移动通信课程设计链路预算模型含源程序.docx

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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:

（3.1）

Okumura发现，

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：

（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：

（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

（3.4）

根据实际的地形地物情况，

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

（3.5）

式中，

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：

（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。

（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：

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

为1—3米，距离d为0.02—5km。

图3-3为COST-231Walfisch-Ikegami模型的示意图。

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

（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

（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

（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：

（3.12）

这里，

式中，Lori

是考虑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虽街道宽度增加而减少，虽建筑物增加而增大。

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

具体表达式为：

（3.14）

式中，Lbsh和Ka表示由于基站天线高度降低而增加的路径损耗；Kd和Kf为Lmsd与距离d和频率f相关的修正因子，与传播环境有关，各项参数的值为

（3.15）

（3.16）

（3.17）

（3.18）

从式（3.15）中得出：

Lbsh

虽建筑物间隔增大而减少；当基站天线高于屋顶（

）时，将导致54dB的损耗，当天线低于屋顶时将导致多余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，距离每增加10km,Lmsd增加18dB

；当基站天线低于屋顶（

）时，Lmsd

虽距离的增大而增加的更多。

（2）COST-231Walfisch-Ikegami模型仿真结果和分析

这里只考虑基站天线高于建筑物平均高度的情况，；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，建筑物的间隔b=40m，入射电波与街道走向之间的夹角90

建筑物高度hRoof

=15m。

以下就是仿真过程，仿真所用程序见附录，仿真得图形如图3-4所示：

图3-4COST-231Walfisch-Ikegami模型仿真图

在仿真之前规定了非视距传播（NLOS）适用条件和主要参数进行，设定了非视距传输的参数，分别对f=900MHz和f=1800MHz的非视距传播模型进行了仿真，对于视距模型只对f=900MHz这个频率进行了仿真。

从仿真结果可以得知，对于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势，很明显视距路径损耗要远远小于非视距损耗，这是在相同发射频率下。

对于非视距路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模型还增加了一个大城市中心衰减Cm，大城市中心地区路径损耗增加3dB。

COST231-Hata模型路径损耗Lp随着f，d的增加而增大，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，路径损耗Lp越大；f、d越小，

、

越大，路径损耗Lp越小。

COST231-Hata模型路径损耗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传播模型适合于长距离（1～200km）对1500～2000MHz频段进行预测。

它适合DCS1800（1800MHz数字蜂窝系统）、UMTS（通用移动通信系统）及GSM1800的宏蜂窝技术。

国内外的有关文献报道了TD-SCDMA系统应套用的传播模型，普遍认为应使用CSOT231-Hata传播模型，但由于CSOT231-Hata传播模型约适用于上限频率为2000MHz，与TD-SCDMA系统频段稍有差异，所以COST231-Hata模型为基础的TD-SCDMA传播模型在频率参数上需要进一步校正。

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为基准条件得到的。

COST231-Hata模型路径损耗计算的经验公式为：

（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出，也可以由用户指定。

（2）COST231-Hata模型仿真及结果分析

以下就是仿真过程，仿真所用程序见附录，仿真得图形如图3-5和3-6所示，图3-5为相同条件下不同区域的路径损耗，图3-6为同一区域不同条件下的路径损耗。

图4—5相同条件下不同区域的路径损耗

分别测试大城市、中小城市、郊区三个不同区域的无线环境路径传输损耗，大城市路径损耗最大，中小城市次之，郊区最小。

因为大城市高大建筑物巨多，行人及车辆复杂繁多，他们都会对信号的传播形成障碍，使得信号散射、反射、绕射的机会增多，程度加重，受多径衰落的影响严重；中小城市相对于大城市而言，其建筑物，行人及车辆都会少许多，无线传输环境的质量相对较好，路径损耗较低；而郊区多为空旷地带，无线信号多为视距传播，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路径损耗

同一区域（如大城市中），在载频（f）、基站天线高度（Hb）相同的情况下，随着移动台天线高度（Hm）的增高路径传输损耗减小；同一区域（如中小城市中），在载频（f）、移动台天线高度（Hb）相同的情况下，随着基站天线高度（Hb）的增高路径传输损耗减小；同一区域（如郊区），在基站天线高度（Hb）、移动台天线高度（Hm）相同的情况下，随着载频（f）的增加路径传输损耗增加。

所以，路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）的增加而增加。

3.2.5结论

由仿真条件可知COST-231Hata模型工作频段较小，Okumura-Hata模型和COST-231Walfisch-Ikegami模型工作频段较大，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建筑群区域，COST-231Walfisch-Ikegami模型用于低建筑群区域。

