城市地形對(duì)電波傳播的影響研究

林惠嬌 梁正 馮永栩 文華

摘? ?要：隨著科技的日新月異，我國(guó)通信技術(shù)得到飛速的發(fā)展，無(wú)線電波在人們的工作和生活中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。怎樣提升無(wú)線電波的應(yīng)用質(zhì)量，是相關(guān)部門一直探索的課題。為了掌握無(wú)線電波在移動(dòng)通信中的傳播規(guī)律以及無(wú)線信道的特征，文章進(jìn)行了城市地形對(duì)電波傳播影響的試驗(yàn)，測(cè)量的對(duì)象是距離基站2.5 km處8個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量目的是研究接收的信號(hào)電平狀態(tài)和規(guī)律，并對(duì)城市地形對(duì)電波傳播的影響進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：城市地形;電波傳播;傳播模型;影響;研究

電波在空間里傳播的過程中，在傳播的距離和影響因素以及多徑傳播的綜合影響下，會(huì)導(dǎo)致傳播能力衰退，同時(shí)一些干擾信號(hào)和城市固有的噪音也可以導(dǎo)致無(wú)線電波出現(xiàn)損耗，因?yàn)槭艿酵獠凯h(huán)境的影響，移動(dòng)信道所傳播的信號(hào)極其容易失真和丟失，由此，必須對(duì)移動(dòng)通信中無(wú)線信道特征和無(wú)線電波傳播規(guī)律進(jìn)行研究。以此研究數(shù)據(jù)結(jié)果為不同地物傳播環(huán)境中的城市無(wú)線通信工程提供理論依據(jù)。

1? ? 試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方法

1.1? 電波傳播試驗(yàn)設(shè)計(jì)和場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量措施

本試驗(yàn)的范圍是在基站和指定的另一位置處對(duì)電壓電平值進(jìn)行接收，測(cè)量的基站為廣州某區(qū)的152.7 MHz傳呼基站發(fā)射臺(tái)， 該基站高度為100 m，選取的8個(gè)測(cè)量點(diǎn)距離基站均為2.5 km，8個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別為A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)距離基站都是2.5 km，在實(shí)踐理論上達(dá)到在相等距離位置上測(cè)試結(jié)果的一致性，而如果不一致就是周圍環(huán)境和地形影響所致。測(cè)量使用的儀器為DS1150信號(hào)電平表， 該設(shè)備不僅能測(cè)量有線電視信號(hào)，更可以對(duì)空間中接收電壓電平信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，這個(gè)特征完全適合本文的試驗(yàn)要求。進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，測(cè)量?jī)x器所置高度為1.5 m。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)每隔（1/2）對(duì)電壓電平的測(cè)量數(shù)據(jù)接收一次，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離為150 λ， 這樣的設(shè)計(jì)完全可以達(dá)到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)300多個(gè)測(cè)量值，8個(gè)測(cè)量點(diǎn)得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)就達(dá)到2 500多個(gè)。測(cè)量過程中要做相關(guān)記錄，比如電平值的時(shí)間、地點(diǎn)、氣候和周邊的環(huán)境，另外記錄是否有高大的建筑物、建筑物的數(shù)量和高度、街道的寬窄度和走向等[1]。

1.2? 兩個(gè)電波實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊?guī)模效率

1.2.1? 電波公式模型

Hata模型是依照電波傳播模型測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出經(jīng)驗(yàn)公式，該模型測(cè)試的小區(qū)半徑為1～20 km，頻率為150～1 500 MHz的宏蜂窩系統(tǒng)，該公式模型傳播路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為：

Lp（dB）=69.55+26.16logfc-13.82loghte-a（hre）+（44.9-6.55loghte）log d+ Ccell+ Cterrain.

