手机电视信号传输损耗性能分析

黎　鹏,郭　嘉,丁洪伟 ,张国平,杨俊东,杨　永

(1.云南大学 信息学院，云南 昆明 650091；

2.云南省新闻出版广电局，云南 昆明 650031)



手机电视信号传输损耗性能分析

黎鹏1,郭嘉2,丁洪伟1,张国平1,杨俊东1,杨永1

(1.云南大学 信息学院，云南 昆明 650091；

2.云南省新闻出版广电局，云南 昆明 650031)

摘要：选用Cost 231-Walfisch-Ikegami模型对手机无线信号传输模型进行了简化，通过仿真，分析了手机电视信号在直通视距和非直通视距下传输损耗的特点。在直通视距情况下，传播路径损耗随电波频率增加而增大，在非直通视距情况下，损耗随着基站高度增加而增大。接着给出了在非直通视距情况下，街道宽度和天线高度对损耗的影响，街道越窄衰减越大，发射天线高度越低衰减越大，指导了实际工程应用。

关键词：手机电视信号；信道衰落；损耗；Cost 231-Walfisch-Ikegami模型

0引言

作为一种新兴媒体，手机电视在带给人们方便的同时，也对信号质量提出了更高的要求。手机电视信号在传播过程中，会产生衰落并受到噪声干扰，从而导致信号功率衰减和误码增加[1]。前人在大量经验的基础上总结出了Cost 231-Walfisch-Ikegami模型[2]，本文在此模型为基础，用MATLAB对手机电视信号传输系统进行仿真，以降低信号损耗为出发点，仿真出直通视距和非直通视距对信号衰落的影响，给出了电波频率和基站高度对损耗的影响，并结合无线信号传输模型，分析了非直通视距损耗与街道宽度和天线高度的关系[3]，对实际工程起到了定向指导的作用。

1Cost 231-Walfisch-Ikegami模型

Cost 231-Walfisch-Ikegami模型主要应用在市区内信号传输时路径损耗的预测，这种损耗与建筑物高度、街道宽度以及建筑物之间的距离有关[4]，是经验模型和理论模型的一种结合，主要用于800～2 000 MHz的频段[5]。在实际应用中存在2种情况：一种是基站与接收端存在直通视距(LOS)的情况；另一种是基站与接收端不存在直通视距(NLOS)的情况。

① 如果基站与接收端存在直通视距(LOS)，信号路径损耗L(dB)[6]：

L=42.6+26lgd(km)+20lgf(MHz),20m≤d≤5km，

(1)

式中,d(km)为传播距离，f(MHz)为载波频率。

② 如果基站与接收端不存在直通视距(NLOS)，信号路径损耗L(dB)[7]：

L=L0+Lrts+Lmsd,20m≤d≤5km，

(2)

式中，L0表示自由空间传播损耗；Lrts表示房顶到街道的散射和绕射损耗；Lmsd表示多屏绕射损耗。

③ 不存在(非)直通视距的Cost 231-Walfisch-Ikegami模型简化[8]

假设基站天线高度比房屋平均高度要高，即Δhb>0(这是因为基站天线一般安装在较高建筑物顶层)，则非直通视距(NLOS)路径损耗L(dB)可简化为：

(3)

式中，d是通信距离(km)，f是载波频率(MHz)，Lori是街道取向因子。

2模型仿真及结果分析

根据式(1)和式(2)模型，设置参数：f=900 MHz,基站发射功率Pt=10 dBw,基站发射天线增益Gt=12 dBd,发送端的插入损耗Li=0 dB,发送端的馈线损耗L1=3 dB,建立Matlab仿真[9]，可得到适合小区手机电视信号传输的直视和非直视信号衰减仿真结果如图1和图2所示。

图1表示在建筑物间距离为b=36 m的情况下，电波传播模型路径损耗在不同频率下随距离的变化曲线。从仿真图上可以看出，在其他条件一定的情况下，电波传播路径损耗随着电波的频率增加而增大。例如，当距离d=1 100 m，频率f=100 MHz时的路径损耗为81 dB，而f=1 000 MHz时的路径损耗为102 dB。同时，电波传播路径损耗随着传播距离的增大而变大。例如，当f=100 MHz时，d=900 m的路径损耗为79.5 dB，而d=2 100 m的路径损耗达到了88.5 dB。

