第12章 地面移动通信中接收场强预测

第12章地面移动通信中接收场强的预测12.1地面移动通信中电波传播的基本特点及其研究方法12.2Okumura预测方法12.3GB/T14617.1-93预测方法12.1地面移动通信中电波传播的对地面移动通信所采用的VHF和UHF频段而言，地面波衰减得很快，可以忽略不计，其主要的传播方式仍为视距传播，即直接波与地面反射波的合成。通常，在地面移动通信网中，尽管都设有固定基站，并架设有较高的天线，然而由于移动台的天线距离地面往往仅有1～3m，因此传播路径上各种各样的地形、地物必然对电波传播产生影响，引起多径传播效应，造成多径衰落，从而使得移动台接收信号的快衰落现象十分严重；同时，由于移动台的不运动，移动台与具有不同地形特征障碍物之间的相对位置发生变化，由这些障碍物产生的阴影效应使得接收信号强度和相位随时间和地点不断地变化，导致中等速率的衰落；另外，移动中产生的多普勒效应，也将使接收信号产生极大的起伏；若考虑到气象条件的变化，接收信号还会随时间慢变化，即慢衰落。因而，移动通信中的电波传播问题就变得很复杂，已不能再简单地应用固定无线电通信的传播模式了。尽管有少数纯理论方法，如射线追踪(RayTrace)法可以精确计算特定位置的场强，但是该方法繁重的计算量以及需要对传播环境的精确描述都约束了此类纯理论方法的实际应用。由上所述，在地面移动通信中，接收信号不仅有时间上的衰落，而且还有地点上的衰落，是一种时间和地点上的随机信号。对于所覆盖的大面积地区，一般很难获得准确的地形数据，不可能对各个移动台所处的位置进行准确的场强估算。对于覆盖区内的场强预算，通常使用场强的预报曲线进行，它是以某个地区大量实测的数据为基础，用统计的方法得出作为距离、天线高度、地形类型和频率等函数的信号场强中值的预报曲线。在统计计算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50%时间的场强（或传输损耗）超过某个数值，则这个数值就称之为场强中值(或传输损耗中值)。显然，它在统计意义上标志了信号电平的大小，具有时间百分比的概念。在实际的移动通信工程计算中，首要的是掌握接收场强的中值电平或传输损耗中值。12.2Okumura预测方法12.2.1场强测试情况和数据处理方法Okumura等人于20世纪60年代初期在东京地区进行了大量的场强测试工作。测量环境包含了市区、郊区和开阔区，测量频率为453、922、1317、1430、1920MHz；发射天线的高度范围为30～1000m；接收天线的高度范围为2～7m。测量设备(场强计和记录仪等)装在汽车上，在汽车行驶中进行测量。测量数据由记录仪记录。在20m左右的距离段（称为小段）内对测量数据进行平均，得到小段均值。然后在1～1.5km的距离内计算小段均值的中值，最后绘成经验曲线。12.2.2传播路径分类Okumura预测方法中，将城市视为“准平坦地形”，给出中值场强或基本传输损耗中值。对于郊区和开阔区的场强中值则以此场强中值为基础进行修正。该预测方法按建筑物和树林的密度与屏蔽程度，把传播路径的人为环境分成三区：（1）开阔区：指传播路径上没有或很少有高建筑物及大树的开阔地区，如农田、广场等。（2）郊区：指在移动台附近有不太密集的1～2层楼房和稀疏小树林的地区，如农村及市郊公路网等地区。（3）市区：指有密集建筑物和高楼大厦的地区，如城市和大市镇等。按地形条件把传播路径分成五类：（1）准平坦地形路径;（2）丘陵地形路径；（3）孤立山岳阻挡路径；（4）倾斜地形路径；（5）水陆混合路径。12.2.3准平坦地形市区场强中值曲线Okumura等人在自己的测量结果及E.Shimizu等人以前在VHF频段（200MHz）的测量结果的基础上，给出了150、450、900、1500MHz四个频率上的准平坦地形市区场强中值曲线，如图12―2―1～图12―2―4所示。图上的场强值dB（μV/m）是相对于有效辐射功率为lkW（60dBm）和发射天线为偶极天线的情况下的结果。如果实际发射天线的辐射功率为Pr（dBm），其增益为Gr（dB）（相对于偶极天线的增益），那么接收场强可通过下式换算：EL［dB(μV/m)］=E+Pr+Gt-60(12―2―1)式中，E为从曲线查得的场强值。如果发射天线的增益以dBi（相对于各向同性天线的增益）给出，那么上式中的常数60应以62.2代替。图12―2―1如果基地台天线高度与图上所示天线高度不一致，那么可以用插值法求得与实际天线高度相应的场强值。根据互易定理，移动台在基地台接收天线处产生的场强同样可用式（12―2―1）计算，只要用移动台的发射功率和天线增益代替即可。基地台天线高度是指天线的有效高度，定义为基地台天线中心相对于传播方向离基地台3～15km范围（如路径长度不够15km，此范围可缩小）内地形的平均高度，见图12―2―5。图12―2―2图12―2―3图12―2―4图12―2―5设上述范围的地形平均海拔高度为hom，基地台海拔高度为hob，基地台天线中心离地面高度为he，那么基地台天线的有效高度hb可写为hb=he+hob-hom(12―2―2)上式适用于hob＞hom的情况。如果情况相反，那么基地台天线的高度可认为等于其实际离地高度，即hb=he(12―2―3)而移动台天线高度hm则是指路面以上的高度。其它地形、地物路径的场强可通过由图上查得的准平坦地形市区的场强加上相应的地形地物校正因子求得。如果移动台天线高度不同于上述给定值，可用移动台天线高度增益因子进行校正（见12.2.5节）。12.2.4

