天線基本知識及應用―鏈路及空間無線傳播損耗計算

3 無線傳播特性

移動通信的傳播如圖5-02中的曲線所示，總體平均值隨距離減弱，但信號電平經歷快慢衰落的影響。慢衰落是由接受點周圍地形地物對信號反射，使得信號電平在幾十米范圍內有大幅度的變化，若移動臺在沒有任何障礙物的環境下移動，則信號電平只與發射機的距離有關。所以通常某點信號電平是指幾十米范圍內的平均信號電平。這個信號的變化呈正態分布。標準偏差對不同地形地物是不一樣的，通常在6－8dB左右。快衰落是疊加在慢衰落信號上的。這個衰落的速度很快，每秒可達幾十次。除與地形地物有關，還與移動臺的速度和信號的波長有關，并且幅度很大，可幾十個dB，信號的變化呈瑞利分布。快衰落往往會降低話音質量，所以要留快衰落的儲備。

無線電波在自由空間的傳播是電波傳播研究中最基本、最簡單的一種。自由空間是滿足下述條件的一種理想空間：1. 均勻無損耗的無限大空間，2. 各項同性，3. 電導率為零。應用電磁場理論可以推出，在自由空間傳播條件下，傳輸損耗Ls的表達式為：

Ls＝32.45+20lgf+20lgd

自由空間基本傳輸損耗Ls僅與頻率f和距離d有關。當f 和d擴大一倍時，Ls均增加6dB，由此我們可知GSM1800基站傳播損耗在自由空間就比GSM900基站大6個dB。

陸地移動信道的主要特征是多徑傳播，實際多徑傳播環境是十分復雜的，在研究傳播問題時往往將其簡化，并且是從最簡單的情況入手。僅考慮從基站至移動臺的直射波以及地面反射波的兩徑模型是最簡單的傳播模型。兩徑模型如圖5-04所示，應用電磁場理論可以推出，傳輸損耗Lp的表達式為：Lp=20lg(d2/(h1*h2))

5.4 常用的兩種電波傳播模型

◆ Okumura電波傳播衰減計算模式
GSM900MHz主要采用CCIR推薦的Okumura電波傳播衰減計算模式。該模式是以準平坦地形大城市區的中值場強或路徑損耗作為參考，對其他傳播環境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進行修正。不同地形上的基本傳輸損耗按下列公式分別預測。

L(市區）＝69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a)
L(郊區)=64.15+26.16lgf-2[lg(f/28)]2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
L(鄉村公路)=46.38+35.33lgf-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
L(開闊區)=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
L(林區)=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)

其中：

f----工作頻率，MHz
h1---基站天線高度，m
h2---移動臺天線高度，m
d----到基站的距離，km
a(h2)---移動臺天線高度增益因子，dB
a(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lgf+0.8(中，小城市)
=3.2[lg(11.75h2)]2-4.97(大城市)
s(a)---市區建筑物密度修正因子，dB;
s(a)=30-25lga (5%a≤50%)
=20+0.19lga-15.6(lga)2 (1%a≤5%)
=20 (a≤1%)

◆ Cost-231-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計算模式
GSM 1800 MHz主要采用歐洲電信科學技術研究聯合推薦的Cost- 2-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計算模式。該模式的特點是：從對眾多城市的電波實測中得出的一種小區域覆蓋范圍內的電波損耗模式。

分視距和非視距兩種情況：
(1) 視距情況
基本傳輸損耗采用下式計算
L＝42.6+26lgd+20lgf

(2) 非視距情況
基本傳輸損耗由三項組成:
L＝Lo+Lmsd+Lrts
Lo=32.4+20lgd+20lgf
a)Lo代表自由空間損耗
b)Lmsd是多重屏蔽的繞射損耗
c)Lrts是屋頂至街道的繞射及散射損耗。

不管是用哪一種模式來預測無線覆蓋范圍，只是基于理論和測試結果統計的近似計算由于實際地理環境千差萬別，很難用一種數學模型來精確地描述，特別是城區街道中各種密集的、下規則的建筑物反射、繞射及阻擋，給數學模型預測帶來很大困難。因此。有一定精度的預測雖可起到指導網絡基站選點及布點的初步設什，但是通過數學模型預測與實際信號場強值總是存在差別。由于移動環境的復雜性和多變性，要對接受信號中值進行準確計算是相當困難的。無線通信工程上的做法是，在大量場強測試的基礎上，經過對數據的分析與統計處理，找出各種地形地物下的傳播損耗（或接受信號場強）與距離、頻率以及天線高度的關系，給出傳播特性的各種圖表和計算公式，建立傳播預測模型，從而能用較簡單的方法預測接受信號的中值。

5.5 參考覆蓋標準

大城市繁華市區室內覆蓋電平：-70dBm
一般市區室內覆蓋電平：-80 dBm
市區室外覆蓋電平：-90 dBm