基于最能超越實測值的基站覆蓋預測模型研究

在不規則的地形條件下，移動通信系統中的無線電波在不規則位置上傳播。在估計路徑損失時，應考慮特定區域的地形因素。預測模型的目標是預測特定點或特定區域（社區）的信號強度，但該方法的復雜性和精度差異很大。因此，考慮到不同地形的特點，最好選擇最適合當地預測模型。在傳播預測模型中通常將地形劃分為城區、郊區、開闊地和空間自由傳播四種情況,城市郊區人口密度介于鄉村和繁華市區,基站規劃需同時考慮覆蓋范圍和用戶容量兩方面因素,隨著移動用戶的急劇增加,目前城市郊區基站的覆蓋范圍通常不足1km,要選擇預測模型,需將該地區具有代表性的測量數據代入模型,根據仿真結果以確定出可選用的模型。1.室外紅葡萄預測模型1.1egli模型傳播損耗Egli模型是一種簡化的不規則地形上的無線傳播模型,其全稱為“平均坡面高度為50ft的山坡地形上的傳播模型”,它是基于實測數據而提出的傳播路徑損耗為由于在兩個半波偶極天線之間的自由空間損耗為因此在(1)式中必須減去自由空間傳播引起的損耗,才能得到Egli模型的傳播損耗式中,hb是基站天線的高度,hm是移動臺天線的高度,f的頻率MHz,d是收發天線之間的距離,單位為km(下同)。1.2mcgaehan-griffith模型McGeehan-Griffiths路徑損耗公式為:對各種環境下A給出的值1.3經驗模型假設Ibrahim-Parsons模型為經驗模型,根據測量數據可以導出兩種模型:第一種模型是基于多重回歸分析導出的路徑損耗經驗公式,第二種模型是從平坦地面開始,且把超過的路徑損耗(雜亂因子)與可能對它有影響的參數聯系起來的半經驗模型,兩種模型間的差別在于第二種模型是假設四次冪距離關系。第一種經驗模型是由測量數據的多重回歸分析推導出的,中值路徑損耗的合成方程為:式中K表示為H為基站區域和移動臺區域之間平均地面高度差。第二種半經驗模型是基于平坦地面模型的,其路徑損耗公式為即中值路徑損耗表示為平面地球損耗和超出的雜亂因子β之和,這個值與市區環境因子有關,可求出β的最佳擬合方程,其中值路徑損耗為其中雜亂因子β表示為使用模型時要求估算所考慮實驗中的L,U和H值。這些參數只有H可以很容易從地形數據庫中獲取,而L和U必須從其它儲存信息中獲取。由于這些信息不容易獲得或為了節省時間,有時候必須對參數進行估算,如在平坦城市(H=0)900MHz處由式(10)給出的β值為如果L位于0~80%范圍內,則β位于42.5~57dB之間。1.4walfilli模型Okumura-Hata模型是Hata為了使Okumura模型便于實際工程應用而給出的一組數學公式,適用頻率范圍為150~1500MHz,主要用于900MHz。在市區Okumura-Hata模型的經驗公式如下:a(hm)為有效移動天線高度增益校正因子,是覆蓋區范圍的函數。對于中小城市,移動天線修正因子為:對于大城市則為:對郊區環境,Okumura-Hata經驗公式修正為:對鄉村環境則公式修正為:L(鄉村)=L50(市區)-4.78(lgf)2-18.33lgf+40.94(17)2.5Walfisch-Bertoni模型Walfisch-Bertoni模型是由Walfischt和Bertoni于1988年發表的,該模型為半經驗模型,有時也稱為繞射屏模型,適用于基站和移動臺之間的非視距傳播情況,從基站天線傳播到移動臺天線的場經過成排建筑物多重前向繞射,然后從移動臺之前的最近建筑物頂產生繞射,其中一條直接到達移動臺,另一條經移動臺之后的建筑物反向到達移動臺,如其路每項損耗由三部分組成:(1)自由空間天線之間的路徑損耗;(2)由成排建筑物頂部引起的繞射損耗;(3)移動臺之前建筑物屋頂到地面的繞射場影響。其中L0為自由空間路徑損耗(同前),Lmsd=20lg(Q)為由建筑物屋頂引起的繞射損耗,Lrts=10lgP1為從屋頂到街道的繞射和散射損耗。式中,α=H/d-d/(2ae),其中ae為地球半徑。通過推理可得出Walfisch-Bertoni模型路徑損耗公式為:其中上述方程只對非視距情況有效,而對視距情況,路徑損耗用類似于自由空間損耗方程,但又具有不同系數的表達式為:2.預測模型的路徑損耗仿真根據現有郊區基站的具體參數及地形特征,用MATLAB軟件對上述5種模型的路徑損耗進行仿真,具體參數如下:載頻f=937MHz,發射天線高度為30m,接收天線高度為1.5m,雜亂因子β=57,覆蓋范圍d=0.1~5km,仿真結果如圖2:通過以上的仿真結果可以得出,相同的條件下,五種不同預測模型的預測值有較大差距,要對某一地區無線通信的場強進行預測必須根據該地區的實測信號的路徑損耗情況來選擇最接近的預測模型來進行預測。3.測量數據與預測模型的模擬比較3.1路徑損耗的概念發射機和接收機之間增益與損耗關系如圖3所示,接收功率Pr可以表示為Lt為發射機到發射天線之間的損耗,Lr為接收機到接收天線之間的損耗,Gt和Gr分別為發射天線和接收天線的增益,Lbf為空間傳播路徑損耗,Lt和Lr主要是由饋線、連接頭、天線共用器插入損耗引起的,為了減少Lt和Lr的損耗,應盡量縮短饋線的長度,由此可得自由空間的路徑損耗為:3.2驗證模型的路徑損耗仿真把實際測量到的接收功率數值進行鏈路預算得到其路徑損耗,將它與5種常用室外宏蜂窩預測模型的路徑損耗與一組實測數據的路徑損耗進行仿真對比,具體參數為:發射天線高度hb=30m,接收天線高度hm=1.5m,載頻為937MHz,覆蓋范圍d為0.04~0.6km,得到的仿真結果如圖4所示。4.ra-hata預測模型的建立地形特征是影響電波傳播特性的一個重要因素,在準平坦地形特征的郊區環境下,使用Okumura-Hat