城市環境下電磁波傳播特性分析

（鄭州科技學院，河南鄭州市，450064）

隨著無線通信技術的不斷發展，無線通信技術的應用已深入到社會的各個角落。無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性，進行信息交換的一種通信方式。這一技術的發展受到各種因素的限制，掌握電磁波的傳播特性能夠更好的發展無線通信技術。

早在90年代，前人就開始研究電磁波在不同場景下的傳播特性，包括開闊的平原地帶、空間限定的巷道隧道、水下環境中、雨霧散射環境中、高速移動環境等，得出了不少結論[1-3]。當前，城市環境中無線通信技術的發展正成為一個高度關注的問題，在城市環境中，包含大量的商業街區和居民住宅區，這些區域高樓林立、排布有序，由于受到地理條件的限制，電波傳播特性有別于開闊平原地帶。對城市環境中電波傳播特性的研究有利于對電磁波在路徑上的傳播損耗的分析，也有利于移動通信基站的選址和優化。研究電磁波在城市環境中的傳播特性，首先將傳播環境理想化，建立電磁波傳播模型，然后在模型的基礎上結合軟件加以研究，分析不同因素對電磁波傳播的影響。

1 城市環境電磁波傳播模型

城市中的建筑物大體可劃分為兩種類型。第一種是統一規劃、整齊排布的等高、等間距的居民聚集區。將這種情況理想化，該模型中各個建筑物高度相同，前后樓間距相同，均坐落在同一水平線上。第二種是以地標大廈為中心、裙樓圍繞的商業中心，越靠近中心大廈，樓高越高，密度越大。將這種情況理想化，將其視為起伏地形下的等高、等間距建筑物。

1.1 Hata模型

Masaharu-Hata 在前人的基礎上，通過大量分析得出了一組路徑損耗經驗公式——Hata 模型。對于城市環境，Hata模型[5]的計算公式如下：

其中，Ahm是有效天線高度的修正因子，該因子是關于覆蓋區域大小的函數，按照區域內障礙物的分布密度以及阻擋程度，該因子的計算公式可分為：

式中：LP表示從基站到移動臺的路徑損耗，單位為dB；f 表示電磁波的頻率，單位為MHz；hb表示基站發射天線的高度，單位m；hm表示移動臺接收天線的高度，單位m；d表示發射天線與接收天線之間的距離，單位km。

Hata 模型的適用于電磁波工作頻率為150～1000MHz，基站發射天線的高度在30～200m，接收天線的高度在1～10m，發射天線與接收天線的距離1～20km。

1.2 Cost231-Hata分析模型

Cost231-Hata 分析模型[6]是陸地移動無線電發展歐洲委員會Cost231傳播模型小組根據Okumura-Hata 模型，結合長期的實驗數據進行修正，使得Hata 模型進一步擴展為適用于基站高度高于周圍建筑物的大或小宏蜂窩環境，并將電磁波工作頻率擴大到1 500～2 000MHz 的特高頻段。該模型的計算公式如下：

其中，Ahm=（1.1log10f-0.7）hm-（1.56log10f-0.8），Cm為城市修正因子，根據研究小組得到的結論，對于樹木密度適中的中等城市以及郊區的中心地帶Cm取值為0dB，而對于大型城市中心Cm取值則為3dB。

2 數據仿真與分析

對于不同規模的城市以及城市的不同地區，電磁波在其中傳播的損耗各不相同，受到電磁波工作頻率、傳播距離、發射天線高度、接收天線高度等因素的影響，分別通過Matlab仿真分析。

2.1 電磁波頻率對傳播損耗的影響

對比Hata 模型和Cost231-Hata 模型可以發現，兩種模型適用的電磁波頻率范圍不同，前者適用于150～1 000MHz頻率相對較低的工作場景，后者適用于1 500～2 000MHz 頻率相對較高的工作場景。仿真軟件選取基站發射天線高度為40m，移動臺接收天線高度為1.8m，接收天線與發射天線之間的距離為10km，結合兩種模型進行仿真，可以發現隨著電磁波頻率的增加，傳播損耗值逐漸增大，當頻率處于高于一定值的相對高頻范圍，其損耗值明顯小于相對低頻范圍內的值。

2.2 距離對傳播損耗的影響

當移動臺接收天線距離基站發射天線的范圍小于1km時，兩種模型均不適用。這是因為對于距離發射天線較近的近場區而言，電磁波的傳播受到多種傳播機制的影響，此區域內的電場強度變化較為隨機，故現在選取基站發射天線高度為40m，移動臺接收天線高度為1.8m，分別仿真電磁波工作頻率為900MHz 和1 800MHz 兩種頻率下，傳播距離與傳播損耗的關系。通過仿真得出隨著傳播距離的增加，損耗也隨之增大。

2.3 發射天線高度對傳播損耗的影響

移動通信基站是無線電臺站的一種形式，是指在一定的無線電覆蓋區中，通過移動通信交換中心，與移動臺接收終端之間進行信息傳遞的無線電收發射天線。通常是以發射臺或者建立在高樓樓頂的發射裝置，其高度一般在30～200m 的范圍內，現選取移動臺接收天線高度為1.8m，接收天線與發射天線之間的距離為10km，分別仿真電磁波工作頻率為900MHz 和1 800MHz 兩種頻率下，發射天線高度與傳播損耗的關系。通過仿真得出電磁波在同等環境下傳播，發射天線低時，電磁波的傳播損耗大；發射天線高時，電磁波的傳播小；同一環境下，隨著天線高度的不斷增高，電磁波傳播的損耗逐漸減小。

2.4 接收天線高度對傳播損耗的影響

隨著無線通信技術的不斷普及，當前移動通信用戶規模不斷擴大，這些用戶攜帶的接收設備就是城市環境中一個個分散的電磁波接收天線。這些接收天線的高度范圍隨著用戶的移動而發生變化，因而有必要研究分析接收天線的高度對電磁波傳播損耗的影響。現選取基站發射天線高度為40m，接收天線與發射天線之間的距離為10km，分別仿真電磁波工作頻率為900MHz 和1 800MHz 兩種頻率下，接收天線高度與傳播損耗的關系。通過仿真得到，接收天線高度越低，電磁波損耗越大，當接收天線的高度逐漸接近發射天線的高度時，損耗越小。

3 結論

通過對電磁波在城市環境中傳播特性的分析，結合Hata和Cost231-Hata經驗模型，分別從以上四個方面得出結論：電磁波工作頻率變化，城區與郊區環境下傳播損耗均隨之發生變化，頻率越高，衰減越大；傳播距離的增加也將對衰減有影響，距離越大，衰減越大；發射天線與接收天線的位置不同，對電磁波的傳播衰減影響也不容忽視，當接收天線的高度逐漸接近發射天線的高度時，損耗也逐漸減小。電磁波在城市環境下的傳播特性經實驗數據驗證，規律一致。