手機電視信號傳輸損耗性能分析

黎　鵬,郭　嘉,丁洪偉 ,張國平,楊俊東,楊　永

(1.云南大學 信息學院，云南 昆明 650091；

2.云南省新聞出版廣電局，云南 昆明 650031)

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手機電視信號傳輸損耗性能分析

黎鵬1,郭嘉2,丁洪偉1,張國平1,楊俊東1,楊永1

(1.云南大學 信息學院，云南 昆明 650091；

2.云南省新聞出版廣電局，云南 昆明 650031)

摘要：選用Cost 231-Walfisch-Ikegami模型對手機無線信號傳輸模型進行了簡化，通過仿真，分析了手機電視信號在直通視距和非直通視距下傳輸損耗的特點。在直通視距情況下，傳播路徑損耗隨電波頻率增加而增大，在非直通視距情況下，損耗隨著基站高度增加而增大。接著給出了在非直通視距情況下，街道寬度和天線高度對損耗的影響，街道越窄衰減越大，發射天線高度越低衰減越大，指導了實際工程應用。

關鍵詞：手機電視信號；信道衰落；損耗；Cost 231-Walfisch-Ikegami模型

0引言

作為一種新興媒體，手機電視在帶給人們方便的同時，也對信號質量提出了更高的要求。手機電視信號在傳播過程中，會產生衰落并受到噪聲干擾，從而導致信號功率衰減和誤碼增加[1]。前人在大量經驗的基礎上總結出了Cost 231-Walfisch-Ikegami模型[2]，本文在此模型為基礎，用MATLAB對手機電視信號傳輸系統進行仿真，以降低信號損耗為出發點，仿真出直通視距和非直通視距對信號衰落的影響，給出了電波頻率和基站高度對損耗的影響，并結合無線信號傳輸模型，分析了非直通視距損耗與街道寬度和天線高度的關系[3]，對實際工程起到了定向指導的作用。

1Cost 231-Walfisch-Ikegami模型

Cost 231-Walfisch-Ikegami模型主要應用在市區內信號傳輸時路徑損耗的預測，這種損耗與建筑物高度、街道寬度以及建筑物之間的距離有關[4]，是經驗模型和理論模型的一種結合，主要用于800～2 000 MHz的頻段[5]。在實際應用中存在2種情況：一種是基站與接收端存在直通視距(LOS)的情況；另一種是基站與接收端不存在直通視距(NLOS)的情況。

① 如果基站與接收端存在直通視距(LOS)，信號路徑損耗L(dB)[6]：

L=42.6+26lgd(km)+20lgf(MHz),20m≤d≤5km，

(1)

式中,d(km)為傳播距離，f(MHz)為載波頻率。

② 如果基站與接收端不存在直通視距(NLOS)，信號路徑損耗L(dB)[7]：

L=L0+Lrts+Lmsd,20m≤d≤5km，

(2)

式中，L0表示自由空間傳播損耗；Lrts表示房頂到街道的散射和繞射損耗；Lmsd表示多屏繞射損耗。

③ 不存在(非)直通視距的Cost 231-Walfisch-Ikegami模型簡化[8]

假設基站天線高度比房屋平均高度要高，即Δhb>0(這是因為基站天線一般安裝在較高建筑物頂層)，則非直通視距(NLOS)路徑損耗L(dB)可簡化為：

(3)

式中，d是通信距離(km)，f是載波頻率(MHz)，Lori是街道取向因子。

2模型仿真及結果分析

根據式(1)和式(2)模型，設置參數：f=900 MHz,基站發射功率Pt=10 dBw,基站發射天線增益Gt=12 dBd,發送端的插入損耗Li=0 dB,發送端的饋線損耗L1=3 dB,建立Matlab仿真[9]，可得到適合小區手機電視信號傳輸的直視和非直視信號衰減仿真結果如圖1和圖2所示。

圖1表示在建筑物間距離為b=36 m的情況下，電波傳播模型路徑損耗在不同頻率下隨距離的變化曲線。從仿真圖上可以看出，在其他條件一定的情況下，電波傳播路徑損耗隨著電波的頻率增加而增大。例如，當距離d=1 100 m，頻率f=100 MHz時的路徑損耗為81 dB，而f=1 000 MHz時的路徑損耗為102 dB。同時，電波傳播路徑損耗隨著傳播距離的增大而變大。例如，當f=100 MHz時，d=900 m的路徑損耗為79.5 dB，而d=2 100 m的路徑損耗達到了88.5 dB。

圖2表示在非直通視距傳播的情況下，電波傳播模型路徑損耗在不同載波頻率時，其隨著傳輸距離變化的曲線。取hb=20 m,b=50 m,w=20 m,hm=1.5 m,設置不同的h值(即基站高度取不同的值)，運行仿真。從仿真圖上可以看出，在其他條件一定的情況下，電波傳播路徑損耗隨著電波的基站高度的增加而增大。例如，當距離d=1 000 m時，載波頻率f=1 000 MHz時的路徑損耗為137.3 dB，而d=500 m時的路徑損耗只是125.9 dB。這說明隨著信號傳輸距離的增加，信號傳播路徑損耗不斷增大。這是比較容易理解的，因為隨著傳輸距離的增加，接收端與發射端的距離隨著增加，必然會引起路徑損耗的增加，同時電波傳播路徑損耗隨著載波頻率的增大而變大。例如，當f=100 MHz時，d=1 000 m的路徑損耗為112.7 dB，而f=500 MHz的路徑損耗達到了130.5 dB。

