陳文雄+池翰貞

針對(duì)室外分布系統(tǒng)解決高層樓宇覆蓋問(wèn)題，首先分析了修正雙線模型在高層樓宇覆蓋中的計(jì)算方法；然后利用測(cè)試驗(yàn)證其可用性；最后基于修正雙線模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證天線傾角、樓宇間距離對(duì)覆蓋效果的影響，從而得到室外分布系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。

高層樓宇 修正雙線模型 無(wú)線鏈路仿真

Analysis of Coverage Solutions for High-Rise Buildings

CHEN Wen-xiong， CHI Han-zhen

（Zhongrui Communication Planning & Designing Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

To solve the coverage problem of high-rise buildings based on outdoor distribution system， the calculation method of modified double model is firstly analyzed in the coverage of high-rise buildings. Then the availability of this model is verified by tests. Finally， through the simulation based on the model， the effects of antenna angle and distance between buildings on the coverage are verified， thus the planning and design scheme for outdoor distribution system is obtained.

high-rise buildings modified double model wireless link simulation

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的高層住宅拔地而起，隨之而來(lái)的高層樓宇室內(nèi)覆蓋問(wèn)題也日益凸顯。由于前期基站天線高度相對(duì)高層樓宇較矮，導(dǎo)致高層手機(jī)用戶會(huì)接收到眾多強(qiáng)度差異不大的基站信號(hào)。而接收信號(hào)雜亂、無(wú)主服小區(qū)、切換頻繁等問(wèn)題，將導(dǎo)致高層住宅用戶在撥打手機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)通話質(zhì)量差、掉話率高、接續(xù)困難等現(xiàn)象，降低了用戶的通話體驗(yàn)。

目前，解決高層樓宇室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題廣泛采用以下三種方案：

（1）室內(nèi)分布系統(tǒng)：利用室內(nèi)天線分布系統(tǒng)將基站信號(hào)均勻分布在室內(nèi)各個(gè)角落，保證室內(nèi)區(qū)域擁有良好的信號(hào)覆蓋。該方案適用于電梯、地下停車場(chǎng)等封閉性較好的場(chǎng)景，但其缺點(diǎn)為建設(shè)投資成本大，無(wú)法改善臨窗區(qū)域的通話問(wèn)題。

（2）室外分布系統(tǒng)：在居民區(qū)內(nèi)通過(guò)新建路燈桿、樹(shù)木、空調(diào)箱等美化天線對(duì)樓宇進(jìn)行覆蓋。

（3）宏蜂窩覆蓋：調(diào)整樓宇周邊基站的方向角、下傾角對(duì)高層樓宇進(jìn)行專項(xiàng)覆蓋。該方案需要統(tǒng)籌考慮調(diào)整對(duì)其他手機(jī)用戶的影響。此外，覆蓋效果與距離密切相關(guān)，靠近基站的樓宇覆蓋效果改善明顯，遠(yuǎn)離基站且封閉的區(qū)域則仍然表現(xiàn)為弱覆蓋甚至無(wú)覆蓋。

在實(shí)際工程中，應(yīng)多維度、多方案、靈活地解決高層樓宇覆蓋問(wèn)題。本文首先分析了修正雙線模型的計(jì)算方法，然后通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證其預(yù)測(cè)效果，最后利用MATLAB軟件對(duì)覆蓋效果進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，需要綜合考慮天線與樓宇之間的距離、傾角、覆蓋目標(biāo)區(qū)域等因素來(lái)最終確定室外分布系統(tǒng)的實(shí)施方案。

2 無(wú)線傳播模型

2.1 傳播模型選擇

無(wú)線傳播模型是通過(guò)理論研究和實(shí)際測(cè)試歸納得出的無(wú)線傳播損耗與頻率、距離、環(huán)境、天線高度等變量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。設(shè)計(jì)人員通過(guò)傳播模型計(jì)算空間傳播損耗，得出接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，進(jìn)而了解其傳播效果。選擇與場(chǎng)景匹配的傳播模型是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化成功與否的關(guān)鍵因素之一。但是，目前使用較為廣泛的室外傳播模型（如Okumura模型）與室內(nèi)傳播模型（如Keenan-Motley模型）都不適合信號(hào)由室外進(jìn)入室內(nèi)到達(dá)接收機(jī)的情形。

