移动通信课程设计链路预算模型.docx

移动通信课程设计链路预算模型.docx

《移动通信课程设计链路预算模型.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动通信课程设计链路预算模型.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

移动通信课程设计链路预算模型

移动通信课程设计—链路预算模型

3.1概述

移动通讯系统的功用主要遭到无线信道特性的制约。

发射机与接纳机之间的传达途径普通散布有复杂的地形地物，而电磁波在无线信道中传达遭到反射、绕射、散射、多经传达等多种要素的影响，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达特性，因此形成了信道剖析和传达预测的困难。

影响无线信道最主要的要素就是信号衰减。

在无线通讯系统中，电波传达经常在不规那么地域。

在估量预测途径损耗时，要思索特定地域的地形地貌，同时还要思索树木、修建物和其他遮挡物等要素的影响。

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

常用的电波传达模型损耗分为宏蜂窝模型和室内模型两大类。

其中宏蜂窝模型中运用最普遍的是Okumura模型，还有树立在Okumura模型基础上的其他模型，如Okumura-Hata模型，COST-231-Hata模型，COST-231Wslfisch-Ikegami模型等；室内模型有衰减因子模型，Motley模型，对数距离途径损耗模型等。

下面就着重来讨论这些模型并对局部模型停止仿真剖析。

3.2宏蜂窝模型

3.2.1Okumura模型

〔1〕概述

Okumura模型为预测城区信号时运用最普遍的模型。

运用频率在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〔Amu〕曲线。

基站和移动台均运用自在垂直全方向天线，从测量结果失掉这些曲线，并画成频率从100MHz到1920MHz的曲线和距离从1km到100km的曲线。

运用Okumura模型确定途径损耗，首先确定自在空间途径损耗，然后从曲线中读出Amu（f,d）值，并参与代表地物类型的修正因子。

模型可表示为:

〔3.1〕

Okumura发现，

其中，L50（dB）为传达途径损耗值的50%〔即中值〕，LF为自在空间传达损耗，Amu为自在空间中值损耗，G（hb）

为基站天线高度增益因子，G（hm）为移动天线高度增益因子，GAREA为环境类型的增益。

〔注：

天线高度增益为严厉的高度函数，与天线方式有关〕。

Okumura模型完全基于测试数据，不提供任何剖析解释。

对许多状况，经过外推曲线来取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途径预测提供最复杂和最准确的处置方案。

但这种模型的主要缺陷是对城区和郊区快速变化的反响较慢。

预测和测试的途径损耗偏向为10dB到14dB。

〔2〕中等坎坷地上郊区传达损耗的中值

在计算各种地形。

地物上的传达损耗是时，均以中等坎坷地上郊区传达损耗的中值或场强中值作为基准，因此将其称作基准中值或基本中值。

假设Amu（f,d）

曲线在基准天线高度下测的，即基站天线高度hb=200m，移动台天线高度hm=3m。

中等坎坷地上郊区实践传达损耗〔LT〕应为自在空间的传达损耗（LF）加上基本中值Amu（f,d）〔可查得〕。

即：

〔3.2〕

假设基站天线高度h_b不是200m那么损耗中值的差异用基站天线高度增益因子G（hb）

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（hm）

加以修正。

中等坎坷地上郊区实践传达损耗〔LT〕为：

〔3.3〕

〔3〕郊区和开阔地传达损耗的中值

郊区的修建物普通是分散的、低矮的，故电波传达条件优于郊区。

郊区的传达损耗中值比郊区传达损耗中值要小。

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Kmr。

开阔地的传达条件优于郊区、郊区及准开阔地，相反条件下，开阔地上的场强中值比郊区高近20dB。

Q0表示开阔地修正因子，Qr

表示准开阔地修正因子。

〔4〕不规那么地形上传达损耗的中值

实践的传达环境中，如下一些地形需求思索，用来修正传达损耗预测模型，其剖析方法与前面相似。

丘陵地的修正因子Kh

孤立山丘修正因子Kjs

斜坡地形修正因子Ksp

水陆混合途径修正因子Ks

〔5〕恣意地形地域的传达损耗的中值

恣意地形地域的传达损耗修正因子KT普通可写成

〔3.4〕

依据实践的地形地物状况，

修正因子可以为其中的某几项，其他为零。

恣意地形地域的传达损耗的中值

〔3.5〕

式中，

3.2.2Okumura-Hata模型

〔1〕概述

Okumura-Hata模型在900MHzGSM中失掉普遍运用，适用于宏蜂窝的途径损耗预测。

该模型的主要缺陷是对城市和郊区快速变化的反响快慢。

预测和测试的途径损耗偏向为10到14dB。

Okumura-Hata模型是依据测试数据统计剖析得出的阅历公式，运用频率在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模型途径损耗计算的阅历公式为：

