基于實測數(shù)據(jù)的云南邊境地區(qū)無線電波傳播模型研究

劉建光，蔡立偉，周 燦

（國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站，昆明 650031）

基于實測數(shù)據(jù)的云南邊境地區(qū)無線電波傳播模型研究

劉建光，蔡立偉，周 燦

（國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站，昆明 650031）

本文結(jié)合云南邊境地形特點，通過對云南省邊境山地、丘陵地區(qū)超短波無線電波傳播特性與傳播損耗的分析，結(jié)合邊境口岸實際測試數(shù)據(jù)，研究云南邊境區(qū)域無線電波傳播特性，并對傳播模型的選擇提出建議。

傳播特性；傳播損耗；傳播模型；天線互易定理

1 云南邊境地形特點

云南邊境地區(qū)的地形復(fù)雜險峻，群山疊巒起伏，叢林密布，山高坡陡，植被茂密，基本上都是山地，其間遍布高地和巖穴。

圖1 云南邊境圖

2 云南邊境山地、丘陵地區(qū)無線電傳播特性

云南邊境高山遍布，森林濃密地形的特點，決定了無線電傳播的環(huán)境異常復(fù)雜，各種障礙物和散射體層出不窮，其中森林就是一種常見的散射體。因為云南邊境地形主要以高山和丘陵為主，邊境地區(qū)森林覆蓋率很高，所以研究樹林或其它植被對無線電波傳播的影響就變得非常重要。為了研究樹林環(huán)境對無線電波的影響，有人提出了一種4層樹林模型（見圖2），該模型能較好地解釋樹林對電波傳播的影響。

圖2 四層樹林模型

3 云南邊境無線電波的傳播損耗模型研究

3.1 電磁波的傳播損耗

傳播損耗是指傳輸路徑上損失的能量，傳播路徑是電磁波傳輸?shù)穆窂剑◤陌l(fā)射機到接收機）。

由四層樹林模型不難看出，云南邊境無線電波在空中的傳播包括自由空間波（直射波）、反射波和繞射波等。

3.2 自由空間波的傳播

當(dāng)電磁波在自由空間傳播時，其路徑可認(rèn)為是連接收發(fā)信機的一條射線，可用Ferris公式計算自由空間波的傳播損耗：

式中，Gr和Gt分別代表接收天線和發(fā)射天線增益（dB）；R是收發(fā)信機之間的距離；λ是波長。R的單位為米（圖3表示了信號頻率2.44GHz，天線的增益為0dB時的自由空間的損耗曲線）。

圖3 自由空間的損耗曲線

3.3 室外傳播模型簡介

路徑損耗是一個關(guān)鍵參數(shù)，由理論公式很容易得出自由空間的傳播損耗，但考慮到實際電磁環(huán)境的復(fù)雜性以及傳播路徑上的各種影響，如大氣層、人為阻礙物（高層建筑等）、自然障礙物（湖泊、高山）等、電磁波在傳播過程中會產(chǎn)生多種傳播方式。因此，簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系式很難表示電磁波的路徑損耗，這就需要用到傳播模型。

3.3.1 Okumur-Hata模型

Okumur-Hata模型是Masaharu Hata根據(jù)Okumura曲線擬合出的近似數(shù)學(xué)表達(dá)式，并在模型中增加了不同環(huán)境下的地形地貌、人工建筑、天線高度等的修正因子，它屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

模型簡介：Okumur-Hata模型主要用于預(yù)測小區(qū)半徑大于1km的宏蜂窩系統(tǒng)傳播損耗；該模型適用于兩個全向天線間路徑損耗的計算，不適用不規(guī)則地形只用于準(zhǔn)平滑地形，其他地區(qū)傳播損耗模型在市區(qū)標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行修正。

Okumur-Hata模型使用范圍：

頻率：150MHz-1500MHz（主要用于900MHz）；移動臺天線高度：1m～10m；基站天線高度：30m～200m；通信距離1km～20km。

3.3.2 COST231-Hata模型

COST231-Hata模型是歐洲科學(xué)技術(shù)合作委員會COST231 Evolution of land mobile Communication項目所支持的一種改進(jìn)的Hata模型，將通信距離擴展到100km，頻率擴展到2G頻段；適用于大城市和普通市區(qū)、郊區(qū)，采用不同的修正因子。

