发信人: Iamhere (灯火阑珊·鬼塚先生), 信区: Communication
标 题: 技术讲座：天线基本知识及应用（6）
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年11月16日22:02:06 星期天), 站内信件
您的位置：技术精粹>>技术讲座>>天线基本知识与应用 本文发布时间：2003.10
第五讲 链路及空间无线传播损耗计算
5.1 链路预算
上行和下行链路都有自己的发射功率损耗和路径衰落。在蜂窝通信中，为了确定有
效覆盖范围，必须确定最大路径衰落、或其他限制因数。在上行链路，从移动台到
基站的限制因数是基站的接受灵敏度。对下行链路来说，从基站到移动台的主要限
制因数是基站的发射功率。通过优化上下行之间的平衡关系，能够使小区覆盖半径
内，有较好的通信质量。
一般是通过利用基站资源，改善网络中每个小区的链路平衡（上行或下行），从而
使系统工作在最佳状态。最终也可以促使切换和呼叫建立期间，移动通话性能更好
。图5-01是一基站链路损耗计算，可作为参考。
图5-01
上下行链路平衡的计算。对于实现双向通信的GSM系统来说，上下行链路平衡是十
分重要的，是保证在两个方向上具有同等的话务量和通信质量的主要因素，也关系
到小区的实际覆盖范围。
下行链路（DownLink）是指基站发，移动台接收的链路。
上行链路（UpLink）是指移动台发，基站接收的链路。
上下行链路平衡的算法如下：
下行链路（用dB值表示）：
PinMS = PoutBTS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdMS -
LslantBTS - LPdown
式中：
PinMS 为移动台接收到的功率；
PoutBTS为BTS的输出功率；
LduplBTS为合路器、双工器等的损耗；
LpBTS为BTS的天线的馈缆、跳线、接头等损耗；
GaBTS为基站发射天线的增益；
Cori为基站天线的方向系数；
GaMS为移动台接收天线的增益；
GdMS为移动台接收天线的分集增益；
LslantBTS为双极化天线的极化损耗；
LPdown为下行路径损耗；
上行链路（用dB值表示）：
PinBTS = PoutMS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdBTS -LPup
+[Gta]
式中：
PinBTS为基站接收到的功率；
PoutMS为移动台的输出功率；
LduplBTS为合路器、双工器等的损耗；
LpBTS为BTS的天线的馈缆、跳线、接头等损耗；
GaBTS为基站接收天线的增益；
Cori 为基站天线的方向系数；
GaMS为移动台发射天线的增益；
GdBTS为基站接收天线的分集增益；
Gta为使用塔放的情况下，由此带来的增益；
LPup为上行路径损耗。
根据互易定理，即对于任一移动台位置，上行路损等于下行路损，即：
LPdown = LPup
设系统余量为DL ，移动台的恶化量储备为DNMS ，基站的恶化量储备为DNBTS，移
动台的接收机灵敏度为MSsense，基站的接收机灵敏度为BTSsense， Lother为其它
损耗，如建筑物贯穿损耗、车内损耗、人体损耗等。于是，对于覆盖区内任一点，
应满足：
PinMS - DL - DNMS - Lother >= MSsense
PinBTS - DL - DNMS - Lother >= BTSsense
上下行链路平衡的目的是调整基站的发射功率，使得覆盖区边界上的点（离基站最
远的点）满足：
PinMS - DL - DNMS - Lother = MSsense
于是，得到了基站的最大发射功率的计算公式：
PoutBTS <= MSsense - BTSsense + PoutMS + GdBTS - GdMS + LslantBTS -
Gta + DNMS - DNBTS
5.2 各类损耗的确定
◆ 建筑物的贯穿损耗
建筑物的贯穿损耗是指电波通过建筑物的外层结构时所受到的衰减，它等于建筑物
外与建筑物内的场强中值之差。
建筑物的贯穿损耗与建筑物的结构、门窗的种类和大小、楼层有很大关系。贯穿损
耗随楼层高度的变化，一般为-2dB/层，因此，一般都考虑一层（底层）的贯穿损
耗。
下面是一组针对900MHz频段，综合国外测试结果的数据：
--- 中等城市市区一般钢筋混凝土框架建筑物，贯穿损耗中值为10dB，标准偏差
7.3dB；郊区同类建筑物，贯穿损耗中值为5.8dB，标准偏差8.7dB。
--- 大城市市区一般钢筋混凝土框架建筑物，贯穿损耗中值为18dB，标准偏差7.
