基站中用户路径损耗的MATLAB分析

辛 润，王 珂

（内蒙古大学，内蒙古 呼和浩特 010021）

1 引言

近年来，随着信息社会的到来，移动用户数迅速增长，人们对移动通信的各种需求也与日俱增.到2010年全球移动用户数已达到18亿.作为现代社会重要支柱产业的信息通信行业，能量消耗特别巨大，有资料表明，信息通信技术产业已经成为全球5大耗能产业之一.随着移动网络的大规模建设和移动业务需求的快速增长，大量基站导致高额能耗.移动通信网中57.48%的能耗来自基站，网络开销占25.49%，机房办公等占14.44%，其他占2.59%.而无线基站的能耗开销中信号收发处理（包括收发、双工、处理等）的开销约占50%，基站基本能耗占20%，维护基站（电源供应及空调）的开销约占30%.因此如何降低基站端能耗是实现绿色通信的重中之重.所以这篇文章用MATLAB软件对基站中的用户进行了分析，得出了基站中各个用户到各个基站的路径损耗，最后代入HATA模型公式进行了用户能效的计算.

2 蜂窝系统

2.1 蜂窝系统概述

蜂窝系统也叫“小区制”系统.它是将所有要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1-10km左右.在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务.并可通过小区分裂进一步提高系统容量.

2.2 蜂窝系统示意图

图1 二环十九小区基站示意图

此图中是二环十九小区基站图，从中心的1号基站到最外层的19号基站.每个基站中有自己的发射台，整个蜂窝系统中有不同的业务功能，例如有视频流业务、FTP、HTTP、VoIP等等.而且每个基站除了对自己范围服务外，还可以对其他的基站进行服务，这就是简单的蜂窝系统示例图.

3 Hata模型简介

3.1 Hata模型概述

Hata-Okumuram模型是根据实测数据建立的模型.它的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正.当移动台的高度为典型值为hb=1.5m时，按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为：

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

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

其中：fc为工作频率(150～1500MHz)

hb为基站发射机的有效天线高度(30～200m)

hm为移动台接收机的有效天线高度(1～10m)

d为收发天线之间的距离(1～10km)

根据以上公式，将其用MATLAB对其中的各个变量进行分析后，得到了如下所示的一些结论.

(1)频率fc的变化：随着频率的增大，路径损耗也随着增大，但是在大约300MHz处出现了断点，这是因为公式中有附加校正因子的影响，它将小于300MHz和大于300MHz分开成为不同的公式.

(2)收发天线的距离d的变化:随着两天线的距离的增大，路径损耗也随着增大，这是显而易见的，因为距离增大时，噪声影响加大，因此路径损耗值增大.

(3)移动台接收机的有效天线高度hm的变化：随着hm的增大，路径损耗值是逐渐减小的.

(4)基站发射机的有效天线高度hb的变化：随着hb的增大，路径损耗值也是在逐渐减小的.

4 用MATLAB仿真基站并计算路径损耗PL

4.1 基站的仿真

(1)现用MATLAB软件对基站进行了构建，分为1环7小区基站和2环19小区基站.下面的示例图是1环7小区基站：

图2 1环7小区基站

4.2 基站中各个用户到本基站路径损耗的计算

在前面给定的Hata模型公式下（频率、天线高度一定），我们为了定量分析每个基站中的每个用户到本基站的路径损耗，我们需要首先求出每个用户到本基站的距离d，然后将距离d带入Hata模型中的路径损耗公式中便可得到路径损耗值.用MATLAB软件仿真得到距离公式如下：

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

i表示基站的个数(i=1,2,K,7)

k表示基站中的用户数(k=1,2,K,16)

上述公式是用户的横纵坐标与基站的横纵坐标之差的平方和再开根.然后计算出相应的路径损耗值PL.

我们现以7小区基站为例计算得到如下表:

?

由该表可以看出，列表示有7个基站，每个基站中有16个用户，相应的值为每个用户到本基站中的路径损耗值.以上我们计算了7小区基站，而19小区基站情况类似，我们不再一一讨论.

4.3 基站中各个用户到其他基站的路径损耗值计算

以上讨论了每个用户到本基站的路径损耗值，而要分析基站能效，除了必须知道每个用户到本基站的路径损耗值，还要知道每个用户到其他基站的路径损耗值，因此在这里，我们将进一步探讨如何计算每个用户到其他基站的PL.

我们为了算出用户到其他基站的PL，必须在4.2节的基础上多引入另一维度来进行分析.因此我们用三维矩阵来进行解决.

(1)计算思想：三维矩阵在生成时，我们利用用户坐标函数[xa,ya]=unipro(n,R,ring)来进行分析（这个函数是生成每个小区分布相同用户的坐标函数））.因此我们必须算出每个用户到各个基站的距离d，然后带入路径损耗公式进行计算，此方法与前面讨论的相似，因此就不再一一讨论.

(2)三维矩阵的优缺点：

优点：此方法可以对各个基站单独考虑，并且每个基站中的用户数相等，然后来计算PL.

缺点：此方法的缺点在于生成三维矩阵时，每次都必须考虑每个基站中用户的情况，思想复杂，方法比较繁琐，并且用户只是在每个基站的内部分布，而不能在基站与基站之间的边界或交点处分布.

5 小结

本文对蜂窝系统中的基站与用户通过MATLAB软件做了一些简单的分析，在以后的工作中我们还会将更进一步分析基站中的能效，然后将不同的业务引入到蜂窝系统中，一一进行分析与讨论.但是随着现在用户的大量增多，我们必须提出更好的节能减排方法，让通信基站中的能量消耗大大降低，这才是我们今后应该努力的方向与目标，我相信我们会更进一步提出高效可靠的方法去解决能效问题.

〔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〕邬贺铨.绿色移动通信展望——一代《绿色无线移动通信专辑序》.中国科学技术大学学报,2009，39（10）.

〔5〕尤肖虎，王京，张平，李少谦，朱近康.对绿色无线移动通信技术的研究和展望.中国科学技术大学学报,2009，39（10）：1009-1015.