基于ITU-R P.1546-5建議書的多種復(fù)雜地形下信號(hào)覆蓋狀況研究

水宜水　徐子龍　盧毅

【摘要】? ? ITU-R P.1546-5建議書是國(guó)際電信聯(lián)盟針對(duì)30 MHz至3000 MHz頻率范圍內(nèi)，地面業(yè)務(wù)點(diǎn)對(duì)面預(yù)測(cè)的方法，最新一版的更新日期為2013年。本文使用該建議書建模，結(jié)合三種典型的地形，模擬不同軍用設(shè)備天線高度進(jìn)行了信號(hào)覆蓋狀況仿真。結(jié)果顯示不同的地形的覆蓋狀況有著明顯的差異，天線的升高可以十分顯著的提升信號(hào)覆蓋情況。

【關(guān)鍵詞】? ? ITU-R P.1546-5? ? 信號(hào)覆蓋? ? 典型地形

引言：

ITU-R P.1546-5建議書對(duì)30 MHz至3000 MHz頻率范圍內(nèi)地面業(yè)務(wù)點(diǎn)對(duì)面無線電傳播的預(yù)測(cè)方法做了詳細(xì)的說明。該建議書主要適用于天線高度小于3000 m、收發(fā)端相距在1-1 000 km之間的陸地路徑、海洋路徑以及陸?；旌下窂降碾姴▊鞑ヮA(yù)測(cè)[1]。

建議書中具體的建模方式是通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插或者外推，從而得到相應(yīng)的路徑損耗值關(guān)于距離、天線高度、頻率的函數(shù)。這其中還包括了對(duì)于地形、氣候區(qū)域的校正方法，以便得到更為精確的值。

ITU 1546模型，它繼承融合了ITU 370[2]、ITU 529[3]、ITU 1146[4]等模型，客服了其他建議書各方面的不足，并形成一套更加科學(xué)的電波傳播預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。ITU 1546模型繼承了其他ITU模型的有點(diǎn)，比如1KW的有效輻射功率。具體的傳播預(yù)測(cè)模型也采用的圖表，給出了各種計(jì)算公式以及求取場(chǎng)強(qiáng)值所應(yīng)遵循的詳細(xì)步驟。

相較于其他模型，ITU-R P.1546-5建議書的模型目前具有較高的準(zhǔn)確性，可以對(duì)多種場(chǎng)景，包括不規(guī)則地形下的電波傳播進(jìn)行預(yù)測(cè)。

一、1546模型中與地形環(huán)境相關(guān)元素解讀

ITU-R P.1546-5建議書的輸入?yún)?shù)中，除了常規(guī)的頻率，距離，天線高度等參數(shù)外，還有若干與地形有關(guān)的參數(shù)，包括平均地形高度、地形凈空角和有效凈空角。ITU-R P.1546-5建議書中考慮了諸多地形的影響，包括地形對(duì)信號(hào)的遮擋以及發(fā)射機(jī)接收機(jī)位于不同的海拔導(dǎo)致的信號(hào)傳輸情況的差異。所以如果需要精確的預(yù)測(cè)所需路段的信號(hào)狀況，需要結(jié)合具體的地形數(shù)據(jù)。

針對(duì)軍事信號(hào)覆蓋的建模，需要有如下的注意項(xiàng)：

（1）關(guān)于發(fā)射端和接收端的定義，不是看那一端發(fā)射信號(hào)或者哪一端接收信號(hào)而定義，而是要考慮地理環(huán)境，在ITU-R P.1546-5建議書中有詳細(xì)的論述。

（2）計(jì)算中用到的發(fā)射/基站天線高度h1的值取決于路徑的類型和長(zhǎng)度，以及各個(gè)高度信息項(xiàng)，而這些參數(shù)不一定都能獲得的。對(duì)于海面路徑，h1是天線的海拔高度。對(duì)于陸地路徑，發(fā)射/基站天線的有效高度heff定義為從發(fā)射/基站天線到接收/移動(dòng)臺(tái)天線的方向上3-15 km距離之間，超出地面平均水平的天線高度，單位為m。在不知道發(fā)射/基站天線的有效高度heff值的場(chǎng)合，應(yīng)從一般的地理位置信息中估算。對(duì)于小于15km的路徑則有h1 =? hb 。

（3）對(duì)于陸地路徑，以及當(dāng)接收/移動(dòng)臺(tái)天線處于陸海混合路徑內(nèi)的陸地路段上時(shí)，如果在特定地區(qū)內(nèi)對(duì)于接收狀態(tài)的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)需要更高的精度，例如對(duì)一個(gè)小的接收地區(qū)的預(yù)測(cè)，則可以根據(jù)地形凈空角得出校正量。地形凈空角θtca，由下面的公式給出：

θtca=θ度

其中，θ是接收/移動(dòng)臺(tái)天線處視線的仰角，表示在該角度上對(duì)于遠(yuǎn)到16 km的距離，發(fā)射/基站天線的方向內(nèi)正好完全沒有地形障礙的角度，但仰角θ不可超出發(fā)射/基站天線高度。θ的計(jì)算中不考慮地球的曲率。根據(jù)建議書定義θtca的范圍為+0.55°≤θtca≤+40.0°。

