电波传播模型的本地化研究.pdf

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1、1 0 引言 近年来， 随着经济的高速增长和无线电通信事业的飞 速发展， 无线电台站数量急剧增加， 频谱需求也不断增长， 导致频率资源日益紧张， 再加上各种无线电业务频段相互 交错，频率干扰查处和协调任务越来越重。只有做好电磁 兼容的分析工作，才能正确、合理地指配频率，使不同的 业务和不同的通信系统能够更加有效工作、互不干扰。电 磁兼容的基础是场强预测， 而场强预测的关键在于电波传 播模型的选择。 我国幅员辽阔，各省、市的电波传播环境千差万别， 例如，处于丘陵地区的城市与处于平原地区的城市相比， 其传播环境有很大不同， 两者适用的传播模型也会存在较 大差异。因此，电波传播模型的本地化工作尤为重

2、要。建 立一种本地化的电波传播模型的工作主要包括电波传播模 型选择、进行场强预测、场强测量和传播模型验证评估等 过程。 电波传播模型的研究 本文重点讨论的是超短波电波传播模型。 超短波主要 是指频率为3 0 M H z 3 0 0 0 M H z 的无线电波，这是无 线电台站最多、业务种类最多、频谱使用效率最高和频率 复用最频繁的频段， 也是当前频率指配和无线电管理中最 繁重、难度最大的频段。这个频段的另一个特点是点对面 电波传播模型的 本地化研究 摘 要 根据目前常用的电波传播模型，研究并提出了对本地化传播模型进行验证评估的方法，使 本地化传播模型能更加适合无线电管理工作的需要。 关键词 传

3、播模型 场强预测 本地化 福建省无线电监测站 吴勇 检测实验室 56 中国无线电2 0 0 6 / 2 2 的业务居多，天线多是线形天线，天线波瓣较宽甚至是全 向型的 , 构成边界不规则的扇形或圆形的覆盖区。 目前常用的几种不同电波传播模型，既有经过大量 测量数据统计得出的经验模型，如: O k u m u r a 方法、H a t a 方法、L e e 方法等; 也有直接基于电磁场理论得到的理论 模型，如: 如平地算法; 还有根据经验对理论模型进行修 正的经验和理论相结合的模型， 如E g l i 方法、 我国的G B / T 1 4 6 1 7 . 1 - 9 3 方法、 “C o s t

4、 - 2 - W a l f i s h - I k e g a m i ”方 法等。 对于大区制的超短波通信，我们使用以 O k u m u r a / H a t a 模型为基础的G B / T 1 4 6 1 7 . 1 - 9 3 方法来预测场强； 对于小区制的超短波通信，目前常用“C o s t - 2 - W a l f i s h - I k e g a m i ”方法。 1 . 1 G B / T 1 4 6 1 7 . 1 - 9 3 方法 O k u m u r a / H a t a 模型是经验模型，最早由O k u m u r a 以东京的测试数据为基础建立的， 但传播

5、路径只适用于2 0 k m 以内，部分校正因子也只适用于市区。后来，H a t a 对 此模型进行了改进和公式化拟合，使之能在计算机上使 用。目前已作为I T U - R 的建议 , 推荐给各国使用。我 国对其作了修正后于 1 9 9 4 年纳入了国家标准，即 G B / T 1 4 6 1 7 . 1 - 9 3 方法。它扩展了传播路径，引入建筑物密度 修正因子等，是一个经验和理论相结合的模型，更加适用 于中国地形地貌特点。 G B / T 1 4 6 1 7 . 1 - 9 3 方法在不同地形上的基本传输损耗 按下列公式预测: L ( 市区) = 6 9 . 5 5 + 2 6 . 1 6

6、 l g f - 1 3 . 8 2 l g h b + ( 4 4 . 9 - 6 . 5 5 l g h b ) ( l g d ) - a ( h m ) - s ( ) ; L ( 郊区) = 6 4 . 1 5 + 2 6 . 1 6 l g f - 2 l g ( f / 2 8 ) 2 - 1 3 . 8 2 l g h b + ( 4 4 . 9 - 6 . 5 5 l g h b ) ( l g d ) - a ( h m ) ; L ( 乡村公路) = 4 6 . 3 8 + 3 5 . 3 3 l g f - l g ( f / 2 8 ) 2 - 2 . 3 9 ( l

