电波传播理论（徐立勤）14移动通信传播损耗统计预测模型VIP

1、第14章移动通信传播损耗统计预测模型14.1 okumura-hata 传播模型此模型是基于okumura于1968年在日本城市地区所做的广泛移动传播实验测试数据，这些实验测试 数据被表示为一系列的实验测试场强与距离的关系曲线，如图14与图14.2所示1。图屮的场强是相对 于1000瓦的基站发射功率和2.16db基站发射天线而言的，场强以db u v/m为单位。每个图中不同的实验 曲线都对应于不同的基站等效天线高度，移动台的天线高度均设定为1.5米。自由空i'可场强对距离的曲线 也示于图中。由图可以看出，在所有距离、所有天线高度上，自由空间场强均远大于城市市区的场强，这 说明，市区的基

2、本传输损耗远大于自由空间损耗，这是因为城市建筑物对电波的阻挡作用。图14.1是对于城市地区、450mhz频段的中值场强与距离的关系曲线。图14.2是对于城市地区、900mhz频段的中值场强与距离的关系曲线。后来，m. hata在1980年对okumura的这些实验曲线进行了数值模拟，得到相应的中值场强的经验公 式如下所示2：£(50,50)= 69.82 - 6.16 log / +13.82 log hh 一(44.9 6.55 log hb )(log 好 + a(hm)(14.1) 考虑到场强可以表示为：e = eirpl& + 20 log f + 107.2(14.

3、2)eirp=r+g,其中为等效全向发射功率，dbw； pt为基站发射功率，dbw； g,为基站天线增益，dbio计及okumura 实验曲线的发射功率为30dbw (10()()瓦)以及发射天线增益为2.16db (偶极子天线)，所以我们可以将中 值场强的表达式(14.1)转化为基本传输损耗中值的表达式，如下式所示：lb(50,50)= 69.55 + 266log / -13.82 loghb +(44.9 一 6.55 log/?j(logd)a 一 a(hm)(14.3) 这就是，城市环境下，陆地移动通信电波传播基本传输损耗的经验表达式。式(14.1)和(14.3)中，d(/j)是体现

4、移动台天线高度影响的修正项：血)=(1 1 log/-0.7)hrn -(1.56log/-0.8)(14.4)而。是距离修正因子，不引入。系数之前，公式只适用于20 km以下的距离，引入。系数之后公式可以 适用于100 km以下的距离，。系数如下式所示：1, d <20 kma<1+(0.14 + 1.87xlq-4/ + 1.07x 103/2jflog 0.82020 km< j<100 km ""卩(14.6)以上各式中，乙(50,50)50%时间和50%地点的基本传输损耗，即基本传输损耗中值，db；f频率，mhz；hh基站天线的等效高度，m

5、； hm一一移动台天线的离地咼度，m；d基站到移动台之间的距离，km； 以上公式的适用范围是：1. 150 mhz< f < 1500 mhz；2. 30m<hb < 1000 m；3. 1 m< hm < 10 m；4. 1 km</<100 km；5. 准平坦地形。(uyaxg)葛 potz量1101009080706050403020100-10125102030405060708090100距离，km图14.1场强曲线（450mhz,城市地区，50%时间，50%地点，km=1.5 mpt =30 dbw, gz =26dbi）110100

6、908070自由空间场强i 十60403020100510203040距离，km5060708090100图14.2场强曲线（900mhz,城市地区，50%时间，50%地点，hm =1.5mp( =30dbwg =2.16dbi)0570-0514.2 itu传播模型这是经验的统计预测模型，主耍用于点对面的传播预测，特别是移动通信的场强、干扰和覆盖预测。 适用的业务有，gsm900移动业务，gsm1800移动业务，cdma移动业务，3g移动业务，集群移动业务, 专业移动业务，无线寻呼业务，无线市话业务，以及无线对讲业务等等。此模型最早来自于okumura在1968年所做的实验曲线，后来hata

7、在1980年对这些实验曲线进行了 数值模拟，并得到14节所示的经验公式。八十年代后期该经验公式又经美国、英国、德国、意大利、西 班牙、波兰和日本其他作者等大量实验数据验证，ccir （国际无线电咨询委员会）和itu-r使用全球广 泛的实验数据并综合了国际上公认的可靠研究成果对此模型进行了许多改进，形成了适用范围更广泛、更 加成熟的经验模型，并推荐此模型作为移动通信场强预测的优选模型，我国学者对此也有所贡献。八十年 代后期，我国也在大、屮城市、城市郊区和乡村专门做了大量的场强测试实验，验证各种移动传播模型在 我国的适用性，来自各家的验证都一致地认为，在众多的移动场强预测模型中，ituokumun

