基站中用戶路徑損耗的MATLAB分析

辛 潤，王 珂

（內(nèi)蒙古大學，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021）

1 引言

近年來，隨著信息社會的到來，移動用戶數(shù)迅速增長，人們對移動通信的各種需求也與日俱增.到2010年全球移動用戶數(shù)已達到18億.作為現(xiàn)代社會重要支柱產(chǎn)業(yè)的信息通信行業(yè)，能量消耗特別巨大，有資料表明，信息通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球5大耗能產(chǎn)業(yè)之一.隨著移動網(wǎng)絡的大規(guī)模建設和移動業(yè)務需求的快速增長，大量基站導致高額能耗.移動通信網(wǎng)中57.48%的能耗來自基站，網(wǎng)絡開銷占25.49%，機房辦公等占14.44%，其他占2.59%.而無線基站的能耗開銷中信號收發(fā)處理（包括收發(fā)、雙工、處理等）的開銷約占50%，基站基本能耗占20%，維護基站（電源供應及空調(diào)）的開銷約占30%.因此如何降低基站端能耗是實現(xiàn)綠色通信的重中之重.所以這篇文章用MATLAB軟件對基站中的用戶進行了分析，得出了基站中各個用戶到各個基站的路徑損耗，最后代入HATA模型公式進行了用戶能效的計算.

2 蜂窩系統(tǒng)

2.1 蜂窩系統(tǒng)概述

蜂窩系統(tǒng)也叫“小區(qū)制”系統(tǒng).它是將所有要覆蓋的地區(qū)劃分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)的半徑可視用戶的分布密度在1-10km左右.在每個小區(qū)設立一個基站為本小區(qū)范圍內(nèi)的用戶服務.并可通過小區(qū)分裂進一步提高系統(tǒng)容量.

2.2 蜂窩系統(tǒng)示意圖

圖1 二環(huán)十九小區(qū)基站示意圖

此圖中是二環(huán)十九小區(qū)基站圖，從中心的1號基站到最外層的19號基站.每個基站中有自己的發(fā)射臺，整個蜂窩系統(tǒng)中有不同的業(yè)務功能，例如有視頻流業(yè)務、FTP、HTTP、VoIP等等.而且每個基站除了對自己范圍服務外，還可以對其他的基站進行服務，這就是簡單的蜂窩系統(tǒng)示例圖.

3 Hata模型簡介

3.1 Hata模型概述

Hata-Okumuram模型是根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的模型.它的特點是：以準平坦地形大城市地區(qū)的場強中值路徑損耗作為基準，對不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正.當移動臺的高度為典型值為hb=1.5m時，按Hata-Okumura模型計算路徑損耗的公式為：

PL=69.55+26.16*lg(fc)-13.82*lg(hb)-a(hm)

+(44.9-6.55*lg(hb))*lg(d)

其中：fc為工作頻率(150～1500MHz)

hb為基站發(fā)射機的有效天線高度(30～200m)

hm為移動臺接收機的有效天線高度(1～10m)

d為收發(fā)天線之間的距離(1～10km)

根據(jù)以上公式，將其用MATLAB對其中的各個變量進行分析后，得到了如下所示的一些結(jié)論.

(1)頻率fc的變化：隨著頻率的增大，路徑損耗也隨著增大，但是在大約300MHz處出現(xiàn)了斷點，這是因為公式中有附加校正因子的影響，它將小于300MHz和大于300MHz分開成為不同的公式.

(2)收發(fā)天線的距離d的變化:隨著兩天線的距離的增大，路徑損耗也隨著增大，這是顯而易見的，因為距離增大時，噪聲影響加大，因此路徑損耗值增大.

(3)移動臺接收機的有效天線高度hm的變化：隨著hm的增大，路徑損耗值是逐漸減小的.

(4)基站發(fā)射機的有效天線高度hb的變化：隨著hb的增大，路徑損耗值也是在逐漸減小的.