准平坦地形市区相对于自由空间的基本传输损耗中值曲线路径的基本传输损耗定义为各向同性天线的辐射功率与各向同性的接有共轭匹配负载的接收天线接收到的功率之间的分贝数之差，即

Lb=Pr-PLdB

(12―2―4)如以L0表示自由空间的基本传输损耗，那么相对于自由空间的市区基本传输损耗中值为

Am(f,d)=Pr-PL-L0dB

(12―2―5)在图12―2―6上示出了Am(f,d)与频率和距离的关系（距离作为参变量）曲线。本曲线族适用于基地台天线高度为200m和移动台天线高度为3m的情况。参照式（8―2―7），自由空间的基本传输损耗可用下式计算：L0=32.45+20lgf+20lgddB

(12―2―6)图12―2―6这样，Am(f,d)曲线族就可从图12―2―1～12―2―4的场强曲线中换算得到。如果在测试中，测试设备（测试接收机等）直接给出接收功率，那么在已知发射功率和收、发天线增益的情况下，可直接得出基本传输损耗值。应用图12―2―6可得出准平坦地形市区的接收功率中值：PL=Pin-Am(f,d)-L0+Gr+GLdBm

(12―2―7)式中，Pin为输入发射天线的功率（dBm）;GL和Gr分别为实际所用的收、发天线相对于各向同性天线的增益。12.2.5各种校正因子各种校正因子都是针对准平坦地形的市区场强中值的，它们以增益的形式给出，正值表示增益，负值表示衰减。因此，预测场强中值时，要把准平坦地形的市区场强中值加上有关的校正因子；而预测基本传输损耗中值时，则要从准平坦地形市区基本传输损耗中值中减去有关的校正因子。1.基地台天线高度增益因子图12―2―7上显示出了市区相对于200m的基地台天线高度增益因子Hb(he,d)。该曲线族以基地台天线有效高度为主变量，以距离为参变量。Hb(he,d)与频率无关。图12―2―72.

移动台天线高度增益因子市区移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)示在图12―2―8上。Hm(hm,f)与距离无关，而与频率有关，且与移动台所处地点的建筑物高度和密度（大城市或中小城市）有关。图12―2―8移动台天线相对于hm=3m的高度增益因子曲线3.街道走向校正因子

街道走向校正因子Kv（垂直于传播方向）和Kp（平行于传播方向）示在图12―2―9上。曲线表明，平行于传播方向的街道上之场强高于垂直于传播方向的街道上之场强。4.郊区校正因子

郊区传播条件优于市区，故其校正因子Ks为正值。它与频率和距离有关，如图12―2―10所示。图12―2―9街道走向校正因子曲线图5.开阔区和准开阔区校正因子

准开阔区是介于开阔区和郊区之间的区域。准开阔区和开阔区的传播条件都比市区好得多，它们的校正因子Q0和Qr都是正值，如图12―2―11所示。图12―2―10郊区校正因子曲线图12―2―11开阔区和准开阔区校正因子曲线6.