公式中基站天線有效高度為hte，而實(shí)際接收天線有效高度定義為hre，而移動(dòng)臺(tái)天線和基站天線之間距離設(shè)定為d（km）;α（hre）為移動(dòng)通信天線有效高度修正因子α（hre）=8.29（log1.54hre）2-1.1.所測(cè)試小區(qū)類型的校正因子為Ccell，取Ccell=0 dB，Cterrain為地形校正因子。地形校正因子具有很強(qiáng)的分析能力，可以準(zhǔn)確反映地形環(huán)境因素對(duì)路徑耗損的影響，例如建筑物、樹木、水域等因素，地形校正因子合理取值的途徑有兩種，其一是通過傳媒模型測(cè)試和校正得到，其二是人為進(jìn)行設(shè)定。本文研究的主要內(nèi)容就是地形校正因子和城市環(huán)境的關(guān)系。

1.2.2? 電波公式計(jì)算模型

公式計(jì)算模型是歐元成本組成的代價(jià)工作委員會(huì)開發(fā)的公式模型的擴(kuò)展版本，該模式的使用頻率在150～1 500 MHz之間，對(duì)于半徑大于1 km的小區(qū)的宏蜂系統(tǒng)尤其適用，其天線有效高度為30～200 m，實(shí)際接收有效天線高度在1～10 m之間。公式計(jì)算模型的路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為：

Lp（dB）=46.3+33.9logfc-13.82loghte-a（hre）+（44.9-6.55loghb）log d+ CM+ Cterrain。其中，fc，hre，hte和d與前面講述的傳播預(yù)測(cè)模型中的含義相同。a （hre）依舊為移動(dòng)通信天線高度修正因子a（hre）=（1.1logfc-0.7）hre-（1.56logfc-0.8）。大城市中心校正設(shè)定為CM，而此次電波實(shí)驗(yàn)就是在大城市中心進(jìn)行，從而地形校正因子為dB.Cterrain[2]。

2? ? 播試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1? 2.5 km測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的電壓電平值分布和衰減特征

通過對(duì)8個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試，得出2 500多個(gè)電平值，采用矩陣實(shí)驗(yàn)室軟件進(jìn)行分析，得出測(cè)試結(jié)論，從測(cè)量的數(shù)據(jù)中看到，8個(gè)等距測(cè)點(diǎn)測(cè)得的接收電壓電平狀態(tài)大部分集中在50～75 dBμν的區(qū)域內(nèi)，其分布的狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)“鐘”形分布圖有非常好的擬合度，這充分顯示在2.5 km測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的接收電平值為正態(tài)分布。為了將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，必須把這次測(cè)量的電壓電平數(shù)據(jù)融合，做累計(jì)分布的曲線。從測(cè)試的圖譜和數(shù)據(jù)不難看出，正態(tài)分曲線分布與累計(jì)分布值有很好的吻合度，所以，正態(tài)分布狀態(tài)的擬合結(jié)果與所有電壓電平數(shù)據(jù)的整體分布極其相似，足以證明2.5 km測(cè)量點(diǎn)處的接收電平慢衰落過程，最有效地證明了此次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

