陳振源 嚴(yán)天峰 孫 禹 高 銳

(1．蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2．甘肅省高精度北斗定位技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070；3.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州通信段，甘肅蘭州 730050)

1 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在享受更加快捷服務(wù)的同時，也會因?yàn)閿?shù)據(jù)流量的爆炸增長和業(yè)務(wù)的不斷演化導(dǎo)致頻率資源的日益緊張。因此，對無線電傳播覆蓋的精準(zhǔn)分析以及對有限頻率的合理分配就顯得尤為關(guān)鍵。中國地域廣闊，地理類型多樣，每一個地區(qū)的不同地形、地貌等參數(shù)對信號傳播的影響都不盡相同，如果單純通過以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠磉M(jìn)行傳播預(yù)測和電磁分析，而不考慮每個通信環(huán)境之間不同的地形、氣候以及建筑物等對無線電傳輸?shù)挠绊?，將會?dǎo)致所建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)存在各種各樣的問題。因此，積極研究傳統(tǒng)傳播模型的適用性和優(yōu)化方法具有重要的意義。在文獻(xiàn)[3]中就提出了廣播電視業(yè)務(wù)在應(yīng)用中所需采用的流程和修正量的本地化。VHF(甚高頻)和UHF(特高頻)兩個頻段作為我國通信系統(tǒng)的主體頻段，一直以來是研究的重點(diǎn)。自2001年ITU-R P.1546方法被提出以來，經(jīng)過了5次修訂之后在廣電行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。如文獻(xiàn)[9]中通過使用該模型對不同地區(qū)、地形精度進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明傳播預(yù)測保證精度的根本在于能夠反映出地形變化的特性。相較于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停琁TU-R P.1546是屬于半經(jīng)驗(yàn)方法的模型。文中首先對模型進(jìn)行分析研究，再對蘭州地區(qū)進(jìn)行信息采集之后構(gòu)建出基于蘭州地區(qū)的傳播模型，通過對天線高度、地形凈空角等的修正計(jì)算出預(yù)測結(jié)果，并利用實(shí)際測量的結(jié)果與建模的仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。由于對損耗的影響不僅限于上述提到的因素，為得到更加準(zhǔn)確的場強(qiáng)預(yù)測，在模型的不斷修正過程之中還可以涉及到氣象等不同的參數(shù)。

2 ITU-R P.1546模型簡介與修正

2.1 ITU-R P.1546模型

ITU-R P.1546傳播模型是通過對標(biāo)稱的頻率、天線高度、時間概率、發(fā)射功率、路徑環(huán)境等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的場強(qiáng)曲線圖來進(jìn)行內(nèi)插或者外推，并通過修正來獲得最終的場強(qiáng)和損耗。其中，ITU-R P.1546方法計(jì)算時需考慮地形因素，文中采用的是由NASA采集的SRTM3高程數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為已公開的中國地區(qū)最高精度的高程數(shù)據(jù)。ITU-R P.1546計(jì)算流程如下。

1)根據(jù)發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的位置確定路徑類型是屬于冷海路徑、暖海路徑還是陸地路徑；

2)給定時間百分比、頻率、和天線高度，然后分別與標(biāo)定值進(jìn)行比對，如果給定的值不等于標(biāo)定的值，則取其與之相近的高、低兩個標(biāo)稱值。完成對時間百分比、頻率和天線高度的插值；

3)確定距離選取損耗圖表，如果參數(shù)在二者之間則max和min表都選取然后在同一張表上計(jì)算對應(yīng)的場強(qiáng)值；

4)依次判定是否為混合路徑，地形凈空角是否可用，是否滿足短市區(qū)或郊區(qū)路徑條件，發(fā)射終端周圍是否有雜波，并進(jìn)行場強(qiáng)修正。

2.2 參數(shù)的修正和計(jì)算

2.2.1

發(fā)射天線高度計(jì)算

當(dāng)發(fā)射天線高度不等于給定的標(biāo)定高度應(yīng)采用下面的公式從兩條曲線上得到的場強(qiáng)中由內(nèi)插或外推得出所需的場強(qiáng)(單位dB(μV/m))為

(1)

式中：

E

——在所需距離上

h

的場強(qiáng)值；

E

——在所需距離上

h

的場強(qiáng)值；如果

h

>1 200m，則

h

=600m；否則，

h

取

h

之下最接近的標(biāo)稱有效高度；如果

h

>1 200m,則

h

=1 200m；否則，

h

取

h

之上最接近的標(biāo)稱有效高度。

2.2.2

地形凈空角校正當(dāng)處于陸地路徑，我們需要更高的精度時可以采用地形凈空角修正，地形凈空角

θ

由式(2)給出

θ

=

θ

°

(2)

