhǔn)偏差7.3dB;郊區(qū)同類建筑物,貫穿損耗中值為5.8dB,標(biāo)準(zhǔn)偏差8.7dB。
--- 大城市市區(qū)一般鋼筋混凝土框架建筑物,貫穿損耗中值為18dB,標(biāo)準(zhǔn)偏差7.7dB;郊區(qū)同類建筑物,貫穿損耗中值為13.1dB,標(biāo)準(zhǔn)偏差9.5dB。
--- 大城市市區(qū)一金屬殼體結(jié)構(gòu)或特殊金屬框架結(jié)構(gòu)的建筑物,貫穿損耗中值為27dB。
由于我國的城市環(huán)境與國外有很大的不同,一般比國外同類名稱要高8---10dB。
對(duì)于1800MHz,雖然其波長比900MHz短,貫穿能力更大,但繞射損耗更大。因此,實(shí)際上,1800MHz 的建筑物的貫穿損耗比900MHz的要大。GSM規(guī)范3.30中提到,城市環(huán)境中的建筑物的貫穿損耗一般為15dB,農(nóng)村為10dB。一般取比同類地區(qū)900MHz的貫穿損耗大5---10dB。
◆ 人體損耗
對(duì)于手持機(jī),當(dāng)位于使用者的腰部和肩部時(shí),接收的信號(hào)場強(qiáng)比天線離開人體幾個(gè)波長時(shí)將分別降低4---7dB和1---2dB。
一般人體損耗設(shè)為3dB。
◆ 車內(nèi)損耗
金屬結(jié)構(gòu)的汽車帶來的車內(nèi)損耗不能忽視。尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市,人的一部分時(shí)間是在汽車中度過的。
一般車內(nèi)損耗為8---10dB。
◆ 饋線損耗
在GSM900中經(jīng)常使用的是7/8″的饋線,在1000MHz的情況下,每100米的損耗是4.3dB;在2000MHz的情況下,每100米的損耗則為6.46dB,多了2.16個(gè)dB。
3 無線傳播特性
移動(dòng)通信的傳播如圖5-02中的曲線所示,總體平均值隨距離減弱,但信號(hào)電平經(jīng)歷快慢衰落的影響。慢衰落是由接受點(diǎn)周圍地形地物對(duì)信號(hào)反射,使得信號(hào)電平在幾十米范圍內(nèi)有大幅度的變化,若移動(dòng)臺(tái)在沒有任何障礙物的環(huán)境下移動(dòng),則信號(hào)電平只與發(fā)射機(jī)的距離有關(guān)。所以通常某點(diǎn)信號(hào)電平是指幾十米范圍內(nèi)的平均信號(hào)電平。這個(gè)信號(hào)的變化呈正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)不同地形地物是不一樣的,通常在6-8dB左右。快衰落是疊加在慢衰落信號(hào)上的。這個(gè)衰落的速度很快,每秒可達(dá)幾十次。除與地形地物有關(guān),還與移動(dòng)臺(tái)的速度和信號(hào)的波長有關(guān),并且幅度很大,可幾十個(gè)dB,信號(hào)的變化呈瑞利分布。快衰落往往會(huì)降低話音質(zhì)量,所以要留快衰落的儲(chǔ)備。
無線電波在自由空間的傳播是電波傳播研究中最基本、最簡單的一種。自由空間是滿足下述條件的一種理想空間:1. 均勻無損耗的無限大空間,2. 各項(xiàng)同性,3. 電導(dǎo)率為零。應(yīng)用電磁場理論可以推出,在自由空間傳播條件下,傳輸損耗Ls的表達(dá)式為:
Ls=32.45+20lgf+20lgd
自由空間基本傳輸損耗Ls僅與頻率f和距離d有關(guān)。當(dāng)f 和d擴(kuò)大一倍時(shí),Ls均增加6dB,由此我們可知GSM1800基站傳播損耗在自由空間就比GSM900基站大6個(gè)dB。
陸地移動(dòng)信道的主要特征是多徑傳播,實(shí)際多徑傳播環(huán)境是十分復(fù)雜的,在研究傳播問題時(shí)往往將其簡化,并且是從最簡單的情況入手。僅考慮從基站至移動(dòng)臺(tái)的直射波以及地面反射波的兩徑模型是最簡單的傳播模型。兩徑模型如圖5-04所示,應(yīng)用電磁場理論可以推出,傳輸損耗Lp的表達(dá)式為:Lp=20lg(d2/(h1*h2))
5.4 常用的兩種電波傳播模型
◆ Okumura電波傳播衰減計(jì)算模式
GSM900MHz主要采用CCIR推薦的Okumura電波傳播衰減計(jì)算模式。該模式是以準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)的中值場強(qiáng)或路徑損耗作為參考,對(duì)其他傳播環(huán)境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進(jìn)行修正。不同地形上的基本傳輸損耗按下列公式分別預(yù)測。