7、 g f ) 2 - 1 3 . 8 2 l g h b + ( 4 4 . 9 - 6 . 5 5 l g h b ) ( l g d ) - a ( h m ) ; L ( 开阔区) = 2 8 . 6 1 + 4 4 . 4 9 l g f - 4 . 8 7 ( l g f ) 2 - 1 3 . 8 2 l g h b + ( 4 4 . 9 - 6 . 5 5 l g h b ) ( l g d ) - a ( h m ) ; L ( 林区) = 6 9 . 5 5 + 2 6 . 1 6 l g f - 1 3 . 8 2 l g h b + ( 4 4 . 9 - 6 . 5

8、5 l g h b ) ( l g d ) - a ( h m ) 。 其中: f 为工作频率, M H z ; d 为路径长度, k m ; h b为基地台天线高度, m ; h m 为移动台天线高度, m ; a ( h m ) 为移动台天线高度增益因子，d B : a ( h m ) = ( 1 . 1 l g f - 0 . 7 ) h m - 1 . 5 6 l g f + 0 . 8 ( 中、 小城市) ; a ( h m ) = 8 . 2 9 l g ( 1 . 5 4 h m ) 2 - 1 . 1 ( 大城市, f 2 0 0 M H z ) ; a ( h m ) = 3

9、 . 2 l g ( 1 1 . 5 h m ) 2 - 4 . 9 7 ( 大城市, f 4 0 0 M H z ) 。 为路径扩展因子, d B : 当d 2 0 k m 时, = 1 ; 当2 0 k m d 1 0 0 k m 时, = 1 + 0 . 1 4 + l . 8 7 1 0 - 4 f + l . 0 7 l 0 - 3 h b l g ( d / 2 0 ) 0 . 8 。 s ( ) 为市区建筑物密度修正因子，d B ； 式中， 为建筑物密度， 即建筑物所占面积的百分数。 1 . 2 C o s t - 2 3 1 - W a l f i s h - I k e g

10、a m i 方法 目前小区制超短波通信常采用“C o s t - 2 - W a l f i s h - I k e g a m i ”电波传播衰减计算方法。该方法的特点是: 从对 众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电 波损耗模式。基本传输损耗分视距和非视距两种情况。 ( 1 ) 视距情况 L 4 2 . 6 + 2 6 l g d + 2 0 l g f 。 ( 2 ) 非视距情况 L L o + L m s d + L r t s 。 其中: f 为工作频率, M H z ; d 为路径长度, k m ; L o 为自由空间损耗，L o = 3 2 . 4 + 2 0 l g

11、 d + 2 0 l g f ； L m s d 为多重屏蔽的绕射损耗; L r t s 为屋顶至街道的绕射及散射损耗。 需要指出的是，当基地台天线高度与其附近屋顶 高度相当时，其高度的微小变化将引起路径损耗的急 剧变化。 场强预测和测量 不管是用哪一种方法来预测场强， 都只是基于理论和 检测实验室 中国无线电2 0 0 6 / 257 3 测试结果统计的近似计算， 预测的只是某一路径集合的电 平，而不是某一具体电路的电平。由于实际地理环境千差 万别，很难用一种非常精确的数学模型来描述，特别是城 区街道中各种密集的、 不规则的建筑物的反射和绕射及阻 挡，给数学模型预测带来很大困难。以下有必要先

12、介绍与 场强预测和测量密切相关的两个重要概念。 首先是场强中值。 在无线电通信统计中极为普遍地应 用了场强中值的概念，其定义是，在给定的统计时间内， 有5 0 % 时间的场强超过某个数值，则这个数值就称之为场 强中值。显然，它在统计意义上标志了信号场强的大小， 接收信号的场强中值可以记为E r ( 5 0 % ) 。这表示瞬时接收 信号场强 E r 作为随机变量，有百分之五十的概率高于中 值E r ( 5 0 % ) 。 数字地图同样是电波传播场强预测和本地化校正的必 备工具，数字地图包括地形高度、地面用途种类等对移动 通信电波传播有影响的地理信息。 其地物数据采用分层方 式保存， 可以根据不