雙線傳播模型所基于的假設(shè)是：從發(fā)射天線到接收天線間有兩條路徑，一條是視距傳播，另一條是地面反射。高層建筑物室內(nèi)接收信號(hào)包含直射信號(hào)和經(jīng)地面或者天花板的反射信號(hào)，接收機(jī)收到信號(hào)為這兩者信號(hào)的合成信號(hào)，因此可以認(rèn)為其為雙線模型的一種典型應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 傳播模型計(jì)算

雙線模型的路徑損耗只與發(fā)射機(jī)與終端的距離和天線傳播電磁波的第一菲涅爾區(qū)有關(guān)系。ITU-R8/1小組對(duì)雙線模型進(jìn)行了修正，其修正模型如下：

（1）

其中，d為天線覆蓋范圍。中，hT、hR分別是發(fā)射天線和接收天線的高度，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。當(dāng)小區(qū)覆蓋使用的頻段f=900MHZ時(shí)，則：

（2）

（3）

假設(shè)一般小區(qū)覆蓋天線安裝高度hA為1.5m，單樓層高度hF為3m，接收機(jī)高度hU為1.5m，則：

（4）

同理可以計(jì)算，當(dāng)f=2 100MHZ時(shí)，λ2=1/7，db2=42（3n-1.5）?？梢?jiàn)信號(hào)頻率越高，其對(duì)應(yīng)雙線模型中的閾值就越大。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際工程中針對(duì)高層樓宇的微蜂窩其覆蓋半徑不會(huì)超過(guò)100m，天線實(shí)際安裝距離樓宇在20m左右，室內(nèi)房間深度不會(huì)超過(guò)20m，因此在考慮電磁波的工作頻率和樓層之間的關(guān)系時(shí)與ITU-R8/1小組提出的d

天線置于地面時(shí)，隨著樓宇層數(shù)的增加，信號(hào)入射角逐漸減小，導(dǎo)致樓層越高，臨窗信號(hào)可接收范圍就越小。雙線模型中電磁波入射的最遠(yuǎn)距離為：

（5）

其中，d1為發(fā)射天線至建筑物外墻水平距離；hF為單層樓高；hA為發(fā)射天線高度；hV為接收天線高度；n為用戶所在樓層數(shù)。

由于高層樓宇存在陽(yáng)臺(tái)、樓板、室內(nèi)家具等損耗，導(dǎo)致在利用傳播模型進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)必須考慮信號(hào)的衰減問(wèn)題。信號(hào)的衰減主要是由于信號(hào)的穿透損耗引起，為了使損耗因子利于工程中的應(yīng)用，這里只考慮墻體損耗。假設(shè)室外天線無(wú)線信號(hào)入射角為θ，則樓層及墻穿透損耗因子為：

a（α）=Le+Lg（1-cosθ）2+max（L1，L2） （6）

（7）

其中，Le為室外信號(hào)垂直入射θ=0°穿透外墻的損耗；Lg為室外信號(hào)掠射θ=90°外墻的附加損耗，則：

L1=nLi （8）

L2=α（ri-2）（1-cosθ）2 （9）

其中，n為室內(nèi)路徑ri穿越隔墻數(shù)量；Li為每一隔墻的穿透損耗；α為室內(nèi)路徑無(wú)阻擋下的路徑損耗因子。各個(gè)參數(shù)取值如下：

（1）穿透材質(zhì)為木墻時(shí)：Le、Li取4dB；穿透材質(zhì)為有非金屬窗的混泥土墻時(shí)：Le、Li取7dB；穿透材質(zhì)為無(wú)窗的混凝土墻時(shí)：Le、Li取10～20dB。

