《天线与电波传播》第14章

14.1地面移动通信中电波传播的基本特点及其研究方法14.2Okumura预测方法14.3GB/T14617.1—93预测方法习题十四

14.1地面移动通信中电波传播的基本特点及其研究方法

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。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。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

)。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。

基于实验基础上的预测方法,预测的是某一路径集合的电平,而不是某一具体电路的电平。

一般把传输路径按地形和人为环境分成几类,对同一类路径的集合应用相同的计算参数和处理方法。这种预测方法不需要知道传播路径的详细剖面,而只需要知道传播路径是属于哪一类路径集合就可。按统计方法处理实验数据,得出各类路径集合的慢衰落中值电平和标准偏差,根据这些数据以及慢衰落和快衰落所遵循的概率密度函数,就可以得到接收信号包络的全部信息。14.2.1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。14.2

Okumura预测方法测量设备(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。14.2.2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。

(2)郊区。

(3)市区。14.2.3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14-2-1～图14-2-4所示。图上的场强值dB(μV/m)是相对于有效辐射功率为1kW(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(14-2-1)图14-2-1准平坦地形市区场强中值曲线(f=150MHz)图14-2-2准平坦地形市区场强中值曲线(f=450MHz)图14-2-3准平坦地形市区场强中值曲线(f=900MHz)图14-2-4准平坦地形市区场强中值曲线(f=1500MHz)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14-2-5。图14-2-5基地台天线高度的定义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(14-2-2)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(14-2-3)14.2.4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

(14-2-4)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(14-2-5)图14-2-6准平坦地形市区相对于自由空间的基本传输损耗中值预测曲线参照式(10-2-7),自由空间的基本传输损耗可用下式计算：

L0=32.45+20lgf+20lgddB(14-2-6)这样,Am(f,d)曲线族就可从图14-2-1～14-2-4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14-2-6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(14-2-7)14.2.5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14-2-7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14-2-7基地台天线相对于he=200m的高度增益因子曲线

2.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14-2-8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。

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14-2-9上。图14-2-8移动台天线相对于hm=3m的高度增益因子曲线图14-2-9街道走向校正因子曲线图

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14-2-10所示。

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14-2-11所示。图14-2-10郊区校正因子曲线图14-2-11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14-2-12~图14-2-14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14-2-15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。图14-2-12丘陵地形校正因子的测量值与频率预测曲线(f=453MHz)图14-2-13丘陵地形校正因子的测量值与频率预测曲线(f=922MHz)图14-2-14丘陵地形校正因子的测量值与频率预测曲线(f=1430MHz)

7.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14-2-16上。当h≠200m时,校正因子取αKi,α由下式确定：

α=0.07

(14-2-8)图14-2-15微调因子Khf的实测值与预测曲线图14-2-16孤立山岳阻挡地形因子校正曲线

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14-2-17所示。图14-2-17倾斜地形因子校正曲线

9.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14-2-18上。图14-2-18水陆混合地形因子校正曲线14.2.6

Hata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

(14-2-9)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)

(14-2-10)

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

(14-2-11)

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

(14-2-12)郊区校正因子Ks的拟合公式为

(14-2-13)

开阔区校正因子Q0的拟合公式为

Q0=4.78(lgf)2-18.33lgf+40.94dB

(14-2-14)

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)=30-25lga

5<a<50

(14-3-1)

S(a)=20+0.19lga-15.6(lga)2

1<a≤5

(14-3-2)

S(a)=20

a≤1

(14-3-3)14.3

GB/T14617.1—93预测方法

(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(14-2-9)改变为

Lb(市区)=69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)

+(44.9-6.55lghb)lgdγ-S(a)dB(14-3-4)当d≤20km时；γ=1；当100km>d>20km时,

γ=1+［0.14+1.87×10-4f+1.07×10-3hb］

(14-3-5)

(3)公式(14-3-4)中的α(hm)取公式(14-2-10)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：

(14-3-6)式中,d′为移动台和与它相隔一个障碍的障碍物(或基地台)之间的路径长度(km);L

b′为该路径段的基本传输损耗,按所处环境是市区或郊区等而由相应的公式计算得出;n为障碍数目;Ai为第i重障碍的