〔3.6〕

式中，fc〔MHz〕为任务频率；hte〔m〕为基站天线有效高度，定义为基站天线实践海拔高度与天线传达范围内的平均空中海拔高度之差；hre〔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（hre）为有效天线修正因子，是掩盖区大小的函数，其数字与所处的无线环境相关，参见以下公式。

〔3.7〕

Ccell：

小区类型校正因子，即

〔3.8〕

Cterrain：

地形校正因子，地形校正因子反映一些重要的地形环境要素对途径损耗的影响，如水域、树木、修建等。

合理的地形校正因子可以经过传达模型的测试和校正失掉，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域途径损耗时运用最为普遍的模型。

它基于测试数据所作的图表,不提供任何的剖析解释。

任务频率在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模型那么依据Okumura图表数据,经曲线拟合得出一组阅历公式。

它以郊区途径传达损耗为基准,在此基础上对其他地域停止修正。

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

损耗单位为dB。

以下就是仿真进程，仿真所用顺序见附录，仿真得图形如图3-1和3-2所示：

图3-1Okumura-Hata模型〔d=0:

100km;f=450MHz;h_m=5m;c_t=0;〕

图3-2Okumura-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异不大，而移动台高度、频率、基站高度一定的状况下，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添加也有增大的趋向但相比之下，衰减更为陡峭，从图中不美观出，在相反的频率下中小城市和大城市的衰减最为严重，郊区次之，乡村的衰减最少，这是由于在城市当中形成衰减的要素更多。

此外，在其他条件不变的状况下，频率越大，衰减也就越大。

Okumura-Hata模型适用于大区制移动系统，但是不适宜掩盖距离不到1km的团体通讯系统，Okumura-Hata模型基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，由于在宏蜂窝中，基站天线都装置在高于屋顶的位置，传达途径损耗主要由移动台左近的屋顶绕射和散射决议。

Okumura-Hata模型的建模不只为蜂窝移动和陆地无线信道传达损耗的预测提供了方便适用的可视化处置方案,而且处置了在无线信道建模中存在的人机交互性差,对模型停止参数剖析、综算计算及全进程演示困难的效果。

3.2.3COST-231Walfisch-Ikegami模型

〔1〕COST-231Walfisch-Ikegami模型的基本原理

COST-231Walfisch-Ikegami模型普遍地用于修建物高度近似分歧的郊区和城区环境，它可用于宏蜂窝及微蜂窝作传达途径损耗预测，经常在移动通讯的系统〔GSM/PCS/DECT/DCS〕的设计中运用。

COST-231Walfisch-Ikegami模型是基于Walfisch模型和Ikegami模型失掉的，该模型也思索了自在空间的途径损耗、散射损耗以及由修建物边缘惹起的附加损耗，其运用范围为频率f在800—2000MHz之间，基站天线高度h为4—50米，移动台天线高度

