第12章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測

1、第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 第第12章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.1 地面移動通信中電波傳播的基本地面移動通信中電波傳播的基本 特點及其研究方法特點及其研究方法 12.2 Okumura預(yù)測方法預(yù)測方法 12.3 GB/T 14617.1-93預(yù)測方法預(yù)測方法 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.1 地面移動通信中電波傳播的地面移動通信中電波傳播的 對地面移動通信所采用的VHF和UHF頻段而言，地面波衰減得很快，可以忽略不計，其主要的傳播方式仍為視距傳播，即直接

2、波與地面反射波的合成。通常，在地面移動通信網(wǎng)中，盡管都設(shè)有固定基站，并架設(shè)有較高的天線，然而由于移動臺的天線距離地面往往僅有13m，第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 因此傳播路徑上各種各樣的地形、地物必然對電波傳播產(chǎn)生影響，引起多徑傳播效應(yīng)，造成多徑衰落，從而使得移動臺接收信號的快衰落現(xiàn)象十分嚴(yán)重；同時，由于移動臺的不運動，移動臺與具有不同地形特征障礙物之間的相對位置發(fā)生變化，由這些障礙物產(chǎn)生的陰影效應(yīng)使得接收信號強度和相位隨時間和地點不斷地變化，導(dǎo)致中等速率的衰落；另外，移動中產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，也將使接收信號產(chǎn)生極大的起伏； 第第1212章章 地面移

3、動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 若考慮到氣象條件的變化，接收信號還會隨時間慢變化，即慢衰落。因而，移動通信中的電波傳播問題就變得很復(fù)雜，已不能再簡單地應(yīng)用固定無線電通信的傳播模式了。盡管有少數(shù)純理論方法，如射線追蹤(Ray Trace)法可以精確計算特定位置的場強，但是該方法繁重的計算量以及需要對傳播環(huán)境的精確描述都約束了此類純理論方法的實際應(yīng)用。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 由上所述，在地面移動通信中，接收信號不僅有時間上的衰落，而且還有地點上的衰落，是一種時間和地點上的隨機信號。對于所覆蓋的大面積地區(qū)，一般很難獲得準(zhǔn)確的地形

4、數(shù)據(jù)，不可能對各個移動臺所處的位置進行準(zhǔn)確的場強估算。對于覆蓋區(qū)內(nèi)的場強預(yù)算，通常使用場強的預(yù)報曲線進行，它是以某個地區(qū)大量實測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用統(tǒng)計的方法得出作為距離、天線高度、地形類型和頻率等函數(shù)的信號場強中值的預(yù)報曲線。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 在統(tǒng)計計算中極為普遍地應(yīng)用了場強中值的概念，其定義是，在給定的統(tǒng)計時間內(nèi)，有50%時間的場強（或傳輸損耗）超過某個數(shù)值，則這個數(shù)值就稱之為場強中值(或傳輸損耗中值)。顯然，它在統(tǒng)計意義上標(biāo)志了信號電平的大小，具有時間百分比的概念。在實際的移動通信工程計算中，首要的是掌握接收場強的中值電平或傳輸損耗中

5、值。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.2 Okumura預(yù)測方法預(yù)測方法 12.2.1 場強測試情況和數(shù)據(jù)處理方法 Okumura等人于20世紀(jì)60年代初期在東京地區(qū)進行了大量的場強測試工作。測量環(huán)境包含了市區(qū)、郊區(qū)和開闊區(qū)，測量頻率為453、922、1317、1430、1920MHz；發(fā)射天線的高度范圍為301000m；接收天線的高度范圍為27m。 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 測量設(shè)備(場強計和記錄儀等)裝在汽車上，在汽車行駛中進行測量。測量數(shù)據(jù)由記錄儀記錄。在20m左右的距離段（稱為小段）內(nèi)對測

6、量數(shù)據(jù)進行平均，得到小段均值。然后在11.5km的距離內(nèi)計算小段均值的中值，最后繪成經(jīng)驗曲線。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.2.2 傳播路徑分類 Okumura預(yù)測方法中，將城市視為“準(zhǔn)平坦地形”，給出中值場強或基本傳輸損耗中值。對于郊區(qū)和開闊區(qū)的場強中值則以此場強中值為基礎(chǔ)進行修正。該預(yù)測方法按建筑物和樹林的密度與屏蔽程度，把傳播路徑的人為環(huán)境分成三區(qū)： （1）開闊區(qū)：指傳播路徑上沒有或很少有高建筑物及大樹的開闊地區(qū)，如農(nóng)田、廣場等。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 （2）郊區(qū)：指在移動臺附近有不太

