移动通信课程设计链路预算模型含源程序样本.docx
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1、3链路预算模型3.1概述移动通信系统性能重要受到无线信道特性制约。发射机与接受机之间传播途径普通分布有复杂地形地物,而电磁波在无线信道中传播受到反射、绕射、散射、多经传播等各种因素影响,其信道往往是非固定和不可预见。具备复杂时变电波传播特性,因而导致了信道分析和传播预测困难。影响无线信道最重要因素就是信号衰减。在无线通信系统中,电波传播经常在不规则地区。在预计预测途径损耗时,要考虑特定地区地形地貌,同步还要考虑树木、建筑物和其她遮挡物等因素影响。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传播损耗,这些模型目的是为了预测特定点或特定区域信号场强。惯用电波传播模型损耗分为宏蜂窝
2、模型和室内模型两大类。其中宏蜂窝模型中使用最广泛是Okumura模型,尚有建立在Okumura模型基本上其她模型,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,对数距离途径损耗模型等。下面就着重来讨论这些模型并对某些模型进行仿真分析。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。Okumu
3、ra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空间中值损耗(Amu)曲线。基站和移动台均使用自由垂直全方向天线,从测量成果得到这些曲线,并画成频率从100MHz到1920MHz曲线和距离从1km到100km曲线。使用Okumura模型拟定途径损耗,一方面拟定自由空间途径损耗,然后从曲线中读出Amu(f,d)值,并加入代表地物类型修正因子。模型可表达为: (3.1)Okumura发现, 其中,L50(dB)为传播途径损耗值50%(即中值),LF为自由空间传播损耗,Amu为自由空间中值损耗,G(hb)为基站天线高度增益因子,G(hm)为移动天线高度增益
4、因子,GAREA为环境类型增益。(注: 天线高度增益为严格高度函数,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。对许多状况,通过外推曲线来获得测试范畴以外值,但这中外推法对的性依赖于环境和曲线平滑性。 Okumura模型为成熟蜂窝和陆地移动无线系统途径预测提供最简朴和最精准解决方案。但这种模型重要缺陷是对城区和郊区迅速变化反映较慢。预测和测试途径损耗偏差为10dB到14dB。(2)中档起伏地上市区传播损耗中值在计算各种地形。地物上传播损耗是时,均以中档起伏地上市区传播损耗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Amu(f,d)曲线在基准天线高度
5、下测,即基站天线高度hb=200m,移动台天线高度hm=3m。中档起伏地上市区实际传播损耗(LT)应为自由空间传播损耗(LF)加上基本中值Amu(f,d)(可查得)。即: (3.2)如果基站天线高度h_b不是200m则损耗中值差别用基站天线高度增益因子G(hb)表达,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。中档起伏地上市区实际传播损耗(LT)为: (3.3)(3)郊区和开阔地传播损耗中值 郊区建筑物普通是分散、低矮,故电波传播条件优于市区。郊区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Kmr 。 开阔地传播条件优于市
6、区、郊区及准开阔地,相似条件下,开阔地上场强中值比市区高近20dB。Q0表达开阔地修正因子,Qr表达准开阔地修正因子。(4)不规则地形上传播损耗中值 实际传播环境中,如下某些地形需要考虑,用来修正传播损耗预测模型,其分析办法与前面类似。丘陵地修正因子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)任意地形地区传播损耗中值任意地形地区传播损耗修正因子KT普通可写成 (3.4)依照实际地形地物状况,KT修正因子可觉得其中某几项,别的为零。任意地形地区传播损耗中值 (3.5)式中, 3.2.2 Okumura-Hata模型(1)概述Okumura-Hata模型在900M
7、Hz GSM中得到广泛应用,合用于宏蜂窝途径损耗预测。该模型重要缺陷是对都市和郊区迅速变化反映快慢。预测和测试途径损耗偏差为10到14dB。Okumura-Hata模型是依照测试数据记录分析得出经验公式,应用频率在150MHz到1500MHz之间,并可扩展3000MHz;合用于社区半径不不大于1km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模型途径损耗计算经验公式为: (3.6)式中,fc(MHz)为工作频率; hte(m)为基站天线有效高度,定义为基站天线实际海拔高