二、三種典型地形

如圖1（a）為境外某地典型的起伏地形，大小為100km×90km，如圖所示，圖中大部分地區(qū)為海拔是700m左右的較為平坦的起伏地形，地形變化海拔范圍為700m到900m，在圖中兩邊沿處為山區(qū)地形，海拔最高達(dá)到2200m。高海拔區(qū)域占地較小，且在邊沿地區(qū)，在后文的分析中，對(duì)位于中心點(diǎn)通信端的覆蓋結(jié)果統(tǒng)計(jì)影響較小，所以本文將其歸為起伏地形。如圖1，通信端位于圖中央。

如圖1（b）為某境外的海岸山地地形，地形大小為100km×90km。圖右側(cè)有接近一半?yún)^(qū)域?yàn)楹Ｓ?。整張圖海拔范圍從0m-2500m左右，變化比較劇烈，在海岸端為較為陡峭的山地地形，這些因素都將對(duì)信號(hào)覆蓋產(chǎn)生復(fù)雜的影響。如圖1（b），通信端位于圖中央，周圍有山體的遮擋，將對(duì)其造成一定影響。

如圖1（c）為某境外的復(fù)雜陸地地形，地形大小為100km×90km。海拔范圍變化從0m-1800m左右。整塊地形包含的地理要素較多，擁有河流，河谷，山地，平坦，起伏，丘陵地形的多種地形的組合地域。如圖1（c），通信端位于圖中央，位于海拔較高處，但是周圍較高的山體會(huì)對(duì)其造成遮擋效應(yīng)。

三、三種典型地形下不同天線高度信號(hào)覆蓋狀況圖

設(shè)定位于地圖中央的通信端的天線高度分別為4m、15m和100m，模擬普通軍用車輛，軍用架高天線和無人機(jī)升空節(jié)點(diǎn)三種高度。圖中其他通信端的天線高度設(shè)定為4m，模擬普通軍用車輛的天線高度。

假設(shè)可覆蓋的面積為S。統(tǒng)計(jì)區(qū)域?yàn)榘霃綖镽的圓形區(qū)域。覆蓋率C與距離R的關(guān)系如下式：

C=S/πR2

假設(shè)使用QPSK調(diào)制方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，設(shè)置通信終端的中斷誤碼率閾值為10-5，此時(shí)的信噪比閾值為9dB。，載頻為200MHz，帶寬為100kHz，帶入如下的仿真條件中，計(jì)算不同地形下的覆蓋狀況。

如圖2為中心端天線高度為4m的時(shí)候，三種地形條件下的覆蓋范圍圖，可以看到起伏地形的覆蓋情況要明顯好于另兩種地形，而復(fù)雜地形的覆蓋情況略好于海岸山地。復(fù)雜地形和海岸山地這兩種地形，在天線高度為4m的情況下90%覆蓋率情況下通信距離只有5-6km，而起伏地形可以達(dá)到16km。

如圖3所示中心端天線高度為15m的時(shí)候三種地形條件下的覆蓋范圍圖，可以看到起伏地形的覆蓋情況依舊要明顯好于另兩種地形，天線升高使得三種地形下覆蓋情況都變好。復(fù)雜地形的90%覆蓋率距離從6km升高到10km，海岸山地地形的90%覆蓋率距離從5km升高到6km，而起伏地形90%覆蓋率距離則升高到27km。

如圖4所示中心端天線高度為100m的時(shí)候三種地形條件下的覆蓋范圍圖，起伏地形在45km范圍內(nèi)的覆蓋率達(dá)到了95%，而原本覆蓋狀況不佳的海岸山地和復(fù)雜地形的覆蓋率也提升明顯，45km內(nèi)覆蓋率可達(dá)75%左右。由此可見天線升高可以明顯提升覆蓋狀況。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文先對(duì)ITU-R P.1546-5建議書跟地形和環(huán)境相關(guān)的因素進(jìn)行了解讀，包括發(fā)射端和接收端的定義，有代表性地面散布物，地形凈空角和發(fā)射機(jī)/基站地形有效凈空角。隨后使用ITU-R P.1546-5建議書中的模型對(duì)三種不同軍用天線高度情況下，三種典型地形下的信號(hào)覆蓋狀況進(jìn)行了仿真。結(jié)果顯示，不同地形條件下信號(hào)覆蓋狀況有較大的差別，升高天線可以明顯的提升信號(hào)覆蓋狀況。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] ITU-R P.1546-5，Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3 000MHz.

[2] Rec. ITU-R P.370-7，VHF AND UHF PROPAGATION CURVES FOR THE FREQUENCY RANGE FROM 30 MHz TO 1 000 MHz.

[3] Rec. ITU-R P.529-3，PREDICTION METHODS FOR THE TERRESTRIAL LAND MOBILE SERVICE IN THE VHF AND UHF BANDS.

[4] Rec. ITU-R P.1146，THE PREDICTION OF FIELD STRENGTH FOR LAND MOBILE AND TERRESTRIAL BROADCASTING SERVICES IN THE FREQUENCY RANGE FROM 1 TO 3 GHz.