（2）Lg取值為20dB，α取值為0.6。

修正雙線模型計(jì)算公式如下：

PL=40+25lg（L+LX）+Le+Lg（1-cosθ）2+max（L1，L2）

（10）

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證修正雙線模型的預(yù)測(cè)效果，對(duì)某樓宇進(jìn)行鏈路計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)測(cè)試驗(yàn)證。該高層樓宇采用建筑物對(duì)面25m處定向板狀天線進(jìn)行覆蓋，其中天線高度為1.5m，天線上傾角為30°，天線發(fā)射功率為16.8dBm，單層樓高為3m，接收天線高度為1.5m。表1分別列舉了測(cè)試點(diǎn)的位置，其中θ值為無(wú)線電波進(jìn)入樓層中的傾角，LMAX為無(wú)線信號(hào)進(jìn)入樓層內(nèi)的最遠(yuǎn)距離，并分別計(jì)算了無(wú)線信號(hào)穿透一、二次墻后室內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度。

表1 實(shí)測(cè)與理論值對(duì)比結(jié)果

測(cè)試點(diǎn)位 一次穿透測(cè)試點(diǎn) 二次穿透測(cè)試點(diǎn)

測(cè)試值/dBm 理論值/dBm 差值/dBm 測(cè)試值/dBm 理論值/dBm 差值/dBm

5F（θ=61.63°，LMAX=7.6m） -79.3 -77.6 1.7 -100 -96.6 3.4

7F（θ=52.04°，LMAX=5m） -77.1 -76.5 0.6 -99 -96.1 2.9

9F（θ=44.43°，LMAX=3.72m） -76.5 -76.1 0.4 -98.4 -95.6 2.8

10F（θ=41.25°，LMAX=3.3m） -75.1 -75.8 -0.7 -93.1 -95.0 -1.9

11F（θ=38.43°，LMAX=2.96m） -74.4 -75.0 -0.6 -93 -94.1 -1.1

12F（θ=35.92°，LMAX=2.69m） -72.3 -73.6 -1.3 -92.1 -93.5 -1.4

通過(guò)表1對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)的傳播環(huán)境非常復(fù)雜，利用修正雙線模型計(jì)算的理論值和實(shí)際測(cè)試的實(shí)測(cè)值存在一定誤差，但是誤差范圍較小，因此可以選擇修正雙線模型為室外分布系統(tǒng)無(wú)線鏈路計(jì)算的傳播模型。

3 雙線模型無(wú)線鏈路仿真

為了得到基于修正雙線模型下各樓層信號(hào)覆蓋強(qiáng)度，用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行無(wú)線鏈路仿真。天線模型采用TR36.814中的天線模型，天線發(fā)射功率為10dBm，天線參數(shù)如下：

水平方向：

（11）

其中，φ3dB=70°，Am=25dB。

垂直方向：

（12）

其中，θ3dB=10°，SLAV=20dB。

總天線增益：

（13）

其中，-180°≤θ≤180°，-180°≤φ≤180°。

3.1 樓宇整體覆蓋效果分析

在實(shí)際情況中，當(dāng)天線置于地面時(shí)，不同樓層房間內(nèi)所接收到的直射信號(hào)與反射信號(hào)的強(qiáng)度是不同的。為了便于進(jìn)行對(duì)比分析，這里只考慮在建筑物內(nèi)距離天線側(cè)的窗戶2m處的信號(hào)強(qiáng)度值，且假設(shè)這2m內(nèi)沒(méi)有遮擋物。當(dāng)接收最遠(yuǎn)距離小于2m時(shí)，只考慮信號(hào)入射的最遠(yuǎn)距離，以該入射的距離記為信號(hào)入射2m處的信號(hào)值。

仿真參數(shù)如下：?jiǎn)螛菍痈叨萮F取3m，發(fā)射天線高度hA取1.5m，接收機(jī)高度hU取1.5m，窗戶高度取2m，天線發(fā)射功率10dBm，天線距離建筑距離20m。