图2表示在非直通视距传播的情况下，电波传播模型路径损耗在不同载波频率时，其随着传输距离变化的曲线。取hb=20 m,b=50 m,w=20 m,hm=1.5 m,设置不同的h值(即基站高度取不同的值)，运行仿真。从仿真图上可以看出，在其他条件一定的情况下，电波传播路径损耗随着电波的基站高度的增加而增大。例如，当距离d=1 000 m时，载波频率f=1 000 MHz时的路径损耗为137.3 dB，而d=500 m时的路径损耗只是125.9 dB。这说明随着信号传输距离的增加，信号传播路径损耗不断增大。这是比较容易理解的，因为随着传输距离的增加，接收端与发射端的距离随着增加，必然会引起路径损耗的增加，同时电波传播路径损耗随着载波频率的增大而变大。例如，当f=100 MHz时，d=1 000 m的路径损耗为112.7 dB，而f=500 MHz的路径损耗达到了130.5 dB。

从图1和图2中的曲线对比可以看出，在条件相同的情况下，非直视通路路径损耗比直视通路路径损耗要大，这是因为非直视路径传播信号要经过反射，绕射等途径才能到达接收端，这样就增加了信号的损耗。因此要根据实际情况，在不同的环境下采取不同的模型来预测路径的损耗[10]。

3非直通视距路径损耗影响因素

根据非直通视距简化模型式(3)，参数设置同上，通过Matlab仿真[11]，可得到以下结果。

3.1损耗与街道宽度的关系

在实际应用中，发射基站一般都比建筑物平均高度要高，而无线信号传输路径一般也不存在直通视距，从图3中可以看出，信号衰落与传输距离、载波频率、街道宽度、基站与建筑物平均高度的差值、接收端与建筑物平均高度的差值及信号的入射方向有关。在特定环境中，建筑物平均高度一定，接收端高度为1～3 m，信号入射方向选取损耗最大的角度90°计算，根据模型，可以得到不同街道宽度随着传输距离变换产生的衰减，如图3所示。

图3　损耗与街道宽度的关系

图3是在街道宽度w不同时，信号随传输距离增加产生衰减的关系曲线。其中：假设基站天线高度hb=25m，建筑物平均高度hr=20m，接收端hm=2m，信号入射角即φ=90°即Lori=0，以及载波频率f=1 000 MHz。

从图3可以看出，信号随着传输距离的增加，损耗呈对数曲线衰减，并且街道越窄衰减越大。容易理解，街道越窄信号通过的障碍越多，会产生更多的反射及散射，增大了信号的损耗。反之，街道越宽，信号损耗越小。并且，简化公式与w=18 m时的Cost 231-Walfisch-Ikegami模型的损耗公式重合，且简化后的公式损耗是其他损耗的平均水平，如果w的取值范围是10～30 m之间，损耗误差不超过5 dB，简化模型具有可行性。

3.2损耗与天线高度的关系

图4是在基站天线hb不同时，信号随传输距离增加产生衰减的关系曲线。其中：假设基站天线高度w=18m，建筑物平均高度hr=20m，接收端hm=2 m，信号入射角φ=90°即Lori=0，以及载波频率f=1 000 MHz。

图4　损耗与天线高度的关系

从图4可以看出，信号随着天线高度、传输距离的增加，损耗呈对数曲线衰减，并且发射天线高度越低衰减越大，天线高度hb=25 m的衰减曲线位于高度为hb=40 m的天线曲线上方，25 m高的天线衰减明显>40 m高的天线。容易理解，天线越低信号通过的障碍越多，会产生更多的反射及散射，增大了信号的损耗。反之，天线越高，信号损耗越小，但它有极限，当天线高度达到一定程度，信号损耗就不会随着其高度增高而变大。

从图4中可知，简化公式与hb=30 m时的Cost 231-Walfisch-Ikegami模型的损耗公式重合，且简化后的公式损耗是其他损耗的平均水平，如果hb的取值范围是25～40 m之间，那么损耗误差不超过5 dB，简化模型具有可行性。

