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1、海面传播模型专题研究报告文档密级资料编码产品名称使用对象产品版本密级机密编写部门资料版本海面传播模型专题研究指导书拟 制：专题研究组日 期：2002-03-11审 核：日 期：审 核：日 期：批 准：日 期：华 为 技 术 有 限 公 司版权所有 侵权必究2005-01-18华为机密，未经许可不得扩散第18页, 共18页修订记录日期修订版本描述作者2002/03/111.00初稿完成何群目 录第1章 概述51.1 无线环境特点5第2章 自由空间传播模型6第3章 二波模型7第4章 海面传播模型84.1 第一次海面测试及数据分析84.2 第二次海面测试及数据分析94.3 海面传播模型的建立114.
2、4 地球曲率对海面传播的影响154.5 海面传播模型的进一步分析154.6 地球曲率引起的绕射损耗164.7 结论184.8 致谢18海面传播模型专题研究指导书关键词：海面 水面 无线环境传播模型摘 要：本文研究900MHz频段无线信号在海面传播的特点，结合海面实际测试数据提出了海面传播模型。本文的结论对其它频段的无线信号传播也有借鉴意义。对于地球曲率绕射损耗的计算方法还需要继续研究。缩略语清单： 对本文所用缩略语进行说明，要求提供每个缩略语的英文全名和中文解释。 参考资料清单： 请在表格中罗列本文档所引用的有关参考文献名称、作者、标题、编号、发布日期和出版单位等基本信息。参考资料清单名称作者
3、编号发布日期查阅地点或渠道出版单位（若不为本公司发布的文献，请填写此列）移动蜂窝通信模拟和数字系统William C. Y. Lee1电子工业出版社移动通信黄健、赵宗汉2西安电子科技大学出版社Wireless Communications Principles and PracticeTheodore S. Rappaport3电子工业出版社Mobile Antenna System Handbook藤本共荣、J. R. James4绕射及其对传播损耗的影响何群海面覆盖测试报告黄云鹏6第1章 概述随着人们对移动通信业务的依赖，人们期望在不久的将来能够实现无论何时何地都可以快捷方便地与任何人通话
4、。运营商也在从城市向农村甚至边远地区不断地拓展其业务范围。在过去，当无线业务主要集中在人口稠密区时，人们主要关心的是市区传播模型、郊区传播模型和开阔地传播模型，而对海面这种特殊的无线传播环境研究较少。目前经典文献1、2、4中认为海面传播模型可以看作自由空间传播模型，但根据华为公司的海面测试结果，证明自由空间传播模型并不适用于预测海面覆盖；而采用Okumura-Hata模型加修正系数后也不能很好地适用海面传播环境。本文在实测数据的基础上，结合二波模型并根据海面传播环境特点加以修正，拟合出了适合于海面覆盖预测的无线传播模型。该模型是在900MHz频段上拟合出来的，但对其它移动通信频段的覆盖预测也有
5、借鉴意义。海面远距离覆盖需要结合扩展小区、双时隙小区技术。鉴于扩展小区和双时隙技术可以使用于任何通信范围需求超过35km的场合，与海面这种特定的传播环境关系不大，因此，扩展小区和双时隙小区技术内在本文不做详细介绍。1.1 无线环境特点无线电波在海面传播时，传播路径主要是通过空气传播的直达波和经过海面反射的反射波。对于在海面船只上的移动台，受海浪的影响，移动台的实际高度有较大起伏。而船只大小不同，也将使得移动台的使用高度发生变化。根据华为公司对福建漳州附近的调查，一般渔船驾驶舱高度为3米左右，而客轮约为20米左右。服务海面的基站通常选择在沿海山顶建塔，高度在50200米之间不等。由于海面传播损耗
6、很小，信号可以传播到很远的海面上。此时，地球不能再看作平面，而应把它看作球面，即地球曲率将对信号传播产生影响。另外处于传播路径上的岛屿、山、巨轮也会对信号传播到来阴影效应。海面传播路径如下图所示。图1-1 海面传播路径由于基站和移动台高度通常远小于传播距离，反射波的入射角和反射角很小，且相等。第2章 自由空间传播模型众所周知，无线电波在各向同性的自由空间传播时，接收功率电平与信号传播距离和频率的平方均成反比，用数学模型表示为：（1）其中，Pr 为接收机接收功率；Pt 为发射机发射功率；l为波长；d为传播距离。当无线电波在空气中传播时，其传播模型可以等同于自由空间的传播模型。因此图1中的直达波可
7、以用公式（1）来表示。用路径损耗来表达自由空间传播损耗时：（2）其中，LPath为路径损耗，单位：dB；d为传播距离，单位：km ；f为无线信号频率，单位：MHz。第3章 二波模型二波模型只考虑直达波和反射波的影响。移动台接收到的反射波可以看作是直达波的复制品，与直达波相比，反射波的频率相同（对于低速运动的移动台，多谱勒频移忽略不计。海面船只的移动速度一般不会超过60km/h），但因传播路径不同，反射波的幅度和相位发生的变化。因此，移动台接收到的基站信号功率可以表示为直达波与反射波的矢量和。（3）其中，Pr为接收功率；P0为直达波接收功率；为反射系数，a为振幅，为相位；为直达波与反射波之间的相