8、bhata模型是最准确的，1994年该模型被列为小国国家标准5。 该模型的适用频率为30mhz3ghzoitu模型，基本传输损耗的屮值可以表示为3,4,5：厶,(50,50)= <69.55 + a f_2828.61 +a +18.33 log/- 4.78(log645 + 4 2cht二“市区”cht = “郊区”cht二“开阔地”(14.7)69.55 +a,cht = “林区”48.38 + a + 9.17log/ log-239(log cht = “ 乡村”其中,a = 266log / -13.82log hb + (44.9 一 6.55 log hh)(log d)

9、“ 一 ahm)(14.8)显然，4函数反映了基本传输损耗与频率、基站天线等效高度和距离的关系，而$(q)为城市建筑物密度 修正项,30 - 25 log a.5<a< 50s(a) = < 20 + 0.19 log -15.6(log ay.<a<5(14.9)20,a<0为距离大于20km吋的修正指数,(14.10) j1, j < 20 km卩=1 + (0.4 +1.87 x 10y / +1.07 x 10* 仏)log(d / 20)严，d > 20 km最后，a(lim)是体现移动台天线高度影响的修正项:(l.llog/-0.7)

10、號-1.56 log f + 0.8,中等城市 a(hm) = 8.29 log2(1.54/?,)-1.1,大城市,f < 200mhz (14.11)3.2log2 (11.75/2.,)-4.97,大城市，f > 400mhz根据式(14.2),所以屮值场强则可以表示为：£(50,50)= 107.2 + 20 log / + 好 + g,°)乙(50,50), db(“v/m) (14.12)itu模型的预测精度统计上大约为7-8dbo以上各式中，各项数学符号的意义与单位如下所示:尽0,50一一50%时i'可和50%地点的场强，db/v/m ；l

11、h50%时间和50%地点的基本传输损耗，db； a(hfn)移动台天线高度修正因子，db； s(q)一建筑物密度修正指数，db；q建筑物密度，;f频率，mhz；d基站到移动台之间的距离，km；hb基站天线的等效高度，m； hfn一一移动台天线的等效高度，m：h地面粗糙度，m；pt基站发射功率，dbw；gt一一基站天线增益，dbio本模型的适用范圉是： 30 mhz< f < 3000 mhz; 30 m < hb < 200 m; 1 m< hm < 20 m; 1 km< d < 100 km; 准平坦地形。14.3 cost 231 模型在v

12、hf/uhf频段的移动通信中，当基站的覆盖范围小于1公里时，应该使用cost 231模型。cost 231模型6,是为了配合公共移动通信gsm标准的推出，欧洲科技合作委员会(cost)的电 波传播专家专门研制的传播模型。它是半经验半理论的传播模型，经过了大量实验数据的检验，理论上主 要借用了 walfisch与ikegami的研究成果7,8,所以，常常又把这个模型叫做cost 231- walfisch/ikegami 模型。143.1模型基本参数的定义为了叙述的方便，我们首先定义以下参数：hh基站天线高度，米hm移动台天线高度，m；%传播路径上屋顶相对于地而的平均高度，心=% - hroof

13、 , m；饥=- hm ,m ；h传播路径上，建筑物之间的距离，m；一一街道宽度，m；f频率，mhz；d传播路径距离，km；°一一传播路径与街道之间的夹角，度；n一一楼层数；a/?地形粗糙度，m；l一一被超过的地点百分数，%；t被超过的时间百分数，%o如果建筑物和道路数据不详，则可以采用以下默认值:0 = 90,koof "x +米3 m,斜屋顶 w =10,平顶b=20-50 mw = b/2cost 231模型是根据电路是视距还是非视距两种情况分别讨论无线电路的基本传输损耗的。该模型 本身并没有给出区分视距与非视距的定量条件，但是我们可以按以下公式定量地区分视距还是非视

