城市地形对电波传播的影响研究

来源:用户上传      作者:林惠娇 梁正 冯永栩 文华

　　摘   要：随着科技的日新月异，我国通信技术得到飞速的发展，无线电波在人们的工作和生活中发挥越来越重要的作用。怎样提升无线电波的应用质量，是相关部门一直探索的课题。为了掌握无线电波在移动通信中的传播规律以及无线信道的特征，文章进行了城市地形对电波传播影响的试验，测量的对象是距离基站2.5 km处8个不同的测量点，测量目的是研究接收的信号电平状态和规律，并对城市地形对电波传播的影响进行研究。
　　关键词：城市地形;电波传播;传播模型;影响;研究
　　电波在空间里传播的过程中，在传播的距离和影响因素以及多径传播的综合影响下，会导致传播能力衰退，同时一些干扰信号和城市固有的噪音也可以导致无线电波出现损耗，因为受到外部环境的影响，移动信道所传播的信号极其容易失真和丢失，由此，必须对移动通信中无线信道特征和无线电波传播规律进行研究。以此研究数据结果为不同地物传播环境中的城市无线通信工程提供理论依据。
　　1    试验的设计与实施方法
　　1.1  电波传播试验设计和场强测量措施
　　本试验的范围是在基站和指定的另一位置处对电压电平值进行接收，测量的基站为广州某区的152.7 MHz传呼基站发射台， 该基站高度为100 m，选取的8个测量点距离基站均为2.5 km，8个测试点分别为A，B，C，D，E，F，G，H点。每个测量点距离基站都是2.5 km，在实践理论上达到在相等距离位置上测试结果的一致性，而如果不一致就是周围环境和地形影响所致。测量使用的仪器为DS1150信号电平表， 该设备不仅能测量有线电视信号，更可以对空间中接收电压电平信号进行测试，这个特征完全适合本文的试验要求。进行测量的时候，测量仪器所置高度为1.5 m。在每个测量点每隔（1/2）对电压电平的测量数据接收一次，每个测量点之间的距离为150 λ， 这样的设计完全可以达到每个测量点300多个测量值，8个测量点得到的实测数据就达到2 500多个。测量过程中要做相关记录，比如电平值的时间、地点、气候和周边的环境，另外记录是否有高大的建筑物、建筑物的数量和高度、街道的宽窄度和走向等[1]。
　　1.2  两个电波实验模型的规模效率
　　1.2.1  电波公式模型
　　Hata模型是依照电波传播模型测试数据统计分析得出经验公式，该模型测试的小区半径为1～20 km，频率为150～1 500 MHz的宏蜂窝系统，该公式模型传播路径损耗计算的经验公式为：
　　Lp（dB）=69.55+26.16logfc-13.82loghte-a（hre）+（44.9-6.55loghte）log d+ Ccell+ Cterrain.
　　公式中基站天线有效高度为hte，而实际接收天线有效高度定义为hre，而移动台天线和基站天线之间距离设定为d（km）;α（hre）为移动通信天线有效高度修正因子α（hre）=8.29（log1.54hre）2-1.1.所测试小区类型的校正因子为Ccell，取Ccell=0 dB，Cterrain为地形校正因子。地形校正因子具有很强的分析能力，可以准确反映地形环境因素对路径耗损的影响，例如建筑物、树木、水域等因素，地形校正因子合理取值的途径有两种，其一是通过传媒模型测试和校正得到，其二是人为进行设定。本文研究的主要内容就是地形校正因子和城市环境的关系。
　　1.2.2  电波公式计算模型
　　公式计算模型是欧元成本组成的代价工作委员会开发的公式模型的扩展版本，该模式的使用频率在150～1 500 MHz之间，对于半径大于1 km的小区的宏蜂系统尤其适用，其天线有效高度为30～200 m，实际接收有效天线高度在1～10 m之间。公式计算模型的路徑损耗计算的经验公式为：
　　Lp（dB）=46.3+33.9logfc-13.82loghte-a（hre）+（44.9-6.55loghb）log d+ CM+ Cterrain。其中，fc，hre，hte和d与前面讲述的传播预测模型中的含义相同。a （hre）依旧为移动通信天线高度修正因子a（hre）=（1.1logfc-0.7）hre-（1.56logfc-0.8）。大城市中心校正设定为CM，而此次电波实验就是在大城市中心进行，从而地形校正因子为dB.Cterrain[2]。
　　2    播试验结果与分析
　　2.1  2.5 km测试点测得的电压电平值分布和衰减特征