8、度与天线传播范畴内平均地面海拔高度之差;hre(m)为终端有效天线高度,定义为终端天线高出地表高度; d(km):基站天线和终端天线之间水平距离;(hre) 为有效天线修正因子,是覆盖区大小函数,其数字与所处无线环境有关,参见如下公式。 (3.7)Ccell:社区类型校正因子,即 (3.8)Cterrain:地形校正因子,地形校正因子反映某些重要地形环境因素对途径损耗影响,如水域、树木、建筑等。合理地形校正因子可以通过传播模型测试和校正得到,也可以由顾客指定。(2)Okumura-Hata模型仿真Okumura-Hata模型是预测都市及周边地区途径损耗时使用最为广泛模型。它基于测试数据所作图表
9、,不提供任何分析解释。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模型则依照Okumura图表数据,经曲线拟合得出一组经验公式。它以市区途径传播损耗为基准,在此基本上对其她地区进行修正。实测中在基本拟定了设备功率、天线高度后,可运用Okumura-Hata模型对信号覆盖范畴做一种初步测算。损耗单位为dB。 如下就是仿真过程,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
10、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;)从仿真成果中可以看出,中小都市和大都市地形地物基本上差别不大,而移动台高度、频率、基站高度一定状况下,损耗曲线基本上是重叠;从仿真成果得知,在010km范畴中损耗急剧上升,10km之后信道衰减虽然也是随着距离增长也有增大趋势但相比之下,衰减更为平缓,从图中不难看出,在相似频率下中小都市和大都市衰减最为严重,郊区次之,农村衰减至少,这是由于在都市当中导致衰减因素更多。此外,在其她条件不变状况下,频率越大,衰减也就越大。O
11、kumura-Hata模型合用于大区制移动系统,但是不适合覆盖距离不到1km个人通信系统,Okumura-Hata模型基站天线高度高于其周边屋顶宏蜂窝系统,由于在宏蜂窝中,基站天线都安装在高于屋顶位置,传播途径损耗重要由移动台附近屋顶绕射和散射决定。Okumura-Hata模型建模不但为蜂窝移动和陆地无线信道传播损耗预测提供了以便实用可视化解决方案,并且解决了在无线信道建模中存在人机交互性差,对模型进行参数分析、综共计算及全过程演示困难问题。3.2.3 COST-231 Walfisch-Ikegami模型(1) COST-231 Walfisch-Ikegami模型基本原理COST-231
12、Walfisch-Ikegami模型广泛地用于建筑物高度近似一致郊区和城区环境,它可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播途径损耗预测,经常在移动通信系统(GSM/PCS/DECT/DCS)设计中使用。COST-231 Walfisch-Ikegami模型是基于Walfisch模型和Ikegami模型得到,该模型也考虑了自由空间途径损耗、散射损耗以及由建筑物边沿引起附加损耗,其使用范畴为频率f在800MHz之间,基站天线高度h为450米,移动台天线高度hm为13米,距离d为0.025km。图3-3为COST-231 Walfisch-Ikegami模型示意图。图3-3 COST-231 Walfisch-I
13、kegami模型示意图COST-231 Walfisch-Ikegami模型分视距传播(LOS)和非视距传播(NLOS)两种状况计算途径损耗。视距(LOS)传播途径损耗为 (3.9)式中,Lf单位为dB,单位为MHz,单位为km。在非视距传播中,总途径损耗涉及自由空间传播损耗(Lfs),屋顶至街道绕舌及散射损耗(Lrts),多重屏障绕射损耗(Lmsd)。其途径损耗 (3.10)式中:Lfs为自由空间途径损耗,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虽频率增长而增大,随距离增长也增大。Lrts为屋顶到街道绕射和散射损耗,其取决于频率、街道宽度、移动台高度
14、以及街道相对于基站、移动台连线方位,详细表达式为: (3.12)这里, 式中,Lori是考虑到街道方向实验修正值,且各项参数为 (3.13)从式(3.12)中可以得出:Lrts虽街道宽度增长而减少,虽建筑物增长而增大。Lmsd多重屏障绕射损耗依赖于建筑建距离、基站和移动台高度以及载波频率、基站高度和屋顶高度。详细表达式为: (3.14)式中,Lbsh和Ka表达由于基站天线高度减少而增长途径损耗;Kd和Kf为Lmsd与距离d和频率f有关修正因子,与传播环境关于,各项参数值为 (3.15) (3.16) (3.17) (3.18)从式(3.15)中得出:Lbsh虽建筑物间隔增大而减少;当基站天线高
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