14、距：当 koof> hroof时为非视距(14j3)当k（）of < hroof时为视距(14.14)其中，ad =(14.15)(14.16)143.2视距情况的基本传输损耗视距条件下，可以采用以下公式计算传播电路的基本传输损耗：(14j7)lb = 42.6 + 26 log j+ 20 log f其小，d为电路长度，km； /为频率，mhzo由此式可以看岀，在城市环境条件下，视距d传播并不是 子样空间传播。但是，数值计算计算结果表明，当电路距离很短时，该式计算的结果很接近于自由空间传 播损耗。14.33非视距情况的基本传输损耗在非视距传播的情况下，传播路径的基本传输损耗乙可以

15、表示为三项之和s =厶/ + lmsd + lrts , db(14.18)其屮，第一项被称为自由空间损耗:其中，为电路长度，km； /为频率，mhzo笫二项为连排房屋建筑引起的多重障碍屏绕射损耗:lmsdsh + kd logd + kf log/-9logb, db°，l嗣 < 0(14.20)其中,181og(l +他)，ahh > 0血0, hh < 0(14.21)54, db, hh > 0 ku = < 54-0.8a/1, db, ahb < 0, d > 0.5 km54-0.8仏d/0.5, db, a/?/? <

16、0, d < 0.5 km(14.22)18, clby hh > 018-15物/如，db、hb < 0(14.23)(14.24)4 + 0.7(/925-l),中等城市屮心冲等树木密度的郊区屮心 f _ -4 +1.5(/7925-1),大城市中心第三项代表从屋顶到街道的绕射损耗:rls一 16.9 -10 log w +10 log f + 20 log hm + 厶”，0，db, hm > 0(14.25)其屮，厶册为街道取向因子:0° <<35°db, 35° <<55°db, 55°

17、 <(p< 90°(14.26)一 10 +0.3540, db,厶肝=”.5 + 0.075(°-35),4.0 0.114(0 55),14.3.4适用条件频率/： 8001800 mhz距离d : 0.15 km基站天线高度他：450 m移动台天线高度號：13 m地形:准平坦地形。14.3.5各项参数的影响为了对城市环境条件下，点对面的电波传播情况以及各项因素对场强的影响有一个定量的认识， 我们在本节给出了 cost231模型数值计算的结果。各表中的所列的所谓“差值”，是指紧挨的前后两 行相关数据的差值，该差值的大小反映了相关参数的变化引起的损耗变化的人小

18、，即变化的斜率或梯 度。作为工程设计的人员，量的概念是非常重要的。我们给出的每个传播模型都是可以定量地计算的。1、房屋间隔的影响表 14.1 -9logbb, m-91ogb, db差值,db2011.730-13.31.640-14.4150-15.30.9街道宽度的影响表 14.2 -lologw ;默认值w=b/2w, m-1 ologw, db差值,db10-10.01511.81.820-13.01.225-14.01.03、屋顶与移动台天线高差的影响表 143 201oga號;ahm = hroof - hm汎,m201og饥,db差值，db6035.65034.01.64032.

19、02.03029.52.52026.03.51020.06.04、街道走向的影响从表14.4可以看出，街道走向因子是以传播方向与街道走向垂直（即0=90°）的情况为参考 的。图14.3画出了街道走向因子与方位角的关系曲线。表 14.4 lori0b差值，db0-10.010-6.43.620-2.93.5300.63.5352.5402.92.3453.3503.60.7554.0603.4-0.2702.31.1801.21.1900.0-1.25、基站天线与屋顶高差的影响（当人饥0时）表 145 心=-18log(l + a/zj, hh =hb -hroof他，mssh db差

20、值，db<001-5.45.42-8.63.23-10.82.24-12.61.85-14.01.410-18.84.81521.72.92023.826、基站天线与屋顶高差的影响（当hb < 0时）表 14.6 ka他，m心,db差值，db>054.0-154.80.8-255.60.8356.40.8457.20.8558.00.8-1062.04.0-1566.04.07、频率的影响基本传输损耗厶中，包含频率的项为：厶(/) = 20 log / + ® log / +10 log /= (30 +slog/*(14.27)其中，20log/是自由空间的频率关