7、密集的12層樓房和稀疏小樹林的地區(qū)，如農(nóng)村及市郊公路網(wǎng)等地區(qū)。 （3）市區(qū)：指有密集建筑物和高樓大廈的地區(qū)，如城市和大市鎮(zhèn)等。按地形條件把傳播路徑分成五類： （1）準(zhǔn)平坦地形路徑; （2）丘陵地形路徑； （3）孤立山岳阻擋路徑； （4）傾斜地形路徑； （5）水陸混合路徑。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.2.3 準(zhǔn)平坦地形市區(qū)場強中值曲線 Okumura等人在自己的測量結(jié)果及E.Shimizu等人以前在VHF頻段（200MHz）的測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，給出了150、450、900、1500MHz四個頻率上的準(zhǔn)平坦地形市區(qū)場強中值曲線，如圖1221圖1

8、224所示。圖上的場強值dB（V/m）是相對于有效輻射功率為lkW（60dBm）和發(fā)射天線為偶極天線的情況下的結(jié)果。 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 如果實際發(fā)射天線的輻射功率為Pr（dBm），其增益為Gr（dB）（相對于偶極天線的增益），那么接收場強可通過下式換算： ELdB(V/m)=E+Pr+Gt-60 (1221)式中，E為從曲線查得的場強值。如果發(fā)射天線的增益以dBi（相對于各向同性天線的增益）給出，那么上式中的常數(shù)60應(yīng)以62.2代替。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 1221 12 3510

9、204060801003070150300450600800100010010203040506070809010011020010050自由空間對數(shù)刻度線性刻度距離 / km場強 / dB( V/m)基臺天線高度 / m第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 如果基地臺天線高度與圖上所示天線高度不一致，那么可以用插值法求得與實際天線高度相應(yīng)的場強值。 根據(jù)互易定理，移動臺在基地臺接收天線處產(chǎn)生的場強同樣可用式（1221）計算，只要用移動臺的發(fā)射功率和天線增益代替即可。 基地臺天線高度是指天線的有效高度，定義為基地臺天線中心相對于傳播方向離基地臺315km范

10、圍（如路徑長度不夠15km，此范圍可縮?。﹥?nèi)地形的平均高度，見圖1225。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 1222 30701503004506008001000基臺天線高度 / m自由空間12 351020406080100對數(shù)刻度線性刻度距離 / km10010203040506070809010011020010050場強 / dB( V/m)第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 1223 501003004506008001000基臺天線高度 / m自由空間12 351020406080100對數(shù)

11、刻度線性刻度距離 / km1001020304050607080901001101507030場強 / dB( V/m)200第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 1224 501003004506008001000基臺天線高度 / m自由空間12 3510 20406080100對數(shù)刻度線性刻度距離 / km1001020304050607080901001101507030場強 / dB( V/m)200第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 1225 基站天線3 km15 kmhomhobhe第第1212章

12、章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 設(shè)上述范圍的地形平均海拔高度為hom，基地臺海拔高度為hob，基地臺天線中心離地面高度為he，那么基地臺天線的有效高度hb可寫為 hb=he+hob-hom (1222) 上式適用于hobhom的情況。如果情況相反，那么基地臺天線的高度可認(rèn)為等于其實際離地高度，即 hb=he (1223) 而移動臺天線高度hm則是指路面以上的高度。 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 其它地形、地物路徑的場強可通過由圖上查得的準(zhǔn)平坦地形市區(qū)的場強加上相應(yīng)的地形地物校正因子求得。如果移動臺天線高度不同于上述給定

13、值，可用移動臺天線高度增益因子進行校正（見12.2.5節(jié)）。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.2.4 準(zhǔn)平坦地形市區(qū)相對于自由空間的基本傳輸損耗中值曲線 路徑的基本傳輸損耗定義為各向同性天線的輻射功率與各向同性的接有共軛匹配負(fù)載的接收天線接收到的功率之間的分貝數(shù)之差，即 Lb=Pr-PL dB (1224) 如以L0表示自由空間的基本傳輸損耗，那么相對于自由空間的市區(qū)基本傳輸損耗中值為 Am(f,d)=Pr-PL-L0 dB (1225)第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 在圖1226上示出了Am(f,d)

14、與頻率和距離的關(guān)系（距離作為參變量）曲線。本曲線族適用于基地臺天線高度為200m和移動臺天線高度為3m的情況。 參照式（827），自由空間的基本傳輸損耗可用下式計算： L0=32.45+20lgf+20lgd dB (1226)第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 1226 10100200300500 700 10002000 30001251020304050608010020304050607012510203040506080100城市區(qū)hb200 mhm3 md / kmf /MHz基本中值損耗Am( f, d) / dB第第1212章章 地

