第12章 地面移動(dòng)通信中接收?qǐng)鰪?qiáng)預(yù)測(cè)

第12章地面移動(dòng)通信中接收?qǐng)鰪?qiáng)的預(yù)測(cè)12.1地面移動(dòng)通信中電波傳播的基本特點(diǎn)及其研究方法12.2Okumura預(yù)測(cè)方法12.3GB/T14617.1-93預(yù)測(cè)方法12.1地面移動(dòng)通信中電波傳播的對(duì)地面移動(dòng)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(jì)，其主要的傳播方式仍為視距傳播，即直接波與地面反射波的合成。通常，在地面移動(dòng)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(dòng)臺(tái)的天線距離地面往往僅有1～3m，因此傳播路徑上各種各樣的地形、地物必然對(duì)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(dòng)臺(tái)接收信號(hào)的快衰落現(xiàn)象十分嚴(yán)重；同時(shí)，由于移動(dòng)臺(tái)的不運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)臺(tái)與具有不同地形特征障礙物之間的相對(duì)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(hào)強(qiáng)度和相位隨時(shí)間和地點(diǎn)不斷地變化，導(dǎo)致中等速率的衰落；另外，移動(dòng)中產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，也將使接收信號(hào)產(chǎn)生極大的起伏；若考慮到氣象條件的變化，接收信號(hào)還會(huì)隨時(shí)間慢變化，即慢衰落。因而，移動(dòng)通信中的電波傳播問題就變得很復(fù)雜，已不能再簡(jiǎn)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(RayTrace)法可以精確計(jì)算特定位置的場(chǎng)強(qiáng)，但是該方法繁重的計(jì)算量以及需要對(duì)傳播環(huán)境的精確描述都約束了此類純理論方法的實(shí)際應(yīng)用。由上所述，在地面移動(dòng)通信中，接收信號(hào)不僅有時(shí)間上的衰落，而且還有地點(diǎn)上的衰落，是一種時(shí)間和地點(diǎn)上的隨機(jī)信號(hào)。對(duì)于所覆蓋的大面積地區(qū)，一般很難獲得準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，不可能對(duì)各個(gè)移動(dòng)臺(tái)所處的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的場(chǎng)強(qiáng)估算。對(duì)于覆蓋區(qū)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)算，通常使用場(chǎng)強(qiáng)的預(yù)報(bào)曲線進(jìn)行，它是以某個(gè)地區(qū)大量實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用統(tǒng)計(jì)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值的預(yù)報(bào)曲線。在統(tǒng)計(jì)計(jì)算中極為普遍地應(yīng)用了場(chǎng)強(qiáng)中值的概念，其定義是，在給定的統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，有50%時(shí)間的場(chǎng)強(qiáng)（或傳輸損耗）超過某個(gè)數(shù)值，則這個(gè)數(shù)值就稱之為場(chǎng)強(qiáng)中值(或傳輸損耗中值)。顯然，它在統(tǒng)計(jì)意義上標(biāo)志了信號(hào)電平的大小，具有時(shí)間百分比的概念。在實(shí)際的移動(dòng)通信工程計(jì)算中，首要的是掌握接收?qǐng)鰪?qiáng)的中值電平或傳輸損耗中值。12.2Okumura預(yù)測(cè)方法12.2.1場(chǎng)強(qiáng)測(cè)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(jìn)行了大量的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試工作。測(cè)量環(huán)境包含了市區(qū)、郊區(qū)和開闊區(qū)，測(cè)量頻率為453、922、1317、1430、1920MHz；發(fā)射天線的高度范圍為30～1000m；接收天線的高度范圍為2～7m。測(cè)量設(shè)備(場(chǎng)強(qiáng)計(jì)和記錄儀等)裝在汽車上，在汽車行駛中進(jìn)行測(cè)量。測(cè)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(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到小段均值。然后在1～1.5km的距離內(nèi)計(jì)算小段均值的中值，最后繪成經(jīng)驗(yàn)曲線。12.2.2傳播路徑分類Okumura預(yù)測(cè)方法中，將城市視為“準(zhǔn)平坦地形”，給出中值場(chǎng)強(qiáng)或基本傳輸損耗中值。對(duì)于郊區(qū)和開闊區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)中值則以此場(chǎng)強(qiáng)中值為基礎(chǔ)進(jìn)行修正。該預(yù)測(cè)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?jìng)鞑ヂ窂缴蠜]有或很少有高建筑物及大樹的開闊地區(qū)，如農(nóng)田、廣場(chǎng)等。（2）郊區(qū)：指在移動(dòng)臺(tái)附近有不太密集的1～2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。12.2.3準(zhǔn)平坦地形市區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值曲線Okumura等人在自己的測(cè)量結(jié)果及E.Shimizu等人以前在VHF頻段（200MHz）的測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上，給出了150、450、900、1500MHz四個(gè)頻率上的準(zhǔn)平坦地形市區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值曲線，如圖12―2―1～圖12―2―4所示。圖上的場(chǎng)強(qiáng)值dB（μV/m）是相對(duì)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。如果實(shí)際發(fā)射天線的輻射功率為Pr（dBm），其增益為Gr（dB）（相對(duì)于偶極天線的增益），那么接收?qǐng)鰪?qiáng)可通過下式換算：EL［dB(μV/m)］=E+Pr+Gt-60(12―2―1)式中，E為從曲線查得的場(chǎng)強(qiáng)值。如果發(fā)射天線的增益以dBi（相對(duì)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。圖12―2―1如果基地臺(tái)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(shí)際天線高度相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)值。根據(jù)互易定理，移動(dòng)臺(tái)在基地臺(tái)接收天線處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)同樣可用式（12―2―1）計(jì)算，只要用移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率和天線增益代替即可?；嘏_(tái)天線高度是指天線的有效高度，定義為基地臺(tái)天線中心相對(duì)于傳播方向離基地臺(tái)3～15km范圍（如路徑長(zhǎng)度不夠15km，此范圍可縮?。﹥?nèi)地形的平均高度，見圖12―2―5。圖12―2―2圖12―2―3圖12―2―4圖12―2―5設(shè)上述范圍的地形平均海拔高度為hom，基地臺(tái)海拔高度為hob，基地臺(tái)天線中心離地面高度為he，那么基地臺(tái)天線的有效高度hb可寫為hb=he+hob-hom(12―2―2)上式適用于hob＞hom的情況。如果情況相反，那么基地臺(tái)天線的高度可認(rèn)為等于其實(shí)際離地高度，即hb=he(12―2―3)而移動(dòng)臺(tái)天線高度hm則是指路面以上的高度。其它地形、地物路徑的場(chǎng)強(qiáng)可通過由圖上查得的準(zhǔn)平坦地形市區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)加上相應(yīng)的地形地物校正因子求得。如果移動(dòng)臺(tái)天線高度不同于上述給定值，可用移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子進(jìn)行校正（見12.2.5節(jié)）。12.2.4

