空中基站的LTE海域 電磁波的衰耗

　　這篇通信工程師論文發表了空中基站的LTE海域 電磁波的衰耗受海域通信設施部署條件以及網絡建設成本的制約，現階段的海上移動通信一般是通過衛星通信來實現的。論文推導出電磁波在海域上的傳播模型，然后通過LTE的幀結構、視距傳播理論確定海域基站的極限覆蓋距離和天線極限掛高，最后提出LTE海域覆蓋整體解決思路。

　　關鍵詞：通信工程師論文,空中基站;海域覆蓋;海域傳播模型

　　1 引言

　　衛星通信可滿足基本的語音通信，但由于其數據傳輸速率只有2.4 kb/s～9.6 kb/s，通常難以滿足常規的數據業務需求，加上衛星電話終端的價格普遍較高，體積更大，可推廣性不強。為實用起見，需要制定更具普及性的民用通信方案，以便沿海國家在專屬經濟區內實現無線寬帶覆蓋。

　　LTE是目前使用最為廣泛的民用移動通信網絡制式，能同時滿足語音業務和高速數據業務的需求，如能用于海域無線寬帶覆蓋，將可取得經濟性、實用性和可靠性。但鑒于LTE本身并非專用于長距離覆蓋的制式，更多時候只應用于陸地上的密集市區、一般市區、郊區鄉鎮等場景，難以用于遠距離的海域覆蓋，有必要研究一套新型并可行的解決方案，采用創新的手段進行基站架設，突破基站必須在陸地上建設的傳統思路，以滿足更大面積海域場景的LTE網絡覆蓋需求。

　　2 電磁波的海域傳播衰耗

　　傳播模型的確定是計算路徑損耗的先決條件。由于海上的信道環境較陸地更為復雜且不穩定，加之地球弧度、船舶遮擋、云霧衰減、雨衰等問題的影響，必須選用合理的傳播模型來做路損預測。常用于室外電波傳播的經驗模型主要有Cost231-Hata模型、Okumura模型、SPM模型等，但這些模型都是基于陸地環境而設計的，直接用于海面環境可能會引起較大的誤差。原因主要是，海面反射信號對實際接收到的信號的影響較大，在具體計算海面電磁波傳播損耗的時候，應分別考慮直射路徑和反射路徑的信號損耗，同時還要考慮大氣吸收損耗、船體穿透損耗以及云霧衰減、雨衰等損耗。

　　2.1 自由空間損耗

　　自由空間傳播是指電磁波在理想空間中完全不會被障礙物吸收能量，也不存在反射或散射的傳播，只與電磁波的頻率、傳播距離有關，其傳播損耗公式為：

　　PLfs=32.45+20lgf+20lgd (1)

　　公式(1)中，f為電磁波的工作頻率，單位為MHz;d為電磁波傳播的距離，單位為km。

　　電磁波在海面的直射路徑通常可以視作自由空間傳播。

　　2.2 海面反射損耗

　　電磁波在海面環境下傳播，可理想地視作直射波和來自海面的反射波結合，如圖1所示。將海面視作平面，電磁波向海面入射，碰觸海面后產生反射，入射角與反射角相等。

　　假設海平面平坦光滑，基站天線高度為ht，移動臺天線高度為hR，基站與移動臺之間的距離為d，電磁波的波長為λ，反射波和直射波的路徑差為Δr，相位差為Δφ，根據幾何關系，可得：

　　Δr=((ht+hR)2+d2)1/2-((ht-hR)2+d2)1/2 (2)

　　通過泰勒展開式，可推導出路徑差Δr的近似值為：

　　Δr=2hthR/d (3)

　　因此可推導出相位差Δφ為：

　　Δφ=4πhthR/λd (4)

　　由上述結論，可推導出反射損耗近似值為：

　　PLr=10lg(Erec/Efs)2≈10lg[4sin2(4πhthR/λd)] (5)

