電波傳播理論（徐立勤）14移動通信傳播損耗統(tǒng)計預測模型

1、第14章移動通信傳播損耗統(tǒng)計預測模型14.1 okumura-hata 傳播模型此模型是基于okumura于1968年在日本城市地區(qū)所做的廣泛移動傳播實驗測試數(shù)據(jù)，這些實驗測試 數(shù)據(jù)被表示為一系列的實驗測試場強與距離的關系曲線，如圖14與圖14.2所示1。圖屮的場強是相對 于1000瓦的基站發(fā)射功率和2.16db基站發(fā)射天線而言的，場強以db u v/m為單位。每個圖中不同的實驗 曲線都對應于不同的基站等效天線高度，移動臺的天線高度均設定為1.5米。自由空i'可場強對距離的曲線 也示于圖中。由圖可以看出，在所有距離、所有天線高度上，自由空間場強均遠大于城市市區(qū)的場強，這 說明，市區(qū)的基

2、本傳輸損耗遠大于自由空間損耗，這是因為城市建筑物對電波的阻擋作用。圖14.1是對于城市地區(qū)、450mhz頻段的中值場強與距離的關系曲線。圖14.2是對于城市地區(qū)、900mhz頻段的中值場強與距離的關系曲線。后來，m. hata在1980年對okumura的這些實驗曲線進行了數(shù)值模擬，得到相應的中值場強的經(jīng)驗公 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) 考慮到場強可以表示為：e = eirpl& + 20 log f + 107.2(14.

3、2)eirp=r+g,其中為等效全向發(fā)射功率，dbw； pt為基站發(fā)射功率，dbw； g,為基站天線增益，dbio計及okumura 實驗曲線的發(fā)射功率為30dbw (10()()瓦)以及發(fā)射天線增益為2.16db (偶極子天線)，所以我們可以將中 值場強的表達式(14.1)轉化為基本傳輸損耗中值的表達式，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) 這就是，城市環(huán)境下，陸地移動通信電波傳播基本傳輸損耗的經(jīng)驗表達式。式(14.1)和(14.3)中，d(/j)是體現(xiàn)

4、移動臺天線高度影響的修正項：血)=(1 1 log/-0.7)hrn -(1.56log/-0.8)(14.4)而。是距離修正因子，不引入。系數(shù)之前，公式只適用于20 km以下的距離，引入。系數(shù)之后公式可以 適用于100 km以下的距離，。系數(shù)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%時間和50%地點的基本傳輸損耗，即基本傳輸損耗中值，db；f頻率，mhz；hh基站天線的等效高度，m

5、； hm一一移動臺天線的離地咼度，m；d基站到移動臺之間的距離，km； 以上公式的適用范圍是：1. 150 mhz< f < 1500 mhz；2. 30m<hb < 1000 m；3. 1 m< hm < 10 m；4. 1 km</<100 km；5. 準平坦地形。(uyaxg)葛 potz量1101009080706050403020100-10125102030405060708090100距離，km圖14.1場強曲線（450mhz,城市地區(qū)，50%時間，50%地點，km=1.5 mpt =30 dbw, gz =26dbi）110100

6、908070自由空間場強i 十60403020100510203040距離，km5060708090100圖14.2場強曲線（900mhz,城市地區(qū)，50%時間，50%地點，hm =1.5mp( =30dbwg =2.16dbi)0570-0514.2 itu傳播模型這是經(jīng)驗的統(tǒng)計預測模型，主耍用于點對面的傳播預測，特別是移動通信的場強、干擾和覆蓋預測。 適用的業(yè)務有，gsm900移動業(yè)務，gsm1800移動業(yè)務，cdma移動業(yè)務，3g移動業(yè)務，集群移動業(yè)務, 專業(yè)移動業(yè)務，無線尋呼業(yè)務，無線市話業(yè)務，以及無線對講業(yè)務等等。此模型最早來自于okumura在1968年所做的實驗曲線，后來hata

7、在1980年對這些實驗曲線進行了 數(shù)值模擬，并得到14節(jié)所示的經(jīng)驗公式。八十年代后期該經(jīng)驗公式又經(jīng)美國、英國、德國、意大利、西 班牙、波蘭和日本其他作者等大量實驗數(shù)據(jù)驗證，ccir （國際無線電咨詢委員會）和itu-r使用全球廣 泛的實驗數(shù)據(jù)并綜合了國際上公認的可靠研究成果對此模型進行了許多改進，形成了適用范圍更廣泛、更 加成熟的經(jīng)驗模型，并推薦此模型作為移動通信場強預測的優(yōu)選模型，我國學者對此也有所貢獻。八十年 代后期，我國也在大、屮城市、城市郊區(qū)和鄉(xiāng)村專門做了大量的場強測試實驗，驗證各種移動傳播模型在 我國的適用性，來自各家的驗證都一致地認為，在眾多的移動場強預測模型中，ituokumun

