ITU-R P.1546模型的修正影響和適用性研究

陳振源 嚴天峰 孫 禹 高 銳

(1．蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅蘭州 730070；2．甘肅省高精度北斗定位技術(shù)工程實驗室，甘肅蘭州 730070；3.中國鐵路蘭州局集團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的同時，也會因為數(shù)據(jù)流量的爆炸增長和業(yè)務的不斷演化導致頻率資源的日益緊張。因此，對無線電傳播覆蓋的精準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)驗模型來進行傳播預測和電磁分析，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)挠绊懀瑢е滤ㄔO(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[3]中就提出了廣播電視業(yè)務在應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。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)得到了廣泛的應用。如文獻[9]中通過使用該模型對不同地區(qū)、地形精度進行預測，結(jié)果表明傳播預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)驗模型，ITU-R P.1546是屬于半經(jīng)驗方法的模型。文中首先對模型進行分析研究，再對蘭州地區(qū)進行信息采集之后構(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算出預測結(jié)果，并利用實際測量的結(jié)果與建模的仿真結(jié)果進行對比驗證。由于對損耗的影響不僅限于上述提到的因素，為得到更加準確的場強預測，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稱的頻率、天線高度、時間概率、發(fā)射功率、路徑環(huán)境等實驗數(shù)據(jù)的場強曲線圖來進行內(nèi)插或者外推，并通過修正來獲得最終的場強和損耗。其中，ITU-R P.1546方法計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計算流程如下。

1)根據(jù)發(fā)射點和接收點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，然后分別與標定值進行比對，如果給定的值不等于標定的值，則取其與之相近的高、低兩個標稱值。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算對應的場強值；

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，并進行場強修正。

2.2 參數(shù)的修正和計算

2.2.1

發(fā)射天線高度計算

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

(1)

式中：

E

——在所需距離上

h

的場強值；

E

——在所需距離上

h

的場強值；如果

h

>1 200m，則

h

=600m；否則，

h

取

h

之下最接近的標稱有效高度；如果

h

>1 200m,則

h

=1 200m；否則，

h

取

h

之上最接近的標稱有效高度。

2.2.2

地形凈空角校正當處于陸地路徑，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，對場強要添加的校正量按式(3)計算

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

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

因為室外測量環(huán)境復雜，為保證數(shù)據(jù)的有效性，本研究在每一個點測試時盡可能保證接收端附近無較多遮擋。并且進行不同發(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，然后對實驗數(shù)據(jù)進行預處理，排除掉設(shè)備過熱等原因?qū)е碌慕邮招盘柌粶蚀_的測量數(shù)據(jù)，最后將三次所測試的路徑損耗求平均值。

在實際測試過程中，由于實驗儀器本身也會造成信號的增益或者衰減，影響實驗數(shù)據(jù)的精度，因此，在實際測試之前，需要對設(shè)備進行校準，盡量減少誤差。校準的內(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電臺進行測試，在蘭州地區(qū)進行測試的基本信息見表1。從發(fā)射點到各個接收點的鏈路分布如圖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)安寧白銀地形特點城市郊區(qū)發(fā)射機經(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)測量的實驗參數(shù)，結(jié)合SRTM3高程數(shù)據(jù)，對接收點場強進行初步計算，然后通過建立好的模型，對計算的損耗進行修正，并根據(jù)測試結(jié)果，對各個接收點的實際損耗進行統(tǒng)計，再和理論預測結(jié)果進行對比。比對計算的均方根誤差(單位dB)為

(5)

式中：

N

——測量點數(shù)；

LO

——損耗測量值；

LP

——為損耗預測值。

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

3.3 預測與實測結(jié)果對比分析

安寧區(qū)與白銀區(qū)的實測損耗和ITU-R P.1546傳播模型預測損耗，以及通過Matlab修正后的路徑損耗散點圖如圖3和圖4所示。其中修正的模型是對天線高度、發(fā)射機凈空角、地形凈空角、天線高度差逐一修正后得到的結(jié)果。可以看到，實測數(shù)據(jù)和修正后的預測數(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致了影響因素更為復雜，所以在安寧區(qū)修正后的模型所預測的損耗相較于白銀區(qū)來說更為準確。

在對模型進行校正的時候發(fā)現(xiàn)，當發(fā)射機和接收機的路徑之上存在一個較高的點，會導致修正后的損耗比未修正的損耗大得多，而當發(fā)射機和接收機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進行逐一修正時發(fā)現(xiàn)，在各個修正項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)射機路徑長度為4.0km的中間存在較高點的鏈路來進行詳細分析。從發(fā)射站到接收站之間的地形剖面圖如圖6所示。其中初始坐標為發(fā)射天線位置，結(jié)束坐標為接收天線位置。

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)射機的地形凈空角為-0.769 8°。再通過式(1)計算得到發(fā)射機的有效高度為54.066 1m，由式(3)計算得到地形凈空角的修正為9.82dB。在不計算修正的情況下，ITU-R P.1546模型計算從發(fā)射點到接收點的損耗為134.71dB，再對上述所有修正項進行修正過后得到的損耗為144.54dB，與實測損耗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)驗模型，適用于VHF和UHF頻段，在進行快速預測城區(qū)信號的損耗中普遍使用。該模型主要是以準平坦地形大城市地區(qū)的場強中值路徑損耗作為基準，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行場強的預測。

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，主要是因為在蘭州地區(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模型的預測與實際損耗對比如圖7所示。

圖7 模型的預測與實際損耗散點圖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)射機凈空角、天線高度差進行修正，并基于蘭州安寧地區(qū)和白銀地區(qū)的實測結(jié)果與修正的結(jié)果進行比對，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)驗模型來說，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，與實際損耗情況更為接近。同時在對修正項進行逐一修正時發(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測分析的準確性，并且為在平原地區(qū)進行快速的傳播預測提供理論依據(jù)，對ITU-R P.1546傳播模型的改進和本地使用提供參考依據(jù)。