2.3陆地移动信道的场强估算与损耗解析

*2.3陆地移动信道的场强估算与损耗•地形、地物分类•中等起伏地形上传播损耗的中值•不规则地形上传播损耗的中值•任意地形地区的传播损耗中值•建筑物的穿透损耗以及其它传播特点2.3.1地形、地物分类地形一般可分为两类，即“准平滑地形”和“不规则地形”。所谓“准平滑地形”是指在传播路径的地形剖面图上，其地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢（即峰点与谷点之间的距离必须大于波动幅度），在以公里计的距离内，其平均地面高度变化也在20m之内。除此以外的其它地形统称为“不规则地形”。不规则地形按其状态又可分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和水陆混合地形等等。除了地形要加以分类外，不同地物环境的传播条件也不同，可根据地物的密集，把传播环境分为四类：（1）开阔区：即在电波传播的方向上没有高大的树木或建筑物等的开阔地带，或者在电波传播方向300-400m以内没有任何阻挡的小片场地，如农田、广场等均属开阔地。（2）郊区：即在移动台附近有些障碍物但不稠密的地区。例如房屋、树林稀少的农村或市郊公路网等。（3）市区：即在此区域有较密集的建筑物，如大城市的高楼群等。（4）隧道区：即地下铁道、地下停车场、人防工事、海底隧道等地区。2.3.2中等起伏地形上传播损耗的中值1.市区传播损耗的中值移动通信中电波传播的实际情况是复杂多变的。人们通过大量的实测和分析，总结归纳出了多种经验模型和公式。在一定条件下，使用这些模型对移动通信电波传播特性进行估算，都能获得比较准确的预测结果，如应用较为广泛的OM模型（Okumura模型）。它是由奥村等人，在日本东京使用不同的频率、不同的天线高度、选择不同的距离进行一系列测试，最后以经验曲线形式表达的模型。这一模型视市区为“准平滑地形”，给出市区传播损耗场强中值的预测曲线簇（如图2-15所示），利用该图能够预测准平滑地形上，城市地区的电波传播损耗中值。对于郊区、开阔区等其它地形的场强中值计算，则以此准平滑地形、市区的传播损耗中值（又称其为基本损耗中值或基准损耗中值）为基础进行修正，给出了相应的各种修正因子。这种模型给出的修正因子较多，可以在掌握详细地形、地物的情况下，得到更加准确的预测结果。我国有关部门在移动通信工程设计中也建议采用该模型进行场强预测。OM模型适用的范围：频率100-1500MHz，基地站天线高度为30-200m，移动台天线高度为1-10m，传播距离为1-20km的场强预测。图2-15准平滑地形大城市区基本损耗中值图2-15表明了基本损耗中值Am（f、d）取决于传播距离d、工作频率f、基站天线有效高度hb、移动台天线高度hm以及街道的走向和宽窄等。可以看出，随着工作频率的升高或通信距离的增大，传播损耗都会增加。图2-15中纵坐标以分贝计量，这是在基站天线有效高度hb=200m，移动台天线高度hm＝3m，以自由空间传播损耗为基准，求得的损耗中值的修正值Am（f、d）。换言之，由曲线上查得的基本损耗中值Am（f、d）加上自由空间的传播损耗才是实际路径损耗LT，即：),(dfALLmbsT（式2-34）若基站天线有效高度不是200m，可利用图2-18查出基站天线高度修正因子Hb（hb、d），对基本损耗中值加以修正。图2-16是以hb=200m，hm=3m作为0dB参考的。Hb（hb、d）反映了由于基站天线高度变化，使图2-15的预测值产生的变化量。同样，若移动台天线高度不等于3m时，可利用图2-17查出移动台天线高度修正因子Hm（hm、f），对基本损耗中值进行修正。图中曲线是以hm=3m作为0dB参考。图2-16基站天线高度修正因子图2-17移动台天线高度图2-18郊区修正因子由图2-17可见，当hm5m时，Hm（hm、f）不仅与天线高度hm和工作顾率f有关，而且与环境条件有关。当移动台天线高度在hm=4~5米左右时，移动台增益因子曲线出现拐点。在考虑基站天线高度修正因子与移动台天线高度修正因子的情况下，准平滑地形、市区路径传播损耗中值应为下（式2-35）所示：),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT（式2-35）2.郊区或开阔地传播损耗的中值郊区的建筑物一般是分散、低矮的，电波传播条件优于市区，故其损耗中值必然低于市区损耗中值。市区损耗中值与郊区损耗中值之差称为郊区修正因子Kmr，且Kmr为增益因子。它随工作频率和传播距离变化的关系如图2-18。由该图可知，Kmr随工作频率的提高而增大。在距离小于20km范围内，Kmr随距离增加而减小，但当距离大于20km，Kmr基本不变。同理，开阔区、准开阔区（开阔区与郊区之间的过渡地区）的衰耗中值相对于市区损耗中值的修正曲线如图2-19所示，图中Qo为开阔区修正因子，Qr为准开阔区修正因子。由于开阔区的传播条件好于郊区，而郊区的传播条件优于市区，所以Qo和Qr均为增益因子。因此，在求郊区或开阔区、准开阔区的传播损耗中值时，应在市区损耗中值的基础上，减去由图2-18或图2-19中查得的修正因子。