[組圖]第五講 鏈路及空間無線傳播損耗計(jì)算

5.1 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。圖5-01是一基站鏈路損耗計(jì)算，可作為參考。

圖5-01

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?jī)?chǔ)備為DNMS ，基站的惡化量?jī)?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

5.2 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(chǎng)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(guó)外測(cè)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(guó)的城市環(huán)境與國(guó)外有很大的不同，一般比國(guó)外同類名稱要高8---10dB。

對(duì)于1800MHz，雖然其波長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)比天線離開人體幾個(gè)波長(zhǎng)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。

5.3 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?？焖ヂ涫钳B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(zhǎng)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?？焖ヂ渫鶗?huì)降低話音質(zhì)量，所以要留快衰落的儲(chǔ)備。

圖5-02

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(jiǎn)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(chǎng)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，如圖5-03所示。

圖5-03

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(jiǎn)化，并且是從最簡(jiǎn)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(jiǎn)單的傳播模型。兩徑模型如圖5-04所示，應(yīng)用電磁場(chǎng)理論可以推出，傳輸損耗Lp的表達(dá)式為：Lp=20lg(d2/(h1*h2))

圖5-04

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(chǎng)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(cè)。

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(cè)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(cè)無線覆蓋范圍，只是基于理論和測(cè)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(cè)帶來很大困難。因此。有一定精度的預(yù)測(cè)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(cè)與實(shí)際信號(hào)場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)測(cè)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(chǎng)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(cè)模型，從而能用較簡(jiǎn)單的方法預(yù)測(cè)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
鄉(xiāng)村：-94 dBm

附件一：雙極化90°定向天線

附件二：全向天線