4结束语

本文介绍了Cost 231-Walfisch-Ikegami模型，该模型在计算信号衰落时考虑比较全面，适合于中等城市城区，并给出了其使用范围及参数[12]。模型主要考虑了存在直通视距和非直通视距的两种情况，把非直通视距的衰落公式进行了化简处理，找出了街道宽度和天线高度对信号衰落的影响，并对其进行分析。利用这个关系，可以根据损耗对街道宽度及天线高度的要求来确定发射信号的功率，从而减少不必要的能耗。

参考文献

[1]李楠.三网融合背景下手机电视发展关键问题研究[D].长春:东北师范大学,2011:11-18.

[2]Cui S,Goldsmith A J,Bahai _A.Modulation Optimization under Energy Constraints[C]∥Communications,2003.ICC′03.IEEE International Conference on.IEEE,2003,4:2805-2811.

[3]石晓杰.“手机电视”技术与应用研究[D].北京:北京邮电大学,2007:10-19.

[4]Schurgers C,Raghunathan V,Srivastava M.Power Management for Energy-aware Communication Systems[C]∥ACM Trans.Embedded Comput.Syst.2003,2:431-447.

[5]Krunz M,Muqattash A.Transmission Power Control in Wireless Ad Hoc Networks:Challenges,Solutions,and open issues[J].IEEE Network Magazine，2004,18:8-14.

[6]Zhang F,Chanson S T.Throughput and Value Maximization in Wireless Packet Scheduling under Energy and Time constraints.Proc[C]∥IEEE Real-Time Systems Symposium(RTSS)，2003:324-334.

[7]Monks J P,Bharghavan V,Hwu W.A power controlled multiple access protocol for wireless packet Networks.INFOCOM 2001[C]∥ Twentieth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Proceedings.IEEE,2001:219-228.

[8]Laneman J N,Wornell G W,Tse D N C.An Efficient Protocol for Realizing Cooperative Diversity in Wireless Networks.Information Theory[C]∥Proceedings.2001.IEEE International Symposium on，2001:24-29.

[9]李新民,扈平.基于MATLAB 的两径模型仿真分析[J].无线电工程,2012,42(3):21-24.

[10]范晓静.室内无线传播模型的研究与仿真[J].科技信息,2010(26):131-131.

[11]高自新,吴新华.无线衰落信道的空时编码技术研究[J].无线电通信技术,2011,37(1):30-33.

[12]李志豪,田龙杰.移动通信中的无线信道技术[J].电子测试.2013(6):179-180.

Loss Performance Analysis of Mobile TV Signal Transmission

LI Peng1,GUO Jia2,DING Hong-wei1,ZHANG Guo-ping1,YANG Jun-dong1,YANG Yong1

(1.School of Information,Yunnan University,Kunming Yunnan 650091;2.State Administration of Press,Publication,Radio and Television of Yunnan,Kunming Yunnan 650031)

Abstract：Cost 231-Walfisch-Ikegami Cost model is used to simplify the transmission model of mobile TV radio signal.The transmission loss of mobile TV signal is analyzed by simulation.In the case of LOS,the path loss increases with the increasing of the wave frequency,and it also increases with the increasing of the antenna station height in the case of NLOS.And then the influence of street width and antenna height on the loss is also presented in the case of NLOS.The more narrow the streets and the higher the transmission antenna,the greater the path loss is.This can guide the practical engineering application.

Key words：Mobile TV signal;Channel fading;Loss;Cost 231-Walfisch-Ikegami Model

中图分类号：TN914

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-76-3

作者简介：黎鹏(1981—)，男，在读博士生，实验师，主要研究方向：通信与信息系统。丁洪伟(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向：轮询、通信信息系统。

基金项目：国家自然科学基金项目(6146053)；云南省教育厅基金(2014Y021)；云南省广播电视局合作项目联合资助

收稿日期：2016-01-06

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.20

引用格式：黎鹏,郭嘉,丁洪伟，等.手机电视信号传输损耗性能分析[J].无线电通信技术,2016,42(3)76-78,97.