21、系项，勺 是城市坏境中的频率修正项。从表14.7可以看出，对 于900mhz频段，频率项的系数大约为26；对于1800mhz频段，频率项的系数大约为27。表14.7频率影响厶(于)/,mhz城市kfl(f), db差值，db900中等城市-4.0176.8900大城市-4.0476.71800中等城市-3.3486.810.01800大城市-2.5889.312.6注：差值=厶(1800)厶(900),对同等城市。8、距离的影响在基本传输损耗中，当hh > 0 ,即天线高度大于屋顶高度时，我们有厶(d) = 20 log d + kd log d , kd =18(14.28)由此可以看

22、出，距离项的系数是38,也就是说，通常所说的传播指数为3.8,或者说，基本传输损耗与 距离的3.8次方成正比。当他v0,即基站天线高度低于屋顶高度时，距离衰减项可以不是为:(38-厶(d)= <(38-log d - o.8a/2,/ / 0.5 , db , d < 0.5 km hroof竺如)log-0.8他,db, 6/ >0.5km hroof(14.29)注意到，上式中的a他为负值。由此可以看出，在这种情况下，传播指数要大于3.8。设定，hroof = 25 mhh = 20 m, 25 m, 30 m, 35 m算出距离对损耗的影响如表14.4所示。表14.8距

23、离对损耗的影响厶(d)d , kml(d), dbhh =-5 m0 m5 m10 m0.1-40.20 38.00同左同左0.2 27.06 26.56/0.3-19.04-19.870.4 13.12-15.120.5-8.34 11.440.650-8.430.7-2.35-5.89/0.80.03-3.680.92.12-1.741.04.000.002.016.3411.443.023.5618.13/4.028.6822.885.032.6626.566.032.9029.5714.3.6试算数据与结果设定以下参数：/? = 35 m, w= 17.5 m, cp = 90 d =

24、 1 km；/ = 900 mhz, pf =10dbw, gt =12dbd, lt =0db,厶=3db；厶= 90, r = 99；hb = 20,25,30,35 m , hm = 1.5 m , hro（）f = 25 m其中，e未为基站发射功率，g为基站发射天线增益；厶为发射端的插入损耗，厶为发射端的馈线损耗。 根据这些设定值，c0st-231模型试算结果如表14. 9所示，表中列出了各项参数的计算结果。由此可知， 当天线高度达到35米时接收点的场强就达到gsm移动通信吸引所要求的门限值，32 dbav/m。由该表还 可以看出，绕射损耗项大到几乎可以和自由空间损耗相比拟。表14.9

25、 cost 231模型试算结果他,m 饥m hroof，m20251.5253035物,m50510號，m23.5d, km0.0800.0640.0530.045hroof ' 1112.132.332.512.68视距或非视距h扁 hroof ,非视距传播lz,db91. 49ssh db00-14.0-18.75心,db58.054.054.054.0©21181818-4. 02（中等城市），-4. 04 （大城市）kd log" , db0000k f logf, db-11.8891og b, db13.90l翻,db60.1056.0242.0237.

26、27lor" db0.01s，db27.64msd + l”s db87.7483.6669.6664.92sb179.23175.15161.15156.41e(50,50), dbpv/m8.2512.3326.3332.0814.4 cost 231hata 模型6,9gsm移动通信系统，用了两个频段，除900 mhz频段外，还同时使用1800 mhz频段。cost 231 研究计划也在okumura测试数据的基础上，通过对较高频段的传播实验曲线进行分析模拟，得到如下公式:lh = 46.3 + 33.9log / -13.82loghh - a(hm) + (44.9 一 6

27、.55 loghh)logd + cm (14.30)0log f- 0.7 九-1.56 log f + 0.8,中等城市叽)彳 8.29 log2 (1.54/zzm )-1.1,大城市，/ < 200 mhz(14.31)3.2 log2 (11.75/zw;)-4.97,大城市，/ >400mhz(14.32)0, db,中等城市和郊区的中心3, db,大城市这就是所谓的cost 231hata模型。与okumura-hata公式一样，上式中，/为频率，以mhz计；和勺”分别为基站天线和移动台天线的高度，以米计；d为电路的距离，以km ik 该模型的适用范围是：/ = 15

28、00 2000 mhzhb =30- 200 mhm = 1-10 md = -20km这个模型限用于大蜂窝和小蜂窝结构的移动通信系统，即当基站天线高度高于邻近建筑物屋顶高度时的情 况。14.5 egli 模型egli利用fcc (美国联邦通信委员会)所收集实验数据，对地反射引起的两射线平地模型进行了修正, 得到以下半经验半理论的传播模型li01：78 + 20 log / + 40 log j-20 log hh -10 log hm , db, hm <lh = s(14.33)88 + 20log f + 40log d 20log hb - 20loghm , db, hm &g