　　通过对8个测试点的测试，得出2 500多个电平值，采用矩阵实验室软件进行分析，得出测试结论，从测量的数据中看到，8个等距测点测得的接收电压电平状态大部分集中在50～75 dBμν的区域内，其分布的状态与标准正态“钟”形分布图有非常好的拟合度，这充分显示在2.5 km测量点测得的接收电平值为正态分布。为了将实验数据进一步分析，必须把这次测量的电压电平数据融合，做累计分布的曲线。从测试的图谱和数据不难看出，正态分曲线分布与累计分布值有很好的吻合度，所以，正态分布状态的拟合结果与所有电压电平数据的整体分布极其相似，足以证明2.5 km测量点处的接收电平慢衰落过程，最有效地证明了此次试验的准确性和真实性。
　　2.2  分析城市地形对接收电平的影响因素
　　通过对8个等距测试点进行测试得到2 500多个数据，但要对这些数值根据不同测量地点进行分类，对每个测量点接收电压电平的均值以及方差进行分别统计，然后把各个测试点接收功率均值通过换算得出来。具体情形如下：F测试点与E测试点两处的接收电压电平数值最高，G测试点、H测试点、A测试点和B测试点这4处电压电平的数值次之，而C测试点和D测试点两处接收的电压电平数值最低，数值最高的E测试点的电压电平数值为?78.29 dB，而C测试点数值为?85.70 dB，C测试点的电压电平值较E测试点低10.8%。经过进一步分析，证明E测试点附近建筑物之间的距离比较大，视野相对开阔，可以目测到发射台，促使对电压电平的接收值就高;而B测试点测量值为?81.37 dB，虽然四周的环境也很开阔，也可以看到发射台，但这个测试点紧邻交通要道，车流量特别大，车辆行驶过程中引擎点火产生的电磁波带来很大的噪声，严重干扰了对信号的接收，致使接收的数值很低同时测量值的方差也很大，其数值为9.023 7。C测试点和D测试点接收的电平值相对低，主要原因是这两个地方建筑物较多，虽然建筑物不是特别高，但分布的密度大、街道相对狭窄、往来的车辆特别多，造成对电平的接收值很低。由此可以得出结论：测试点周边的环境是否开阔、建筑物密集程度对接收电压电平效果的好坏有决定性的影响。从实际测量看出，就算同一个测试点，由于车流带来的影响不同，接收的信号分布也不一样，呈现的方差也大。由此可见，在城市地形中，影响电波传播效率的因素很多，不同的情况应采取不同的应对办法[3]。 　　2.3  地形校正因子修正傳播模型的效果
　　只有首先确定8个测量点每个位置的传播衰减值，才能对实际的地形校正因子进行确定，并利于对其进行研究。为了方便计算，不妨将发射机的功率进行换算，比如把150 W换算成DB型公式：10log150=21.76 dB。也就是说发射信号功率减去接收信号功率就等于实际的传播衰减值，然后通过传播预测模型和公式计算模型进行拟合，经过实际检测得出的传输衰减值与公式计算模型下算出的衰减值进行比较，然后得出地形校正因子。将FC=152.7 MHz，HRE=1.5 m，HRE=100 m，D=2.5 km代入两个计算公式中，在无须考虑地形校正因子的情况下分别计算出其衰减值;在传播预测模型中，Lp=110.597 7+Cterrain;公式计算模型中Lp=108.367 3+Cterrain。以上Lp的传输衰减值是实际测量得出来的，进行比较就可以得出两组地形校正因子。从实验的数据可以证明，在传播距离2.5 km的测量点处，45～78 dBμν之间为所接收的电压电平值范围，而不同测量点数值有很大的差距;E测量点的实际传播损耗最小，数值为100.045 2 dB，而C测试点损耗的数值最大，达到107.464 7 dB;分别用传播预测模型和公式计算模型对不同传播环境下的地物校正因子进行修正，便能总结出规律：在建筑物分布密集的区域里，电波传输的耗损相对要大，例如在建筑物很集中的C测量点和D测量点处显示的地形校正因子比较大。公式模型和公式计算模型的校正因子依次为?3.133 0 dB和?4.111 7 dB，而对于E测量点来说，因为地形比较开阔，建筑物分布不算集中，地形校正因子就比较小。公式模型和公式计算模型的校正因子为?10.552 5 dB和?8.322 1 dB， 数据与上面的D测量点相差悬殊。由此可以证明：城市地面建筑物对无线电波的传播引起反射、投射和绕射，必须通过地形校正因子对传播模型进行修正[4]。
　　3    电波传播试验的结论与讨论
　　（1）在2.5 km的测量点处的接收电平值是正态分布，而且测量中慢衰落特征在传播中表现明显，然后把各个测量点测得的电压电平数据汇总，形成累计分布曲线，充分显示整体分布是正态分布的状态，而进一步试验证实各测量点接收电压电平值呈现慢衰落特征，试验的准确性和真实性得到验证。（2）虽然8个测量点得出的2 500多个电平数据集中在60～70 dBμv范围内，但不同的测量点接收电平数值也是各尽不同，其中B测量点的数值高达9.023 7，而G测量点最低，只有2.892 5，影响该差距发生的主要因素是来往的车辆和建筑物的分布情况，也就是说所在测量点附近的车辆越多，建筑物越密集，接受的电压电平数值就越低。（3）通过公式模型和公式计算模型进行拟合得到的地形校正因子集中在?8～?1 dB范围内，地形因子越大，就显示传播环境越复杂，在电波的传播过程中会因为建筑物密集会发生反射、透射和绕射，另外城市树木的影响也存在，导致电波传输衰减。