2.2? 分析城市地形對(duì)接收電平的影響因素

通過對(duì)8個(gè)等距測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試得到2 500多個(gè)數(shù)據(jù)，但要對(duì)這些數(shù)值根據(jù)不同測(cè)量地點(diǎn)進(jìn)行分類，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)接收電壓電平的均值以及方差進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)，然后把各個(gè)測(cè)試點(diǎn)接收功率均值通過換算得出來(lái)。具體情形如下：F測(cè)試點(diǎn)與E測(cè)試點(diǎn)兩處的接收電壓電平數(shù)值最高，G測(cè)試點(diǎn)、H測(cè)試點(diǎn)、A測(cè)試點(diǎn)和B測(cè)試點(diǎn)這4處電壓電平的數(shù)值次之，而C測(cè)試點(diǎn)和D測(cè)試點(diǎn)兩處接收的電壓電平數(shù)值最低，數(shù)值最高的E測(cè)試點(diǎn)的電壓電平數(shù)值為?78.29 dB，而C測(cè)試點(diǎn)數(shù)值為?85.70 dB，C測(cè)試點(diǎn)的電壓電平值較E測(cè)試點(diǎn)低10.8%。經(jīng)過進(jìn)一步分析，證明E測(cè)試點(diǎn)附近建筑物之間的距離比較大，視野相對(duì)開闊，可以目測(cè)到發(fā)射臺(tái)，促使對(duì)電壓電平的接收值就高;而B測(cè)試點(diǎn)測(cè)量值為?81.37 dB，雖然四周的環(huán)境也很開闊，也可以看到發(fā)射臺(tái)，但這個(gè)測(cè)試點(diǎn)緊鄰交通要道，車流量特別大，車輛行駛過程中引擎點(diǎn)火產(chǎn)生的電磁波帶來(lái)很大的噪聲，嚴(yán)重干擾了對(duì)信號(hào)的接收，致使接收的數(shù)值很低同時(shí)測(cè)量值的方差也很大，其數(shù)值為9.023 7。C測(cè)試點(diǎn)和D測(cè)試點(diǎn)接收的電平值相對(duì)低，主要原因是這兩個(gè)地方建筑物較多，雖然建筑物不是特別高，但分布的密度大、街道相對(duì)狹窄、往來(lái)的車輛特別多，造成對(duì)電平的接收值很低。由此可以得出結(jié)論：測(cè)試點(diǎn)周邊的環(huán)境是否開闊、建筑物密集程度對(duì)接收電壓電平效果的好壞有決定性的影響。從實(shí)際測(cè)量看出，就算同一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，由于車流帶來(lái)的影響不同，接收的信號(hào)分布也不一樣，呈現(xiàn)的方差也大。由此可見，在城市地形中，影響電波傳播效率的因素很多，不同的情況應(yīng)采取不同的應(yīng)對(duì)辦法[3]。

2.3? 地形校正因子修正傳播模型的效果

只有首先確定8個(gè)測(cè)量點(diǎn)每個(gè)位置的傳播衰減值，才能對(duì)實(shí)際的地形校正因子進(jìn)行確定，并利于對(duì)其進(jìn)行研究。為了方便計(jì)算，不妨將發(fā)射機(jī)的功率進(jìn)行換算，比如把150 W換算成DB型公式：10log150=21.76 dB。也就是說(shuō)發(fā)射信號(hào)功率減去接收信號(hào)功率就等于實(shí)際的傳播衰減值，然后通過傳播預(yù)測(cè)模型和公式計(jì)算模型進(jìn)行擬合，經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)得出的傳輸衰減值與公式計(jì)算模型下算出的衰減值進(jìn)行比較，然后得出地形校正因子。將FC=152.7 MHz，HRE=1.5 m，HRE=100 m，D=2.5 km代入兩個(gè)計(jì)算公式中，在無(wú)須考慮地形校正因子的情況下分別計(jì)算出其衰減值;在傳播預(yù)測(cè)模型中，Lp=110.597 7+Cterrain;公式計(jì)算模型中Lp=108.367 3+Cterrain。以上Lp的傳輸衰減值是實(shí)際測(cè)量得出來(lái)的，進(jìn)行比較就可以得出兩組地形校正因子。從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以證明，在傳播距離2.5 km的測(cè)量點(diǎn)處，45～78 dBμν之間為所接收的電壓電平值范圍，而不同測(cè)量點(diǎn)數(shù)值有很大的差距;E測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際傳播損耗最小，數(shù)值為100.045 2 dB，而C測(cè)試點(diǎn)損耗的數(shù)值最大，達(dá)到107.464 7 dB;分別用傳播預(yù)測(cè)模型和公式計(jì)算模型對(duì)不同傳播環(huán)境下的地物校正因子進(jìn)行修正，便能總結(jié)出規(guī)律：在建筑物分布密集的區(qū)域里，電波傳輸?shù)暮膿p相對(duì)要大，例如在建筑物很集中的C測(cè)量點(diǎn)和D測(cè)量點(diǎn)處顯示的地形校正因子比較大。公式模型和公式計(jì)算模型的校正因子依次為?3.133 0 dB和?4.111 7 dB，而對(duì)于E測(cè)量點(diǎn)來(lái)說(shuō)，因?yàn)榈匦伪容^開闊，建筑物分布不算集中，地形校正因子就比較小。公式模型和公式計(jì)算模型的校正因子為?10.552 5 dB和?8.322 1 dB， 數(shù)據(jù)與上面的D測(cè)量點(diǎn)相差懸殊。由此可以證明：城市地面建筑物對(duì)無(wú)線電波的傳播引起反射、投射和繞射，必須通過地形校正因子對(duì)傳播模型進(jìn)行修正[4]。

