关于海面无线传播模型的探讨

1、文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持关于海面无线传播模型的探讨(2004-01-17 16:35:23)华为公司无线网络规划部何群 黄云鹏I.概述随着人们对移动通信业务的依赖，人们期望在不久的将来能够实现无论何时何地都可以快捷方便地与任何人通话。运营商也在从城市向农村甚至边远地区不断地拓展其业务范围。在过去，当无线业务主要集中在人口稠密区时，人们主要关心的是市区传播模型、郊区传播随着经济的发展，沿这些用户已经成为模型和开阔地传播模型，而对海面这种特殊的无线传播环境研究较少。海渔业、海上旅游业也迅速发展，尤其是渔民对移动通信的需求量很大，目前经典文献中认为海面无线信号的

2、传播可以看作自由空间传播， 面测试结果，证明自由空间传播模型并不适用于预测海面覆盖；而采用 加修正系数后也不能很好地适用海面传播环境。沿海城市运营商争夺的重点。但根据华为公司的海Okumura-Hata 模型本文在实测数据的基础上，结合二波模型并根据海面传播环境特点加以修正，拟合出了适合于海面覆盖预测的新的无线传播模型。该模型是在900MHz 频段上拟合出来的，对其它移动通信频段的覆盖预测也有借鉴意义。海面远距离覆盖需要结合双时隙小区技术。本文仅探讨海面这种特定环境下的传播模 型，双时隙小区技术请参考相关资料。A. 无线环境特点无线电波在海面传播时，传播路径主要是通过空气传播的直达波和经过海面

3、反射的反射波。对于在海面船只上的移动台，受海浪的影响，移动台的实际高度有较大起伏。而船只大小不同，也将使得移动台的使用高度发生变化。根据华为公司对福建漳州附近的调查，一般渔船驾驶舱高度为3 米左右，而客轮约为20 米左右。服务海面的基站通常选择在沿海山顶建塔，高度在50200 米之间不等。由于海面传播损耗很小，信号可以传播到很远的海面上。此时，地球不能再看作平面，而应把它看作球面，即地球曲率将对信号传播产生影响。另外处于传播路径上的岛屿、山、 巨轮也会对信号传播到来阴影效应。海面传播路径如下图所示。由于基站和移动台高度通常远小于传播距离，反射波的入射角和反射角很小，且相等。II. 海面传播模型

4、2001 年 11 月华为公司在东海进行了两次海面覆盖测试，根据对海面900MHz 信号测试数据的分析，提出了新的适合海面环境的传播模型。A. 第一次海面测试及数据分析第一次测试：福建漳州东海，基站位于海边山顶上，机柜顶输出功率80W， 20 米 5/4"馈线（加跳线、接头损耗约1dB）。基站天线海拔高度 200米，采用65度定向天线，增益18dBi ，倾角为0 度。对着大海的扇区方位角为80 °。测试手机位于渔船驾驶舱内，除驾驶舱玻璃外手机可以直视基站天线，手机海拔高度3 米， 沿基站天线主瓣方向行驶（可以忽略天线波瓣对辐射的影响）。测试时有较大海浪导致未完成全程测试，只

5、测试了距基站6公里 42 公里范围。首先以 1 公里为间隔进行样点平均，以消除海浪颠簸带来的数据波动，同时减少样点数。Pdn为（d-0.5, d+0.5）区间的采样点接收功率，N为采样区间内的样点总数。B. 第二次海面测试及数据分析第二次测试：与第一次测试为同一基站，各项参数未变。测试用船只为货轮，测试设备为 ANT ，始终在甲板上测试，甲板海拔高度约10 米。样点从距基站40 公里 90 公里。C. 海面传播模型的建立当基站的无线信号辐射到海面时会产生多个反射波，但能够被移动台接收到的一般只有一个反射波，其它反射波由于反射角不同被反射到其它区域。因此海面无线传播具有二波特征， 考虑到船体损耗

6、、地球曲率的影响，并根据实测数据进行修正，新的海面传播模型如下：其中，Lpath为海面传播路径损耗；Ht 为基站天线高度（单位：米）；Hr为移动台天线高度（单位：米）；l 为波长（单位：米）；d 为距离（单位：公里）L0为自由空间传播损耗；L boat 为船体穿透损耗；Learth 为超过视线距离后的地球曲率引起的绕射损耗；a 为修正系数。根据第一次测试数据拟合公式（11） , a取值为5dB, Lboat取值为10dB （不同类型的船 只损耗不同，上述测试过程中测试手机与基站间有船舱玻璃间隔）。没有超出视线距离时，Learth取值为0dB ,超过视线距离后，Learth见后续分析。采用上述模

7、型预测接收功率与两次 实测数据的对比及两者误差如下所示：新模型的预测误差除在刚开始测量的7 公里处误差近10dB 以外，其它样点上的误差均小于 5dB 以内，且两者的电平衰减趋势保持一致。第二次测试时在甲板上测试，修正系数仍然取a=5dB， 无船体穿透损耗。测试手机高度约 10 米，视线距离为71.3 公里（关于视线距离的定义和计算见下节）。从上图可以看出，在距基站直线距离5071 公里范围内，预测电平与实测电平误差很小（w 3dB）,因此上述拟合的模型在该范围可以比较准确地进行覆盖预测。超过 71 公里后，预测误差急剧升高，信号损耗较大。在2.4 节中，将分析具体原因。D.地球曲率对海面传播

8、的影响对于海面覆盖，基站通常假设于海边山顶，无线信号的传播距离很远。此时必须考虑地球曲率对海面传播的影响，而不能继续把海面视作平面。在计算远处传播损耗时应考虑到：电波在球面上传播时的扩散作用，导致接收电平的变化。视线距离的定义：由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线，视线所能到达的最远距离称为视线距离。根据球面几何原理，视线距离d0：其中，R0为地球半径（6370km）;Ht、 Hr 分别是发射和接收天线高度，单位：M 。由于空气的压力、温度、湿度随着高度而变化，所以介电常数er 也随高度而减小，并由于空气稀薄而逐渐趋于0。 使得电波在对流层中的传播轨迹不是直线而是沿地球曲率方向的曲线。即电

9、波在对流层中传播时出现折射，折射系数n= （er）1/2 。这种折射现象相当于地球半径增大，因此对地球半径乘一系数k。在标准大气压折射情况下 k = 4/3 。在标准大气折射下，修正公式为：将Ht=0.2km 与Hr=0.01km 带入公式中at算得出do=71.7km。由此验证了当手机与基站相距 71km 后，当移动台超出了基站的视线距离后，进入了阴影区。信号受到了绕射损耗 的颢响而衰落较大。E. 地球曲率引起的绕射损耗地球表面对信号传播产生绕射当移动台远离基站并超过视线距离后就进入了阴影区域,影响，此时接收电平将快速下降。但尽管如此，大多数情况下接收机仍可以工作。由于地球曲率的影响，因地球表面带来的绕射损耗的计算比经典的刃形绕射模型还要复杂。为便于计算简化成如下：其中，Pr：接收电平（dBm） ;