3 Link Budget Analysis
章节目录
- 章节目录
- 3-1 链路预算的作用 Role of Link Budget
- 3-2 自由空间损耗 Free Space Loss
- 3-3 链路预算方程 Link Budget Equation
- 3-4 噪声基底与接收灵敏度 Noise Floor and Sensitivity
- 3-5 链路余量与最大允许路径损耗 Link Margin and MAPL
- 3-6 上行与下行的平衡 Uplink and Downlink Balance
- 3-7 工程参数 Engineering Parameters
- 3-8 链路预算计算实例 Link Budget Calculation
3-1 链路预算的作用 Role of Link Budget
链路预算 Link Budget
链路预算 Link Budget 把发射功率、天线增益、各级损耗、噪声与接收灵敏度折算到同一 dB 体系，用来判断给定链路能否建立。
链路预算回答的问题：
- 接收信号是否足以可靠译码；
- 收发两端最远可以相隔多远；
- 需要多大的发射功率；
- 需要多大的天线增益；
- 双向链路中哪一侧限制覆盖；
- 链路还能容忍多少额外损耗；
- 改变频率会怎样改变覆盖。
图中发射功率先扣掉馈线损耗、加上天线增益得到 EIRP，再沿距离按路径损耗下降，到接收端的电平与接收灵敏度之间的差值就是链路余量。
链路预算有四个目标：
- 估计最大允许路径损耗；
- 计算平衡路径所需的发射功率；
- 估计覆盖门限；
- 评估技术方案的性能。
3-2 自由空间损耗 Free Space Loss
3-2-1 波前扩散与 Friis 公式
自由空间中不存在影响传播的物体，信号能量沿球面波前扩散，功率密度随距离平方下降。波前面积
收发之间的接收功率由 Friis 公式给出：
其中
3-2-2 路径损耗的 dB 形式
自由空间路径损耗 Free Space Path Loss
自由空间路径损耗 Free Space Path Loss, FSPL 是自由空间中收发天线增益均为 0 dBi 时的收发功率之比，由波前扩散造成：
距离以 km 计、频率以 GHz 计时，dB 形式为
频率越高、距离越远，路径损耗越大。损耗来自能量在更大面积上扩散，与介质吸收无关。
| 距离变化 | FSPL 变化 |
|---|---|
| 2 倍 | |
| 4 倍 | |
| 10 倍 | |
| 100 倍 |
同样的规律适用于频率：频率加倍，FSPL 增加约 6 dB。3 GHz 与 6 GHz 的同类链路相差 6 dB。
PROBLEM L3-E1
计算 2.4 GHz 下 1 m 与 10 m 距离的自由空间路径损耗。
SOLUTION
2.4 GHz 时
1 m 即
10 m 即
距离放大 10 倍，损耗增加 20 dB。
PROBLEM L3-E2
2.4 GHz 链路的路径损耗为
SOLUTION
先换成 dB：
由
若 1 km 处损耗为 100 dB，则 2 km 处约 106 dB，4 km 处约 112 dB。
3-3 链路预算方程 Link Budget Equation
接收功率等于发射功率加收发增益，再减去路径损耗与馈线损耗：
其中
等效全向辐射功率 EIRP
等效全向辐射功率 Effective Isotropic Radiated Power, EIRP 是以各向同性天线为参考的发射功率：
EIRP 把发射机功率、天线增益与发射侧馈线损耗合并成一个量，表示链路在发射端实际辐射出去的功率。
3-4 噪声基底与接收灵敏度 Noise Floor and Sensitivity
290 K 下热噪声功率谱密度为
实际接收机的器件还会附加噪声，用噪声系数
PROBLEM L3-E3
接收机带宽 10 MHz，噪声系数 5 dB。求噪声功率。
SOLUTION
接收灵敏度 Receiver Sensitivity
接收灵敏度 Receiver Sensitivity 是达到指定误码性能所需的最小接收功率：
若
3-5 链路余量与最大允许路径损耗 Link Margin and MAPL
3-5-1 链路余量 Link Margin
链路余量 Link Margin
链路余量 Link Margin 是实际接收功率高出接收灵敏度的部分：
衰落余量 Fade Margin 是为容忍接收电平起伏额外预留的余量。加大衰落余量可以提高鲁棒性，代价是更大的发射功率、更高的天线增益、更短的距离或更好的接收灵敏度。
3-5-2 最大允许路径损耗 Maximum Allowable Path Loss
最大允许路径损耗 Maximum Allowable Path Loss
最大允许路径损耗 Maximum Allowable Path Loss, MAPL 是接收功率恰好等于灵敏度时链路能承受的路径损耗：
给定
实际路径损耗 114 dB 时余量
3-6 上行与下行的平衡 Uplink and Downlink Balance
双向链路的覆盖由最弱的一侧决定。使两个方向的最大允许路径损耗相等，链路就达到平衡，上下行同时到达覆盖边缘。
NOTE
课件把平衡条件写成「上行路径损耗 = 下行路径损耗」。同一段路径的传播损耗本身对两个方向相同，实际需要拉平的是两侧的链路预算，即最大允许路径损耗。
上图基站听不到终端、终端听得到基站，属上行受限；下图相反，属下行受限。实际系统偏向哪一侧，取决于两侧的发射功率、天线增益与噪声性能。
移动链路常常不对称，原因在两端的能力差异。基站可以有更大的发射功率、更高增益的天线、更好的接收机噪声性能；终端受电池、体积、天线尺寸与最大发射功率限制。因此
3-7 工程参数 Engineering Parameters
射频链路上的增益与损耗来自不同部件：
| 增益 | 损耗 |
|---|---|
| 天线增益 Antenna | 电缆与馈线 Cable / Feeder |
| 功率放大器 PA | 双工器 Duplexer |
| 分集 Diversity | 合路器 Combiner |
| 低噪声放大器 LNA | 跳线与连接器 Jumper / Connector |
天线增益是相对参考天线或理想各向同性天线，在特定方向上辐射或接收的电磁功率倍数，直接进入 MAPL。手机天线增益很低，通常约 0 dBi。
发射功率放大器提高射频功率，代价是能耗、发热、干扰与硬件成本。GSM 功放典型值 2.5--32 W；低噪声放大器增益可达 20 dB。
电缆损耗随频率与长度上升。900 MHz 下 1/2 英寸 LDF4-50 跳线约 2.16 dB/100 ft，7/8 英寸 LDF5-50 主馈线约 1.21 dB/100 ft，每个连接器约 0.1 dB。这些数值都要计入
3-8 链路预算计算实例 Link Budget Calculation
3-8-1 双向链路 Two-Way Link
PROBLEM L3-E4
2.4 GHz 链路长 5 km，自由空间损耗 114 dB。AP 侧发射功率 20 dBm、天线 10 dBi、灵敏度
SOLUTION
AP 到客户端：
客户端到 AP：
下行余量 8 dB 小于上行余量 10 dB，链路受下行限制。
3-8-2 单向链路 One-Way Links
PROBLEM L3-E5
相距 30 km 的两副 27 dBi 天线工作在 6 GHz，最小可接受接收功率
SOLUTION
由
PROBLEM L3-E6
两副半波偶极子相距 50 km，对准最佳方向。发射功率 10 W，频率 144 MHz，偶极子增益 2.15 dBi，不计馈线损耗。求接收功率。
SOLUTION
10 W 即 40 dBm。