移动通信课程设计链路预算模型含源程序样本.docx

3链路预算模型3.1概述移动通信系统性能重要受到无线信道特性制约。发射机与接受机之间传播途径普通分布有复杂地形地物，而电磁波在无线信道中传播受到反射、绕射、散射、多经传播等各种因素影响，其信道往往是非固定和不可预见。具备复杂时变电波传播特性，因而导致了信道分析和传播预测困难。影响无线信道最重要因素就是信号衰减。在无线通信系统中，电波传播经常在不规则地区。在预计预测途径损耗时，要考虑特定地区地形地貌，同步还要考虑树木、建筑物和其她遮挡物等因素影响。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传播损耗，这些模型目的是为了预测特定点或特定区域信号场强。惯用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是Okumura模型，尚有建立在Okumura模型基本上其她模型，如Okumura-Hata模型，COST-231-Hata模型，COST-231 Wslfisch-Ikegami模型等；室内模型有衰减因子模型，Motley模型，对数距离途径损耗模型等。下面就着重来讨论这些模型并对某些模型进行仿真分析。3.2宏蜂窝模型3.2.1 Okumura模型（1）概述Okumura模型为预测城区信号时使用最广泛模型。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，从测量成果得到这些曲线，并画成频率从100MHz到1920MHz曲线和距离从1km到100km曲线。使用Okumura模型拟定途径损耗，一方面拟定自由空间途径损耗，然后从曲线中读出Amu(f,d)值，并加入代表地物类型修正因子。模型可表达为: （3.1）Okumura发现， 其中，L50(dB)为传播途径损耗值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为环境类型增益。（注： 天线高度增益为严格高度函数，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。对许多状况，通过外推曲线来获得测试范畴以外值，但这中外推法对的性依赖于环境和曲线平滑性。 Okumura模型为成熟蜂窝和陆地移动无线系统途径预测提供最简朴和最精准解决方案。但这种模型重要缺陷是对城区和郊区迅速变化反映较慢。预测和测试途径损耗偏差为10dB到14dB。（2）中档起伏地上市区传播损耗中值在计算各种地形。地物上传播损耗是时，均以中档起伏地上市区传播损耗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，即基站天线高度hb=200m，移动台天线高度hm=3m。中档起伏地上市区实际传播损耗（LT）应为自由空间传播损耗(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则损耗中值差别用基站天线高度增益因子G(hb)表达，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。中档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中值 郊区建筑物普通是分散、低矮，故电波传播条件优于市区。郊区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 。 开阔地传播条件优于市区、郊区及准开阔地，相似条件下，开阔地上场强中值比市区高近20dB。Q0表达开阔地修正因子，Qr表达准开阔地修正因子。（4）不规则地形上传播损耗中值 实际传播环境中，如下某些地形需要考虑，用来修正传播损耗预测模型，其分析办法与前面类似。丘陵地修正因子Kh孤立山丘修正因子Kjs斜坡地形修正因子Ksp水陆混合途径修正因子Ks（5）任意地形地区传播损耗中值任意地形地区传播损耗修正因子KT普通可写成 （3.4）依照实际地形地物状况，KT修正因子可觉得其中某几项，别的为零。任意地形地区传播损耗中值 （3.5）式中， 3.2.2 Okumura-Hata模型（1）概述Okumura-Hata模型在900MHz GSM中得到广泛应用，合用于宏蜂窝途径损耗预测。该模型重要缺陷是对都市和郊区迅速变化反映快慢。预测和测试途径损耗偏差为10到14dB。Okumura-Hata模型是依照测试数据记录分析得出经验公式，应用频率在150MHz到1500MHz之间，并可扩展3000MHz;合用于社区半径不不大于1km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模型途径损耗计算经验公式为： （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畴内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高度； d（km）：基站天线和终端天线之间水平距离；(hre) 为有效天线修正因子，是覆盖区大小函数，其数字与所处无线环境有关，参见如下公式。 （3.7）Ccell：社区类型校正因子，即 （3.8）Cterrain：地形校正因子，地形校正因子反映某些重要地形环境因素对途径损耗影响，如水域、树木、建筑等。合理地形校正因子可以通过传播模型测试和校正得到，也可以由顾客指定。（2）Okumura-Hata模型仿真Okumura-Hata模型是预测都市及周边地区途径损耗时使用最为广泛模型。它基于测试数据所作图表，不提供任何分析解释。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模型则依照Okumura图表数据，经曲线拟合得出一组经验公式。它以市区途径传播损耗为基准，在此基本上对其她地区进行修正。实测中在基本拟定了设备功率、天线高度后，可运用Okumura-Hata模型对信号覆盖范畴做一种初步测算。损耗单位为dB。 如下就是仿真过程，仿真所用程序见附录，仿真得图形如图3-1和3-2所示：图3-1 Okumura-Hata模型（d=0:100km；f=450MHz；h_m=5m;c_t=0;）图3-2 Okumura-Hata模型（d=0:100km；f=900MHz；h_m=5m;c_t=0;）从仿真成果中可以看出，中小都市和大都市地形地物基本上差别不大，而移动台高度、频率、基站高度一定状况下，损耗曲线基本上是重叠;从仿真成果得知，在010km范畴中损耗急剧上升，10km之后信道衰减虽然也是随着距离增长也有增大趋势但相比之下，衰减更为平缓，从图中不难看出，在相似频率下中小都市和大都市衰减最为严重，郊区次之，农村衰减至少，这是由于在都市当中导致衰减因素更多。此外，在其她条件不变状况下，频率越大，衰减也就越大。Okumura-Hata模型合用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不到1km个人通信系统，Okumura-Hata模型基站天线高度高于其周边屋顶宏蜂窝系统，由于在宏蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶位置，传播途径损耗重要由移动台附近屋顶绕射和散射决定。Okumura-Hata模型建模不但为蜂窝移动和陆地无线信道传播损耗预测提供了以便实用可视化解决方案，并且解决了在无线信道建模中存在人机交互性差，对模型进行参数分析、综共计算及全过程演示困难问题。3.2.3 COST-231 Walfisch-Ikegami模型（1） COST-231 Walfisch-Ikegami模型基本原理COST-231 Walfisch-Ikegami模型广泛地用于建筑物高度近似一致郊区和城区环境，它可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播途径损耗预测，经常在移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS）设计中使用。COST-231 Walfisch-Ikegami模型是基于Walfisch模型和Ikegami模型得到，该模型也考虑了自由空间途径损耗、散射损耗以及由建筑物边沿引起附加损耗，其使用范畴为频率f在800MHz之间，基站天线高度h为450米，移动台天线高度hm为13米，距离d为0.025km。图3-3为COST-231 Walfisch-Ikegami模型示意图。图3-3 COST-231 Walfisch-Ikegami模型示意图COST-231 Walfisch-Ikegami模型分视距传播（LOS）和非视距传播（NLOS）两种状况计算途径损耗。视距（LOS）传播途径损耗为 （3.9）式中，Lf单位为dB，单位为MHz，单位为km。在非视距传播中，总途径损耗涉及自由空间传播损耗（Lfs），屋顶至街道绕舌及散射损耗（Lrts），多重屏障绕射损耗（Lmsd）。其途径损耗 （3.10）式中：Lfs为自由空间途径损耗，其依赖于载波频率和距离，详细表达式为 （3.11）从式（3.9）中可以得出：Lfs虽频率增长而增大，随距离增长也增大。Lrts为屋顶到街道绕射和散射损耗，其取决于频率、街道宽度、移动台高度以及街道相对于基站、移动台连线方位，详细表达式为： （3.12）这里， 式中，Lori是考虑到街道方向实验修正值，且各项参数为 （3.13）从式（3.12）中可以得出：Lrts虽街道宽度增长而减少，虽建筑物增长而增大。Lmsd多重屏障绕射损耗依赖于建筑建距离、基站和移动台高度以及载波频率、基站高度和屋顶高度。详细表达式为： （3.14）式中，Lbsh和Ka表达由于基站天线高度减少而增长途径损耗；Kd和Kf为Lmsd与距离d和频率f有关修正因子，与传播环境关于，各项参数值为 （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损耗，当天线低于屋顶时将导致多余54dB损耗，此时当链路距离相称小（1 （3.27）其中，i表达多径传播中一根射线在传播过程中经历反射次数，（对于非视距传播状况下，则i0）；l表达经历了i 次反射第l条多径分量；k表达第il条射线第k次反射。