移動通信系統中路徑損耗的研究

陳 杰 姚 娜

路徑損耗是移動臺和基站之間由于距離而產生的平均損耗。傳播環境最重要的特性之一就是路徑(傳播)損耗［1］。在估計路徑的傳播損耗時，要考慮此地區的地形地貌，包括簡單的平原地形和多山多陵地區，同時還要考慮樹木、建筑物以及建筑物等因素的影響［2］。在移動通信系統的工程設計中，常采用電波傳播損耗模型來估計無線路徑的傳播損耗。而傳播模型則是網絡建設與規劃的基礎，能有效地指導網絡建設初期的規劃，預測覆蓋需求，幫助運營商更全面和直觀地了解網絡覆蓋現狀，使運營商更加有效地將建設投資用在關鍵點上，從而達到預期的效果。對室外傳播預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 經典模型的優化與分析

COST 231－HATA模型廣泛用于建筑物高度近似一致的郊區和城區環境，所以在中國的中小型城市和郊區有很普遍的實用性［4］。模型中使用的城市參數有效范圍是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，為由街區軸線和連接發射機和接收機天線的夾角;為沿屋頂的多重衍射:

上面各式中，為發射天線高度，為相鄰行建筑物中心距離。

之前國內外對傳播預測模型的研究僅限于二維的研究，既考慮一個城市參數的情況下來研究路徑損耗的變化情況，本文在考慮兩個參數同時變化的情況下對COST 231－HATA模型進行優化。

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

圖2中選取的仿真參數頻率的適用范圍500～2 000 MHz，基站與移動臺之間的距離為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臺之間距離的增加而增大，同時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。

圖3中選取的仿真參數工作頻率為500～2 000 MHz，基站與移動臺之間的距離在50 m，發射天線的高度為35 m，接收天線的高度在1～10 m范圍之內，相鄰行建筑物中心距離為50 m。設置兩個參數建筑物的高度分別為15 m和20 m的地區，15 m的為郊區和中等城市，20 m的為城市，然后進行仿真。由圖可知在發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的模型仿真

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

通過調研，阿拉爾是小城鎮，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。根據上述的模型，對阿拉爾和阿克蘇地區進行城市參數和路徑損耗關系的仿真。圖4給出的是兩個地區的移動臺和基站間的距離和接收天線的高度同時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臺之間的距離與路徑損耗的關系

圖2 非視距傳播頻率和基站與移動臺之間的距離與路徑損耗的關系

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臺之間的距離關系圖

由圖4可知在頻率一定的情況下，阿克蘇地區的路徑損耗比阿拉爾地區的大，即中等城市的路徑損耗大，城鎮次之。同時電波傳播路徑損耗隨著收發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。所以在設置基站參數時，在給定的環境下，收發天線之間的距離是越短越好，天線越高越好。

3 結束語

通過對模型的仿真優化可以發現，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，并且通過三維圖像同時反映了兩個參數對路徑損耗的影響。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.移動傳播環境理論基礎、分析方法和建模技術［M］.機械工業出版社，2003.

［3］ 韋惠民，李白萍.蜂窩移動通信技術［M］.西安電子科技大學出版社，2002.

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