为1—3米，距离d为0.02—5km。

图3-3为COST-231Walfisch-Ikegami模型的表示图。

图3-3COST-231Walfisch-Ikegami模型的表示图

COST-231Walfisch-Ikegami模型分视距传达〔LOS〕和非视距传达〔NLOS〕两种状况计算途径损耗。

视距〔LOS〕传达途径损耗为

〔3.9〕

式中，Lf的单位为dB，

的单位为MHz，

的单位为km。

在非视距传达中，总的途径损耗包括自在空间传达损耗〔Lfs〕，屋顶至街道的绕舌及散射损耗〔Lrts〕，多重屏障的绕射损耗〔Lmsd〕。

其途径损耗

〔3.10〕

式中：

Lfs为自在空间的途径损耗，其依赖于载波频率和距离，详细表达式为

〔3.11〕

从式〔3.9〕中可以得出：

Lfs虽频率添加而增大，随距离的添加也增大。

Lrts为屋顶到街道的绕射和散射损耗，其取决于频率、街道宽度、移动台的高度以及街道相关于基站、移动台连线的方位，详细表达式为：

〔3.12〕

这里，

式中，Lori

是思索到街道方向的实验修正值，且各项参数为

〔3.13〕

从式〔3.12〕中可以得出：

Lrts虽街道宽度添加而增加，虽修建物添加而增大。

Lmsd多重屏障的绕射损耗依赖于修建建的距离、基站和移动台的高度以及载波频率、基站高度和屋顶高度。

详细表达式为：

〔3.14〕

式中，Lbsh和Ka表示由于基站天线高度降低而添加的途径损耗；Kd和Kf为Lmsd与距离d和频率f相关的修正因子，与传达环境有关，各项参数的值为

〔3.15〕

〔3.16〕

〔3.17〕

〔3.18〕

从式〔3.15〕中得出：

Lbsh

虽修建物距离增大而增加；当基站天线高于屋顶〔

〕时，将招致54dB的损耗，当天线低于屋顶时将招致多余54dB的损耗，此时当链路距离相当小〔<500m〕时，超出54dB的损耗数会减小；当基站天线高于屋顶〔

〕时，距离每添加10km,Lmsd添加18dB

；当基站天线低于屋顶〔

〕时，Lmsd

虽距离的增大而添加的更多。

〔2〕COST-231Walfisch-Ikegami模型仿真结果和剖析

这里只思索基站天线高于修建物平均高度的状况，；另外设移动台位于街道中央，并选取f=900MHz和1800MHz，基站天线高度hb=30m，街道宽度w=20m

。

移动台天线高度hm

=1.5m，修建物的距离b=40m，入射电波与街道走向之间的夹角90

修建物高度hRoof

=15m。

以下就是仿真进程，仿真所用顺序见附录，仿真得图形如图3-4所示：

图3-4COST-231Walfisch-Ikegami模型仿真图

在仿真之前规则了非视距传达（NLOS）适用条件和主要参数停止，设定了非视距传输的参数，区分对f=900MHz和f=1800MHz的非视距传达模型停止了仿真，关于视距模型只对f=900MHz这个频率停止了仿真。

从仿真结果可以得知，关于COST-231Walfisch-Ikegami模型在0—0.5km范围内大幅度衰减，在0.5km之后缓慢衰减切成上升趋向，很清楚视距途径损耗要远远小于非视距损耗，这是在相反发射频率下。

关于非视距途径损耗在不同发射频率下，也是频率越高，意味着损耗也就越大。

3.2.4COST-231Hata模型

〔1〕COST-231Hata模型的基本原理

COST-231Hata模型和Okumura-Hata模型主要的区别是频率衰减的系数不同，其中频率衰减因子为33.9，Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16另外COST-231Hata模型还添加了一个大城市中心衰减Cm，大城市中心肠区途径损耗添加3dB。

COST231-Hata模型途径损耗Lp随着f，d的添加而增大，随着hb，hm的增大而减小，所以在给定的范围内，f、d越大，hb、hm越小，途径损耗Lp越大；f、d越小，

、

越大，途径损耗Lp越小。

COST231-Hata模型途径损耗Lp在不同的环境中有所不同，在大城市，中小城市，郊区，乡村的损耗依次减小。

COST231-Hata传达模型适宜于长距离〔1～200km〕对1500～2000MHz频段停止预测。

它适宜DCS1800〔1800MHz数字蜂窝系统〕、UMTS〔通用移动通讯系统〕及GSM1800的宏蜂窝技术。

国际外的有关文献报道了TD-SCDMA系统应套用的传达模型，普遍以为应运用CSOT231-Hata传达模型，但由于CSOT231-Hata传达模型约适用于下限频率为2000MHz，与TD-SCDMA系统频段稍有差异，所以COST231-Hata模型为基础的TD-SCDMA传达模型在频率参数上需求进一步校正。

COST-231Hata模型是以载频1500MHz≤f≤200MHz，基站天线高度30m≤Hb≤200m,移动台天线高度1m≤Hm≤10m，基站和移动台间的距离1km≤d≤20km为基准条件失掉的。