，是载波波长。是由于对散射体反射而导致途径损耗，用来表征第il条多径分量通过k次反射之后能量损失，单位为dB。是由于天线方向性等因素导致能量损耗，单位也为dB 。（i）为Dirac-函数； 是第il条射线途径长度，1是远场辐射条件规定。由于实际传播环境中反射复杂性，可以被建模为一种呈正态分布随机变量，即。考虑了多径分量在传播过程中与散射体碰撞产生反射损耗之后，运用电磁波传播概率模型，在NLOS状况下，制定位置r处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受增益，是在持续情形下从原点出发，通过i次反射，最后到达位置（x，y）随机射线概率密度函数。在二维平明中，咱们重要研究Euclid距离度量下持续情形随机射线概率密度函数为： （3.29）式中为一种约束参数，普通可以令，k表达反射次数。是二维渗流网格中一种非常重要几种参数，定义为网格中非空格子之间平均距离，写为，其中，a是网格间隔，p是网格为空概率。不失普通性，咱们可以将参数先设立为：，通过严格数学推导，可以得到Euclid距离度量下随后网络信道中（x，y）处接受功率为： （3.30）其中C为常数，是初始损耗量，3.3.3对数距离途径损耗模型室内无线信道与老式无线信道相比，具备两个明显特点：其一，室内覆盖面积小得多；其二；收发机间传播环境变化更大。研究表白，影响室内传播因素重要是建筑物布局，建筑材料和建筑类型等。室内通道分为两种，一种是视线可及信道，另一种是受到不同限度阻隔通道。建筑物有许多不同间隔方式，它们实体和电气特性也差别很大，很难靠着通用模型来分析室内信道。下列方程式是运用对数距离途径损耗模型所得到室内信道实际途径损耗模型： (3.31)其中X是以分贝为单位零平均值高斯随机变量， 则是原则差。如果为固定装置，则可影响忽视不计。运用式(3.32)计算式（3.31）中距离途径损耗值，再将成果代入式（3.31）即可得到： (3.32) (3.33)n值不会随频率变化太多，但会受周边环境和建筑物类型影响。 建筑物内传播模型包括建筑物类型和障碍物影响。此模型不但有弹性，还能将途径损耗测量值与预测值间原则差减到4dB左右，赛过仅使用对数距离模型是13dB，式(3.34)衰减因子模型； (3.34)其中nSF代表同楼层测量时途径损耗指数，FAF则是 诸多研究表白，无论室内与室外，平均接受信号功率距离对数衰减。而室内途径损耗遵从公式： (3.35)其中，n为途径损耗指数，表白途径损耗随距离增长速率，它依赖于周边坏境和建筑物类型。d0为近地参照距离，pl（d0）为参照途径损耗，由测试决定，d为收发天线之间距离。标记原则偏差为正态随机变量，考虑环境杂乱因子。该模型可用于无线系统设计和分析过程中，对任意位置接受功率进行计算机仿真。3.4小结移动通信系统与固定通信系统基本区别在于信号传播特性不同，信号传播过程很难拟定，特别是在室内环境和室外环境中，移动通信信道在这些条件下复杂性使得无法推导出能预计任一点给定点上信号场强值模型。移动通信系统设计人员运用模型，要么就是记录和近似地反映真实环境，要么就是需要功能强大地计算机来进行计算，已获得更确切成果。如果要采用更为精准办法，则需要懂得传播环境详细、精准数据（如建筑物位置和尺寸、类型等）。因而，在系统设计阶段运用这些模型进行传播预测是非常重要，对蜂窝系统特别是这样。附录 Okumura-Hata模型源程序clc;clear all;disp(please input d= ?(0:100)d=input(d= );disp(please input f = ?(150:1500)f=input(f= );disp(please input h_m= ?(1:10)h_m=input(h_m= );disp(please input c_t=?)c_t=input( c_t= ) %地形校正因子，本程序中取为零l_p1=okumura_hata_mode(f,h_m,d,1,1,c_t)； %中小都市okumura_hata_model_p2=okumura_hata_mode(f,h_m,d,2,1,c_t)； %大都市（f=300MHz)okumura_hata_model_p4=okumura_hata_mode(f,h_m,d,2,2,c_t)； %郊区okumura_hata_model_p5=okumura_hata_mode(f,h_m,d,3,3,c_t)； %乡村okumura_hata_modeplot(d,l_p1,-r,d,l_p2,-r,d,l_p3,-r,d,l_p4,.,d,l_p5,.m);xlabel(距离 /km);ylabel(途径损耗 /dB);title(Okumura-Hata模型途径损耗);legend(中小都市,大都市f=300MHz,郊区,乡村,location,best) ;function l_p=okumura_hata_mode(f,h_m,d,q,p,c_t)if q=1&p=1 a=(1.1*log10(f)-0.7).