15、面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 這樣，Am(f,d)曲線族就可從圖12211224的場強曲線中換算得到。如果在測試中，測試設(shè)備（測試接收機等）直接給出接收功率，那么在已知發(fā)射功率和收、發(fā)天線增益的情況下，可直接得出基本傳輸損耗值。 應(yīng)用圖1226可得出準(zhǔn)平坦地形市區(qū)的接收功率中值： PL=Pin-Am(f,d)-L0+Gr+GL dBm (1227) 式中，Pin為輸入發(fā)射天線的功率（dBm）;GL和Gr分別為實際所用的收、發(fā)天線相對于各向同性天線的增益。 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.2.5 各種校正因子 各種校正因

16、子都是針對準(zhǔn)平坦地形的市區(qū)場強中值的，它們以增益的形式給出，正值表示增益，負(fù)值表示衰減。因此，預(yù)測場強中值時，要把準(zhǔn)平坦地形的市區(qū)場強中值加上有關(guān)的校正因子；而預(yù)測基本傳輸損耗中值時，則要從準(zhǔn)平坦地形市區(qū)基本傳輸損耗中值中減去有關(guān)的校正因子。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 1.基地臺天線高度增益因子 圖1227上顯示出了市區(qū)相對于200m的基地臺天線高度增益因子Hb(he,d)。該曲線族以基地臺天線有效高度為主變量，以距離為參變量。Hb(he,d)與頻率無關(guān)。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 1227 2

17、03050 70 100200 30050070010003020100102030市區(qū)基準(zhǔn)： he200 md/km基站天線有效高度he / md / km70100604020110高度增益因子Hb(he, d) / dB13510204010080706050第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 2. 移動臺天線高度增益因子 市區(qū)移動臺天線高度增益因子Hm(hm,f)示在圖1228上。Hm(hm,f)與距離無關(guān)，而與頻率有關(guān)，且與移動臺所處地點的建筑物高度和密度（大城市或中小城市）有關(guān)。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收

18、場強的預(yù)測 圖1228 移動臺天線相對于hm=3m的 高度增益因子曲線51235710051015200010007004002001001002004001000大城市中小城市城市區(qū)基準(zhǔn)： hm3 m車臺天線高度hm / m天線高度增益因子Hm(hm, f ) / dB400 MHz200 MHz20第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 3. 街道走向校正因子 街道走向校正因子Kv（垂直于傳播方向）和Kp（平行于傳播方向）示在圖1229上。曲線表明，平行于傳播方向的街道上之場強高于垂直于傳播方向的街道上之場強。 4.郊區(qū)校正因子 郊區(qū)傳播條件優(yōu)于市區(qū)，故

19、其校正因子Ks為正值。它與頻率和距離有關(guān)，如圖12210所示。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖1229 街道走向校正因子曲線圖 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 5.開闊區(qū)和準(zhǔn)開闊區(qū)校正因子 準(zhǔn)開闊區(qū)是介于開闊區(qū)和郊區(qū)之間的區(qū)域。準(zhǔn)開闊區(qū)和開闊區(qū)的傳播條件都比市區(qū)好得多，它們的校正因子Q0和Qr都是正值，如圖12211所示。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖12210 郊區(qū)校正因子曲線 10020010002002000頻率 f / MHz152025303515

20、1020d / km郊區(qū)校正因子Ks / dB第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖12211 開闊區(qū)和準(zhǔn)開闊區(qū)校正因子曲線 100200300500100020007001520253035頻率 f / MHz開闊區(qū)和準(zhǔn)開闊區(qū)校正因子Qo , Qr / dBQo 開闊地區(qū)Qr 準(zhǔn)開闊地區(qū)QoQr第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 6. 丘陵地形校正因子 丘陵地的地形參數(shù)可用“地形起伏高度”h表示，其定義是，自接收點向發(fā)射點延伸10km范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%處的高度差。圖12212圖12214給出了相對于

21、場強中值的修正值，即準(zhǔn)平坦地形場強中值與丘陵地區(qū)場強中值之差，常稱為丘陵地形校正因子Kh。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 由于在丘陵地中，起伏頂部與谷部的衰減中值相差甚大，為此有必要進一步加以修正，如圖12215所示。圖中給出了丘陵上頂部與谷部的微小修正值Khf。它是在Kh的基礎(chǔ)上作進一步修正的微小修正值。 總之，計算丘陵地形上不同位置的場強中值時，一般先參照圖12212圖12214修正后，再參照圖12215作進一步微小修正。峰頂為Kh+Khf，谷底為Kh-Khf。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 122

22、12 1020305070100 200300500302010010地形起伏高度h / m丘陵地形校正因子Kh / dB453MHz第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 12213 10203050 70 100200 300500302010010地形起伏高度h / m丘陵地形校正因子Kh / dB922MHz第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 12214 10203050 70 100200 300500302010010地形起伏高度h / m丘陵地形校正因子Kh / dB1430 MHz第第1212章

