城市地形對電波傳播的影響研究

林惠嬌 梁正 馮永栩 文華

摘? ?要：隨著科技的日新月異，我國通信技術得到飛速的發展，無線電波在人們的工作和生活中發揮越來越重要的作用。怎樣提升無線電波的應用質量，是相關部門一直探索的課題。為了掌握無線電波在移動通信中的傳播規律以及無線信道的特征，文章進行了城市地形對電波傳播影響的試驗，測量的對象是距離基站2.5 km處8個不同的測量點，測量目的是研究接收的信號電平狀態和規律，并對城市地形對電波傳播的影響進行研究。

關鍵詞：城市地形;電波傳播;傳播模型;影響;研究

電波在空間里傳播的過程中，在傳播的距離和影響因素以及多徑傳播的綜合影響下，會導致傳播能力衰退，同時一些干擾信號和城市固有的噪音也可以導致無線電波出現損耗，因為受到外部環境的影響，移動信道所傳播的信號極其容易失真和丟失，由此，必須對移動通信中無線信道特征和無線電波傳播規律進行研究。以此研究數據結果為不同地物傳播環境中的城市無線通信工程提供理論依據。

1? ? 試驗的設計與實施方法

1.1? 電波傳播試驗設計和場強測量措施

本試驗的范圍是在基站和指定的另一位置處對電壓電平值進行接收，測量的基站為廣州某區的152.7 MHz傳呼基站發射臺， 該基站高度為100 m，選取的8個測量點距離基站均為2.5 km，8個測試點分別為A，B，C，D，E，F，G，H點。每個測量點距離基站都是2.5 km，在實踐理論上達到在相等距離位置上測試結果的一致性，而如果不一致就是周圍環境和地形影響所致。測量使用的儀器為DS1150信號電平表， 該設備不僅能測量有線電視信號，更可以對空間中接收電壓電平信號進行測試，這個特征完全適合本文的試驗要求。進行測量的時候，測量儀器所置高度為1.5 m。在每個測量點每隔（1/2）對電壓電平的測量數據接收一次，每個測量點之間的距離為150 λ， 這樣的設計完全可以達到每個測量點300多個測量值，8個測量點得到的實測數據就達到2 500多個。測量過程中要做相關記錄，比如電平值的時間、地點、氣候和周邊的環境，另外記錄是否有高大的建筑物、建筑物的數量和高度、街道的寬窄度和走向等[1]。

1.2? 兩個電波實驗模型的規模效率

1.2.1? 電波公式模型

Hata模型是依照電波傳播模型測試數據統計分析得出經驗公式，該模型測試的小區半徑為1～20 km，頻率為150～1 500 MHz的宏蜂窩系統，該公式模型傳播路徑損耗計算的經驗公式為：

Lp（dB）=69.55+26.16logfc-13.82loghte-a（hre）+（44.9-6.55loghte）log d+ Ccell+ Cterrain.

公式中基站天線有效高度為hte，而實際接收天線有效高度定義為hre，而移動臺天線和基站天線之間距離設定為d（km）;α（hre）為移動通信天線有效高度修正因子α（hre）=8.29（log1.54hre）2-1.1.所測試小區類型的校正因子為Ccell，取Ccell=0 dB，Cterrain為地形校正因子。地形校正因子具有很強的分析能力，可以準確反映地形環境因素對路徑耗損的影響，例如建筑物、樹木、水域等因素，地形校正因子合理取值的途徑有兩種，其一是通過傳媒模型測試和校正得到，其二是人為進行設定。本文研究的主要內容就是地形校正因子和城市環境的關系。

1.2.2? 電波公式計算模型

公式計算模型是歐元成本組成的代價工作委員會開發的公式模型的擴展版本，該模式的使用頻率在150～1 500 MHz之間，對于半徑大于1 km的小區的宏蜂系統尤其適用，其天線有效高度為30～200 m，實際接收有效天線高度在1～10 m之間。公式計算模型的路徑損耗計算的經驗公式為：

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與前面講述的傳播預測模型中的含義相同。a （hre）依舊為移動通信天線高度修正因子a（hre）=（1.1logfc-0.7）hre-（1.56logfc-0.8）。大城市中心校正設定為CM，而此次電波實驗就是在大城市中心進行，從而地形校正因子為dB.Cterrain[2]。

2? ? 播試驗結果與分析

2.1? 2.5 km測試點測得的電壓電平值分布和衰減特征

通過對8個測試點的測試，得出2 500多個電平值，采用矩陣實驗室軟件進行分析，得出測試結論，從測量的數據中看到，8個等距測點測得的接收電壓電平狀態大部分集中在50～75 dBμν的區域內，其分布的狀態與標準正態“鐘”形分布圖有非常好的擬合度，這充分顯示在2.5 km測量點測得的接收電平值為正態分布。為了將實驗數據進一步分析，必須把這次測量的電壓電平數據融合，做累計分布的曲線。從測試的圖譜和數據不難看出，正態分曲線分布與累計分布值有很好的吻合度，所以，正態分布狀態的擬合結果與所有電壓電平數據的整體分布極其相似，足以證明2.5 km測量點處的接收電平慢衰落過程，最有效地證明了此次試驗的準確性和真實性。