图2-19开阔区、准开阔区修正因子2.3.3不规则地形上传播损耗的中值在计算不规则地形上（如丘陵、孤立山岳、斜坡、水陆混合地等等）的传播损耗中值时，可以采用对基本损耗中值增加修正因子的方法进行估算，下面以丘陵地传播损耗的中值计算为例进行介绍。丘陵地的地形参数可用“地形起伏”高度Δh表示，定义为自接收点向发射点延伸10km范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差，如图2-20所示。此定义只适用于地形起伏达数次以上的情况。图2-20给出了相对基本损耗中值的修正值，即基本损耗中值与丘陵地损耗中值之差，常称为丘陵地形修正因子Kh。由图2-20可见，当Δh20m时，丘陵地的损耗中值大于基本损耗中值。而且随着起伏高度Δh的增大，由于屏蔽作用增强，使损耗中值也随之加大（Kh表现为负值）。图2-20丘陵地场强中值修正因子图2-21丘陵地形微小修正因子2.3.4任意地形地区的传播损耗中值1.计算自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗Lbs为：)lg(20)(lg2015.32MHzkmdLbs（式2-36）2.准平滑地形市区的信号中值根据上述相关内容，准平滑地形市区的传播损耗中值LT为：),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmbsT（式2-37）如果发射机送至天线的发射功率为Pt，则准平滑地形市区接受信号功率中值Pp为：),(),(),(fhHdhHdfALPLPPmmbbmbsTTTP（式2-38）3.任意地形地区情况下的信号中值任意地形地区情况下的传播损耗中值LA为：TTAKLL（式2-39）式中，Lt为准平滑地形市区的传播损耗中值；Kt为地形地区修正因子，它由如下项目构成：sspjshfhromrTKKKKKQQKK（式2-40）式中，Kmr——郊区修正因子，可由图2-18查得Qo、Qr一—开阔区、准开阔区修正因子，可由图2-19查得；Kh、Khf——丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值，可由图2-20、图2-21，查得；Kjs---孤立山岳地形修正因子；Ksp—-斜坡地形修正因子；Ks——水路混合地形修正因子。根据实际的地形地区状况，Kt因子可能只有其中的某几项或为零。例如，传播路径是开阔区、斜坡地形，则Kt=Qo+Ksp，其余各项为零。其它情况可以类推。任意地形地区情况下接收信号的功率中值Ppc是以准平滑地形市区的接收功率中值Pp为基础，加上地形地区修正因子Kt，即:TPpcKPP（式2-41）2.3.5建筑物的穿透损耗以及其它传播特点各个频段的电波穿透建筑物的能力是不同的。一般说波长越短，穿透能力越强。同时各个建筑物对电波的吸收能力也是不同的。不同的材料、结构和楼房层数，其吸收损耗的数据都不一样。例如，砖石材料的吸收较小，钢筋混凝土的吸收大些，钢架结构的吸收最大。pbLLL0（式2-42）式中Lb为实际路径的损耗中值，Lo为在街心的路径损耗中值，Lp为建筑物的穿透损耗。建筑物的穿透损耗（地面层）如下表2-3所示。表2-3建筑物的穿透损耗Lp不是一个固定的数值（0~30dB），需根据具体情况而定。此外，穿透损耗还随不同的楼层高度而变化，损耗值随楼层的增高而近似线性下降，如图2-22所示。图2-22穿透损耗随楼层的变化其它传播特点1.街道走向的影响电波传播的衰耗中值与街道的走向（相对于电波传播方向）有关。特别是在市区，当街道走向与电波传播方向平行（纵向）或垂直（横向）时，在离开基站同一距离上，接收的场强中值相差很大。这是由于建筑物形成的沟道有利于电波的传播，因而在纵向街道上衰耗较小，横向街道上衰耗较大。也就是说，在纵向街道上的场强中值高于基准场强中值，在横向街道上的功强中值低于基准场强中值。2.植被衰耗树木、植被对电波有吸收作用。在传播路径上，由树木、植被引起的附加衰耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气温度及季节的变化，还取决于工作频率、无线极化、通过树林的路径长度等多方面因素。3.隧道中传播空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的损耗。电波在隧道中的损耗还与工作频率有关，频率越高，损耗越小。这是由于隧道对较高频率电磁波疏导，因而使传播得到改善。当隧道出现分支或转弯时，损耗会急剧增加，弯曲度越大，损耗越严重。解决电波在隧道中的传播问题，通常可采用两种措施：一是在较高频段（数百兆赫），使用强方向性天线，把电磁波集中射入隧道内，但传播距离也不可能很长，且受到车体的影响（特别是地铁列车驶入隧道后，占用了隧道内绝大部分的空间）；二是在隧道中，纵向沿隧道壁敷设导波线，使电磁波沿着导波线在隧道中传播，从而减小传播衰耗。导波线可以是单线或双线传输线，也可以是泄漏同轴电缆。将导波线与无线电台相接来代替天线，在导波线附近的移动台天线，可以通过与导波线开放式泄漏场发生耦合，实现与基地站的通信。