理论教育 手机天线性能及其对蜂窝网络的影响

手机天线性能及其对蜂窝网络的影响

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:手机天线的性能,比如“身体损耗”,在进行蜂窝设计和对适当容量和覆盖设计的系统级网络仿真时必须预先考虑好链路预算。TRP与发射效率直接成比例。XPR是垂直和水平极化能量不平衡的度量,因此MEG很大程度上取决于真实传播环境的物理性能。图5.2表明了分别在莱斯信道和瑞利信道下,倾斜的λ/2偶极子天线的MEG与倾斜角度的关系。这样,更确切地评估UE手机天线在实际蜂窝网络的性能是可能的。

手机天线性能及其对蜂窝网络的影响

手机天线的性能,比如“身体损耗”,在进行蜂窝设计和对适当容量和覆盖设计的系统级网络仿真时必须预先考虑好链路预算。在实践当中,移动手机的天线性能比预计的值要低很多,比如GSM手机一般来讲可以低到-15dB。另外,讨论平均效率增益(或者平均效率损耗)比天线增益减去“身体损耗”更为合理,这是因为在无线蜂窝通信系统中是多径传播而不是一个单径传播。因此,我们简单地引入分段下用于描述天线性能的不同方式,重点在两种主要的移动手机操作模式,也就是,移动手机的传播和操作模式。

1.总的发射功率和总的发射灵敏度

总的发射功率(TRP)是天线在传播模式下的性能测量表现,也是使用BS的MT通信的基本功率。TRP是直接评估在实验室条件下测量通过有效各向同性辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)的手段,被定义为天线获得的增益倍数。用户的手(模型)或者是头的功率吸收效应(损耗)在测量当中也要被考虑到。TRP与发射效率直接成比例。

在下行链路里,能使接收信号解码达到预定的BER或者FER性能的最小功率成为接收机灵敏度,它也会受天线的发射效率影响。有时接收机灵敏度也被称为总发射灵敏度,这也是在实验室条件下获得的。TRP和TRS都没有考虑传输信道的影响。

身体损耗(Body Loss,BoL)则定义为有人体模型时占开阔空间的TRP(TRS)的测量值的比例。

2.平均效率增益

如果要体现传输信道的影响,我们就得考虑天线的平均效率增益(MEG)。MEG的定义是移动手机天线的发射(接收)功率占参考功率的比例。通常情况,把理想情况各向同性条件下测量得到的水平和垂直极化下总的可用功率之和作为参考。在参考文献[Taga90]中给出了不相关瑞利衰落下MEG的闭合方程。另一种方法是测量物理上可实现的天线性能,比如λ/2偶极天线(见参考文献[OlS-98])。(www.daowen.com)

这样,MEG考虑了射频传输波形通过无线信道,而信道则受到接收机周围的空间弥散效应、去极化作用和天线的增益方式等影响。和TRP一样,MEG不仅正比于天线的发射效率,也受到入射波的角度能量分布和信道交叉极化率(Cross-Polarisation Ratio,XPR)的影响。XPR是垂直和水平极化能量不平衡的度量,因此MEG很大程度上取决于真实传播环境的物理性能。

MEG的定义在参考文献[Glaz04f]中给出了全面描述,包括莱斯衰落(通常视距条件下发生),瑞利衰落作为一种特殊情况。我们提出了一个闭合方程式和一些数值的例子。主要结论是MEG取决于到达的入射波的角度,且在莱斯信道的值远低于瑞利信道。图5.2表明了分别在莱斯信道和瑞利信道下,倾斜的λ/2偶极子天线的MEG与倾斜角度的关系。

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图5.2 瑞利信道和莱斯信道下,MEG在不同的XPR下与倾斜角度的关系(方位角和仰角均为45°)(见参考文献[Glaz04f])

在参考文献[Glaz04c]中,瑞利信道下的MEG方程考虑到了信道传输的双向特性。这说明MEG一般来说不仅取决于接收天线的增益方式,也取决于发射天线的增益方式。提出的闭合方程包含了信道的极化路径增益矩阵,接收机和发射机周围联合的角度-能量分布(空间色散)都包括了传输信道的双向特性。同一论文中,引入了一种新的表示交叉极化差别(Cross Polarisation Discrimination,XPD)的参数。XPD是对应信道的XPR而不是天线的(或者说手机的),换言之,XPD是用来测量垂直或者水平极化的发射或者接收的功率不平衡的度量。用一个数值的例子可以进一步表明,如果水平极化比垂直极化高出3dB,即XPD为-3dB,实际上,基站天线XPR为6dB时,随着基站天线由垂直极化变到倾斜极化,MEG的值介于0~1.5dB之间。事实上许多基站都设置了±45°的交叉极化天线,这意味着在水平极化上有更多功率。通常使用手机进行语音通话的时候,手机离用户的头部很近,从垂直方向算起平均倾斜超过45°。这种情况下天线极化是有利于水平极化的。这样,更确切地评估UE手机天线在实际蜂窝网络的性能是可能的。

如前文所述,MEG是效率的一个度量。然而,在实际应用中有效辐射功率往往更有价值。这种情况下可以用EIRP替代天线增益,可以用来平均有效辐射功率(MeanEffective Radiated Power,MERP)。MERP考虑了实际物理传输信道,是对TRP概念的扩展。同样,考虑传输环境,我们也可以扩宽接收灵敏度的概念,这时可以使用TRS概念的扩展,即平均有效接收灵敏度(Mean Effective Radiated Sensitivity,MERS)(见参考文献[KrGl04])。值得注意的是TRP和TRS实际是一个确定的值(严格地说,考虑到测量误差这样说并不正确),这意味着如果你测量了它们,可以确定这两个值不会再改变。另一方面,MEG、MERP和MERS展现了更随机的特性,显然受到了无线传输信道的影响。

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