基于实测数据的云南边境地区无线电波传播模型研究

刘建光，蔡立伟，周 灿

（国家无线电监测中心云南监测站，昆明 650031）

基于实测数据的云南边境地区无线电波传播模型研究

刘建光，蔡立伟，周 灿

（国家无线电监测中心云南监测站，昆明 650031）

本文结合云南边境地形特点，通过对云南省边境山地、丘陵地区超短波无线电波传播特性与传播损耗的分析，结合边境口岸实际测试数据，研究云南边境区域无线电波传播特性，并对传播模型的选择提出建议。

传播特性；传播损耗；传播模型；天线互易定理

1 云南边境地形特点

云南边境地区的地形复杂险峻，群山叠峦起伏，丛林密布，山高坡陡，植被茂密，基本上都是山地，其间遍布高地和岩穴。

图1 云南边境图

2 云南边境山地、丘陵地区无线电传播特性

云南边境高山遍布，森林浓密地形的特点，决定了无线电传播的环境异常复杂，各种障碍物和散射体层出不穷，其中森林就是一种常见的散射体。因为云南边境地形主要以高山和丘陵为主，边境地区森林覆盖率很高，所以研究树林或其它植被对无线电波传播的影响就变得非常重要。为了研究树林环境对无线电波的影响，有人提出了一种4层树林模型（见图2），该模型能较好地解释树林对电波传播的影响。

图2 四层树林模型

3 云南边境无线电波的传播损耗模型研究

3.1 电磁波的传播损耗

传播损耗是指传输路径上损失的能量，传播路径是电磁波传输的路径（从发射机到接收机）。

由四层树林模型不难看出，云南边境无线电波在空中的传播包括自由空间波（直射波）、反射波和绕射波等。

3.2 自由空间波的传播

当电磁波在自由空间传播时，其路径可认为是连接收发信机的一条射线，可用Ferris公式计算自由空间波的传播损耗：

式中，Gr和Gt分别代表接收天线和发射天线增益（dB）；R是收发信机之间的距离；λ是波长。R的单位为米（图3表示了信号频率2.44GHz，天线的增益为0dB时的自由空间的损耗曲线）。

图3 自由空间的损耗曲线

3.3 室外传播模型简介

路径损耗是一个关键参数，由理论公式很容易得出自由空间的传播损耗，但考虑到实际电磁环境的复杂性以及传播路径上的各种影响，如大气层、人为阻碍物（高层建筑等）、自然障碍物（湖泊、高山）等、电磁波在传播过程中会产生多种传播方式。因此，简单的数学关系式很难表示电磁波的路径损耗，这就需要用到传播模型。

3.3.1 Okumur-Hata模型

Okumur-Hata模型是Masaharu Hata根据Okumura曲线拟合出的近似数学表达式，并在模型中增加了不同环境下的地形地貌、人工建筑、天线高度等的修正因子，它属于经验模型。

模型简介：Okumur-Hata模型主要用于预测小区半径大于1km的宏蜂窝系统传播损耗；该模型适用于两个全向天线间路径损耗的计算，不适用不规则地形只用于准平滑地形，其他地区传播损耗模型在市区标准上进行修正。

Okumur-Hata模型使用范围：

频率：150MHz-1500MHz（主要用于900MHz）；移动台天线高度：1m～10m；基站天线高度：30m～200m；通信距离1km～20km。

3.3.2 COST231-Hata模型

COST231-Hata模型是欧洲科学技术合作委员会COST231 Evolution of land mobile Communication项目所支持的一种改进的Hata模型，将通信距离扩展到100km，频率扩展到2G频段；适用于大城市和普通市区、郊区，采用不同的修正因子。

COST231-Hata模型使用范围：

频率：1500MHz-2000MHz；移动台天线高度：1m～10m；基站天线高度：30m～200m；通信距离1km。

3.3.3 标准传播模型（SPM）

SPM模型适用于从150MHz到2GHz比较宽的频率范围，也使用于从密集城区、郊区、农村的各种无线环境，增加了规划区域的数字地图信息、地物损耗因子等，具有自动调谐功能，所以目前应用比较广泛。

3.3.4 Egli模型

Egli模型是根据美国联邦通信委员会（FCC）用于超短波、甚高频、特高频通信所提供的数据得到的。其使用范围：距离小于60km，频率40-450MHz，当频率小于1000MHz时也可以使用，它对于预测丘陵形场强较为准确。

3.3.5 C.Y.LEE宏蜂窝模型

C.Y.LEE宏蜂窝模型为美籍华人William C.Y.LEE提出。他认为路径传输损耗的大小由地面建筑和地形地势共同影响。C.Y.LEE模型先把测试区域当成平面，既不考虑地形影响，只考虑地面建筑，然后通过地形修正因子将地形影响反应出来。该模型将地形的影响因素分成无阻挡、有阻挡以及水面发射三种情况。适用于大城市和普通市区、郊区。

3.4 云南边境适用模型

鉴于云南边境地形，可选择Okumura-Hata模型、Egli模型。

3.4.1 Okumura-Hata模型表达式

Lb=69.55+26.16Lgf-13.82Lghb-a(hm)+(44.9-6.55Lghb)Lgd-K(Q)

式中：f为信号源频率；hb为发射天线距离地面高度；hm为监测天线距离地面高度；d为监测系统与信号源间的距离；a(hm)是与信号源有关的修正因子；K用于小型城市郊区的校正因子，市区可忽略；Q为开阔区校正因子。该模型适用范围：150MHz≤f≤1500MHz；30m≤hb≤200m；1m≤hm≤10m；1km≤d≤20km。