其中，

θ

為接收天線處視線的仰角，對

θ

應(yīng)予以限制，以使它不小于+0.55°或大于+40.0°。在可以得到有關(guān)地形凈空角的情況，對場強(qiáng)要添加的校正量按式(3)計(jì)算

J

=

J

(

v

')-

J

(

v

)(dB)

(3)

(4)

其中，

式中：

θ

——地形凈空角(°)；

f

——所需要的頻率(MHz)；

J

——修正量(dB)。

3 數(shù)據(jù)的采集與分析

3.1 數(shù)據(jù)的采集和處理

為了分析模型預(yù)測與實(shí)際的誤差，本研究在相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，分別對蘭州安寧和白銀地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并使用Matlab對ITU-R P.1546傳播模型預(yù)測分析，將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

因?yàn)槭彝鉁y量環(huán)境復(fù)雜，為保證數(shù)據(jù)的有效性，本研究在每一個點(diǎn)測試時盡可能保證接收端附近無較多遮擋。并且進(jìn)行不同發(fā)射功率的三次測試，每次測試時長20s，共抓取50～80包取平均值，然后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，排除掉設(shè)備過熱等原因?qū)е碌慕邮招盘柌粶?zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，最后將三次所測試的路徑損耗求平均值。

在實(shí)際測試過程中，由于實(shí)驗(yàn)儀器本身也會造成信號的增益或者衰減，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，因此，在實(shí)際測試之前，需要對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，盡量減少誤差。校準(zhǔn)的內(nèi)容包括：天線駐波比的測試和饋線損耗的測試。其中通過矢網(wǎng)測試饋線損耗1.5dB，天線駐波比為1.08。數(shù)據(jù)采集使用鞭狀全向天線、R&S FSH8手持頻譜儀、FT-1907R電臺進(jìn)行測試，在蘭州地區(qū)進(jìn)行測試的基本信息見表1。從發(fā)射點(diǎn)到各個接收點(diǎn)的鏈路分布如圖1和圖2所示。

表1 蘭州地區(qū)無線電參數(shù)測試信息Tab.1 The radio parameters test information of Lanzhou area地區(qū)安寧白銀地形特點(diǎn)城市郊區(qū)發(fā)射機(jī)經(jīng)緯度103.721091,36.103591104.187038,36.50901饋線損耗(dB)1.51.5發(fā)射天線高度(m)57.216接收天線高度(m)22功率頻率(MHz)428.6428.6

圖1 安寧地區(qū)測試路徑圖Fig.1 Map of testing paths in Anning area

圖2 白銀地區(qū)測試路徑圖Fig.2 Map of testing paths in Baiyin area

3.2 數(shù)據(jù)的分析方法

根據(jù)測量的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，結(jié)合SRTM3高程數(shù)據(jù)，對接收點(diǎn)場強(qiáng)進(jìn)行初步計(jì)算，然后通過建立好的模型，對計(jì)算的損耗進(jìn)行修正，并根據(jù)測試結(jié)果，對各個接收點(diǎn)的實(shí)際損耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再和理論預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比。比對計(jì)算的均方根誤差(單位dB)為

(5)

式中：

N

——測量點(diǎn)數(shù)；

LO

——損耗測量值；

LP

——為損耗預(yù)測值。

圖3 安寧區(qū)損耗散點(diǎn)圖Fig.3 The dissipation plot of Anning district

3.3 預(yù)測與實(shí)測結(jié)果對比分析

安寧區(qū)與白銀區(qū)的實(shí)測損耗和ITU-R P.1546傳播模型預(yù)測損耗，以及通過Matlab修正后的路徑損耗散點(diǎn)圖如圖3和圖4所示。其中修正的模型是對天線高度、發(fā)射機(jī)凈空角、地形凈空角、天線高度差逐一修正后得到的結(jié)果?？梢钥吹?，實(shí)測數(shù)據(jù)和修正后的預(yù)測數(shù)據(jù)具有較好的一致性，模型修正前和修正后的損耗均方根誤差見表2。

圖4 白銀區(qū)損耗散點(diǎn)圖Fig.4 The dissipation plot of Baiyin district

表2 模型修正前后的損耗均方誤差Tab.2 The mean square error of loss before and after model correction地區(qū)安寧白銀修正前均方誤差(dB)6.368.00修正后均方誤差(dB)5.456.75

3.4 分析結(jié)果

在蘭州地區(qū)，通過分析測試數(shù)據(jù)的鏈路可以發(fā)現(xiàn)，安寧區(qū)比白銀區(qū)地勢平坦，所以白銀區(qū)對損耗的修正量比安寧區(qū)大，但由于地形的不平坦導(dǎo)致了影響因素更為復(fù)雜，所以在安寧區(qū)修正后的模型所預(yù)測的損耗相較于白銀區(qū)來說更為準(zhǔn)確。

