本文摘要: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
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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