参数a(hm)可表示成：

当hm在1.5-4m之间，（2）、（3）两式基本一致。

郊区校正因子K的拟合公式为：

开阔区校正因子Q的拟合公式为：

3.4.2 Egli模型表达式

式中，La为传播损耗，单位为dB；d为距离，单位为千米（km）；ht为发射天线高度，单位是米（m）；hR为接收天线高度，单位是米（m）；f为工作频率，单位是MHz；其中，Kh为地形修正因子，拟合公式为：

h为地形起伏高度（m），h小于15米时，Kh可以忽略不计。

4 基于实测数据及收发互易定理的云南边境地区传播模型研究

4.1 天线收发互易定理

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换;一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线;同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的，这就是天线的互易定理。

4.2 基于边境实际测试数据的研究

4.2.1 实地测试概述

本文选取红河河口的实地测试数据进行研究。河口主要与越南老街省接壤。老街原为黄连山省省会，是越南西北地区的重镇，它位于南溪河、红河汇合处；滇越铁路穿越其间，是通往中越边境云南段的第一咽喉要道。红河是中越国土分界线，从龙膊河与红河汇合处至河口瑶族自治县城关镇红河段为中越边界界河。红河南岸山峦起伏，大多为崇山峻岭。

图4 测试位置及中越信号区域划分

测试方法主要是利用移动监测测向系统选取多个测试点对30-3000MHz频段内的信号进行监测、测向，记录信号大小、带宽、示向度等参数，根据测试位置结合地理信息数据判定测试点正北64°至303°为越方信号，其余方位为中方信号（见图4）。

4.2.2 测试结果研究

通过对实地测试结果的整理分析，发现4个在测试地点收到的越方调频广播信号中，只有91MHz在两个测试点均有有效示向度。具体结果见表1。

表1 红河河口越方调频广播测试数据表

结合Google Earth实地研究，测试点1的海波高度为91米，测试点2的海拔高度为95米，交汇点海拔为480米，监测系统天线高度为2.2米，估算广播电视发射塔高度约为20米，地形平均高度为250米。具体测试地点和发射台站交汇位置如图5所示。

图5 测试地点和发射台站位置图

结合表1和交汇地形图分析，交汇点到测试点1和测试点2之间的直线距离差值不大，两个测试点海拔高度也非常接近，但接收到的电平植差额达17dB，原因应该是达到测试点2的电波是反射波甚至是绕射波。

4.3 基于边境实测数据的外方台站发射功率评估

根据实测数据，结合收发系统的各参数，我们可以利用天线互易定理计算出发射台的功率，为以后的电磁态势评估和边境协调提供技术依据。结合前述的云南边境地区的特点，这里相应地采用自由空间传播损耗、Okumura-Hata模型和Egli模型进行传播损耗计算；其中收、发射天线增益之和取4dB，收发馈线损耗之和L取3dB，根据地形特点算出发射台天线高度hb为250米；监测天线高度为2.2米。

4.3.1 Okumura-Hata模型传输损耗计算结果

Lb=69.55+26.16Lgf-13.82Lghba(hm)+(44.9-6.55Lghb)Lgd-K（由于hm接近1.5，所以a(hm)可以忽略）=69.55+26.16Lg91-13.82Lg250+(44.9-6.55Lg250）Lg7.79-(2[lg(91/28)2]+5.4)=69.55+51.25-33.14+26-7.45=106.21dB

基于测试数据计算的台站发射功率：

4.3.2 Egli模型传输损耗计算结果

基于测试数据计算的台站发射功率：

Pt=Pr+Lb-Gt-Gr+L=48.3dBm（约为66W）

4.3.3 自由空间传播损耗模型计算结果

基于测试数据计算的台站发射功率：

Pt=Pr+Lb-Gt-Gr+L=29.48dBm（约为1W）

5 结束语

从上述计算结果中，不难看出，利用自由空间损耗得到的发射台功率仅为1W，由于自由空间损耗算法的特殊性，此值仅供参考；同时证明在类似环境中利用自由空间损耗算法得出结果与实际结果误差特别大，不适合采用。

利用Okumura-Hata模型得到的结果为42W，Egli模型得到的结果为66W；经过查询国内同类台站数据，国内该地区的同类台站发射功率为50、60、70W三种。由于Okumura-Hata模型对地形平均高度的值要求较高，而实际边境测试工作中此项工作是一个难点，所以基于云南边境电磁环境测试的特殊性，建议采用Egli模型。

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Study on Radio Wave Propagation Model in Yunnan Border Area Based on Measured Data

Liu Jianguang, Cai Liwei, Zhou Can
(Yunnan Station of the State Radio Monitoring Center, Kunming, 650031)

In this paper, combined with the Yunnan border terrain characteristics, through the analysis of the radio wave propagation characteristics of ultrashort wave and the propagation loss in the border of mountainous and hilly region of Yunnan Province, combined with the actual test data of border crossings, Yunnan border area radio propagation characteristics, and puts forward some suggestions on the selection of propagation model.

propagation characteristics; propagation loss; propagation model; antenna reciprocity theorem

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.11.022

TN914

1672-7274（2017）11-0065-05

刘建光，男，1981年生，临沧人，工程师，现工作于国家无线电监测中心云南监测站，主要从事无线电监测工作。

蔡立伟，男，1987年生，玉溪人，工程师，现工作于国家无线电监测中心云南监测站，主要从事无线电监测工作。

周 灿，男，1988年生，保山人，助理工程师，现工作于国家无线电监测中心云南监测站，主要从事无线电监测工作。