23、章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 12215 10203050 70 100200 30050001020地形起伏高度h / m丘陵地形的微調(diào)校正因子Kh f / dB中值偏離中值的電場峰值地形剖面h Khf Khf第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 7. 孤立山岳阻擋地形校正因子 相對于山岳高度h=200m的歸一化校正因子Ki示在圖12216上。當(dāng)h200m時，校正因子取Ki，由下式確定：0.07 h(1228) 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 8.傾斜地形校正因子 ; 傾斜地

24、形是指在510km內(nèi)地面傾斜的地形。若在電波傳播方向上，地形逐漸升高，稱之為正斜坡，傾角為+m；反之，為負(fù)斜坡，傾角為-m。校正因子KA與平均傾斜角m的關(guān)系如圖12217所示。平均傾斜角m的單位為毫弧度（mr）。從圖上看出，具有正傾斜角的地形使場強增加，具有負(fù)傾斜角的地形使場強減小。 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 12216 303h200 mThd1Rd2ABC201001020300246810自孤立山岳至移動臺的距離d2 / m孤立山丘校正因子Ki / dB450900 MHz 1020 km測量值 2040 km測量值 5070 km測

25、量值A(chǔ)曲線： d160 kmB曲線： d130 kmC曲線： d115 km第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 12217 Tmm一般地形傾斜的平均角的定義450900 MHz201001020201001020平均傾斜角m / mr傾斜地形校正因子KA / dBd 60 kmd 30 kmd 10 kmd 30 km第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 圖 12218 TT(A)(B)RRddsdsdd 60 kmd 30 km020406080100距離比(ds / d) / %混合路徑校正因子Ksi / d

26、B05101520d 60 kmd 30 kmd 60 kmd 30 km(A)(B)第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 9.水陸混合地形校正因子 在電波傳播路徑上，如遇有湖泊或其它水域，接收信號損耗中值比單純陸地傳播路徑時要低。不難想象，水陸混合路徑地形校正因子Ksi應(yīng)為增益因子。水陸混合路徑地形校正因子Ksi的曲線示在圖12218上。圖上的實線對應(yīng)于陸地位于發(fā)射側(cè)的情況，虛線對應(yīng)于陸地位于接收側(cè)的情況。如陸地或水面位于路徑的中部，則Ksi取虛線和實線的中間值。第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.2.6 H

27、ata公式 為了使Okumura預(yù)測方法可以用計算機進行計算，Hata對Okumura預(yù)測曲線作了公式化擬合，所得準(zhǔn)平坦地形市區(qū)基本傳輸損耗中值公式為 Lb(市區(qū))= 69.55+26.16lgf-13.82lghb-(hm) +(44.9-6.55lghb)lgd dB （1229）第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 式中，d為路徑長度，適合于120km范圍；f為工作頻率，適用于1501500MHz范圍；hb為基地臺天線高度，適用于30200m范圍；hm為移動臺天線高度，適用于120m范圍。參數(shù)(hm)可表示成：第第1212章章 地面移動通信中接收場強

28、的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 (hm)=(1.1lgf-0.7) hm -1.56lgf+0.8 (中小城市) （12210）(hm)=8.29lg(1.54 hm)2-1.1 （大城市，f200MHz） (12211)(hm)=3.2lg(11.75hm)2-4.97 （大城市，f400MHz） (12212) 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 郊區(qū)校正因子Ks的擬合公式為22lg() 5.428sfKdB(12213) 開闊區(qū)校正因子Q0的擬合公式為204.78(lg)18.33lg40.94QffdB(12214) 第第1212章章 地面移

29、動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 12.3 GB/T14617.193預(yù)測方法預(yù)測方法 GB/T14617.193預(yù)測方法與Okumura/Hata方法基本相同，但對該方法做了以下幾點修正： （1）引入建筑物密度修正因子。在計算場強中值或傳輸損耗中值時，對于有建筑物密度資料的市區(qū)，應(yīng)在用Okumura/Hata方法計算得出的結(jié)果上加上或減去建筑物密度修正因子S(a)。S(a)可表示為： 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 S(a)=30-251ga 5a50 （1231）S(a)=20+0.19lga-15.6(lga) 2 1d20km時， 430.810.141.87 101.071.07 10lg()20bdffh (1235) 第第1212章章 地面移動通信中接收場強的預(yù)測地面移動通信中接收場強的預(yù)測 （3）公式（1234）中的(hm)取公式（12210）中所確定的中、小城市的值。 （4）改變山地和丘陵路徑的基本傳輸損耗中值的計算方法。山地和丘陵路徑的基本傳輸損耗中值的計算方法采用確定的點對點路徑的計算方法。計算公式如下：