　　2.3 大氣吸收損耗

　　大氣中的氧氣和水蒸氣會對電磁波有吸收作用。由于同等溫度條件下，海面大氣的相對濕度遠高于陸地環境，因此，電磁波在海面上傳輸時，需要考慮由氧氣和水蒸氣這兩部分所產生的吸收損耗。

　　在微波波段，大氣吸收損耗為分子損耗率與視距距離的乘積，即：

　　PLa=(γo+γw)×d (6)

　　由式(6)可知，大氣吸收損耗與收發天線間的距離是呈線性關系的，大氣吸收損耗會隨著基站與移動臺之間的距離增加而增大。式(6)中，γo為氧分子損耗率，γw為水蒸氣分子損耗率。對于57 GHz以下的頻段，氧分子損耗率可近似計算為：

　　γo=[0.007 19+6.09/(?2+0.227)+4.81/(?-57)2]×?2×10-5

　　(7)

　　水蒸氣分子損耗率可用下式計算：

　　γw=[6.73+300/((?-22.3)2+7.3)]×?2ρ×10-9 (8)

　　海面水蒸氣密度約為7.5 g/m3，代入式(8)可得：

　　γw=[6.73+300/((?-22.3)2+7.3)]×?2×7.5×10-9

　　(9)

　　2.4 其它損耗

　　其它必須考慮的損耗主要包括船體穿透損耗、云霧衰減、雨衰等。

　　(1)船體穿透損耗

　　電磁波穿透船體時會產生損耗，由于船體與陸地上的汽車、火車的材質近似，根據經驗值，船體穿透損耗可取定為：

　　PLS=15 dB (10)

　　(2)云霧衰減

　　根據瑞利散射近似的原理推導可知，在10 GHz以上時，衰減大概為3 dB～4 dB;當頻率降低至4 GHz時，云霧衰減已經不足0.5 dB。由此可見，在LTE工作頻段，云霧衰減的影響幾乎可以忽略。

　　(3)雨衰

　　利用適用于1 GHz—350 GHz的HPM模型可推導出雨衰隨頻率變化的數值。與云霧衰減類似，在10 GHz以上時，雨衰大概為2 dB～3 dB，在LTE工作頻段，雨衰基本可以忽略。

　　2.5 海域傳播衰耗計算

　　綜上所述，電磁波的海域傳播衰耗計算公式如下：

　　PL=PLfs+PLr+PLa+PLS (11)

　　將式(1)、式(5)、式(6)、式(10)代入式(11)可得：

　　PL=32.45+20lg?+20lgd+10lg4sin2(4πhthR/λd)+

　　[(0.00719+6.09/(?2+0.227)+4.81/(?-57)2)×?2×10-5+

　　[6.73+300/((?-22.3)2+7.3)]×?2×7.5×10-9]×d+15

　　(12)

　　3 LTE基站覆蓋半徑預測

　　LTE網絡的超遠距離傳播可按視距傳播場景考慮，但其覆蓋的距離受限于多種因素，包括前文所述的海域路徑損耗、基站發射功率、終端接收機靈敏度、收發天線增益、饋線損耗等。此外，由于海域傳播距離比陸地遠得多，LTE幀結構產生的限制也不能忽略。綜上所述，應通過對LTE幀結構、視距傳播路徑的綜合分析，再結合海域傳播鏈路預算，同時考慮基站架設的安全性和可行性，最終作出單站的覆蓋半徑預測。

　　3.1 LTE理論極限覆蓋距離

　　LTE的覆蓋能力由多種參數決定，以LTE FDD為例，在忽略其它限制的前提下，LTE FDD網絡的覆蓋距離主要與保護時間GT的長度有關。不同配置下的LTE FDD理論覆蓋距離如表1所示。

　　由表1可見，在Preamble格式3的配置下，LTE FDD理論可達的最大覆蓋距離約為107.34 km。TD-LTE的最大覆蓋距離與LTE FDD基本相當，均能達到100 km級別。

　　推薦閱讀：《通信企業管理》(月刊)創刊于1981年，是由人民郵電報社主辦的專業理論刊物。傳播郵電企業管理的先進經驗，探討郵電經濟體制改革的理論與實踐問題。

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