在對模型進(jìn)行校正的時候發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的路徑之上存在一個較高的點(diǎn)，會導(dǎo)致修正后的損耗比未修正的損耗大得多，而當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的路徑上不存在遮擋時，修正后的損耗和未修正的損耗僅有1dB左右的差距。通過對模型的每一修正項(xiàng)進(jìn)行逐一修正時發(fā)現(xiàn)，在各個修正項(xiàng)之中地形凈空角對損耗的影響最大，在蘭州地區(qū)其最大修正為10.67dB，而發(fā)射機(jī)的凈空角，天線之間的高度差修正對損耗的影響平均為0.66dB。測試的每一個鏈路的地形凈空角修正擬合曲線如圖5所示。

圖5 地形凈空角的修正擬合曲線圖Fig.5 A modified fitting curve of the terrain clearance angle

選取安寧區(qū)經(jīng)緯度(103.677977，36.1134)這一距發(fā)射機(jī)路徑長度為4.0km的中間存在較高點(diǎn)的鏈路來進(jìn)行詳細(xì)分析。從發(fā)射站到接收站之間的地形剖面圖如圖6所示。其中初始坐標(biāo)為發(fā)射天線位置，結(jié)束坐標(biāo)為接收天線位置。

圖6 4.0km路徑剖面圖Fig.6 4.0km path profile

通過對路徑的高程信息可以計(jì)算獲得路徑的平均高度為1 546.616 8m，地形凈空角

θtca

為2.121 0°，發(fā)射機(jī)的地形凈空角為-0.769 8°。再通過式(1)計(jì)算得到發(fā)射機(jī)的有效高度為54.066 1m，由式(3)計(jì)算得到地形凈空角的修正為9.82dB。在不計(jì)算修正的情況下，ITU-R P.1546模型計(jì)算從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的損耗為134.71dB，再對上述所有修正項(xiàng)進(jìn)行修正過后得到的損耗為144.54dB，與實(shí)測損耗145.50dB十分接近。

4 與傳統(tǒng)模型的比較

4.1 Okumura-hata模型

Okumura模型是使用最為廣泛的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，適用于VHF和UHF頻段，在進(jìn)行快速預(yù)測城區(qū)信號的損耗中普遍使用。該模型主要是以準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的場強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正來進(jìn)行場強(qiáng)的預(yù)測。

4.2 與Okumura-hata模型的比較

其中ITU-R P.1546模型和Okumura-hata模型的基本適用條件見表3。

表3 ITU-R P.1546模型和Okumura-hata模型的適用范圍比對Tab.3 Comparison of application scope of ITU-R P.1546 model and Okumura-hata model模型ITU-R P.1546Okumura-hata通信距離(km)0～10001～100基站天線(m)陸地:0～3000海面:1～300020～100移動天線(m)陸地:1～3000海面:3～30001～19頻率范圍(MHz)30～3000100～3000

從表3可以明顯看出ITU-R P.1546的適用范圍比Okumura-hata更廣，選取安寧區(qū)的數(shù)據(jù)來與Okumura-hata模型進(jìn)行比較分析可以發(fā)現(xiàn)：在安寧地區(qū)Okumura-hata模型的均方根誤差為7.78dB，而修正后的ITU-R P.1546損耗為5.45dB，存在著42.75%的偏差，主要是因?yàn)樵谔m州地區(qū)地形存在明顯起伏，而Okumura-hata模型并未考慮到由于地形因素對路徑損耗帶來的影響。修正過的ITU-R P.1546和Okumura-hata模型的預(yù)測與實(shí)際損耗對比如圖7所示。

圖7 模型的預(yù)測與實(shí)際損耗散點(diǎn)圖Fig.7 Model prediction and actual dissipation plot

5 結(jié)束語

在ITU-R P.1546方法的基礎(chǔ)上，對天線高度、地形凈空角、發(fā)射機(jī)凈空角、天線高度差進(jìn)行修正，并基于蘭州安寧地區(qū)和白銀地區(qū)的實(shí)測結(jié)果與修正的結(jié)果進(jìn)行比對，分析了該模型在蘭州地區(qū)的適用性，結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)的Okumura-hata經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠碚f，ITU-R P.1546不僅在適用條件上更為寬廣，并且擁有更高的精度。并且經(jīng)過修正過后使得其在地形有較大起伏時，與實(shí)際損耗情況更為接近。同時在對修正項(xiàng)進(jìn)行逐一修正時發(fā)現(xiàn)其中最主要的影響因素為地形凈空角。上述研究有助于提高對電波傳播預(yù)測分析的準(zhǔn)確性，并且為在平原地區(qū)進(jìn)行快速的傳播預(yù)測提供理論依據(jù)，對ITU-R P.1546傳播模型的改進(jìn)和本地使用提供參考依據(jù)。