仿真結(jié)果如圖1所示：

圖1 不同傾角下接收功率仿真圖

由圖1可知，不同的天線傾角下，曲線峰值對(duì)應(yīng)不同的樓宇層數(shù)。當(dāng)天線上傾角為30°時(shí)，建筑物13層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳；當(dāng)天線上傾角為35°時(shí)，建筑物19層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳；當(dāng)天線傾角達(dá)到40°時(shí)，建筑物30層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳。其原因是在不同的上傾角條件下，天線垂直波瓣對(duì)應(yīng)的樓層數(shù)不同所致。當(dāng)建筑物樓層數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，建筑物內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度變化值趨于平穩(wěn)，但是其信號(hào)接收距離為信號(hào)入射最遠(yuǎn)距離（小于2m）。

3.2 距離變化時(shí)樓層覆蓋效果分析

當(dāng)天線置于地面時(shí)，仿真分析了在固定樓層處（此處取15層），天線不同距離對(duì)接收功率的影響。仿真參數(shù)如下：?jiǎn)螛菍痈叨萮F取3m，發(fā)射天線高度hA取1.5m，接收機(jī)高度hU取1.5m，窗戶高度取2m，天線發(fā)射功率10dBm，距離樓面的距離為變值。

仿真結(jié)果如圖2所示：

圖2 不同距離下接收功率仿真圖

由圖2可知，隨著天線距離的不斷增大，信號(hào)接收功率場(chǎng)強(qiáng)值不斷減小。但是當(dāng)天線上傾角為30°、基站天線距建筑物24m時(shí)，建筑物15層接收到的信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)一次波峰；而當(dāng)天線上傾角為35°、基站距離建筑物15m左右時(shí)，建筑物15層內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值出現(xiàn)一次波峰。其原因是由于天線距離樓層距離變化，導(dǎo)致天線垂直波瓣正對(duì)樓層不同所致。

4 結(jié)論

室外分布系統(tǒng)對(duì)高層樓宇進(jìn)行覆蓋時(shí)，可以選擇修正雙線模型作為無(wú)線傳播模型來(lái)進(jìn)行鏈路損耗計(jì)算。此外，天線的傾角及其與建筑物間的距離對(duì)高層樓宇覆蓋效果影響顯著。因此，在實(shí)際工程中，對(duì)采用室外分布系統(tǒng)覆蓋高層樓宇的方案需要綜合考慮建筑物與天線之間的距離、天線的傾角、建筑物內(nèi)需要覆蓋的目標(biāo)區(qū)域三者之間的關(guān)系。建議按照首先在確定天線允許安裝位置前提下，再根據(jù)覆蓋目標(biāo)區(qū)域選擇天線傾角的方法來(lái)確定設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 鄧金華，湯偉良，梁俊賢，等. GSM網(wǎng)絡(luò)高層樓宇室內(nèi)覆蓋解決方案淺析[J]. 硅谷， 2010（22）： 115.

[4] 吳杰.高層樓宇GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2012.

[5] 李錦瑞. 城中村綜合覆蓋方案探討[J]. 廣東通信技術(shù)， 2012（12）： 11-14.endprint

（5）

其中，d1為發(fā)射天線至建筑物外墻水平距離；hF為單層樓高；hA為發(fā)射天線高度；hV為接收天線高度；n為用戶所在樓層數(shù)。

由于高層樓宇存在陽(yáng)臺(tái)、樓板、室內(nèi)家具等損耗，導(dǎo)致在利用傳播模型進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)必須考慮信號(hào)的衰減問(wèn)題。信號(hào)的衰減主要是由于信號(hào)的穿透損耗引起，為了使損耗因子利于工程中的應(yīng)用，這里只考慮墻體損耗。假設(shè)室外天線無(wú)線信號(hào)入射角為θ，則樓層及墻穿透損耗因子為：

a（α）=Le+Lg（1-cosθ）2+max（L1，L2） （6）

（7）

其中，Le為室外信號(hào)垂直入射θ=0°穿透外墻的損耗；Lg為室外信號(hào)掠射θ=90°外墻的附加損耗，則：

L1=nLi （8）

L2=α（ri-2）（1-cosθ）2 （9）

其中，n為室內(nèi)路徑ri穿越隔墻數(shù)量；Li為每一隔墻的穿透損耗；α為室內(nèi)路徑無(wú)阻擋下的路徑損耗因子。各個(gè)參數(shù)取值如下：