7dB；郊区同类建筑物，贯穿损耗中值为13.1dB，标准偏差9.5dB。
--- 大城市市区一金属壳体结构或特殊金属框架结构的建筑物，贯穿损耗中值为
27dB。
由于我国的城市环境与国外有很大的不同，一般比国外同类名称要高8---10dB。
对于1800MHz，虽然其波长比900MHz短，贯穿能力更大，但绕射损耗更大。因此，
实际上，1800MHz 的建筑物的贯穿损耗比900MHz的要大。GSM规范3.30中提到，城
市环境中的建筑物的贯穿损耗一般为15dB，农村为10dB。一般取比同类地区
900MHz的贯穿损耗大5---10dB。
◆ 人体损耗
对于手持机，当位于使用者的腰部和肩部时，接收的信号场强比天线离开人体几个
波长时将分别降低4---7dB和1---2dB。
一般人体损耗设为3dB。
◆ 车内损耗
金属结构的汽车带来的车内损耗不能忽视。尤其在经济发达的城市，人的一部分时
间是在汽车中度过的。
一般车内损耗为8---10dB。
◆ 馈线损耗
在GSM900中经常使用的是7/8″的馈线，在1000MHz的情况下，每100米的损耗是4.
3dB；在2000MHz的情况下，每100米的损耗则为6.46dB，多了2.16个dB。
5.3 无线传播特性
移动通信的传播如图5-02中的曲线所示，总体平均值随距离减弱，但信号电平经历
快慢衰落的影响。慢衰落是由接受点周围地形地物对信号反射，使得信号电平在几
十米范围内有大幅度的变化，若移动台在没有任何障碍物的环境下移动，则信号电
平只与发射机的距离有关。所以通常某点信号电平是指几十米范围内的平均信号电
平。这个信号的变化呈正态分布。标准偏差对不同地形地物是不一样的，通常在6
－8dB左右。快衰落是叠加在慢衰落信号上的。这个衰落的速度很快，每秒可达几
十次。除与地形地物有关，还与移动台的速度和信号的波长有关，并且幅度很大，
可几十个dB，信号的变化呈瑞利分布。快衰落往往会降低话音质量，所以要留快衰
落的储备。
图5-02
无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。自由空间是
满足下述条件的一种理想空间：1. 均匀无损耗的无限大空间，2. 各项同性，3.
电导率为零。应用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，传输损耗Ls的表
达式为：
Ls＝32.45+20lgf+20lgd
自由空间基本传输损耗Ls仅与频率f和距离d有关。当f 和d扩大一倍时，Ls均增加
6dB，由此我们可知GSM1800基站传播损耗在自由空间就比GSM900基站大6个dB，如
图5-03所示。
图5-03
陆地移动信道的主要特征是多径传播，实际多径传播环境是十分复杂的，在研究传
播问题时往往将其简化，并且是从最简单的情况入手。仅考虑从基站至移动台的直
射波以及地面反射波的两径模型是最简单的传播模型。两径模型如图5-04所示，应
用电磁场理论可以推出，传输损耗Lp的表达式为：Lp=20lg(d2/(h1*h2))
图5-04
5.4 常用的两种电波传播模型
◆ Okumura电波传播衰减计算模式
GSM900MHz主要采用CCIR推荐的Okumura电波传播衰减计算模式。该模式是以准平坦
地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考，对其他传播环境和地形条件等因素
分别以校正因子的形式进行修正。不同地形上的基本传输损耗按下列公式分别预测
。
L(市区）＝69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a)
L(郊区)=64.15+26.16lgf-2[lg(f/28)]2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
L(乡村公路)=46.38+35.33lgf-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.
55lgh1)lgd-a(h2)
L(开阔区)=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
L(林区)=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
其中：
f----工作频率，MHz
h1---基站天线高度，m
h2---移动台天线高度，m
d----到基站的距离，km
a(h2)---移动台天线高度增益因子，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)---市区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电波传播衰减计算模式
GSM 1800 MHz主要采用欧洲电信科学技术研究联合推荐的"Cost-
2-Walfish-Ikegami"电波传播衰减计算模式。该模式的特点是：从对众多城市的电
波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。
分视距和非视距两种情况：
(1) 视距情况
基本传输损耗采用下式计算
L＝42.6+26lgd+20lgf
(2) 非视距情况
基本传输损耗由三项组成:
L＝Lo+Lmsd+Lrts
Lo=32.4+20lgd+20lgf
a)Lo代表自由空间损耗
b)Lmsd是多重屏蔽的绕射损耗
c)Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗。
不管是用哪一种模式来预测无线覆盖范围，只是基于理论和测试结果统计的近似计
算由于实际地理环境千差万别，很难用一种数学模型来精确地描述，特别是城区街
道中各种密集的、下规则的建筑物反射、绕射及阻挡，给数学模型预测带来很大困
难。因此。有一定精度的预测虽可起到指导网络基站选点及布点的初步设什，但是
通过数学模型预测与实际信号场强值总是存在差别。由于移动环境的复杂性和多变
性，要对接受信号中值进行准确计算是相当困难的。无线通信工程上的做法是，在
大量场强测试的基础上，经过对数据的分析与统计处理，找出各种地形地物下的传
播损耗（或接受信号场强）与距离、频率以及天线高度的关系，给出传播特性的各
种图表和计算公式，建立传播预测模型，从而能用较简单的方法预测接受信号的中
值。
5.5 参考覆盖标准
大城市繁华市区室内覆盖电平：-70dBm
一般市区室内覆盖电平：-80 dBm
市区室外覆盖电平：-90 dBm
乡村：-94 dBm
附件一：双极化90°定向天线
附件二：全向天线
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