COST231-Hata模型途径损耗计算的阅历公式为：

〔3.19〕

式中，

为移动台天线高度修正因子，由下式给出：

即

〔3.20〕

为小区类型校正因子，由下式给出：

即

〔3.21〕

为大城市中心校正因子，由下式给出：

即

〔3.22〕

式中：

f为载频，

为基站天线高度，

为移动台天线高度，d为基站和移动台间的距离，

为地形校正因子，反映了一些重要的地形环境要素对途径损耗的影响，如水域、树木、修建等。

合理的地形校正因子可以经过传达模型的测试和校正得出，也可以由用户指定。

〔2〕COST231-Hata模型仿真及结果剖析

以下就是仿真进程，仿真所用顺序见附录，仿真得图形如图3-5和3-6所示，图3-5为相反条件下不同区域的途径损耗，图3-6为同一区域不同条件下的途径损耗。

图4—5相反条件下不同区域的途径损耗

区分测试大城市、中小城市、郊区三个不同区域的无线环境途径传输损耗，大城市途径损耗最大，中小城市次之，郊区最小。

由于大城市矮小修建物巨多，行人及车辆复杂单一，他们都会对信号的传达构成阻碍，使得信号散射、反射、绕射的时机增多，水平减轻，受多径衰落的影响严重；中小城市相关于大城市而言，其修建物，行人及车辆都会少许多，无线传输环境的质量相对较好，途径损耗较低；而郊区多为空旷地带，无线信号多为视距传达，受多径衰落影响最小，主要为大尺度衰落。

图4—5同一区域不同条件下的途径损耗

同一区域〔如大城市中〕，在载频〔f〕、基站天线高度〔Hb〕相反的状况下，随着移动台天线高度〔Hm〕的增高途径传输损耗减小；同一区域〔如中小城市中〕，在载频〔f〕、移动台天线高度〔Hb〕相反的状况下，随着基站天线高度〔Hb〕的增高途径传输损耗减小；同一区域〔如郊区〕，在基站天线高度〔Hb〕、移动台天线高度〔Hm〕相反的状况下，随着载频〔f〕的添加途径传输损耗添加。

所以，途径传输损耗随着基站天线高度〔Hb〕和移动台天线高度〔Hm〕的增高而减小，随着载频〔f〕和传输距离〔d〕的添加而添加。

3.2.5结论

由仿真条件可知COST-231Hata模型任务频段较小，Okumura-Hata模型和COST-231Walfisch-Ikegami模型任务频段较大，Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型作用距离较长，而COST-231Walfisch-Ikegami模型作用距离较短，Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型可以用于宏蜂窝，而COST-231Walfisch-Ikegami模型可以用于微蜂窝，Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型基站天线高度和移动台天线高度范围较大，COST-231Walfisch-Ikegami模型范围较小，Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型可以用于城市等高修建群区域，COST-231Walfisch-Ikegami模型用于低修建群区域。

由仿真结果可以知道，关于阅历模型，在其他条件不变的状况下，频率越高，传达进程中的损耗也就越大。

关于Okumura-Hata模型，中小城市和大城市在移动台高度、频率、基站高度一定的状况下，损耗基本上是相反的，在相反的频率下中小城市和大城市的衰减最为严重，郊区次之，乡村的衰减最少，Okumura-Hata模型适用于大区制移动系统，但是不适宜掩盖距离不到1km的团体通讯系统，Okumura-Hata模型基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，由于在宏蜂窝中，基站天线都装置在高于屋顶的位置，传达途径损耗主要由移动台左近的屋顶绕射和散射决议；关于COST-231模型，随着距离的添加，信道的衰减呈上升趋向。

衰减最大的是中小城市地域，然后是大城市地域，大城市和中小城市的衰减趋向较为接近，接上去是郊区地域，最后是乡村地域，COST-231模型和Okumura-Hata模型主要的区别在于频率衰减系数的不同。

COST-231Hata模型的频率衰减因子为33.9，而Okumura-Hata模型的频率衰减因子为24.16。

另外，COST-231模型还添加了一个大城市中心衰减因子CM；关于COST-231Walfisch-Ikegami模型，很清楚视距途径损耗要远远小于非视距损耗。

3.3室内模型

3.3.1衰减因子模型

衰减因子模型为室内阅历模型，用于同层或不同层的传达途径损耗的预测。

由于该模型途径损耗线性地取决于收发天线之间距离对数，因此也把该模型称为单斜率模型。

衰减因子模型灵敏性很强，精度高。

其实际预测值与实践预测值得规范偏向为4dB。

而对数距离的偏向达13dB。

但衰减因子模型的误差比拟大，常用于掩盖估量，工程中也常用实践模型测试来修正衰减因子。

关于同层传达的途径损耗表示为：

〔3.23〕

式中

表示同层途径损耗的指数值，关于不同类型的掩盖区域nsf有所不同，详细见表〔3-1〕，FAF表示楼层衰减因子，在遇到阻碍物时，可依据阻碍的类型折算相应的损耗，表〔3-2〕列出了典型阻碍物的FAF值。