準(zhǔn)平坦地形市區(qū)相對(duì)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-PLdB

(12―2―4)如以L0表示自由空間的基本傳輸損耗，那么相對(duì)于自由空間的市區(qū)基本傳輸損耗中值為

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

(12―2―5)在圖12―2―6上示出了Am(f,d)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(tái)天線高度為200m和移動(dòng)臺(tái)天線高度為3m的情況。參照式（8―2―7），自由空間的基本傳輸損耗可用下式計(jì)算：L0=32.45+20lgf+20lgddB

(12―2―6)圖12―2―6這樣，Am(f,d)曲線族就可從圖12―2―1～12―2―4的場(chǎng)強(qiáng)曲線中換算得到。如果在測(cè)試中，測(cè)試設(shè)備（測(cè)試接收機(jī)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12―2―6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+GLdBm

(12―2―7)式中，Pin為輸入發(fā)射天線的功率（dBm）;GL和Gr分別為實(shí)際所用的收、發(fā)天線相對(duì)于各向同性天線的增益。12.2.5各種校正因子各種校正因子都是針對(duì)準(zhǔn)平坦地形的市區(qū)場(chǎng)強(qiáng)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(cè)場(chǎng)強(qiáng)中值時(shí)，要把準(zhǔn)平坦地形的市區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值加上有關(guān)的校正因子；而預(yù)測(cè)基本傳輸損耗中值時(shí)，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。1.基地臺(tái)天線高度增益因子圖12―2―7上顯示出了市區(qū)相對(duì)于200m的基地臺(tái)天線高度增益因子Hb(he,d)。該曲線族以基地臺(tái)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)。圖12―2―72.