由仿真结果可以知道，对于经验模型，在其他条件不变的情况下，频率越高，传播过程中的损耗也就越大。

对于Okumura-Hata模型，中小城市和大城市在移动台高度、频率、基站高度一定的情况下，损耗基本上是相同的，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，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；对于COST-231模型，随着距离的增加，信道的衰减呈上升趋势。

衰减最大的是中小城市地区，然后是大城市地区，大城市和中小城市的衰减趋势较为接近，接下来是郊区地区，最后是农村地区，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模型还增加了一个大城市中心衰减因子CM；对于COST-231Walfisch-Ikegami模型，很明显视距路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经验模型，用于同层或不同层的传播路径损耗的预测。

由于该模型路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。

衰减因子模型灵活性很强，精度高。

其理论预测值与实际预测值得标准偏差为4dB。

而对数距离的偏差达13dB。

但衰减因子模型的误差比较大，常用于覆盖估计，工程中也常用实际模型测试来修正衰减因子。

对于同层传播的路径损耗表示为：

（3.23）

式中

表示同层路径损耗的指数值，对于不同类型的覆盖区域nsf有所不同，具体见表（3-1），FAF表示楼层衰减因子，在遇到障碍物时，可根据障碍的类型折算相应的损耗，表（3-2）列出了典型障碍物的FAF值。

表3-1nsf在各种不同区域下的取值

覆盖区域类型

路径损耗指数值

开阔区域

2.5

半开阔半封闭区域

3

全封闭区域

3.5

表3-2典型障碍物的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

对于目前WLAN来说，频段为2400MHZ;室内环境中近地距离取1米f取2400MHZ时的路径损耗为40dB；根据实际工程应用经验，大型建筑物楼层之间往往采用钢筋混凝土结构，对信号的屏蔽很强，一般只考虑信号对同层的覆盖，实际公式可省去FAF。

即：

（3.24）

Devasirvatham等人发现，室内路径损耗等于自由空间损耗加上附加损耗因子，且随距离成指数增长，对于多层建筑物，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建筑物的衰减因子在0.62和0.47dB/m之间变化。

而对二层建筑物在0.48和0.23dB/m之间变化。

表4—3衰减因子改进模型参数

建筑物类型

频率／MHZ

a

建筑物1（四层）

850

0.62

1700

0.57

4000

0.47

建筑物2（两层）

850

0.48

1700

0.35

4000

0.23

3.3.2Keenan-Motley模型

无线电波室内传播Keenan-Motley模型通过安装在室外的无线来接受从外界传来的无线信号，通过有线接口的转换并在有线路径上传输至室内接、收转换器，由室内接收转换器将有线信道传来的信号转化成适合在无线信道上传输的信息，并通过室内发射天线发射出去，并由移动台内的接收天线接收。

Keenan-Motley模型适用于900MHZ和2GHZ室内环境。

（3.26）

其中，Lr为路径损耗

；d是到天线的距离（m）；f是频率（MHz）;

k是直达波穿透的墙壁数；F是楼层衰减因子（dB）；P是直达波穿透的墙壁数；W是墙壁衰减因子（dB）；Ld是多经损耗因子（dB）；

把信道中传播的多径分量发生的传输损耗和与散射体发生碰撞产生的发射损耗分开时，多径分量的幅度增益可表示为：

，

>1（3.27）

其中，i表示多径传播中的一根射线在传播过程中经历的反射次数，（对于非视距传播情况下，则i≠0）；l表示经历了i次反射的第l条多径分量；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造成的路径损耗，用来表征第il条多径分量经过k次反射之后的能量损失，单位为dB。

是由于天线方向性等因素造成的能量损耗，单位也为dB。

δ（i）为Dirac-δ函数；

是第il条射线的路径长度，

>1是远场辐射条件的要求。

由于实际传播环境中反射的复杂性，

可以被建模为一个呈正态分布的随机变量，即

。

考虑了多径分量在传播过程中与散射体碰撞产生的反射损耗之后，利用电磁波传播的概率模型，在NLOS情况下，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，

，

分别是发射增益和接收增益，

是在连续情形下从原点出发，经过i次反射，最后到达位置（x，y）的随机射线的概率密度函数。

在二维平明中，我们主要研究Euclid距离度量下的连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，一般可以令

，k表示反射的次数。

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

，其中，a是网格的间隔，p是网格为空的概率。

不失一般性，我们可以将参数先设置为：

，

，经过严格的数学推导，可以得到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对数距离路径损耗模型

室内无线信道与传统的无线信道相比，具有两个显着的特点：

其一，室内覆盖面积小得多；其二；收发机间的传播环境变化更大。

研究表明，影响室内传播的因素主要是建筑物的布局，建筑材料和建筑类型等。

室内通道分