　　4    结语
　　综上所述，城市地形对电波传播的影响特点是明显的。测量结果表明，2.5 km距离的检测接收电压电平数值呈现正态分布，同时电波的传播状态是缓慢的衰落现象，街道上的过往车辆越多，建筑物分布密度越大，所接收的电压电平就越低。用两种不同的传播模型进行拟合结果显示的地形校正因子集中在?8～?1 dB范围内。同时对无线电波传播中面对城市地面上多排多建筑分布时的特性进行计算，以上试验的结果可为城市移动通信工程设计和无线网络规划提供理论依据。
　　[参考文献]
　　[1]曾艳军.移动通信中电波传播特性研究及传播模型校正与应用[D].杭州：浙江工业大学，2003.
　　[2]刑志强.密集市区地物对电波传播预测的影响研究[J].无线电工程，2004（11）：5-7，42.
　　[3]郭梯云.移动通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.
　　[4]吴勇.电波传播模型的本地化研究[J].中国无线电，2006（2）：56-59.
　　Study on the influence of urban topography on radio wave propagation
　　Lin Huijiao1， Liang Zheng1， Feng Yongxu1， Wen Hua2
　　（1.China Research Institute of Radiowave Propagation， Guangzhou 510630， China;
　　2.China Mobile Communications Group Corporation， Guangzhou 510335， China）
　　Abstract：With the rapid development of science and technology， China’s communications technology has been rapid development， radio waves in our work and life play an increasingly important role. How to improve the application quality of radio wave is a topic that relevant departments have been exploring. In order to master the law of radio wave propagation in mobile communication and the characteristics of the radio channel， the experiment of the influence of urban topography on radio wave propagation is carried out in this paper， the target of the measurement is 8 different measuring points at 2.5 km from the base station. The purpose of the measurement is to study the state and law of the received signal level. At the same time， the influence of multi-row buildings on the propagation of radio wave visual range is calculated， and the effect of urban topography on radio wave propagation is studied.
　　Key words：urban terrain; radio wave propagation; propagation model; influence; study
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