复杂地形中的电波传播损耗预测研究.pdf

TECHNOLOGY AND INFORMATION信息化技术应用80 科学与信息化2023年9月上复杂地形中的电波传播损耗预测研究熊泽林 仇政兴中国船舶集团有限公司第七二二研究所 湖北 武汉 430205摘 要 复杂的地形条件是影响电波传播的主要因素之一，表现为地表结构和电磁特性的起伏及地表覆盖物对电波的反射、折射、衍射和屏蔽作用。与水面和没有植被覆盖的平坦地区相比，森林和山区的电波损耗要大得多，城市建筑物会引起电波的反射、散射和阻挡，造成严重的多径衰落。一直以来，国内外许多单位和学者对此进行了研究，提出了经验模型、确定性模型和半经验/半确定模型。采用的方法包括解析法、近似法和数值法。基于此，本文就复杂地形中的电波传播损耗预测进行了深入研究。关键词 电波传播；数字地图；不规则地形；算法模型；传播损耗Research on Prediction of Radio-Wave Propagation Loss in Complex TerrainXiong Ze-lin,Qiu Zheng-xingNo.722 Research Institute of China State Shipbuilding Corporation Limited,Wuhan 430205,Hubei Province,ChinaAbstract Complex topographic conditions are one of the main factors affecting radio-wave propagation,which is manifested in the undulation of surface structure and electromagnetic characteristics,and the reflection,refraction,diffraction and shielding effect of surface cover on radio-wave.Forests and mountainous areas have much greater radio-wave losses than water surfaces and flat areas without vegetation cover,and urban buildings cause reflection,scattering and blocking of radio-wave,causing severe multipath fading.For a long time,many units and scholars at home and abroad have studied this issue and proposed empirical models,deterministic models and semi-empirical/semi-deterministic models.Based on this condition,this paper conducts an in-depth study on the prediction of radio-wave propagation loss in complex terrain.Key words radio-wave propagation;digital map;irregular terrain;algorithmic model;propagation loss引言远距离不规则复杂地形中，电波传播损耗计算精度较低，对此提出了一种基于地理信息系统并根据实际地形提高电波传播损耗计算精度的算法模型，构建了可视化的软件显示平台。首先，根据国际电信联盟（ITUR）的P系列电波传播建议书，结合实际地理信息情况获取了地形和环境因子的数据1。然后，通过数字地图模型，针对传播路径上各种不同地形区域，分别建立传播模型来计算电波传播损耗，并完成仿真计算界面的设计和实现。最后，给定收发天线高度和频率，依据实际地形，建立完整的电波传播模型进行仿真实验。结果表明，该算法模型不仅能得到传播路径上每一个点的损耗，而且与传统的Hata模型对比，该算法在不同区域和地形中敏感度更高，可以有效提升传播损耗计算精度，更适用于计算实际地形中远距离不规则复杂地形下的电波传播损耗，帮助改善通信质量。