8、位差。相位差是由于直达波与反射波之间的路径差所引起的，两者之间关系为： （4）其中，Ht为基站天线高度，单位：米；Hm为移动台天线高度，单位：米；d为传播距离，单位：公里。对于垂直极化波，当入射角很小时，反射系数，此时与传播介质无关。即能量被全反射，但极化方向相反。因此，在远距离传播环境下，二波模型可以表示为：（5）把（1）、（4）代入（5）得到：（6）用路径损耗表示二波模型时，（7）其中，L0为自由空间传播损耗。第4章 海面传播模型2001年11月华为公司在东海进行了两次海面覆盖测试，经过对海面GSM900信号测试数据的分析，发现目前文献上所述的海面预测模型与实测数据不能很好地吻合。4.1
9、第一次海面测试及数据分析第一次测试：福建漳州东海，基站位于海边山顶上（E 117.45111，N 23.67555），机柜顶输出功率85W，20米5/4馈线（加跳线、接头损耗约1dB）。基站天线海拔高度200米，采用65度定向天线，增益18dBi，倾角为0度。对着大海的两个扇区方位角为80 /165 。测试手机位于渔船驾驶舱内，除驾驶舱玻璃外手机可以直视基站天线，手机海拔高度3米，沿基站天线主瓣方向行驶（可以忽略天线波瓣对辐射的影响）。测试时有较大海浪。采集数据样点从距基站6公里42公里之间。首先以1公里为间隔进行样点平均，以消除海浪颠簸带来的数据波动，同时减少样点数。（8）Pdn为（d-0.
10、5, d+0.5）区间的采样点接收功率，N为采样区间内的样点总数。按上述处理后的数据见下表：表4-1 样点平均值d(km)7891011121314151617Pd(dBm)-61-57-56-56-55.5-56.6-56.8-59.8-61.7-61.2-67.7d(km)1819202122232425262728Pd(dBm)-63.7-62.5-63.5-63.5-64.5-63.9-69-69.3-72-70-70.5d(km)2930313233343536373839Pd(dBm)-71.9-72.4-70.768.9-71-71.9-72.6-74.3-74.7-78.1-7
11、9.2d(km)404142Pd(dBm)-78.4-81.1-78测试基站的有效辐射功率为：（9）沿测试路线各样点处的实际路径损耗为：（10）4.2 第二次海面测试及数据分析第二次测试：与第一次测试为同一基站，各项参数未变。测试用船只为货轮，测试测试设备为ANT，始终在甲板上测试，甲板海拔高度约10米。样点从距基站89公里40公里。测试路径如下图所示：图4-2 第二次测试路径图同样按距基站直线距离每隔1km平均，处理后的数据如下表：表4-2 样点平均值d(km)5051525354555657585960Pd(dBm)-63.1-62.4-66.6-66.1-66-67.3-68.1-64.
12、9-65.1-65.865.1d(km)6364656667686970717374Pd(dBm)-66.4-71.6-67.9-68.1-73.4-70.1-72.5-71.8-74.2-77.7-77.5d(km)7576777980818283848589Pd(dBm)-79.7-81.4-84.2-88.3-91-95.4-95.7-93.7-93.8-95-100d(km)90Pd(dBm)-100在数据处理时首先滤除了在来自其它小区的信号样点，只保留了第一小区（方位角80）的信号样点。同时对一些明显的奇点毛刺（测试时有其它大船在附近经过，并有地势较高的小岛）进行了过滤。 考虑到第二
13、次测试路径并没有沿天线主瓣方向，只分析5090km内处于天线主瓣波束宽度覆盖范围内的数据。4.3 海面传播模型的建立当基站的无线信号辐射到海面时会产生多个反射波，但能够被移动台接收到的一般只有一个反射波，其它反射波由于反射角不同被反射到其它区域。因此海面无线传播具有二波特征，考虑到船体损耗、地球曲率的影响，并根据实测数据进行修正，新的海面传播模型如下：（11）其中，Lpath为海面传播路径损耗；Ht为基站天线高度（单位：米）；Hr为移动台天线高度（单位：米）；l为波长（单位：米）；d为距离（单位：公里）L0为自由空间传播损耗；Lboat为船体穿透损耗；Learth为超过视线距离后的地球曲率引起的绕射损耗；a为修正系数（=5dB）。根据第一次测试数据拟合公式（11），a取值为5dB，Lboat取值为10dB（不同类型的船只损耗不同，上述测试过程中测试手机与基站间有船舱玻璃间隔
