空中基站的LTE海域 电磁波的衰耗

　　这篇通信工程师论文发表了空中基站的LTE海域 电磁波的衰耗受海域通信设施部署条件以及网络建设成本的制约，现阶段的海上移动通信一般是通过卫星通信来实现的。论文推导出电磁波在海域上的传播模型，然后通过LTE的帧结构、视距传播理论确定海域基站的极限覆盖距离和天线极限挂高，最后提出LTE海域覆盖整体解决思路。

　　关键词：通信工程师论文,空中基站;海域覆盖;海域传播模型

　　1 引言

　　卫星通信可满足基本的语音通信，但由于其数据传输速率只有2.4 kb/s～9.6 kb/s，通常难以满足常规的数据业务需求，加上卫星电话终端的价格普遍较高，体积更大，可推广性不强。为实用起见，需要制定更具普及性的民用通信方案，以便沿海国家在专属经济区内实现无线宽带覆盖。

　　LTE是目前使用最为广泛的民用移动通信网络制式，能同时满足语音业务和高速数据业务的需求，如能用于海域无线宽带覆盖，将可取得经济性、实用性和可靠性。但鉴于LTE本身并非专用于长距离覆盖的制式，更多时候只应用于陆地上的密集市区、一般市区、郊区乡镇等场景，难以用于远距离的海域覆盖，有必要研究一套新型并可行的解决方案，采用创新的手段进行基站架设，突破基站必须在陆地上建设的传统思路，以满足更大面积海域场景的LTE网络覆盖需求。

　　2 电磁波的海域传播衰耗

　　传播模型的确定是计算路径损耗的先决条件。由于海上的信道环境较陆地更为复杂且不稳定，加之地球弧度、船舶遮挡、云雾衰减、雨衰等问题的影响，必须选用合理的传播模型来做路损预测。常用于室外电波传播的经验模型主要有Cost231-Hata模型、Okumura模型、SPM模型等，但这些模型都是基于陆地环境而设计的，直接用于海面环境可能会引起较大的误差。原因主要是，海面反射信号对实际接收到的信号的影响较大，在具体计算海面电磁波传播损耗的时候，应分别考虑直射路径和反射路径的信号损耗，同时还要考虑大气吸收损耗、船体穿透损耗以及云雾衰减、雨衰等损耗。

　　2.1 自由空间损耗

　　自由空间传播是指电磁波在理想空间中完全不会被障碍物吸收能量，也不存在反射或散射的传播，只与电磁波的频率、传播距离有关，其传播损耗公式为：

　　PLfs=32.45+20lgf+20lgd (1)

　　公式(1)中，f为电磁波的工作频率，单位为MHz;d为电磁波传播的距离，单位为km。

　　电磁波在海面的直射路径通常可以视作自由空间传播。

　　2.2 海面反射损耗

　　电磁波在海面环境下传播，可理想地视作直射波和来自海面的反射波结合，如图1所示。将海面视作平面，电磁波向海面入射，碰触海面后产生反射，入射角与反射角相等。

　　假设海平面平坦光滑，基站天线高度为ht，移动台天线高度为hR，基站与移动台之间的距离为d，电磁波的波长为λ，反射波和直射波的路径差为Δr，相位差为Δφ，根据几何关系，可得：

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

　　通过泰勒展开式，可推导出路径差Δr的近似值为：

　　Δr=2hthR/d (3)

　　因此可推导出相位差Δφ为：

　　Δφ=4πhthR/λd (4)

　　由上述结论，可推导出反射损耗近似值为：

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

　　2.3 大气吸收损耗

　　大气中的氧气和水蒸气会对电磁波有吸收作用。由于同等温度条件下，海面大气的相对湿度远高于陆地环境，因此，电磁波在海面上传输时，需要考虑由氧气和水蒸气这两部分所产生的吸收损耗。

　　在微波波段，大气吸收损耗为分子损耗率与视距距离的乘积，即：

　　PLa=(γo+γw)×d (6)

　　由式(6)可知，大气吸收损耗与收发天线间的距离是呈线性关系的，大气吸收损耗会随着基站与移动台之间的距离增加而增大。式(6)中，γo为氧分子损耗率，γw为水蒸气分子损耗率。对于57 GHz以下的频段，氧分子损耗率可近似计算为：

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

　　(7)

　　水蒸气分子损耗率可用下式计算：

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

　　海面水蒸气密度约为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 其它损耗

　　其它必须考虑的损耗主要包括船体穿透损耗、云雾衰减、雨衰等。

　　(1)船体穿透损耗

　　电磁波穿透船体时会产生损耗，由于船体与陆地上的汽车、火车的材质近似，根据经验值，船体穿透损耗可取定为：

　　PLS=15 dB (10)

　　(2)云雾衰减

　　根据瑞利散射近似的原理推导可知，在10 GHz以上时，衰减大概为3 dB～4 dB;当频率降低至4 GHz时，云雾衰减已经不足0.5 dB。由此可见，在LTE工作频段，云雾衰减的影响几乎可以忽略。

　　(3)雨衰

　　利用适用于1 GHz—350 GHz的HPM模型可推导出雨衰随频率变化的数值。与云雾衰减类似，在10 GHz以上时，雨衰大概为2 dB～3 dB，在LTE工作频段，雨衰基本可以忽略。

　　2.5 海域传播衰耗计算

　　綜上所述，电磁波的海域传播衰耗计算公式如下：

　　PL=PLfs+PLr+PLa+PLS (11)

　　将式(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基站覆盖半径预测

　　LTE网络的超远距离传播可按视距传播场景考虑，但其覆盖的距离受限于多种因素，包括前文所述的海域路径损耗、基站发射功率、终端接收机灵敏度、收发天线增益、馈线损耗等。此外，由于海域传播距离比陆地远得多，LTE帧结构产生的限制也不能忽略。综上所述，应通过对LTE帧结构、视距传播路径的综合分析，再结合海域传播链路预算，同时考虑基站架设的安全性和可行性，最终作出单站的覆盖半径预测。

　　3.1 LTE理论极限覆盖距离

　　LTE的覆盖能力由多种参数决定，以LTE FDD为例，在忽略其它限制的前提下，LTE FDD网络的覆盖距离主要与保护时间GT的长度有关。不同配置下的LTE FDD理论覆盖距离如表1所示。

　　由表1可见，在Preamble格式3的配置下，LTE FDD理论可达的最大覆盖距离约为107.34 km。TD-LTE的最大覆盖距离与LTE FDD基本相当，均能达到100 km级别。

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