COST231-Hata模型使用范圍：

頻率：1500MHz-2000MHz；移動臺天線高度：1m～10m；基站天線高度：30m～200m；通信距離1km。

3.3.3 標(biāo)準(zhǔn)傳播模型（SPM）

SPM模型適用于從150MHz到2GHz比較寬的頻率范圍，也使用于從密集城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村的各種無線環(huán)境，增加了規(guī)劃區(qū)域的數(shù)字地圖信息、地物損耗因子等，具有自動調(diào)諧功能，所以目前應(yīng)用比較廣泛。

3.3.4 Egli模型

Egli模型是根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）用于超短波、甚高頻、特高頻通信所提供的數(shù)據(jù)得到的。其使用范圍：距離小于60km，頻率40-450MHz，當(dāng)頻率小于1000MHz時也可以使用，它對于預(yù)測丘陵形場強較為準(zhǔn)確。

3.3.5 C.Y.LEE宏蜂窩模型

C.Y.LEE宏蜂窩模型為美籍華人William C.Y.LEE提出。他認(rèn)為路徑傳輸損耗的大小由地面建筑和地形地勢共同影響。C.Y.LEE模型先把測試區(qū)域當(dāng)成平面，既不考慮地形影響，只考慮地面建筑，然后通過地形修正因子將地形影響反應(yīng)出來。該模型將地形的影響因素分成無阻擋、有阻擋以及水面發(fā)射三種情況。適用于大城市和普通市區(qū)、郊區(qū)。

3.4 云南邊境適用模型

鑒于云南邊境地形，可選擇Okumura-Hata模型、Egli模型。

3.4.1 Okumura-Hata模型表達(dá)式

Lb=69.55+26.16Lgf-13.82Lghb-a(hm)+(44.9-6.55Lghb)Lgd-K(Q)

式中：f為信號源頻率；hb為發(fā)射天線距離地面高度；hm為監(jiān)測天線距離地面高度；d為監(jiān)測系統(tǒng)與信號源間的距離；a(hm)是與信號源有關(guān)的修正因子；K用于小型城市郊區(qū)的校正因子，市區(qū)可忽略；Q為開闊區(qū)校正因子。該模型適用范圍：150MHz≤f≤1500MHz；30m≤hb≤200m；1m≤hm≤10m；1km≤d≤20km。

參數(shù)a(hm)可表示成：

當(dāng)hm在1.5-4m之間，（2）、（3）兩式基本一致。

郊區(qū)校正因子K的擬合公式為：

開闊區(qū)校正因子Q的擬合公式為：

3.4.2 Egli模型表達(dá)式

式中，La為傳播損耗，單位為dB；d為距離，單位為千米（km）；ht為發(fā)射天線高度，單位是米（m）；hR為接收天線高度，單位是米（m）；f為工作頻率，單位是MHz；其中，Kh為地形修正因子，擬合公式為：

h為地形起伏高度（m），h小于15米時，Kh可以忽略不計。

4 基于實測數(shù)據(jù)及收發(fā)互易定理的云南邊境地區(qū)傳播模型研究

4.1 天線收發(fā)互易定理

天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換;一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線;同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的，這就是天線的互易定理。

4.2 基于邊境實際測試數(shù)據(jù)的研究

4.2.1 實地測試概述

本文選取紅河河口的實地測試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。河口主要與越南老街省接壤。老街原為黃連山省省會，是越南西北地區(qū)的重鎮(zhèn)，它位于南溪河、紅河匯合處；滇越鐵路穿越其間，是通往中越邊境云南段的第一咽喉要道。紅河是中越國土分界線，從龍膊河與紅河匯合處至河口瑤族自治縣城關(guān)鎮(zhèn)紅河段為中越邊界界河。紅河南岸山巒起伏，大多為崇山峻嶺。

圖4 測試位置及中越信號區(qū)域劃分

測試方法主要是利用移動監(jiān)測測向系統(tǒng)選取多個測試點對30-3000MHz頻段內(nèi)的信號進(jìn)行監(jiān)測、測向，記錄信號大小、帶寬、示向度等參數(shù)，根據(jù)測試位置結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)判定測試點正北64°至303°為越方信號，其余方位為中方信號（見圖4）。

4.2.2 測試結(jié)果研究

通過對實地測試結(jié)果的整理分析，發(fā)現(xiàn)4個在測試地點收到的越方調(diào)頻廣播信號中，只有91MHz在兩個測試點均有有效示向度。具體結(jié)果見表1。