（1）穿透材質(zhì)為木墻時(shí)：Le、Li取4dB；穿透材質(zhì)為有非金屬窗的混泥土墻時(shí)：Le、Li取7dB；穿透材質(zhì)為無(wú)窗的混凝土墻時(shí)：Le、Li取10～20dB。

（2）Lg取值為20dB，α取值為0.6。

修正雙線模型計(jì)算公式如下：

PL=40+25lg（L+LX）+Le+Lg（1-cosθ）2+max（L1，L2）

（10）

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證修正雙線模型的預(yù)測(cè)效果，對(duì)某樓宇進(jìn)行鏈路計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)測(cè)試驗(yàn)證。該高層樓宇采用建筑物對(duì)面25m處定向板狀天線進(jìn)行覆蓋，其中天線高度為1.5m，天線上傾角為30°，天線發(fā)射功率為16.8dBm，單層樓高為3m，接收天線高度為1.5m。表1分別列舉了測(cè)試點(diǎn)的位置，其中θ值為無(wú)線電波進(jìn)入樓層中的傾角，LMAX為無(wú)線信號(hào)進(jìn)入樓層內(nèi)的最遠(yuǎn)距離，并分別計(jì)算了無(wú)線信號(hào)穿透一、二次墻后室內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度。

表1 實(shí)測(cè)與理論值對(duì)比結(jié)果

測(cè)試點(diǎn)位 一次穿透測(cè)試點(diǎn) 二次穿透測(cè)試點(diǎn)

測(cè)試值/dBm 理論值/dBm 差值/dBm 測(cè)試值/dBm 理論值/dBm 差值/dBm

5F（θ=61.63°，LMAX=7.6m） -79.3 -77.6 1.7 -100 -96.6 3.4

7F（θ=52.04°，LMAX=5m） -77.1 -76.5 0.6 -99 -96.1 2.9

9F（θ=44.43°，LMAX=3.72m） -76.5 -76.1 0.4 -98.4 -95.6 2.8

10F（θ=41.25°，LMAX=3.3m） -75.1 -75.8 -0.7 -93.1 -95.0 -1.9

11F（θ=38.43°，LMAX=2.96m） -74.4 -75.0 -0.6 -93 -94.1 -1.1

12F（θ=35.92°，LMAX=2.69m） -72.3 -73.6 -1.3 -92.1 -93.5 -1.4

通過(guò)表1對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)的傳播環(huán)境非常復(fù)雜，利用修正雙線模型計(jì)算的理論值和實(shí)際測(cè)試的實(shí)測(cè)值存在一定誤差，但是誤差范圍較小，因此可以選擇修正雙線模型為室外分布系統(tǒng)無(wú)線鏈路計(jì)算的傳播模型。

3 雙線模型無(wú)線鏈路仿真

為了得到基于修正雙線模型下各樓層信號(hào)覆蓋強(qiáng)度，用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行無(wú)線鏈路仿真。天線模型采用TR36.814中的天線模型，天線發(fā)射功率為10dBm，天線參數(shù)如下：

