移动通信系统中路径损耗的研究

陈 杰 姚 娜

路径损耗是移动台和基站之间由于距离而产生的平均损耗。传播环境最重要的特性之一就是路径(传播)损耗［1］。在估计路径的传播损耗时，要考虑此地区的地形地貌，包括简单的平原地形和多山多陵地区，同时还要考虑树木、建筑物以及建筑物等因素的影响［2］。在移动通信系统的工程设计中，常采用电波传播损耗模型来估计无线路径的传播损耗。而传播模型则是网络建设与规划的基础，能有效地指导网络建设初期的规划，预测覆盖需求，帮助运营商更全面和直观地了解网络覆盖现状，使运营商更加有效地将建设投资用在关键点上，从而达到预期的效果。对室外传播预测问题的研究从六十年代初期开始就受到欧美、日本等各国研究人员的重视，并取得了许多研究成果，COST－231 HATA模型［3］就是其中之一。

1 经典模型的优化与分析

COST 231－HATA模型广泛用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，所以在中国的中小型城市和郊区有很普遍的实用性［4］。模型中使用的城市参数有效范围是800 MHZ≤2 000 MHZ，4 m≤hB≤50 m，1 m≤hm≤3 m，0.02 Km≤d≤5 Km［3］。并且分为视距传播和非视距传播两种情况近似计算路径损耗［4］。

(1)视距传播情况，在此模型中的路径损耗为(2)非视距传播情况，在此模型中的路径损耗为L=L0++L1+L2(2)

式中，为自由空间损耗;为由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗:

式中，为接收机所在的街道宽度;为建筑物的平均高度;为接收天线的高度，

其中，为由街区轴线和连接发射机和接收机天线的夹角;为沿屋顶的多重衍射:

上面各式中，为发射天线高度，为相邻行建筑物中心距离。

之前国内外对传播预测模型的研究仅限于二维的研究，既考虑一个城市参数的情况下来研究路径损耗的变化情况，本文在考虑两个参数同时变化的情况下对COST 231－HATA模型进行优化。

图1中选取的仿真参数频率的适用范围800～2 000 MHz，基站与移动台之间的距离为0～6 km，其它参数参照COST 231－HATA模型参数。由图可知，在收发天线一定的情况下，电波传播路径损耗随着工作频率增大而增大，随着基站与移动台之间的距离的增加而增大。

图2中选取的仿真参数频率的适用范围500～2 000 MHz，基站与移动台之间的距离为0～6 km，由图可知，在非视距的情况下，电波传播路径损耗随着基站与移动台之间距离的增加而增大，同时电波传播的路径损耗随着频率的增大也增加。其中大城市的路径损耗最大，其次是中等城市和郊区。

图3中选取的仿真参数工作频率为500～2 000 MHz，基站与移动台之间的距离在50 m，发射天线的高度为35 m，接收天线的高度在1～10 m范围之内，相邻行建筑物中心距离为50 m。设置两个参数建筑物的高度分别为15 m和20 m的地区，15 m的为郊区和中等城市，20 m的为城市，然后进行仿真。由图可知在发射天线一定的情况下，电波传播路径损耗随着接收天线高度的增加而减小，电波传播路径损耗随着频率的增加而增加。

2 阿克苏与阿拉尔地区的模型仿真

通过勘测了解到阿拉尔地形属于地势平坦的郊区地带，话务量主要集中在学校和一些密集的住宅区，而阿克苏的地形属于开阔的城市地区，存在用户量大，话务量多的特点。所以阿克苏地区适合于宏蜂窝基站，阿拉尔地区适合于微蜂窝基站。COST－231 HATA模型用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，而阿克苏和阿拉尔地区的建筑物高度一般都在五层左右(虽有高层，但数量不太多，对通信的影响可以忽略)，所以跟COST－231 HATA模型的环境类似。

通过调研，阿拉尔是小城镇，建筑物的平均高度为15m，建筑物之间的距离约为50m;而阿克苏属于中等城市，建筑物的平均高度为25m，建筑物之间的距离为30m。根据上述的模型，对阿拉尔和阿克苏地区进行城市参数和路径损耗关系的仿真。图4给出的是两个地区的移动台和基站间的距离和接收天线的高度同时变化的情况下的路径损耗变化情况。

图1 视距传播中频率和基站与移动台之间的距离与路径损耗的关系

图2 非视距传播频率和基站与移动台之间的距离与路径损耗的关系

图3 COST－231HATA模型非视距传播中频率和接收天线与路径损耗的关系

图4 阿拉尔与阿克苏路径损耗与接收天线高度和基站与移动台之间的距离关系图

由图4可知在频率一定的情况下，阿克苏地区的路径损耗比阿拉尔地区的大，即中等城市的路径损耗大，城镇次之。同时电波传播路径损耗随着收发天线之间的距离的增大而增加，随着接收天线的高度的增加而减小。所以在设置基站参数时，在给定的环境下，收发天线之间的距离是越短越好，天线越高越好。

3 结束语

通过对模型的仿真优化可以发现，视距的路径损耗大于非视距路径，大城市的路径损耗大于中等城市和郊区，并且通过三维图像同时反映了两个参数对路径损耗的影响。在文中也给出了同样条件下的阿克苏和阿拉尔的路径损耗的仿真结果，阿克苏由于城市大于阿拉尔并且人口密度和建筑物多，所以路径损耗也要大出很多。

［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］ 杨大成.移动传播环境理论基础、分析方法和建模技术［M］.机械工业出版社，2003.

［3］ 韦惠民，李白萍.蜂窝移动通信技术［M］.西安电子科技大学出版社，2002.

［4］ 杨怡怀，申东娅，曹红亮.An Improved Physical－Statistical Model［J］.云大学报(自然科学版)，2006，28(3):58－61.