1 概述电波传播损耗计算方面的模型主要有3类，第一类是经验性的模型，也叫实测统计模型，这类模型是在已有经验公式和大量实测数据的基础上得到的电波传播统计特性，例如Hata模型、Okumura Hata模型、Cost 231-Hata模型等；第二类是确定性的模型，主要是进行理论和仿真分析得到的电波传播损耗数据，包括时域有限差分法FDTD、迭代不变性测试方程法MEI和射线跟踪法Ray Tracing等；第三类是半统计半确定性的模型，是在特定环境对理论方法进行推导得到的一些计算公式，其中Hata模型的损耗预测结果可信度相对更高，也是目前较常用的模型。2 电波传播预测的模型2.1 传播模型理论电磁波在不规则地形上传播时，可能会发生反射、折射、绕射等，且具有随机性，不同地形和地貌对估算路径损耗有很大影响，使得复杂环境中的电波传播损耗预测准确度较低。针对实际需求，提出了一种电波传播的改进模型，可根据电波发射频率和数字地图提供的实际地形高程数据，确定好收发天线科学与信息化23年9月上内文0907.indd 802023/9/8 17:33:58 TECHNOLOGY AND INFORMATION信息化技术应用科学与信息化2023年9月上 81的海拔高度和传播距离，即可选择相应的传播模型来计算损耗值。模型如图1所示，其中S1和S2分别为显著障碍物到收发端的距离，hm和hc。图1 传播模型图示由图1的传播模型和电波传播理论，计算任意传播路径上的传播损耗可以用自由空间传播损耗、多路径干涉损耗、多峰绕射损耗和地球表面绕射损耗或部分损耗的加权平均值来近似。该传播算法主要依托实际地形，根据收发天线的高度、传播距离以及电波发射频率计算相应地形参数并选择合适的电波传播损耗预测算法。2.2 传播模型分析该模型中有两个主要影响因素，第一个影响因素是传播余隙与菲涅尔间隙的比值关系，即判断障碍物是否进入电波传播路径，若障碍物进入传播路径，则需要考虑第二个影响因素，即最显著障碍物海拔与菲涅尔间隙的比值关系，来判断传播路径上障碍物数量并计算电波传播损耗。实际的电波传播过程中，首先考虑空气中的各种介质产生扩散损耗，即自由传播损耗，计算如下：Ploss=32.44+20lgf+20lgd其中f为频率，单位MHz，d为收发位置之间的直线距离，单位km。除了自由传播损耗，还涉及其他各类地形情况的传播损耗，在一个完整的传播模型中，还要考虑其他各类传播损耗。比如由多路径干涉引起的传播损耗，可根据国际电联ITU-RP.526-11建议书给出的多径衰落机制推导出。2.3 多障碍物的绕射损耗分析在实际电波传播过程中，电波传播路径上往往都会有障碍物阻挡造成绕射损耗，需要对传播路径上具体障碍物的损耗进行计算和分析。当传播路径上只有单个障碍物时，根据国际电联ITU-P530-14绕射传播建议书，先计算出地形因子v，由于远距离不规则地形的电波传播路径往往存在多个障碍物，所以多个障碍物的损耗计算对于全局电波传播损耗影响更显著，计算准确度也更加重要。以两个障碍物为例讨论再延伸到多个障碍物的情况，传播模型如图2所示。图2 多个障碍物传播模型先分别计算由于两个障碍物阻挡产生的绕射损耗L1和L2，单位dB。由于两个障碍物之间还有一段距离b，必须加上路径修正损耗LC。再根据ITU-P530-14建议书中双重障碍物的传播损耗算法，得到计算两个障碍物时的路径损耗如下：L=L1+L2+Lc根据上述两个障碍物的损耗计算方法，当传播路径上有多个障碍物时，只需找到传播路径上对电波传播损耗有影响的障碍物来计算绕射损耗以及障碍物之间的路径损耗即可得到多峰绕射损耗FK。3 基于数字地图的仿真结果3.1 具体地形的仿真分析要准确计算远距离不规则地形的电波传播损耗，首先需要获取准确的地形高程模型，因此采用地理空间数据云提供的详细、准确的高程数据信息，获得收发位置传播路径的二维剖面数据，方便计算损耗时进行调用和计算，再结合电波传播模型计算传播损耗。首先计算自由传播损耗，根据数字地图提取出传播路径没有障碍物阻挡的剖面数据，在对应地形下，根据一般天线的高度，设置发射和接收天线高度分别为30m和80m，为了方便对比分析，收发天线高度均设为该值。要分析频率f对电波传播损耗的影响，由于基站发射频率通常在8001800 MHz，以及电波传播中常用S、X等波段，设置发射频率为1 GHz、3GHz以及10GHz。将几个频率的电波传播损耗进行对比分析，得到自由空间中的传播损耗。