水平方向：

（11）

其中，φ3dB=70°，Am=25dB。

垂直方向：

（12）

其中，θ3dB=10°，SLAV=20dB。

總天線增益：

（13）

其中，-180°≤θ≤180°，-180°≤φ≤180°。

3.1 樓宇整體覆蓋效果分析

在實(shí)際情況中，當(dāng)天線置于地面時(shí)，不同樓層房間內(nèi)所接收到的直射信號(hào)與反射信號(hào)的強(qiáng)度是不同的。為了便于進(jìn)行對(duì)比分析，這里只考慮在建筑物內(nèi)距離天線側(cè)的窗戶2m處的信號(hào)強(qiáng)度值，且假設(shè)這2m內(nèi)沒(méi)有遮擋物。當(dāng)接收最遠(yuǎn)距離小于2m時(shí)，只考慮信號(hào)入射的最遠(yuǎn)距離，以該入射的距離記為信號(hào)入射2m處的信號(hào)值。

仿真參數(shù)如下：?jiǎn)螛菍痈叨萮F取3m，發(fā)射天線高度hA取1.5m，接收機(jī)高度hU取1.5m，窗戶高度取2m，天線發(fā)射功率10dBm，天線距離建筑距離20m。

仿真結(jié)果如圖1所示：

圖1 不同傾角下接收功率仿真圖

由圖1可知，不同的天線傾角下，曲線峰值對(duì)應(yīng)不同的樓宇層數(shù)。當(dāng)天線上傾角為30°時(shí)，建筑物13層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳；當(dāng)天線上傾角為35°時(shí)，建筑物19層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳；當(dāng)天線傾角達(dá)到40°時(shí)，建筑物30層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳。其原因是在不同的上傾角條件下，天線垂直波瓣對(duì)應(yīng)的樓層數(shù)不同所致。當(dāng)建筑物樓層數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，建筑物內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度變化值趨于平穩(wěn)，但是其信號(hào)接收距離為信號(hào)入射最遠(yuǎn)距離（小于2m）。

3.2 距離變化時(shí)樓層覆蓋效果分析

當(dāng)天線置于地面時(shí)，仿真分析了在固定樓層處（此處取15層），天線不同距離對(duì)接收功率的影響。仿真參數(shù)如下：?jiǎn)螛菍痈叨萮F取3m，發(fā)射天線高度hA取1.5m，接收機(jī)高度hU取1.5m，窗戶高度取2m，天線發(fā)射功率10dBm，距離樓面的距離為變值。

仿真結(jié)果如圖2所示：

圖2 不同距離下接收功率仿真圖

由圖2可知，隨著天線距離的不斷增大，信號(hào)接收功率場(chǎng)強(qiáng)值不斷減小。但是當(dāng)天線上傾角為30°、基站天線距建筑物24m時(shí)，建筑物15層接收到的信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)一次波峰；而當(dāng)天線上傾角為35°、基站距離建筑物15m左右時(shí)，建筑物15層內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值出現(xiàn)一次波峰。其原因是由于天線距離樓層距離變化，導(dǎo)致天線垂直波瓣正對(duì)樓層不同所致。

4 結(jié)論

室外分布系統(tǒng)對(duì)高層樓宇進(jìn)行覆蓋時(shí)，可以選擇修正雙線模型作為無(wú)線傳播模型來(lái)進(jìn)行鏈路損耗計(jì)算。此外，天線的傾角及其與建筑物間的距離對(duì)高層樓宇覆蓋效果影響顯著。因此，在實(shí)際工程中，對(duì)采用室外分布系統(tǒng)覆蓋高層樓宇的方案需要綜合考慮建筑物與天線之間的距離、天線的傾角、建筑物內(nèi)需要覆蓋的目標(biāo)區(qū)域三者之間的關(guān)系。建議按照首先在確定天線允許安裝位置前提下，再根據(jù)覆蓋目標(biāo)區(qū)域選擇天線傾角的方法來(lái)確定設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