移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子市區(qū)移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子Hm(hm,f)示在圖12―2―8上。Hm(hm,f)與距離無關(guān)，而與頻率有關(guān)，且與移動(dòng)臺(tái)所處地點(diǎn)的建筑物高度和密度（大城市或中小城市）有關(guān)。圖12―2―8移動(dòng)臺(tái)天線相對(duì)于hm=3m的高度增益因子曲線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12―2―9上。曲線表明，平行于傳播方向的街道上之場(chǎng)強(qiáng)高于垂直于傳播方向的街道上之場(chǎng)強(qiáng)。4.郊區(qū)校正因子

郊區(qū)傳播條件優(yōu)于市區(qū)，故其校正因子Ks為正值。它與頻率和距離有關(guān)，如圖12―2―10所示。圖12―2―9街道走向校正因子曲線圖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12―2―11所示。圖12―2―10郊區(qū)校正因子曲線圖12―2―11開闊區(qū)和準(zhǔn)開闊區(qū)校正因子曲線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”Δh表示，其定義是，自接收點(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)延伸10km范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%處的高度差。圖12―2―12~圖12―2―14給出了相對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)中值的修正值，即準(zhǔn)平坦地形場(chǎng)強(qiáng)中值與丘陵地區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值之差，常稱為丘陵地形校正因子Kh。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(jìn)一步加以修正，如圖12―2―15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(jìn)一步修正的微小修正值?？傊?，計(jì)算丘陵地形上不同位置的場(chǎng)強(qiáng)中值時(shí)，一般先參照?qǐng)D12―2―12~圖12―2―14修正后，再參照?qǐng)D12―2―15作進(jìn)一步微小修正。峰頂為Kh+Khf，谷底為Kh-Khf。圖12―2―12圖12―2―13圖12―2―14圖12―2―157.孤立山岳阻擋地形校正因子

相對(duì)于山岳高度h=200m的歸一化校正因子Ki示在圖12―2―16上。當(dāng)h≠200m時(shí)，校正因子取αKi，α由下式確定：(12―2―8)8.傾斜地形校正因子;傾斜地形是指在5～10km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+θm；反之，為負(fù)斜坡，傾角為-θm。校正因子KA與平均傾斜角θm的關(guān)系如圖12―2―17所示。平均傾斜角θm的單位為毫弧度（mr）。從圖上看出，具有正傾斜角的地形使場(chǎng)強(qiáng)增加，具有負(fù)傾斜角的地形使場(chǎng)強(qiáng)減小。

圖12―2―16圖12―2―17圖12―2―189.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(hào)損耗中值比單純陸地傳播路徑時(shí)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12―2―18上。圖上的實(shí)線對(duì)應(yīng)于陸地位于發(fā)射側(cè)的情況，虛線對(duì)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(shí)線的中間值。12.2.6Hata公式

為了使Okumura預(yù)測(cè)方法可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，Hata對(duì)Okumura預(yù)測(cè)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L(zhǎng)b(市區(qū))=

69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)

+(44.9-6.55lghb)lgddB（12―2―9）式中，d為路徑長(zhǎng)度，適合于1～20km范圍；f為工作頻率，適用于150~1500MHz范圍；hb為基地臺(tái)天線高度，適用于30～200m范圍；hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度，適用于1～20m范圍。參數(shù)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)郊區(qū)校正因子Ks的擬合公式為(12―2―13)開闊區(qū)校正因子Q0的擬合公式為(12―2―14)12.3GB/T14617.1—93預(yù)測(cè)方法GB/T14617.1—93預(yù)測(cè)方法與Okumura/Hata方法基本相同，但對(duì)該方法做了以下幾點(diǎn)修正：（1）引入建筑物密度修正因子。在計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)中值或傳輸損耗中值時(shí)，對(duì)于有建筑物密度資料的市區(qū)，應(yīng)在用Okumura/Hata方法計(jì)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：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為建筑物密度，即建筑物所占面積的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)a=15時(shí)，S(a)≈0。（2）擴(kuò)展Hata公式的適用距離。準(zhǔn)平坦地形市區(qū)基本傳輸損耗公式（12―2―9）改變?yōu)長(zhǎng)b(市區(qū))=

69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)

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

(12―3―5)（3）公式（12―3―4）中的α(hm)取公式（12―2―10）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(jì)算方法。山地和丘陵路徑的基本傳輸損耗中值的計(jì)算方法采用確定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑的計(jì)算方法。計(jì)算公式如下：

（12―3―6）式中，d′為移動(dòng)臺(tái)和