路径损耗值与发射频率和传播距离成正比，并随着频率的增加逐渐趋于平缓，这是由于电波在自由空间传播时的损耗与频率和距离为对数关系，增长幅度较小，与自由空间传播模型中算法结果一致。计算单个障碍物的传播损耗，根据数字地图提取出传播路径只有单个障碍科学与信息化23年9月上内文0907.indd 812023/9/8 17:33:58 TECHNOLOGY AND INFORMATION信息化技术应用82 科学与信息化2023年9月上物阻挡时的剖面数据，单个障碍物时的电波传播损耗为障碍物阻挡发生的绕射损耗和自由传播损耗之和。频段根据所需波段设为010GHz，步长为1GHz传播路径上只有一个障碍物时的损耗主要是自由空间传播损耗，由障碍物阻挡引起的绕射损耗较小，这是因为传播路径上障碍物数量较少，刃形障碍物的截面较小，但是在远距离不规则传播路径上，要获取更加可靠的损耗预测结果，再小的损耗也是不可忽视的。3.2 根据影响因素找到阻挡电波传播的障碍物其中标点的位置即为发生绕射的障碍物顶点，根据每个障碍物的具体位置和形状大小，建立传播模型，计算出每一个障碍物的绕射损耗以及路径修正损耗，当收发天线高度相同，传播距离也近似相同时，多个障碍物时的电波传播损耗比单个障碍物传播损耗大得多，在频率和距离的影响基本相同的情况下，主要是由于多个障碍物阻挡的绕射损耗相对更大，在远距离不规则的地形上，由于障碍物阻挡造成的影响更为明显，同时也证明实际地形中障碍物的几何参数对损耗的影响不可忽略2-3。最后根据不同传播路径的电波传播损耗曲线可以发现，在收发天线高度以及d确定时，总损耗的增长越来越慢，是因为V与f成正相关，而且F1随着f的增大而减小，使得拟合曲率半径的有效点发生变化，从而导致由曲率半径造成的附加损耗值减小。4 全面传播损耗计算与仿真界面设计4.1 实际地形路径传播损耗计算与分析根据不同地形下的电波传播损耗模型的计算和分析以及传播算法流程，在复杂地形中计算全局传播路径损耗，可以精确计算出接收天线设置在传播路径上每一个点的损耗。首先，同样设置发射和接收天线高度分别为30m和80m时，以及发射频率f分别设为1GHz、3GHz和10GHz时，远距离不规则地形传播路径损耗曲线能够有效反映出地形的起伏以及路径上信号的接收情况，频率越高对地形的敏感度也越高，随着距离d的增加，频率f对电波传播损耗的影响也越来越显著，距离较近时，频率增加对传播损耗影响较小，随着传播距离增大到20km甚至更远时，传播损耗随着频率增加而明显增加。可见f对路径损耗的影响还与d密不可分。若发射频率为1GHz，Hata模型计算的损耗曲线较为平滑，对地形的敏感度较低，只能反映出基本的路径损耗，无法反映地形对损耗的影响。建立的电波传播模型考虑了详细的地形起伏情况，并能够计算出电波传播路径上每一个点损耗值，最后所得电波传播损耗曲线可以清晰地反映传播损耗与地形的关系，对地形的敏感度很高。4.2 电波传播损耗仿真界面设计与运算目前预测实际地形中电波传播损耗的软件使用起来比较困难，且有价格昂贵、操作麻烦、使用不便的缺点，因此，我们根据提出的电波传播算法，设计电波传播损耗预测的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI），首先选择地形模型，考虑发射、接收天线高度以及f的影响，可以在界面上直接输入相关参数进行仿真计算。当收发天线高度分别设为30m和80m、发射频率设为1000MHz时，进行损耗计算。该预测模型可以有效帮助我们提高对远距离不规则地形电波传播损耗预测的敏感度和精确度，同时可以应用到基站选址和网络规划，帮助改善系统性能和通信质量。5 结束语总之，针对远距离不规则地形的电波传播，采用该电波传播算法来预测路径损耗的结果表明，相比于传统的Hata计算模型，该方法能够更精确地预测收发位置之间传播路径损耗，清晰地反映出路径传播损耗与地形的关系，敏感度更高，同时基于该传播模型建立的可视化界面也方便了用户使用，该电波传播损耗预测模型也可以有效帮助工程应用。参考文献1 段鑫.第5代移动通信技术及发展趋势J.百科论坛电子杂志,2019(4):793-794.2 胡焱,伍启燕,雷霞.浅谈复杂地形中的电波传播损耗预测研究J.微波学报,2022(4):95-100.3 金慧琴,王正磊,宋斌斌.复杂地形条件下电波传播特性预测J.信息通信,2017(10):15-18.科学与信息化23年9月上内文0907.indd 822023/9/8 17:33:58