8、bhata模型是最準確的，1994年該模型被列為小國國家標準5。 該模型的適用頻率為30mhz3ghzoitu模型，基本傳輸損耗的屮值可以表示為3,4,5：厶,(50,50)= <69.55 + a f_2828.61 +a +18.33 log/- 4.78(log645 + 4 2cht二“市區(qū)”cht = “郊區(qū)”cht二“開闊地”(14.7)69.55 +a,cht = “林區(qū)”48.38 + a + 9.17log/ log-239(log cht = “ 鄉(xiāng)村”其中,a = 266log / -13.82log hb + (44.9 一 6.55 log hh)(log d)

9、“ 一 ahm)(14.8)顯然，4函數(shù)反映了基本傳輸損耗與頻率、基站天線等效高度和距離的關系，而$(q)為城市建筑物密度 修正項,30 - 25 log a.5<a< 50s(a) = < 20 + 0.19 log -15.6(log ay.<a<5(14.9)20,a<0為距離大于20km吋的修正指數(shù),(14.10) j1, j < 20 km卩=1 + (0.4 +1.87 x 10y / +1.07 x 10* 仏)log(d / 20)嚴，d > 20 km最后，a(lim)是體現(xiàn)移動臺天線高度影響的修正項:(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根據(jù)式(14.2),所以屮值場強則可以表示為：£(50,50)= 107.2 + 20 log / + 好 + g,°)乙(50,50), db(“v/m) (14.12)itu模型的預測精度統(tǒng)計上大約為7-8dbo以上各式中，各項數(shù)學符號的意義與單位如下所示:盡0,50一一50%時i'可和50%地點的場強，db/v/m ；l

11、h50%時間和50%地點的基本傳輸損耗，db； a(hfn)移動臺天線高度修正因子，db； s(q)一建筑物密度修正指數(shù)，db；q建筑物密度，;f頻率，mhz；d基站到移動臺之間的距離，km；hb基站天線的等效高度，m； hfn一一移動臺天線的等效高度，m：h地面粗糙度，m；pt基站發(fā)射功率，dbw；gt一一基站天線增益，dbio本模型的適用范圉是： 30 mhz< f < 3000 mhz; 30 m < hb < 200 m; 1 m< hm < 20 m; 1 km< d < 100 km; 準平坦地形。14.3 cost 231 模型在v

12、hf/uhf頻段的移動通信中，當基站的覆蓋范圍小于1公里時，應該使用cost 231模型。cost 231模型6,是為了配合公共移動通信gsm標準的推出，歐洲科技合作委員會(cost)的電 波傳播專家專門研制的傳播模型。它是半經(jīng)驗半理論的傳播模型，經(jīng)過了大量實驗數(shù)據(jù)的檢驗，理論上主 要借用了 walfisch與ikegami的研究成果7,8,所以，常常又把這個模型叫做cost 231- walfisch/ikegami 模型。143.1模型基本參數(shù)的定義為了敘述的方便，我們首先定義以下參數(shù)：hh基站天線高度，米hm移動臺天線高度，m；%傳播路徑上屋頂相對于地而的平均高度，心=% - hroof

13、 , m；饑=- hm ,m ；h傳播路徑上，建筑物之間的距離，m；一一街道寬度，m；f頻率，mhz；d傳播路徑距離，km；°一一傳播路徑與街道之間的夾角，度；n一一樓層數(shù)；a/?地形粗糙度，m；l一一被超過的地點百分數(shù)，%；t被超過的時間百分數(shù)，%o如果建筑物和道路數(shù)據(jù)不詳，則可以采用以下默認值:0 = 90,koof "x +米3 m,斜屋頂 w =10,平頂b=20-50 mw = b/2cost 231模型是根據(jù)電路是視距還是非視距兩種情況分別討論無線電路的基本傳輸損耗的。該模型 本身并沒有給出區(qū)分視距與非視距的定量條件，但是我們可以按以下公式定量地區(qū)分視距還是非視