*h_m-(1.56*log10(f)-0.8)； %中小都市，移动台天线高度修正因子 h_b=50; c=0；elseif q=2&p=1 a=8.29*(log10(1.54*h_m).2-1.1； %大都市（f300MHz)，移动台天线高度修正因子 h_b=50; c=0；end% if q=1&p=1% c=0； %都市，社区类型修正因子c% end if q=2&p=2 c=-2*(log10(f/28).2-5.4； %郊区，社区类型修正因子c a=(1.1*log10(f)-0.7).*h_m-(1.56*log10(f)-0.8); h_b=100;elseif q=3&p=3 c=-4.78*(log10(f).2-18.33*log10(f)-40.98； %乡村，社区类型修正因子c a=(1.1*log10(f)-0.7).*h_m-(1.56*log10(f)-0.8); h_b=100;endl_p=69.55+26.16*log10(f)-13.82*log10(h_b)-a+(44.9-6.55*log10(h_b)*log10(d)+c+c_t;附录COST-231 Walfisch-Ikegami模型源程序：clc;clear all;f=900;d=0.02:0.01:5;y=Walfish_Ikegami_LOS(900,d);d1=0.02:0.01:5;Model=1;Hm=1.5;Hb=30;w=20;b=40;Phi=90;Hroof=15;f1=900;f2=1800;y1=Walfish_Ikegami_NLOS(Model,f1,d1,Hm,Hb,Hroof,w,b,Phi);y2=Walfish_Ikegami_NLOS(Model,f2,d1,Hm,Hb,Hroof,w,b,Phi);plot(d,y,-b,d1,y1,-r,d1,y2,:k);xlabel(距离 /km);ylabel(途径损耗 /dB);title(COST-231-Walfish-Ikegami模型途径损耗);legend(视距途径损耗f=900MHz,视距途径损耗f=900MHz,视距途径损耗f=1800MHz,location,best) ;grid;%COST-231-Walfish-Ikegami视距模型function y=Walfish_Ikegami_LOS(f,d) y=42.6+26*log(d)+20*log(f);%COST-231-Walfish-Ikegami非视距模型function y=Walfish_Ikegami_NLOS(Model,f,d,Hm,Hb,Hroof,w,b,Phi)Lfs=32.45+20*log(d)+20*log(f);%自由空间损耗%-从屋顶到街道绕射和散射损耗if (Phi=0)&Phi=35&Phi=55&PhiHm Lrts=Lrts;else LrtsHroof Lbsh=-18*log(1+Hb-Hroof);else Lbsh=0;endif HbHroof ka=54;elseif Hb=0.5 ka=54-0.8*(Hb-Hroof); elseif Hb=Hroof&dHroof kd=18;else kd=18-15*(Hb-Hroof)/Hroof;endif Model=1 %-Model=1;中档规模都市和植被密度适中郊区中心 kf=-4+0.7*(f/925-1);elseif Model=2 %-Model=2;大都市中心 kf=-4+1.5*(f/925-1);endLmsd=Lbsh+ka+kf*log(f)+kd*log(d)-9*log(b);%多屏绕射损耗y=Lfs+Lrts+Lmsd;%非视距传播途径损耗附录COST-231 Hata 模型源程序：（不同区域相似工作条件）clear;f=1800;Hm=3;Hb=150;d=1:20;C_terrian=0;Cm=3； %大都市a_Hm=3.2*(log10(11.75*Hm)2-4.97;C_cell=0;Lp1=46.3+33.9*log10(f)-13.82*log10(Hb)-a_Hm+(44.9-6.55*log10(Hb)*log10(d)+C_cell+C_terrian+Cm；%大都市损耗；Cm=0； %中小都市a_Hm=(1.1*log10(f)-0.7)*Hm-(1.56*log10(f)-0.8);C_cell=0;Lp2=46.3+33.9*log10(f)-13.82*log10(Hb)-a_Hm+(44.9-6.55*log10(Hb)*log10(d)+C_cell+C_terrian+Cm；%中小都市损耗；Cm=0； %郊区a_Hm=3.2*(log10(11.75*Hm)2-4.97;C_cell=-2*(log10(f/28)2-5.4;Lp3=46.3+33.9*log10(f)-13.82*log10(Hb)-a_Hm+(44.9-6.55*log10(Hb)*log10(d)+C_cell+C_terrian+Cm；%郊区损耗；plot(d,Lp1,