3? ? 電波傳播試驗(yàn)的結(jié)論與討論

（1）在2.5 km的測(cè)量點(diǎn)處的接收電平值是正態(tài)分布，而且測(cè)量中慢衰落特征在傳播中表現(xiàn)明顯，然后把各個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的電壓電平數(shù)據(jù)匯總，形成累計(jì)分布曲線，充分顯示整體分布是正態(tài)分布的狀態(tài)，而進(jìn)一步試驗(yàn)證實(shí)各測(cè)量點(diǎn)接收電壓電平值呈現(xiàn)慢衰落特征，試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性得到驗(yàn)證。（2）雖然8個(gè)測(cè)量點(diǎn)得出的2 500多個(gè)電平數(shù)據(jù)集中在60～70 dBμv范圍內(nèi)，但不同的測(cè)量點(diǎn)接收電平數(shù)值也是各盡不同，其中B測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值高達(dá)9.023 7，而G測(cè)量點(diǎn)最低，只有2.892 5，影響該差距發(fā)生的主要因素是來(lái)往的車輛和建筑物的分布情況，也就是說(shuō)所在測(cè)量點(diǎn)附近的車輛越多，建筑物越密集，接受的電壓電平數(shù)值就越低。（3）通過公式模型和公式計(jì)算模型進(jìn)行擬合得到的地形校正因子集中在?8～?1 dB范圍內(nèi)，地形因子越大，就顯示傳播環(huán)境越復(fù)雜，在電波的傳播過程中會(huì)因?yàn)榻ㄖ锩芗瘯?huì)發(fā)生反射、透射和繞射，另外城市樹木的影響也存在，導(dǎo)致電波傳輸衰減。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，城市地形對(duì)電波傳播的影響特點(diǎn)是明顯的。測(cè)量結(jié)果表明，2.5 km距離的檢測(cè)接收電壓電平數(shù)值呈現(xiàn)正態(tài)分布，同時(shí)電波的傳播狀態(tài)是緩慢的衰落現(xiàn)象，街道上的過往車輛越多，建筑物分布密度越大，所接收的電壓電平就越低。用兩種不同的傳播模型進(jìn)行擬合結(jié)果顯示的地形校正因子集中在?8～?1 dB范圍內(nèi)。同時(shí)對(duì)無(wú)線電波傳播中面對(duì)城市地面上多排多建筑分布時(shí)的特性進(jìn)行計(jì)算，以上試驗(yàn)的結(jié)果可為城市移動(dòng)通信工程設(shè)計(jì)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供理論依據(jù)。

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Study on the influence of urban topography on radio wave propagation

Lin Huijiao1， Liang Zheng1， Feng Yongxu1， Wen Hua2

（1.China Research Institute of Radiowave Propagation， Guangzhou 510630， China;

2.China Mobile Communications Group Corporation， Guangzhou 510335， China）

Abstract：With the rapid development of science and technology， Chinas communications technology has been rapid development， radio waves in our work and life play an increasingly important role. How to improve the application quality of radio wave is a topic that relevant departments have been exploring. In order to master the law of radio wave propagation in mobile communication and the characteristics of the radio channel， the experiment of the influence of urban topography on radio wave propagation is carried out in this paper， the target of the measurement is 8 different measuring points at 2.5 km from the base station. The purpose of the measurement is to study the state and law of the received signal level. At the same time， the influence of multi-row buildings on the propagation of radio wave visual range is calculated， and the effect of urban topography on radio wave propagation is studied.

Key words：urban terrain; radio wave propagation; propagation model; influence; study