14、距：當 koof> hroof時為非視距(14j3)當k（）of < hroof時為視距(14.14)其中，ad =(14.15)(14.16)143.2視距情況的基本傳輸損耗視距條件下，可以采用以下公式計算傳播電路的基本傳輸損耗：(14j7)lb = 42.6 + 26 log j+ 20 log f其小，d為電路長度，km； /為頻率，mhzo由此式可以看岀，在城市環(huán)境條件下，視距d傳播并不是 子樣空間傳播。但是，數(shù)值計算計算結果表明，當電路距離很短時，該式計算的結果很接近于自由空間傳 播損耗。14.33非視距情況的基本傳輸損耗在非視距傳播的情況下，傳播路徑的基本傳輸損耗乙可以

15、表示為三項之和s =厶/ + lmsd + lrts , db(14.18)其屮，第一項被稱為自由空間損耗:其中，為電路長度，km； /為頻率，mhzo笫二項為連排房屋建筑引起的多重障礙屏繞射損耗: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),中等城市屮心沖等樹木密度的郊區(qū)屮心 f _ -4 +1.5(/7925-1),大城市中心第三項代表從屋頂?shù)浇值赖睦@射損耗:rls一 16.9 -10 log w +10 log f + 20 log hm + 厶”，0，db, hm > 0(14.25)其屮，厶冊為街道取向因子: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適用條件頻率/： 8001800 mhz距離d : 0.15 km基站天線高度他：450 m移動臺天線高度號：13 m地形:準平坦地形。14.3.5各項參數(shù)的影響為了對城市環(huán)境條件下，點對面的電波傳播情況以及各項因素對場強的影響有一個定量的認識， 我們在本節(jié)給出了 cost231模型數(shù)值計算的結果。各表中的所列的所謂“差值”，是指緊挨的前后兩 行相關數(shù)據(jù)的差值，該差值的大小反映了相關參數(shù)的變化引起的損耗變化的人小

18、，即變化的斜率或梯 度。作為工程設計的人員，量的概念是非常重要的。我們給出的每個傳播模型都是可以定量地計算的。1、房屋間隔的影響表 14.1 -9logbb, m-91ogb, db差值,db2011.730-13.31.640-14.4150-15.30.9街道寬度的影響表 14.2 -lologw ;默認值w=b/2w, m-1 ologw, db差值,db10-10.01511.81.820-13.01.225-14.01.03、屋頂與移動臺天線高差的影響表 143 201oga號;ahm = hroof - hm汎,m201og饑,db差值，db6035.65034.01.64032.

19、02.03029.52.52026.03.51020.06.04、街道走向的影響從表14.4可以看出，街道走向因子是以傳播方向與街道走向垂直（即0=90°）的情況為參考 的。圖14.3畫出了街道走向因子與方位角的關系曲線。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、基站天線與屋頂高差的影響（當人饑0時）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、基站天線與屋頂高差的影響（當hb < 0時）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、頻率的影響基本傳輸損耗厶中，包含頻率的項為：厶(/) = 20 log / + ® log / +10 log /= (30 +slog/*(14.27)其中，20log/是自由空間的頻率關

21、系項，勺 是城市壞境中的頻率修正項。從表14.7可以看出，對 于900mhz頻段，頻率項的系數(shù)大約為26；對于1800mhz頻段，頻率項的系數(shù)大約為27。表14.7頻率影響厶(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),對同等城市。8、距離的影響在基本傳輸損耗中，當hh > 0 ,即天線高度大于屋頂高度時，我們有厶(d) = 20 log d + kd log d , kd =18(14.28)由此可以看

22、出，距離項的系數(shù)是38,也就是說，通常所說的傳播指數(shù)為3.8,或者說，基本傳輸損耗與 距離的3.8次方成正比。當他v0,即基站天線高度低于屋頂高度時，距離衰減項可以不是為:(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他為負值。由此可以看出，在這種情況下，傳播指數(shù)要大于3.8。設定，hroof = 25 mhh = 20 m, 25 m, 30 m, 35 m算出距離對損耗的影響如表14.4所示。表14.8距

23、離對損耗的影響厶(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試算數(shù)據(jù)與結果設定以下參數(shù)：/? = 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未為基站發(fā)射功率，g為基站發(fā)射天線增益；厶為發(fā)射端的插入損耗，厶為發(fā)射端的饋線損耗。 根據(jù)這些設定值，c0st-231模型試算結果如表14. 9所示，表中列出了各項參數(shù)的計算結果。由此可知， 當天線高度達到35米時接收點的場強就達到gsm移動通信吸引所要求的門限值，32 dbav/m。由該表還 可以看出，繞射損耗項大到幾乎可以和自由空間損耗相比擬。表14.9

