移動(dòng)通信系統(tǒng)中路徑損耗的研究

陳 杰 姚 娜

路徑損耗是移動(dòng)臺(tái)和基站之間由于距離而產(chǎn)生的平均損耗。傳播環(huán)境最重要的特性之一就是路徑(傳播)損耗［1］。在估計(jì)路徑的傳播損耗時(shí)，要考慮此地區(qū)的地形地貌，包括簡單的平原地形和多山多陵地區(qū)，同時(shí)還要考慮樹木、建筑物以及建筑物等因素的影響［2］。在移動(dòng)通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，常采用電波傳播損耗模型來估計(jì)無線路徑的傳播損耗。而傳播模型則是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與規(guī)劃的基礎(chǔ)，能有效地指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期的規(guī)劃，預(yù)測覆蓋需求，幫助運(yùn)營商更全面和直觀地了解網(wǎng)絡(luò)覆蓋現(xiàn)狀，使運(yùn)營商更加有效地將建設(shè)投資用在關(guān)鍵點(diǎn)上，從而達(dá)到預(yù)期的效果。對(duì)室外傳播預(yù)測問題的研究從六十年代初期開始就受到歐美、日本等各國研究人員的重視，并取得了許多研究成果，COST－231 HATA模型［3］就是其中之一。

1 經(jīng)典模型的優(yōu)化與分析

COST 231－HATA模型廣泛用于建筑物高度近似一致的郊區(qū)和城區(qū)環(huán)境，所以在中國的中小型城市和郊區(qū)有很普遍的實(shí)用性［4］。模型中使用的城市參數(shù)有效范圍是800 MHZ≤2 000 MHZ，4 m≤hB≤50 m，1 m≤hm≤3 m，0.02 Km≤d≤5 Km［3］。并且分為視距傳播和非視距傳播兩種情況近似計(jì)算路徑損耗［4］。

(1)視距傳播情況，在此模型中的路徑損耗為(2)非視距傳播情況，在此模型中的路徑損耗為L=L0++L1+L2(2)

式中，為自由空間損耗;為由沿屋頂下沿最近的衍射引起的衰落損耗:

式中，為接收機(jī)所在的街道寬度;為建筑物的平均高度;為接收天線的高度，

其中，為由街區(qū)軸線和連接發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線的夾角;為沿屋頂?shù)亩嘀匮苌?

上面各式中，為發(fā)射天線高度，為相鄰行建筑物中心距離。

之前國內(nèi)外對(duì)傳播預(yù)測模型的研究僅限于二維的研究，既考慮一個(gè)城市參數(shù)的情況下來研究路徑損耗的變化情況，本文在考慮兩個(gè)參數(shù)同時(shí)變化的情況下對(duì)COST 231－HATA模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖1中選取的仿真參數(shù)頻率的適用范圍800～2 000 MHz，基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離為0～6 km，其它參數(shù)參照COST 231－HATA模型參數(shù)。由圖可知，在收發(fā)天線一定的情況下，電波傳播路徑損耗隨著工作頻率增大而增大，隨著基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離的增加而增大。

圖2中選取的仿真參數(shù)頻率的適用范圍500～2 000 MHz，基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離為0～6 km，由圖可知，在非視距的情況下，電波傳播路徑損耗隨著基站與移動(dòng)臺(tái)之間距離的增加而增大，同時(shí)電波傳播的路徑損耗隨著頻率的增大也增加。其中大城市的路徑損耗最大，其次是中等城市和郊區(qū)。

圖3中選取的仿真參數(shù)工作頻率為500～2 000 MHz，基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離在50 m，發(fā)射天線的高度為35 m，接收天線的高度在1～10 m范圍之內(nèi)，相鄰行建筑物中心距離為50 m。設(shè)置兩個(gè)參數(shù)建筑物的高度分別為15 m和20 m的地區(qū)，15 m的為郊區(qū)和中等城市，20 m的為城市，然后進(jìn)行仿真。由圖可知在發(fā)射天線一定的情況下，電波傳播路徑損耗隨著接收天線高度的增加而減小，電波傳播路徑損耗隨著頻率的增加而增加。

2 阿克蘇與阿拉爾地區(qū)的模型仿真

通過勘測了解到阿拉爾地形屬于地勢(shì)平坦的郊區(qū)地帶，話務(wù)量主要集中在學(xué)校和一些密集的住宅區(qū)，而阿克蘇的地形屬于開闊的城市地區(qū)，存在用戶量大，話務(wù)量多的特點(diǎn)。所以阿克蘇地區(qū)適合于宏蜂窩基站，阿拉爾地區(qū)適合于微蜂窩基站。COST－231 HATA模型用于建筑物高度近似一致的郊區(qū)和城區(qū)環(huán)境，而阿克蘇和阿拉爾地區(qū)的建筑物高度一般都在五層左右(雖有高層，但數(shù)量不太多，對(duì)通信的影響可以忽略)，所以跟COST－231 HATA模型的環(huán)境類似。

通過調(diào)研，阿拉爾是小城鎮(zhèn)，建筑物的平均高度為15m，建筑物之間的距離約為50m;而阿克蘇屬于中等城市，建筑物的平均高度為25m，建筑物之間的距離為30m。根據(jù)上述的模型，對(duì)阿拉爾和阿克蘇地區(qū)進(jìn)行城市參數(shù)和路徑損耗關(guān)系的仿真。圖4給出的是兩個(gè)地區(qū)的移動(dòng)臺(tái)和基站間的距離和接收天線的高度同時(shí)變化的情況下的路徑損耗變化情況。

圖1 視距傳播中頻率和基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離與路徑損耗的關(guān)系

圖2 非視距傳播頻率和基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離與路徑損耗的關(guān)系

圖3 COST－231HATA模型非視距傳播中頻率和接收天線與路徑損耗的關(guān)系

圖4 阿拉爾與阿克蘇路徑損耗與接收天線高度和基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離關(guān)系圖

由圖4可知在頻率一定的情況下，阿克蘇地區(qū)的路徑損耗比阿拉爾地區(qū)的大，即中等城市的路徑損耗大，城鎮(zhèn)次之。同時(shí)電波傳播路徑損耗隨著收發(fā)天線之間的距離的增大而增加，隨著接收天線的高度的增加而減小。所以在設(shè)置基站參數(shù)時(shí)，在給定的環(huán)境下，收發(fā)天線之間的距離是越短越好，天線越高越好。

3 結(jié)束語

通過對(duì)模型的仿真優(yōu)化可以發(fā)現(xiàn)，視距的路徑損耗大于非視距路徑，大城市的路徑損耗大于中等城市和郊區(qū)，并且通過三維圖像同時(shí)反映了兩個(gè)參數(shù)對(duì)路徑損耗的影響。在文中也給出了同樣條件下的阿克蘇和阿拉爾的路徑損耗的仿真結(jié)果，阿克蘇由于城市大于阿拉爾并且人口密度和建筑物多，所以路徑損耗也要大出很多。

［1］ Xia H H.A Simplified Analytical Model for predicting Path Loss in Urban and Suburban Environments［J］.IEEE Trans.Veh.Technol.，1997，46(4):1040－1046.

［2］ 楊大成.移動(dòng)傳播環(huán)境理論基礎(chǔ)、分析方法和建模技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］ 韋惠民，李白萍.蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)［M］.西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［4］ 楊怡懷，申東婭，曹紅亮.An Improved Physical－Statistical Model［J］.云大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，28(3):58－61.