表3-1nsf在各种不同区域下的取值

掩盖区域类型

途径损耗指数值

开阔区域

2.5

半开阔半封锁区域

3

全封锁区域

3.5

表3-2典型阻碍物的FAF参考值

玻璃墙〔dB〕

普通砖墙〔dB〕

钢筋混凝土墙〔dB〕

金属、隔音墙〔dB〕

2—3

8—10

15—18

25以上

关于目前WLAN来说，频段为2400MHZ;室内环境中近地距离取1米f取2400MHZ时的途径损耗为40dB；依据实践工程运用阅历，大型修建物楼层之间往往采用钢筋混凝土结构，对信号的屏蔽很强，普通只思索信号对同层的掩盖，实践公式可省去FAF。

即：

〔3.24〕

Devasirvatham等人发现，室内途径损耗等于自在空间损耗加上附加损耗因子，且随距离成指数增长，关于多层修建物，公式〔3.23〕可以改为：

〔3.25〕

其中，

为信道的衰减常数，为频率的函数，单位是dB/m。

Devasirvatham等对模型提出修正，在850，1700和4000MHZ所得的实验值表示对四层修建物的衰减因子在0.62和0.47dB/m之间变化。

而对二层修建物在0.48和0.23dB/m之间变化。

表4—3衰减因子改良模型参数

修建物类型

频率／MHZ

a

修建物1〔四层〕

850

0.62

1700

0.57

4000

0.47

修建物2〔两层〕

850

0.48

1700

0.35

4000

0.23

3.3.2Keenan-Motley模型

无线电波室内传达Keenan-Motley模型经过装置在室外的无线来接受从外界传来的无线信号，经过有线接口的转换并在有线途径上传输至室内接、收转换器，由室内接纳转换器将有线信道传来的信号转化成适宜在无线信道上传输的信息，并经过室内发射天线发射出去，并由移动台内的接纳天线接纳。

Keenan-Motley模型适用于900MHZ和2GHZ室内环境。

〔3.26〕

其中，Lr为途径损耗

；d是到天线的距离〔m〕；f是频率〔MHz）;

k是中转波穿透的墙壁数；F是楼层衰减因子〔dB）；P是中转波穿透的墙壁数；W是墙壁衰减因子〔dB〕；Ld是多经损耗因子〔dB）；

把信道中传达的多径重量发作的传输损耗和与散射体发作碰撞发生的发射损耗分开时，多径重量的幅度增益可表示为：

，

>1〔3.27〕

其中，i表示多径传达中的一根射线在传达进程中阅历的反射次数，〔关于非视距传达状况下，那么i≠0〕；l表示阅历了i次反射的第l条多径重量；k表示第il条射线的第k次反射。

，λ是载波的波长。

是由于对散射体的反射而形成的途径损耗，用来表征第il条多径重量经过k次反射之后的能量损失，单位为dB。

是由于天线方向性等要素形成的能量损耗，单位也为dB。

δ〔i〕为Dirac-δ函数；

是第il条射线的途径长度，

>1是远场辐射条件的要求。

由于实践传达环境中反射的复杂性，

可以被建模为一个呈正态散布的随机变量，即

。

思索了多径重量在传达进程中与散射体碰撞发生的反射损耗之后，应用电磁波传达的概率模型，在NLOS状况下，制定位置r处的接受功率可以计算如下：

〔3.28〕

式中

是发射功率，

，

区分是发射增益和接纳增益，

是在延续情形下从原点动身，经过i次反射，最后抵达位置〔x，y〕的随机射线的概率密度函数。

在二维平明中，我们主要研讨Euclid距离度量下的延续情形随机射线的概率密度函数为：

〔3.29〕

式中

为一个约束参数，普通可以令

，k表示反射的次数。

是二维渗流网格中一个十分重要的几个参数，定义为网格中非空格子之间的平均距离，写为

，其中，a是网格的距离，p是网格为空的概率。

不失普通性，我们可以将参数先设置为：

，

，经过严厉的数学推导，可以失掉Euclid距离度量下的随即网络信道中〔x,y〕处的接受功率为：

〔3.30〕

其中C为常数，是初始损耗量，

，

3.3.3对数距离途径损耗模型

室内无线信道与传统的无线信道相比，具有两个清楚的特点：

其一，室内掩盖面积小得多；其二；收发机间的传达环境变化更大。

研讨说明，影响室内传达的要素主要是修建物的规划，修建资料和修