L(市區(qū))=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a)
L(郊區(qū))=64.15+26.16lgf-2[lg(f/28)]2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
L(鄉(xiāng)村公路)=46.38+35.33lgf-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
L(開闊區(qū))=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
L(林區(qū))=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
其中:
f----工作頻率,MHz
h1---基站天線高度,m
h2---移動(dòng)臺(tái)天線高度,m
d----到基站的距離,km
a(h2)---移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子,dB
a(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lgf+0.8(中,小城市)
=3.2[lg(11.75h2)]2-4.97(大城市)
s(a)---市區(qū)建筑物密度修正因子,dB;
s(a)=30-25lga (5%=20+0.19lga-15.6(lga)2 (1%=20 (a≤1%)
◆ Cost-231-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計(jì)算模式
GSM 1800 MHz主要采用歐洲電信科學(xué)技術(shù)研究聯(lián)合推薦的"Cost- 2-Walfish-Ikegami"電波傳播衰減計(jì)算模式。該模式的特點(diǎn)是:從對(duì)眾多城市的電波實(shí)測中得出的一種小區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)的電波損耗模式。
分視距和非視距兩種情況:
(1) 視距情況
基本傳輸損耗采用下式計(jì)算
L=42.6+26lgd+20lgf
(2) 非視距情況
基本傳輸損耗由三項(xiàng)組成:
L=Lo+Lmsd+Lrts
Lo=32.4+20lgd+20lgf
a)Lo代表自由空間損耗
b)Lmsd是多重屏蔽的繞射損耗
c)Lrts是屋頂至街道的繞射及散射損耗。
不管是用哪一種模式來預(yù)測無線覆蓋范圍,只是基于理論和測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)的近似計(jì)算由于實(shí)際地理環(huán)境千差萬別,很難用一種數(shù)學(xué)模型來精確地描述,特別是城區(qū)街道中各種密集的、下規(guī)則的建筑物反射、繞射及阻擋,給數(shù)學(xué)模型預(yù)測帶來很大困難。因此。有一定精度的預(yù)測雖可起到指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)基站選點(diǎn)及布點(diǎn)的初步設(shè)什,但是通過數(shù)學(xué)模型預(yù)測與實(shí)際信號(hào)場強(qiáng)值總是存在差別。由于移動(dòng)環(huán)境的復(fù)雜性和多變性,要對(duì)接受信號(hào)中值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算是相當(dāng)困難的。無線通信工程上的做法是,在大量場強(qiáng)測試的基礎(chǔ)上,經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計(jì)處理,找出各種地形地物下的傳播損耗(或接受信號(hào)場強(qiáng))與距離、頻率以及天線高度的關(guān)系,給出傳播特性的各種圖表和計(jì)算公式,建立傳播預(yù)測模型,從而能用較簡單的方法預(yù)測接受信號(hào)的中值。
5.5 參考覆蓋標(biāo)準(zhǔn)
大城市繁華市區(qū)室內(nèi)覆蓋電平:-70dBm
一般市區(qū)室內(nèi)覆蓋電平:-80 dBm
市區(qū)室外覆蓋電平:-90 dBm
評(píng)論
查看更多