表1 紅河河口越方調(diào)頻廣播測試數(shù)據(jù)表

結(jié)合Google Earth實地研究，測試點1的海波高度為91米，測試點2的海拔高度為95米，交匯點海拔為480米，監(jiān)測系統(tǒng)天線高度為2.2米，估算廣播電視發(fā)射塔高度約為20米，地形平均高度為250米。具體測試地點和發(fā)射臺站交匯位置如圖5所示。

圖5 測試地點和發(fā)射臺站位置圖

結(jié)合表1和交匯地形圖分析，交匯點到測試點1和測試點2之間的直線距離差值不大，兩個測試點海拔高度也非常接近，但接收到的電平植差額達(dá)17dB，原因應(yīng)該是達(dá)到測試點2的電波是反射波甚至是繞射波。

4.3 基于邊境實測數(shù)據(jù)的外方臺站發(fā)射功率評估

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，結(jié)合收發(fā)系統(tǒng)的各參數(shù)，我們可以利用天線互易定理計算出發(fā)射臺的功率，為以后的電磁態(tài)勢評估和邊境協(xié)調(diào)提供技術(shù)依據(jù)。結(jié)合前述的云南邊境地區(qū)的特點，這里相應(yīng)地采用自由空間傳播損耗、Okumura-Hata模型和Egli模型進(jìn)行傳播損耗計算；其中收、發(fā)射天線增益之和取4dB，收發(fā)饋線損耗之和L取3dB，根據(jù)地形特點算出發(fā)射臺天線高度hb為250米；監(jiān)測天線高度為2.2米。

4.3.1 Okumura-Hata模型傳輸損耗計算結(jié)果

Lb=69.55+26.16Lgf-13.82Lghba(hm)+(44.9-6.55Lghb)Lgd-K（由于hm接近1.5，所以a(hm)可以忽略）=69.55+26.16Lg91-13.82Lg250+(44.9-6.55Lg250）Lg7.79-(2[lg(91/28)2]+5.4)=69.55+51.25-33.14+26-7.45=106.21dB

基于測試數(shù)據(jù)計算的臺站發(fā)射功率：

4.3.2 Egli模型傳輸損耗計算結(jié)果

基于測試數(shù)據(jù)計算的臺站發(fā)射功率：

Pt=Pr+Lb-Gt-Gr+L=48.3dBm（約為66W）

4.3.3 自由空間傳播損耗模型計算結(jié)果

基于測試數(shù)據(jù)計算的臺站發(fā)射功率：

Pt=Pr+Lb-Gt-Gr+L=29.48dBm（約為1W）

5 結(jié)束語

從上述計算結(jié)果中，不難看出，利用自由空間損耗得到的發(fā)射臺功率僅為1W，由于自由空間損耗算法的特殊性，此值僅供參考；同時證明在類似環(huán)境中利用自由空間損耗算法得出結(jié)果與實際結(jié)果誤差特別大，不適合采用。

利用Okumura-Hata模型得到的結(jié)果為42W，Egli模型得到的結(jié)果為66W；經(jīng)過查詢國內(nèi)同類臺站數(shù)據(jù)，國內(nèi)該地區(qū)的同類臺站發(fā)射功率為50、60、70W三種。由于Okumura-Hata模型對地形平均高度的值要求較高，而實際邊境測試工作中此項工作是一個難點，所以基于云南邊境電磁環(huán)境測試的特殊性，建議采用Egli模型。

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Study on Radio Wave Propagation Model in Yunnan Border Area Based on Measured Data

Liu Jianguang, Cai Liwei, Zhou Can
(Yunnan Station of the State Radio Monitoring Center, Kunming, 650031)

In this paper, combined with the Yunnan border terrain characteristics, through the analysis of the radio wave propagation characteristics of ultrashort wave and the propagation loss in the border of mountainous and hilly region of Yunnan Province, combined with the actual test data of border crossings, Yunnan border area radio propagation characteristics, and puts forward some suggestions on the selection of propagation model.

propagation characteristics; propagation loss; propagation model; antenna reciprocity theorem

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.11.022

TN914

1672-7274（2017）11-0065-05

劉建光，男，1981年生，臨滄人，工程師，現(xiàn)工作于國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站，主要從事無線電監(jiān)測工作。

蔡立偉，男，1987年生，玉溪人，工程師，現(xiàn)工作于國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站，主要從事無線電監(jiān)測工作。

周 燦，男，1988年生，保山人，助理工程師，現(xiàn)工作于國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站，主要從事無線電監(jiān)測工作。