4 用MATLAB仿真基站并計算路徑損耗PL

4.1 基站的仿真

(1)現(xiàn)用MATLAB軟件對基站進行了構(gòu)建，分為1環(huán)7小區(qū)基站和2環(huán)19小區(qū)基站.下面的示例圖是1環(huán)7小區(qū)基站：

圖2 1環(huán)7小區(qū)基站

4.2 基站中各個用戶到本基站路徑損耗的計算

在前面給定的Hata模型公式下（頻率、天線高度一定），我們?yōu)榱硕糠治雒總€基站中的每個用戶到本基站的路徑損耗，我們需要首先求出每個用戶到本基站的距離d，然后將距離d帶入Hata模型中的路徑損耗公式中便可得到路徑損耗值.用MATLAB軟件仿真得到距離公式如下：

d(k,i)=sqrt((xa(k)-xb(i))2+(ya(k)-yb(i))2)

i表示基站的個數(shù)(i=1,2,K,7)

k表示基站中的用戶數(shù)(k=1,2,K,16)

上述公式是用戶的橫縱坐標與基站的橫縱坐標之差的平方和再開根.然后計算出相應的路徑損耗值PL.

我們現(xiàn)以7小區(qū)基站為例計算得到如下表:

?

由該表可以看出，列表示有7個基站，每個基站中有16個用戶，相應的值為每個用戶到本基站中的路徑損耗值.以上我們計算了7小區(qū)基站，而19小區(qū)基站情況類似，我們不再一一討論.

4.3 基站中各個用戶到其他基站的路徑損耗值計算

以上討論了每個用戶到本基站的路徑損耗值，而要分析基站能效，除了必須知道每個用戶到本基站的路徑損耗值，還要知道每個用戶到其他基站的路徑損耗值，因此在這里，我們將進一步探討如何計算每個用戶到其他基站的PL.

我們?yōu)榱怂愠鲇脩舻狡渌镜腜L，必須在4.2節(jié)的基礎上多引入另一維度來進行分析.因此我們用三維矩陣來進行解決.

(1)計算思想：三維矩陣在生成時，我們利用用戶坐標函數(shù)[xa,ya]=unipro(n,R,ring)來進行分析（這個函數(shù)是生成每個小區(qū)分布相同用戶的坐標函數(shù)））.因此我們必須算出每個用戶到各個基站的距離d，然后帶入路徑損耗公式進行計算，此方法與前面討論的相似，因此就不再一一討論.

(2)三維矩陣的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：此方法可以對各個基站單獨考慮，并且每個基站中的用戶數(shù)相等，然后來計算PL.

缺點：此方法的缺點在于生成三維矩陣時，每次都必須考慮每個基站中用戶的情況，思想復雜，方法比較繁瑣，并且用戶只是在每個基站的內(nèi)部分布，而不能在基站與基站之間的邊界或交點處分布.

5 小結(jié)

本文對蜂窩系統(tǒng)中的基站與用戶通過MATLAB軟件做了一些簡單的分析，在以后的工作中我們還會將更進一步分析基站中的能效，然后將不同的業(yè)務引入到蜂窩系統(tǒng)中，一一進行分析與討論.但是隨著現(xiàn)在用戶的大量增多，我們必須提出更好的節(jié)能減排方法，讓通信基站中的能量消耗大大降低，這才是我們今后應該努力的方向與目標，我相信我們會更進一步提出高效可靠的方法去解決能效問題.

〔1〕P.Grant,S.M cLaughlin,H.Aghvam i,and S.Fletcher,“Green radio-towards sustainable w ireless networks,”http://www.ee.princeton.edu/sem inars/iss/Spring.2009/slides/grant.pdf,May 2009.

〔2〕M.2134,Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s),REPORTITU-R,2008.

〔3〕 “Energy Aware Radio and NeTwork TecHnologies,”http://www.ict-earth.eu/.

〔4〕鄔賀銓.綠色移動通信展望——一代《綠色無線移動通信專輯序》.中國科學技術(shù)大學學報,2009，39（10）.

〔5〕尤肖虎，王京，張平，李少謙，朱近康.對綠色無線移動通信技術(shù)的研究和展望.中國科學技術(shù)大學學報,2009，39（10）：1009-1015.