无线通信中电磁波传播损耗的影响因素分析

无线通信中电磁波传播损耗的影响因素分析

无线通信是一种具有低传输特性的信道。首先是信道的衰减大而且衰减的情况非常复杂,不仅有和距离有关的衰减而且还有阴影衰落和多径衰落;其次无线传播路径既存在直线传播路径,也存在由于建筑物、山脉的阻挡而反射和散射的传播路径等等,无线信道衰减的偶然性很难分析,相对移动速度也极大地影响衰落的程度。因而,无线移动信道的建模问题,一般是在经验传播模型的基础上,经过大量实地测量,采用统计的方法对经验传播模型进行修正。1电磁传播损耗特性在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时,无线电传播损耗是一个关键参数。无线电通信系统若不进行科学的频率指配和严格的系统设计与场强预测,会使系统之间产生严重干扰而不能正常工作。为了保证无线电通信用户的通信质量,确保无线电波发射的业务覆盖服务区和电波传播的可靠程度,必须仔细地计算从接收天线到发射天线之间的传播损耗。理论上讲,在自由空间无线电波的传播损耗大小与传播距离的平方及使用频率的平方成正比关系,但是在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时,还要考虑在传播路径上存在的各种影响,如高空电离层影响,高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等。因而电磁波具有反射、绕射、散射和波导传播等传播方式。在研究电磁波传播特性时,通常以数学表达式即所谓的数学模型来描述这些传播损耗特性。常用电磁波传播损耗模型有Okumura-Hata模型、Walfish-Ikegami模型、Lee模型等。无线电磁波传播模型通常是很复杂的,必须对不同的频段使用不同的电磁波传播模型,以预测发射台覆盖和传播场强。1.1覆盖面为移动台天线高度,见表3GSM900MHz主要采用CCIR推荐的OkumuraHata电波传播衰减计算模型。该模型是以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考,对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。不同地形上的基本传输损耗按下列公式分别预测。式中:f为工作频率(MHz);h1为基站天线高度(m);h2为移动台天线高度(m);d为移动台到基站的距离(km);a(h2)为移动台天线高度增益因子(dB),在中、小城市环境下,a(h2)=(1.1Igf-0.7)h2-1.56Igf+0.8;在大城市环境下,a(h2)=3.2[lg(11.75h2)]2-497。s(a)为市区建筑物密度修正因子(dB),a为建筑物密度。根据建筑物的密度,修正因子分别选取:在应用Okumura-Hata公式之前需要对覆盖区建筑特点进行认真分析,不能盲目运用,应根据具体情况选择合适的修正方法。如:对于农村,如果采用乡村模型预测结果将与实际结果差别较大。鉴于我国现阶段农村建筑物特点可以采用市区修正方法对农村覆盖进行预测。建筑物密度可通过下式计算获得:a=户数×150/村庄面积。1.2基本传输损耗GSM1800MHz主要采用欧洲电信科学技术研究会联合推荐的“Cost231-Walfish-Ikegami”电波传播衰减计算模式。该模式的特点是:从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。分视距和非视距两种情况:(1)视距情况基本传输损耗采用下式计算:(2)非视距情况基本传输损耗由三项组成:式中:L0为自由空间损耗;Lmsd是多重屏蔽的绕射损耗;Lrts,是屋顶至街道的绕射及散射损耗。无论采用哪一种模式预测无线覆盖范围,都只是基于理论和测试结果统计的近似计算。由于实际地理环境千差万别,很难用一种数学模型来精确地描述,特别是城区街道中各种密集的、无规则的建筑物反射、绕射及阻挡,给数学模型预测带来很大困难。因此,无线通信工程上的做法是,在大量场强测试的基础上,经过对数据的分析与统计处理,找出各种地形地物下的传播损耗(或接受信号场强)与距离、频率以及天线高度的关系,给出传播特性的各种图表和计算公式,建立传播预测模型,从而能用较简单的方法预测接受信号的中值。2cw测试原理根据抗衰落变化规律,信号在几十个波长的距离上经历较慢的随机变化,其统计规律服从对数正态分布。若在40个波长的空间距离上取平均数,就可以得到其均值包络,这个量通常称作本地均值,它和特定地点上的平均值相对应。模型校正的原理和方法就是通过CW连续波测试来获取特定长度上的本地均值,从而利用这些本地均值来对该区域的传播模型进行校正,得到本区域内信号传播的慢衰落变化特征。