25、 cost 231模型試算結果他,m 饑m hroof，m20251.5253035物,m50510號，m23.5d, km0.0800.0640.0530.045hroof ' 1112.132.332.512.68視距或非視距h扁 hroof ,非視距傳播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移動通信系統(tǒng)，用了兩個頻段，除900 mhz頻段外，還同時使用1800 mhz頻段。cost 231 研究計劃也在okumura測試數(shù)據(jù)的基礎上，通過對較高頻段的傳播實驗曲線進行分析模擬，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,中等城市嘰)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,中等城市和郊區(qū)的中心3, db,大城市這就是所謂的cost 231hata模型。與okumura-hata公式一樣，上式中，/為頻率，以mhz計；和勺”分別為基站天線和移動臺天線的高度，以米計；d為電路的距離，以km ik 該模型的適用范圍是：/ = 15

28、00 2000 mhzhb =30- 200 mhm = 1-10 md = -20km這個模型限用于大蜂窩和小蜂窩結構的移動通信系統(tǒng)，即當基站天線高度高于鄰近建筑物屋頂高度時的情 況。14.5 egli 模型egli利用fcc (美國聯(lián)邦通信委員會)所收集實驗數(shù)據(jù)，對地反射引起的兩射線平地模型進行了修正, 得到以下半經(jīng)驗半理論的傳播模型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導電率和地面相對介電參數(shù)，所以，在實踐中，用起來很方便。其中的參數(shù)說明如 下：f頻率，mhzd一一路徑長度，km；hh一一基站天線離地面的高度，m；hm移動臺天線離地面的咼度，m。本模型所采用的實驗數(shù)據(jù)，英電路距離小于50公里，頻率在40910 mhz z間。在okumurahata 模型出現(xiàn)以前，該模型曾被廣泛應用。事實證明，egli模型比理想地反射平地模型，具有更高的預測精度。14. 6 itu-r rec.p.370 和 itu-r rec.p.529 模型itu-r的建議rec.p.370ll給出了場強與距離的實測曲線，每個圖中對于不同的發(fā)射天線高度

30、畫11!了 不同的曲線，但移動用戶的天線高度被假定為10米。在移動通信中，移動用戶的天線高度通常假定為1.5 米。所以，經(jīng)過用戶天線高度的換算之后，對于陸地地面的實測場強模擬曲線如圖14.5,圖14.6和圖14.7 所示，分別對應于50%, 10%和1%的時間百分數(shù)。這些實驗數(shù)據(jù)主要是在中緯度地區(qū)(歐洲和北美)取 得的，圖中的場強值是相對于1000瓦的發(fā)射功率和半波偶極天線的。這些實驗曲線在itu-r rec.p.529|4 屮被推薦，供陸地移動通信業(yè)務使用。這些曲線的好處是可以用于大范圍、長距離的移動業(yè)務。經(jīng)擬合，rec.p.370ll建議的中值場強曲線可以表示為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基本傳輸損耗中值，db；f頻率，mhz；hb基站等效天線高度，m；d距離，km。e.r.p.自由空間90so7060o o o4 3 2 (e>hfflp)一 50102050100200距離，km400600圖14.5場強曲線11(30250mhz,陸地，50%時間，50%地點9-01hm = 1.5m, ah =50m9080706040(uu/a 三 £ip)em-20-3040-50e.i.p.10

32、2050100200距離，km400600圖14.6場強曲線11(30250mhz,陸地，10%時間，50%地點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距離，km600圖14.7場強曲線11lil29-03（30250mhz,陸地，1%時間，50%地點hm = 1.5 m, ah = 50mpt =30dbw,g, =2.16dbi）14.7 lee （李建業(yè)）宏蜂窩模型該模型是基于美國的實驗測試數(shù)據(jù)

33、建立的模型，它是以接收電平來表現(xiàn)的，并使用英制長度單位, 接收功率電平匕如下式所示14,15,16：(14.34) 61.7 38.41ogd /?logz + a, dbm,歹e 區(qū) 900=<-70.0 - 36.8 log d-n log - + a, dbm,市區(qū) 900(14.35)« = 20loghb +10log+10logpt +g彷+g猊 _64其屮,pr發(fā)射功率，w ;hh基站天線咼度，feet;-移動臺天線咼度，feet;gb-一基站天線增益，db;gm-一移動臺天線增益，db;d 電路距離，miles;f頻率，mhz;rt -常數(shù)，30,對于/n 45

34、0 mhz和市區(qū)20,對于450 mhz和郊區(qū)或開闊區(qū)參考文獻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 14617.193,陸地移動業(yè)務和固定業(yè)務傳播特性，第一部分：陸地移動業(yè)務傳播特性，1994。6 eurocost, urban t