13、同的地图显示比例来设置要显示或隐 藏的图层，能实现不同比例地图间的无缝切换，并且可以 随时进行更新， 避免了地图信息滞后于城市建设引起的数 据变化。利用数字地图，可以非常直观、准确地查出测试 地点与发射台之间的距离（即传播路径d ）以及基地台和 测试点的海拔高度( 可计算h b、h m ) 。 2 . 1 场强预测 基地台的选择是场强预测与模型校正中至关重要的一 个环节。值得注意的是，基地台必须能长时间在测量信道 上稳定发射， 因而对其系统稳定性和散热方面要求有严格 指标。首先我们要精确测量基地台以下参数: 基地台的发 射频率( f ) 、 功率( P t ) 、 增益( G t ) 和发射天

14、线地理经纬度、 离 地面的高度等。 接收功率与发射功率的关系如下: P r = P t - L + G r + G t 。 各向同性天线的接收功率与接收场强之间有确定关 系，如接收点的场强中值为 E r ( d B V / m ) ，那么接收功 率 P r ( d B m ) 可表示为: P r = E r - 2 0 l g f - 7 7 . 2 。 因此，接收点预测场强中值为: E r ( 5 0 % ) = 7 7 . 2 + 2 0 l g f + P t + G t - L 。 式中L 即为各种电波传播模型预测的基本传输损耗。 2 . 2 场强测量 场强测量的方法通常有两种，一种是

15、直接测量，另一 种是移动测量。 直接测量是在每个测量点架起天线分别测 量，测量点可选择性较大，但当测量点数量较多时，测量 仪表与天线的移动相当耗时。 我们通常使用移动测量的方 法，也就是利用移动监测车沿街道行驶，在行进中实现场 强的测量。以下是移动测量必须注意的几个地方: （1 ）道路和交通条件的选择。移动监测车行驶的街 道代表测量地点的分布，所以为了具有较好的代表性，测 试街道的选择应尽可能使行车线路在基地台覆盖区内大体 均匀分布。同时，必须避开人流和车流的高峰期。 （2 ）行驶的要求。测量中必须严格规定移动监测车 匀速行驶，行车速度应在 1 0 k m / h 1 5 k m / h 之间

16、。 移动测量中记录G P S 定位仪测出的经纬度数据与此 时场强中值数据( d B v / m ) ，实测的场强中值与相对应的 测试点的地理经纬度、 测试点到发射站的距离以及地面海 拔高度等是我们进行统计处理与评估的数据基础。 数据统计分析与模型验证评估 对传播模型进行验证评估就是将实测的场强中值与传 播模型预测的场强中值进行比较， 统计实测场强与预测场 强的偏差，来判断和评估传播模型在本地的适用性。如果 能够得到数量足够多的、具有典型代表性的测试数据，则 可利用这些数据进行传播模型的本地化修正工作， 原则上 本地化传播模型应该是优于一般的通用的统计模型， 它应 该具有更高的预测精度。 无线电

17、波在地面和空间的传播本质上是随机的事件， 我们常用均方根偏差来表达接收信号场强随机起伏的离散 程度。在移动通信中，由于多径传播，接收信号的场强同 时受到了瑞利型和正态型两种衰落， 接收场强是高度可变 的随机变量。在处理随机变量的数理统计中，均方根偏差 检测实验室 58 中国无线电2 0 0 6 / 2 4 是个基本量， 我们可以用它来检验随机变量的离散程度以 及实验结果与理论预测值的偏差等。 实测场强中值与传播模型预测场强之间的均方根偏差 可以表示为: 。 其中，x 和y 是随机变量，x k是实测场强中值子样和 y k是预测出的场强中值子样，n 是子样的个数。 一般认为， 一个高精度的本地化电

18、波传播模型的均方 根偏差应优于 6 d B 。 结束语 随着经济的高速增长和无线电通信事业的飞速发展， 电磁兼容分析工作在无线电管理中越来越重要。 一个高精 度的本地化电波传播模型， 将大大提高电磁兼容分析工作 的准确性、科学性，无疑能成为无线电管理工作者的得力 辅助工具。 参考文献 1 熊皓 无线电波传播 电子工业出版社 2 0 0 0 2 中华人民共和国国家标准G B / T 1 4 6 1 7 . 1 - 9 3 , “3 0 3 0 0 0 M H z 频段陆地移动业务中的电波传 播特性” 3 谢益溪 电波传播超短波、微波、毫 米波 电子工业出版社 1 9 9 0 检测实验室 中国无线电2 0 0 6 / 259