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（5）

其中，d1為發(fā)射天線至建筑物外墻水平距離；hF為單層樓高；hA為發(fā)射天線高度；hV為接收天線高度；n為用戶所在樓層數(shù)。

由于高層樓宇存在陽(yáng)臺(tái)、樓板、室內(nèi)家具等損耗，導(dǎo)致在利用傳播模型進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)必須考慮信號(hào)的衰減問(wèn)題。信號(hào)的衰減主要是由于信號(hào)的穿透損耗引起，為了使損耗因子利于工程中的應(yīng)用，這里只考慮墻體損耗。假設(shè)室外天線無(wú)線信號(hào)入射角為θ，則樓層及墻穿透損耗因子為：

a（α）=Le+Lg（1-cosθ）2+max（L1，L2） （6）

（7）

其中，Le為室外信號(hào)垂直入射θ=0°穿透外墻的損耗；Lg為室外信號(hào)掠射θ=90°外墻的附加損耗，則：

L1=nLi （8）

L2=α（ri-2）（1-cosθ）2 （9）

其中，n為室內(nèi)路徑ri穿越隔墻數(shù)量；Li為每一隔墻的穿透損耗；α為室內(nèi)路徑無(wú)阻擋下的路徑損耗因子。各個(gè)參數(shù)取值如下：

（1）穿透材質(zhì)為木墻時(shí)：Le、Li取4dB；穿透材質(zhì)為有非金屬窗的混泥土墻時(shí)：Le、Li取7dB；穿透材質(zhì)為無(wú)窗的混凝土墻時(shí)：Le、Li取10～20dB。

（2）Lg取值為20dB，α取值為0.6。

修正雙線模型計(jì)算公式如下：

PL=40+25lg（L+LX）+Le+Lg（1-cosθ）2+max（L1，L2）

（10）

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證修正雙線模型的預(yù)測(cè)效果，對(duì)某樓宇進(jìn)行鏈路計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)測(cè)試驗(yàn)證。該高層樓宇采用建筑物對(duì)面25m處定向板狀天線進(jìn)行覆蓋，其中天線高度為1.5m，天線上傾角為30°，天線發(fā)射功率為16.8dBm，單層樓高為3m，接收天線高度為1.5m。表1分別列舉了測(cè)試點(diǎn)的位置，其中θ值為無(wú)線電波進(jìn)入樓層中的傾角，LMAX為無(wú)線信號(hào)進(jìn)入樓層內(nèi)的最遠(yuǎn)距離，并分別計(jì)算了無(wú)線信號(hào)穿透一、二次墻后室內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度。

表1 實(shí)測(cè)與理論值對(duì)比結(jié)果

測(cè)試點(diǎn)位 一次穿透測(cè)試點(diǎn) 二次穿透測(cè)試點(diǎn)

測(cè)試值/dBm 理論值/dBm 差值/dBm 測(cè)試值/dBm 理論值/dBm 差值/dBm

5F（θ=61.63°，LMAX=7.6m） -79.3 -77.6 1.7 -100 -96.6 3.4

7F（θ=52.04°，LMAX=5m） -77.1 -76.5 0.6 -99 -96.1 2.9

9F（θ=44.43°，LMAX=3.72m） -76.5 -76.1 0.4 -98.4 -95.6 2.8

10F（θ=41.25°，LMAX=3.3m） -75.1 -75.8 -0.7 -93.1 -95.0 -1.9

11F（θ=38.43°，LMAX=2.96m） -74.4 -75.0 -0.6 -93 -94.1 -1.1

12F（θ=35.92°，LMAX=2.69m） -72.3 -73.6 -1.3 -92.1 -93.5 -1.4

通過(guò)表1對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)的傳播環(huán)境非常復(fù)雜，利用修正雙線模型計(jì)算的理論值和實(shí)際測(cè)試的實(shí)測(cè)值存在一定誤差，但是誤差范圍較小，因此可以選擇修正雙線模型為室外分布系統(tǒng)無(wú)線鏈路計(jì)算的傳播模型。

3 雙線模型無(wú)線鏈路仿真

為了得到基于修正雙線模型下各樓層信號(hào)覆蓋強(qiáng)度，用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行無(wú)線鏈路仿真。天線模型采用TR36.814中的天線模型，天線發(fā)射功率為10dBm，天線參數(shù)如下：