從圖1和圖2中的曲線對比可以看出，在條件相同的情況下，非直視通路路徑損耗比直視通路路徑損耗要大，這是因為非直視路徑傳播信號要經過反射，繞射等途徑才能到達接收端，這樣就增加了信號的損耗。因此要根據實際情況，在不同的環境下采取不同的模型來預測路徑的損耗[10]。

3非直通視距路徑損耗影響因素

根據非直通視距簡化模型式(3)，參數設置同上，通過Matlab仿真[11]，可得到以下結果。

3.1損耗與街道寬度的關系

在實際應用中，發射基站一般都比建筑物平均高度要高，而無線信號傳輸路徑一般也不存在直通視距，從圖3中可以看出，信號衰落與傳輸距離、載波頻率、街道寬度、基站與建筑物平均高度的差值、接收端與建筑物平均高度的差值及信號的入射方向有關。在特定環境中，建筑物平均高度一定，接收端高度為1～3 m，信號入射方向選取損耗最大的角度90°計算，根據模型，可以得到不同街道寬度隨著傳輸距離變換產生的衰減，如圖3所示。

圖3　損耗與街道寬度的關系

圖3是在街道寬度w不同時，信號隨傳輸距離增加產生衰減的關系曲線。其中：假設基站天線高度hb=25m，建筑物平均高度hr=20m，接收端hm=2m，信號入射角即φ=90°即Lori=0，以及載波頻率f=1 000 MHz。

從圖3可以看出，信號隨著傳輸距離的增加，損耗呈對數曲線衰減，并且街道越窄衰減越大。容易理解，街道越窄信號通過的障礙越多，會產生更多的反射及散射，增大了信號的損耗。反之，街道越寬，信號損耗越小。并且，簡化公式與w=18 m時的Cost 231-Walfisch-Ikegami模型的損耗公式重合，且簡化后的公式損耗是其他損耗的平均水平，如果w的取值范圍是10～30 m之間，損耗誤差不超過5 dB，簡化模型具有可行性。

3.2損耗與天線高度的關系

圖4是在基站天線hb不同時，信號隨傳輸距離增加產生衰減的關系曲線。其中：假設基站天線高度w=18m，建筑物平均高度hr=20m，接收端hm=2 m，信號入射角φ=90°即Lori=0，以及載波頻率f=1 000 MHz。

圖4　損耗與天線高度的關系

從圖4可以看出，信號隨著天線高度、傳輸距離的增加，損耗呈對數曲線衰減，并且發射天線高度越低衰減越大，天線高度hb=25 m的衰減曲線位于高度為hb=40 m的天線曲線上方，25 m高的天線衰減明顯>40 m高的天線。容易理解，天線越低信號通過的障礙越多，會產生更多的反射及散射，增大了信號的損耗。反之，天線越高，信號損耗越小，但它有極限，當天線高度達到一定程度，信號損耗就不會隨著其高度增高而變大。

從圖4中可知，簡化公式與hb=30 m時的Cost 231-Walfisch-Ikegami模型的損耗公式重合，且簡化后的公式損耗是其他損耗的平均水平，如果hb的取值范圍是25～40 m之間，那么損耗誤差不超過5 dB，簡化模型具有可行性。

4結束語

本文介紹了Cost 231-Walfisch-Ikegami模型，該模型在計算信號衰落時考慮比較全面，適合于中等城市城區，并給出了其使用范圍及參數[12]。模型主要考慮了存在直通視距和非直通視距的兩種情況，把非直通視距的衰落公式進行了化簡處理，找出了街道寬度和天線高度對信號衰落的影響，并對其進行分析。利用這個關系，可以根據損耗對街道寬度及天線高度的要求來確定發射信號的功率，從而減少不必要的能耗。

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Loss Performance Analysis of Mobile TV Signal Transmission

LI Peng1,GUO Jia2,DING Hong-wei1,ZHANG Guo-ping1,YANG Jun-dong1,YANG Yong1

(1.School of Information,Yunnan University,Kunming Yunnan 650091;2.State Administration of Press,Publication,Radio and Television of Yunnan,Kunming Yunnan 650031)

Abstract：Cost 231-Walfisch-Ikegami Cost model is used to simplify the transmission model of mobile TV radio signal.The transmission loss of mobile TV signal is analyzed by simulation.In the case of LOS,the path loss increases with the increasing of the wave frequency,and it also increases with the increasing of the antenna station height in the case of NLOS.And then the influence of street width and antenna height on the loss is also presented in the case of NLOS.The more narrow the streets and the higher the transmission antenna,the greater the path loss is.This can guide the practical engineering application.

Key words：Mobile TV signal;Channel fading;Loss;Cost 231-Walfisch-Ikegami Model

中圖分類號：TN914

文獻標志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-76-3

作者簡介：黎鵬(1981—)，男，在讀博士生，實驗師，主要研究方向：通信與信息系統。丁洪偉(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向：輪詢、通信信息系統。

基金項目：國家自然科學基金項目(6146053)；云南省教育廳基金(2014Y021)；云南省廣播電視局合作項目聯合資助

收稿日期：2016-01-06

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.20

引用格式：黎鵬,郭嘉,丁洪偉，等.手機電視信號傳輸損耗性能分析[J].無線電通信技術,2016,42(3)76-78,97.