2.2? 分析城市地形對接收電平的影響因素

通過對8個等距測試點進行測試得到2 500多個數據，但要對這些數值根據不同測量地點進行分類，對每個測量點接收電壓電平的均值以及方差進行分別統計，然后把各個測試點接收功率均值通過換算得出來。具體情形如下：F測試點與E測試點兩處的接收電壓電平數值最高，G測試點、H測試點、A測試點和B測試點這4處電壓電平的數值次之，而C測試點和D測試點兩處接收的電壓電平數值最低，數值最高的E測試點的電壓電平數值為?78.29 dB，而C測試點數值為?85.70 dB，C測試點的電壓電平值較E測試點低10.8%。經過進一步分析，證明E測試點附近建筑物之間的距離比較大，視野相對開闊，可以目測到發射臺，促使對電壓電平的接收值就高;而B測試點測量值為?81.37 dB，雖然四周的環境也很開闊，也可以看到發射臺，但這個測試點緊鄰交通要道，車流量特別大，車輛行駛過程中引擎點火產生的電磁波帶來很大的噪聲，嚴重干擾了對信號的接收，致使接收的數值很低同時測量值的方差也很大，其數值為9.023 7。C測試點和D測試點接收的電平值相對低，主要原因是這兩個地方建筑物較多，雖然建筑物不是特別高，但分布的密度大、街道相對狹窄、往來的車輛特別多，造成對電平的接收值很低。由此可以得出結論：測試點周邊的環境是否開闊、建筑物密集程度對接收電壓電平效果的好壞有決定性的影響。從實際測量看出，就算同一個測試點，由于車流帶來的影響不同，接收的信號分布也不一樣，呈現的方差也大。由此可見，在城市地形中，影響電波傳播效率的因素很多，不同的情況應采取不同的應對辦法[3]。

2.3? 地形校正因子修正傳播模型的效果

只有首先確定8個測量點每個位置的傳播衰減值，才能對實際的地形校正因子進行確定，并利于對其進行研究。為了方便計算，不妨將發射機的功率進行換算，比如把150 W換算成DB型公式：10log150=21.76 dB。也就是說發射信號功率減去接收信號功率就等于實際的傳播衰減值，然后通過傳播預測模型和公式計算模型進行擬合，經過實際檢測得出的傳輸衰減值與公式計算模型下算出的衰減值進行比較，然后得出地形校正因子。將FC=152.7 MHz，HRE=1.5 m，HRE=100 m，D=2.5 km代入兩個計算公式中，在無須考慮地形校正因子的情況下分別計算出其衰減值;在傳播預測模型中，Lp=110.597 7+Cterrain;公式計算模型中Lp=108.367 3+Cterrain。以上Lp的傳輸衰減值是實際測量得出來的，進行比較就可以得出兩組地形校正因子。從實驗的數據可以證明，在傳播距離2.5 km的測量點處，45～78 dBμν之間為所接收的電壓電平值范圍，而不同測量點數值有很大的差距;E測量點的實際傳播損耗最小，數值為100.045 2 dB，而C測試點損耗的數值最大，達到107.464 7 dB;分別用傳播預測模型和公式計算模型對不同傳播環境下的地物校正因子進行修正，便能總結出規律：在建筑物分布密集的區域里，電波傳輸的耗損相對要大，例如在建筑物很集中的C測量點和D測量點處顯示的地形校正因子比較大。公式模型和公式計算模型的校正因子依次為?3.133 0 dB和?4.111 7 dB，而對于E測量點來說，因為地形比較開闊，建筑物分布不算集中，地形校正因子就比較小。公式模型和公式計算模型的校正因子為?10.552 5 dB和?8.322 1 dB， 數據與上面的D測量點相差懸殊。由此可以證明：城市地面建筑物對無線電波的傳播引起反射、投射和繞射，必須通過地形校正因子對傳播模型進行修正[4]。

3? ? 電波傳播試驗的結論與討論

（1）在2.5 km的測量點處的接收電平值是正態分布，而且測量中慢衰落特征在傳播中表現明顯，然后把各個測量點測得的電壓電平數據匯總，形成累計分布曲線，充分顯示整體分布是正態分布的狀態，而進一步試驗證實各測量點接收電壓電平值呈現慢衰落特征，試驗的準確性和真實性得到驗證。（2）雖然8個測量點得出的2 500多個電平數據集中在60～70 dBμv范圍內，但不同的測量點接收電平數值也是各盡不同，其中B測量點的數值高達9.023 7，而G測量點最低，只有2.892 5，影響該差距發生的主要因素是來往的車輛和建筑物的分布情況，也就是說所在測量點附近的車輛越多，建筑物越密集，接受的電壓電平數值就越低。（3）通過公式模型和公式計算模型進行擬合得到的地形校正因子集中在?8～?1 dB范圍內，地形因子越大，就顯示傳播環境越復雜，在電波的傳播過程中會因為建筑物密集會發生反射、透射和繞射，另外城市樹木的影響也存在，導致電波傳輸衰減。

4? ? 結語

綜上所述，城市地形對電波傳播的影響特點是明顯的。測量結果表明，2.5 km距離的檢測接收電壓電平數值呈現正態分布，同時電波的傳播狀態是緩慢的衰落現象，街道上的過往車輛越多，建筑物分布密度越大，所接收的電壓電平就越低。用兩種不同的傳播模型進行擬合結果顯示的地形校正因子集中在?8～?1 dB范圍內。同時對無線電波傳播中面對城市地面上多排多建筑分布時的特性進行計算，以上試驗的結果可為城市移動通信工程設計和無線網絡規劃提供理論依據。

[參考文獻]

[1]曾艷軍.移動通信中電波傳播特性研究及傳播模型校正與應用[D].杭州：浙江工業大學，2003.

[2]刑志強.密集市區地物對電波傳播預測的影響研究[J].無線電工程，2004（11）：5-7，42.

[3]郭梯云.移動通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[4]吳勇.電波傳播模型的本地化研究[J].中國無線電，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， Chinas 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