水平方向：

（11）

其中，φ3dB=70°，Am=25dB。

垂直方向：

（12）

其中，θ3dB=10°，SLAV=20dB。

總天線增益：

（13）

其中，-180°≤θ≤180°，-180°≤φ≤180°。

3.1 樓宇整體覆蓋效果分析

在實(shí)際情況中，當(dāng)天線置于地面時(shí)，不同樓層房間內(nèi)所接收到的直射信號(hào)與反射信號(hào)的強(qiáng)度是不同的。為了便于進(jìn)行對(duì)比分析，這里只考慮在建筑物內(nèi)距離天線側(cè)的窗戶2m處的信號(hào)強(qiáng)度值，且假設(shè)這2m內(nèi)沒(méi)有遮擋物。當(dāng)接收最遠(yuǎn)距離小于2m時(shí)，只考慮信號(hào)入射的最遠(yuǎn)距離，以該入射的距離記為信號(hào)入射2m處的信號(hào)值。

仿真參數(shù)如下：?jiǎn)螛菍痈叨萮F取3m，發(fā)射天線高度hA取1.5m，接收機(jī)高度hU取1.5m，窗戶高度取2m，天線發(fā)射功率10dBm，天線距離建筑距離20m。

仿真結(jié)果如圖1所示：

圖1 不同傾角下接收功率仿真圖

由圖1可知，不同的天線傾角下，曲線峰值對(duì)應(yīng)不同的樓宇層數(shù)。當(dāng)天線上傾角為30°時(shí)，建筑物13層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳；當(dāng)天線上傾角為35°時(shí)，建筑物19層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳；當(dāng)天線傾角達(dá)到40°時(shí)，建筑物30層處接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值最佳。其原因是在不同的上傾角條件下，天線垂直波瓣對(duì)應(yīng)的樓層數(shù)不同所致。當(dāng)建筑物樓層數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，建筑物內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度變化值趨于平穩(wěn)，但是其信號(hào)接收距離為信號(hào)入射最遠(yuǎn)距離（小于2m）。

3.2 距離變化時(shí)樓層覆蓋效果分析

當(dāng)天線置于地面時(shí)，仿真分析了在固定樓層處（此處取15層），天線不同距離對(duì)接收功率的影響。仿真參數(shù)如下：?jiǎn)螛菍痈叨萮F取3m，發(fā)射天線高度hA取1.5m，接收機(jī)高度hU取1.5m，窗戶高度取2m，天線發(fā)射功率10dBm，距離樓面的距離為變值。

仿真結(jié)果如圖2所示：

圖2 不同距離下接收功率仿真圖

由圖2可知，隨著天線距離的不斷增大，信號(hào)接收功率場(chǎng)強(qiáng)值不斷減小。但是當(dāng)天線上傾角為30°、基站天線距建筑物24m時(shí)，建筑物15層接收到的信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)一次波峰；而當(dāng)天線上傾角為35°、基站距離建筑物15m左右時(shí)，建筑物15層內(nèi)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值出現(xiàn)一次波峰。其原因是由于天線距離樓層距離變化，導(dǎo)致天線垂直波瓣正對(duì)樓層不同所致。

4 結(jié)論

室外分布系統(tǒng)對(duì)高層樓宇進(jìn)行覆蓋時(shí)，可以選擇修正雙線模型作為無(wú)線傳播模型來(lái)進(jìn)行鏈路損耗計(jì)算。此外，天線的傾角及其與建筑物間的距離對(duì)高層樓宇覆蓋效果影響顯著。因此，在實(shí)際工程中，對(duì)采用室外分布系統(tǒng)覆蓋高層樓宇的方案需要綜合考慮建筑物與天線之間的距離、天線的傾角、建筑物內(nèi)需要覆蓋的目標(biāo)區(qū)域三者之間的關(guān)系。建議按照首先在確定天線允許安裝位置前提下，再根據(jù)覆蓋目標(biāo)區(qū)域選擇天線傾角的方法來(lái)確定設(shè)計(jì)方案。

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