利用随机过程的理论分析,移动通信传播可以表示为:式中:x为距离;r(x)为接收信号;r0(x)为瑞利衰落;m(x)为本地均值,即长期衰落和空间传播损耗的合成,表示为式中,2l为平均采样区间长度,也称本征长度。根据著名的李建业定理,在移动通信中,当2l取40个波长,采样点为30～50时,能有效地达到消除快衰落、保留慢衰落的目的。因此,要求在传播模型的校正工作中,CW测试必须达到李氏定理所要求的测试密度,才能使得测试数据与实际本地均值之差最小。在传播模型的修正过程中要注意以下几点。2.1利用测试站位设置测试站服务区传播环境较为复杂,应尽可能选择服务区内具有代表性的传播环境,对不同的典型传播环境如密集城区、一般城区、农村、开阔地、道路等等,应分别设置测试站点,测试站点的天线最好比周围200m范围内的障碍物高出5m以上,对每一种典型环境最好有3个以上的测试站点,尽可能消除位置因素。2.2天线高度测试根据测试环境不同,可以采用全向天线进行测试,基站天线的有效高度可以在4～50m之间,移动台天线的高度一般在1～2m之间。测试时,要记录测试站点经纬度、天线高度、天线类型、馈线型号和损耗、发射功率、接收机增益、是否有人体和车内损耗及其损耗幅度等参数。条件允许,最好使用场强测试车,以防止干扰。2.3所测地的地面物。据第四,当地每次开始测试前要计划好测试路线,测试路线的选择应该保证能够得到不同距离、不同方向的测试数据,尽可能地要经过各种地形地物。测试路线直接关系到测试数据的准确性,测试可以采用2种方法:一种是走“8”字形的测试路线;另一种是走螺旋形的测试路线。在具体实践中,还要根据实际条件选择允许的测试路线。2.4地物覆盖和利用的数字地图。据分为以下四种数字地图是进行模型校正的必备工具,移动通信所用的数字地图包括地形高度、地面用途种类等对移动通信电波传播有影响的地理信息,该信息是规划软件进行模型校正、覆盖预测、干扰分析、频率规划的重要基础数据。数字地图包含以下内容:①数字高程模型(DEM数据)。按规定分辨率等间隔表示的地面高程数据,采用栅格数据结构。②地面覆盖模型(DOM数据)。按规定分辨率等间隔表示的地面覆盖类型,采用栅格数据结构。③线状地物模型(LDM数据)。以弧段坐标表示的线状地物平面位置,采用矢量数据结构。④建筑群空间分布模型(BDM数据)。描述建筑物的平面位置和高度数据,采用栅格数据结构或矢量数据结构。在上述四层数字地图中,DEM层、DOM层、LDM层是必须数据,BDM层一般只用于微蜂窝,在微蜂窝用量较大时才需要用到这层数据。数字地图的精度为100m、50m、20m、5m。5m精度的数字地图用于微蜂窝,20m用于城市,50和100m用于农村。用途最广的是20m精度数字地图,其地物数据包括块状地物,如内陆水域、海洋、湿地、乡村开阔地、市内公园、市区开阔地、绿地、林地、高层建筑群、一般建筑群、低矮建筑群、郊区村庄等。线状地物包括高速公路、国道线、主要道路、主要街道、一般街道、铁路、航道、机场跑道、水系边界线、河岸线、湖泊岸线、海岸线、行政区界等。地图的平面精度为20m,高于30m的建筑定义为高层建筑,15～30m的建筑定义为一般建筑,低于15m的建筑定义为低矮建筑。2.5测试车速的关系路测的原则是消除快衰落,保留慢衰落。在使用测试车的情况下,要考虑测试设备和测试车速的关系。例如,对2140MHz,波长为0.14m,为了满足李氏定理的要求,至少在每0.11m的距离内测试采样一次。如果测试设备的测试速度不够快就只能降低车的速度以满足测试要求。然而,降低车速会大大降低测试的效率。2.6离基地的测试数据考虑到接收机的接收灵敏度,需将接收灵敏度范围之外的数据过滤掉。在基站附近,接收功率主要受基站附近建筑物和街道走向的影响,因此离基站很近的测试数据不能用于修正传输模型。另外,在有效距离内,最好具有相似的单一人为环境,如密集城区环境或一般城区环境。2.7测试数据的定位在实践中由于GPS存在偏差,测试数据的显示并不总是在测试的路径上。因此,需要进行数据定位以消除地理偏差。2.8传播方向的信号强度电波传播测试一般在街道上进行,然而街道上存在“波导效应”,即平行于传播方向的信号强度比垂直于传播方向的信号强度高出10dB左右。因此,与道路相关的因素应该予以考虑,否则会导致修正后的传播模型整体偏大或偏小。3环境传播特性预测移动通信网络规划中,电磁波传播特性是其通信系统设计的依据。手机用户与基站之间通信是以电磁波传播的方式进行信息联系的,但由发射机发射的电磁波在到达接收机前要受到地形、建筑物、植物和移动体的影响,从而产生多径衰落和时延扩散等效应,这些效应会大大降低移动通信系统的通信质量,甚至出现通信中断。因此,在电磁波传播特性的研究中,基站站址的确定(以便在服务区内实现良好的电磁波传播覆盖)、基站天线高度的设计(以获得所期望的区域边界)以及天线设计等方面,都具有非常重要的作用。环