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-231Wslfisch-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3.2.1Okumura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（Amu）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Amu(f,d)值，并加入代表地物类型的修正因子。模型可表示为:AREAmbmuFGhGhGdfALdBL)()(),()(50（3.1）Okumura发现，mhmhhGmhhhGmhmhhGmmmmmmbbb310),3lg(20(3),3lg(10)(301000),200lg(20)()其中，L50(dB)为传播路径损耗值的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因子，GAREA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。中等起伏地上市区实际传播损耗（LT）应为自由空间的传播损耗(LF)加上基本中值Amu(f,d)（可查得）。即：),(__dfAFLTLmu（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(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。中等起伏地上市区实际传播损耗（LT）为：)()(),(mbFThghGdfAmuLL（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Kmr。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。Q0表示开阔地修正因子，Qr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Kh孤立山丘修正因子Kjs斜坡地形修正因子Ksp水陆混合路径修正因子Ks（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KT一般可写成sspjshrmrTKKKKQQKK0（3.4）根据实际的地形地物情况，KT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TTKLL（3.5）式中，)()(),(mbmuFThGhGdfALL3.2.2Okumura-Hata模型（1）概述Okumura-Hata模型在900MHzGSM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：terraincellteretecpCCdhhhfdBLlg)lg55.69.44()(lg82.13lg16.2655.69)(（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度与天线传播范围内的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(1.1lg0.7)(1.56lg0.8)(),8.29(lg1.54)1.1(),300MHz,3.2(lg1.75)4.97(),300MHz,mmmmfhfdBhhdBfhdBf中、小城市（）=大城市大城市（3.7）Ccell：小区类型校正因子，即20,2(lg/28)5.4(dB),4.78(lg)18.33lg40.98(dB),cellCfff城市郊区乡村（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：0102030405060708090100-20-1001020304050距离/km路径损耗/dBOkumura-Hata模型路径损耗中小城市大城市f=300MHz大城市f=300MHz郊区乡村图3-1Okumura-Hata模型（d=0:100km;f=450MHz;h_m=5m;c_t=0;）0102030405060708090100-30-20-1001020304050距离/km路径损耗/dBOkumura-Hata模型路径损耗中小城市大城市f=300MHz大城市f=300MHz郊区乡村图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。3.2.3COST-231Walfisch-Ikegami模型（1）COST-231Walfisch-Ikegami模型的基本原理COST-231Walfisch-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-231Walfisch-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hm为1—3米，距离d为0.02—5km。图3-3为COST-231Walfisch-Ikegami模型的示意图。hbΔhbhRoofwdbΔhmhm图3-3COST-231Walfisch-Ikegami模型的示意图COST-231Walfisch-Ikegami模型分视距传播（LOS）和非视距传播（NLOS）两种情况计算路径损耗。视距（LOS）传播路径损耗为fdLflog20log266.42（3.9）式中，Lf的单位为dB，f的单位为MHz，d的单位为km。在非视距传播中，总的路径损耗包括自由空间传播损耗（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）。其路径损耗msdrtsfsbLLLdBL)(（3.10）式中：Lfs为自由空间的路径损耗，其依赖于载波频率和距离，具体表达式为)(log20)(log2045.32)(MHzfkmddBLfs（3.11）从式（3.9）中可以得出：Lfs虽频率增加而增大，随距离的增加也增大。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对于基站、移动台连线的方位，具体表达式为：16.910log10log20log,0,0moriRoofmrtsrtswfhLhhLL（3.12）这里，mbmhhh式中，Lori是考虑到街道方向的实验修正值，且各项参数为100.345,0352.50.075(35),35554.00.114(35),5590oriL（3.13）从式（3.12）中可以得出：Lr