29、t; 10/7?此模型中并不包含地面导电率和地面相对介电参数，所以，在实践中，用起来很方便。其中的参数说明如 下：f频率，mhzd一一路径长度，km；hh一一基站天线离地面的高度，m；hm移动台天线离地面的咼度，m。本模型所采用的实验数据，英电路距离小于50公里，频率在40910 mhz z间。在okumurahata 模型出现以前，该模型曾被广泛应用。事实证明，egli模型比理想地反射平地模型，具有更高的预测精度。14. 6 itu-r rec.p.370 和 itu-r rec.p.529 模型itu-r的建议rec.p.370ll给出了场强与距离的实测曲线，每个图中对于不同的发射天线高度

30、画11!了 不同的曲线，但移动用户的天线高度被假定为10米。在移动通信中，移动用户的天线高度通常假定为1.5 米。所以，经过用户天线高度的换算之后，对于陆地地面的实测场强模拟曲线如图14.5,图14.6和图14.7 所示，分别对应于50%, 10%和1%的时间百分数。这些实验数据主要是在中纬度地区(欧洲和北美)取 得的，图中的场强值是相对于1000瓦的发射功率和半波偶极天线的。这些实验曲线在itu-r rec.p.529|4 屮被推荐，供陆地移动通信业务使用。这些曲线的好处是可以用于大范围、长距离的移动业务。经拟合，rec.p.370ll建议的中值场强曲线可以表示为13：lb = 106.7

31、+ 7.91 log / - 26.24 log hb +(22.45 + 9.37 log / + 2.13 log hb )log j , db (14.34)其中，lb基本传输损耗中值，db；f频率，mhz；hb基站等效天线高度，m；d距离，km。e.r.p.自由空间90so7060o o o4 3 2 (e>hfflp)一 50102050100200距离，km400600图14.5场强曲线11(30250mhz,陆地，50%时间，50%地点9-01hm = 1.5m, ah =50m9080706040(uu/a 三 £ip)em-20-3040-50e.i.p.10

32、2050100200距离，km400600图14.6场强曲线11(30250mhz,陆地，10%时间，50%地点hm = 1.5m, ah =50m>9-02o/?:1 力o o o9 8 7n75/ii20=9koooooooo4 3 2 1 1 2 3 b 一 一 (uvamup)qcbu a一 40-50102050100200400距离，km600图14.7场强曲线11lil29-03（30250mhz,陆地，1%时间，50%地点hm = 1.5 m, ah = 50mpt =30dbw,g, =2.16dbi）14.7 lee （李建业）宏蜂窝模型该模型是基于美国的实验测试数据

33、建立的模型，它是以接收电平来表现的，并使用英制长度单位, 接收功率电平匕如下式所示14,15,16：(14.34) 61.7 38.41ogd /?logz + a, dbm,歹e 区 900=<-70.0 - 36.8 log d-n log - + a, dbm,市区 900(14.35)« = 20loghb +10log+10logpt +g彷+g猊 _64其屮,pr发射功率，w ;hh基站天线咼度，feet;-移动台天线咼度，feet;gb-一基站天线增益，db;gm-一移动台天线增益，db;d 电路距离，miles;f频率，mhz;rt -常数，30,对于/n 45

34、0 mhz和市区20,对于450 mhz和郊区或开阔区参考文献1 okumula, y,et al, field strength and its variability in vhf and uhf land mobile services,rev elec. comm. lab., vol. 16, pp.825-873, 1968.2 hata, m., empirical formula for propagation loss in land mobile radio services, ieee trans, on vt vt-29, pp.317-325, 1980.3 itu-

35、r, propagation data and prediction methods for the terrestrial land mobile service using the frequency range 30 mhz to 3 ghz, itu-r report 567-4, 1990.41 itu-r, vhf and uhf propagation data and prediction methods required for the terrestrial land mobile services, itu-r rec.p529, 1990.5 gb/t 14617.193,陆地移动业务和固定业务传播特性，第一部分：陆地移动业务传播特性，1994。6 eurocost, urban t