丘陵地形校正因子丘陵地的地形参数可用“地形起伏高度”Δh表示，其定义是，自接收点向发射点延伸10km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差。图12―2―12~图12―2―14给出了相对于场强中值的修正值，即准平坦地形场强中值与丘陵地区场强中值之差，常称为丘陵地形校正因子Kh。由于在丘陵地中，起伏顶部与谷部的衰减中值相差甚大，为此有必要进一步加以修正，如图12―2―15所示。图中给出了丘陵上顶部与谷部的微小修正值Khf。它是在Kh的基础上作进一步修正的微小修正值。总之，计算丘陵地形上不同位置的场强中值时，一般先参照图12―2―12~图12―2―14修正后，再参照图12―2―15作进一步微小修正。峰顶为Kh+Khf，谷底为Kh-Khf。图12―2―12图12―2―13图12―2―14图12―2―157.孤立山岳阻挡地形校正因子

相对于山岳高度h=200m的归一化校正因子Ki示在图12―2―16上。当h≠200m时，校正因子取αKi，α由下式确定：(12―2―8)8.倾斜地形校正因子;倾斜地形是指在5～10km内地面倾斜的地形。若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称之为正斜坡，倾角为+θm；反之，为负斜坡，倾角为-θm。校正因子KA与平均倾斜角θm的关系如图12―2―17所示。平均倾斜角θm的单位为毫弧度（mr）。从图上看出，具有正倾斜角的地形使场强增加，具有负倾斜角的地形使场强减小。

图12―2―16图12―2―17图12―2―189.水陆混合地形校正因子在电波传播路径上，如遇有湖泊或其它水域，接收信号损耗中值比单纯陆地传播路径时要低。不难想象，水陆混合路径地形校正因子Ksi应为增益因子。水陆混合路径地形校正因子Ksi的曲线示在图12―2―18上。图上的实线对应于陆地位于发射侧的情况，虚线对应于陆地位于接收侧的情况。如陆地或水面位于路径的中部，则Ksi取虚线和实线的中间值。12.2.6Hata公式

为了使Okumura预测方法可以用计算机进行计算，Hata对Okumura预测曲线作了公式化拟合，所得准平坦地形市区基本传输损耗中值公式为Lb(市区)=

69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)

+(44.9-6.55lghb)lgddB（12―2―9）式中，d为路径长度，适合于1～20km范围；f为工作频率，适用于150~1500MHz范围；hb为基地台天线高度，适用于30～200m范围；hm为移动台天线高度，适用于1～20m范围。参数α(hm)可表示成：α(hm)=(1.1lgf-0.7)hm-1.56lgf+0.8(中小城市)

（12―2―10）α(hm)=8.29［lg(1.54hm)］2-1.1（大城市，f≤200MHz）

(12―2―11)α(hm)=3.2［lg(11.75hm)］2-4.97（大城市，f≥400MHz）

(12―2―12)郊区校正因子Ks的拟合公式为(12―2―13)开阔区校正因子Q0的拟合公式为(12―2―14)12.3GB/T14617.1—93预测方法GB/T14617.1—93预测方法与Okumura/Hata方法基本相同，但对该方法做了以下几点修正：（1）引入建筑物密度修正因子。在计算场强中值或传输损耗中值时，对于有建筑物密度资料的市区，应在用Okumura/Hata方法计算得出的结果上加上或减去建筑物密度修正因子S(a)。S(a)可表示为：S(a)=30-251ga5<a<50

（12―3―1）S(a)=20+0.19lga-15.6(lga)21<a≤5

(12―3―2)S(a)=20a≤1

(12―3―3)

式中，a为建筑物密度，即建筑物所占面积的百分数。当a=15时，S(a)≈0。（2）扩展Hata公式的适用距离。准平坦地形市区基本传输损耗公式（12―2―9）改变为Lb(市区)=

69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)

+(44.9-6.55lghb)lgdγ-S(a)dB（12―3―4）当d≤20km时；γ=1；当100km>d>20km时，

(12―3―5)（3）公式（12―3―4）中的α(hm)取公式（12―2―10）中所确定的中、小城市的值。（4）改变山地和丘陵路径的基本传输损耗中值的计算方法。山地和丘陵路径的基本传输损耗中值的计算方法采用确定的点对点路径的计算方法。计算公式如下：

（12―3―6）式中，d′为移动台和