ITU-R P.1546模型的修正影响和适用性研究

陈振源 严天峰 孙 禹 高 锐

(1．兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃兰州 730070；2．甘肃省高精度北斗定位技术工程实验室，甘肃兰州 730070；3.中国铁路兰州局集团有限公司兰州通信段，甘肃兰州 730050)

1 引 言

随着信息技术的不断发展，人们在享受更加快捷服务的同时，也会因为数据流量的爆炸增长和业务的不断演化导致频率资源的日益紧张。因此，对无线电传播覆盖的精准分析以及对有限频率的合理分配就显得尤为关键。中国地域广阔，地理类型多样，每一个地区的不同地形、地貌等参数对信号传播的影响都不尽相同，如果单纯通过以往的经验模型来进行传播预测和电磁分析，而不考虑每个通信环境之间不同的地形、气候以及建筑物等对无线电传输的影响，将会导致所建设的网络存在各种各样的问题。因此，积极研究传统传播模型的适用性和优化方法具有重要的意义。在文献[3]中就提出了广播电视业务在应用中所需采用的流程和修正量的本地化。VHF(甚高频)和UHF(特高频)两个频段作为我国通信系统的主体频段，一直以来是研究的重点。自2001年ITU-R P.1546方法被提出以来，经过了5次修订之后在广电行业得到了广泛的应用。如文献[9]中通过使用该模型对不同地区、地形精度进行预测，结果表明传播预测保证精度的根本在于能够反映出地形变化的特性。相较于传统经验模型，ITU-R P.1546是属于半经验方法的模型。文中首先对模型进行分析研究，再对兰州地区进行信息采集之后构建出基于兰州地区的传播模型，通过对天线高度、地形净空角等的修正计算出预测结果，并利用实际测量的结果与建模的仿真结果进行对比验证。由于对损耗的影响不仅限于上述提到的因素，为得到更加准确的场强预测，在模型的不断修正过程之中还可以涉及到气象等不同的参数。

2 ITU-R P.1546模型简介与修正

2.1 ITU-R P.1546模型

ITU-R P.1546传播模型是通过对标称的频率、天线高度、时间概率、发射功率、路径环境等实验数据的场强曲线图来进行内插或者外推，并通过修正来获得最终的场强和损耗。其中，ITU-R P.1546方法计算时需考虑地形因素，文中采用的是由NASA采集的SRTM3高程数据，该数据为已公开的中国地区最高精度的高程数据。ITU-R P.1546计算流程如下。

1)根据发射点和接收点的位置确定路径类型是属于冷海路径、暖海路径还是陆地路径；

2)给定时间百分比、频率、和天线高度，然后分别与标定值进行比对，如果给定的值不等于标定的值，则取其与之相近的高、低两个标称值。完成对时间百分比、频率和天线高度的插值；

3)确定距离选取损耗图表，如果参数在二者之间则max和min表都选取然后在同一张表上计算对应的场强值；

4)依次判定是否为混合路径，地形净空角是否可用，是否满足短市区或郊区路径条件，发射终端周围是否有杂波，并进行场强修正。

2.2 参数的修正和计算

2.2.1

发射天线高度计算

当发射天线高度不等于给定的标定高度应采用下面的公式从两条曲线上得到的场强中由内插或外推得出所需的场强(单位dB(μV/m))为

(1)

式中：

E

——在所需距离上

h

的场强值；

E

——在所需距离上

h

的场强值；如果

h

>1 200m，则

h

=600m；否则，

h

取

h

之下最接近的标称有效高度；如果

h

>1 200m,则

h

=1 200m；否则，

h

取

h

之上最接近的标称有效高度。

2.2.2

地形净空角校正当处于陆地路径，我们需要更高的精度时可以采用地形净空角修正，地形净空角

θ

由式(2)给出

θ

=

θ

°

(2)

其中，

θ

为接收天线处视线的仰角，对

θ

应予以限制，以使它不小于+0.55°或大于+40.0°。在可以得到有关地形净空角的情况，对场强要添加的校正量按式(3)计算

J

=

J

(

v

')-

J

(

v

)(dB)

(3)

(4)

其中，

式中：

θ

——地形净空角(°)；

f

——所需要的频率(MHz)；

J

——修正量(dB)。

3 数据的采集与分析

3.1 数据的采集和处理

为了分析模型预测与实际的误差，本研究在相同实验参数下，分别对兰州安宁和白银地区进行数据采集，并使用Matlab对ITU-R P.1546传播模型预测分析，将两种数据进行对比。

因为室外测量环境复杂，为保证数据的有效性，本研究在每一个点测试时尽可能保证接收端附近无较多遮挡。并且进行不同发射功率的三次测试，每次测试时长20s，共抓取50～80包取平均值，然后对实验数据进行预处理，排除掉设备过热等原因导致的接收信号不准确的测量数据，最后将三次所测试的路径损耗求平均值。

在实际测试过程中，由于实验仪器本身也会造成信号的增益或者衰减，影响实验数据的精度，因此，在实际测试之前，需要对设备进行校准，尽量减少误差。校准的内容包括：天线驻波比的测试和馈线损耗的测试。其中通过矢网测试馈线损耗1.5dB，天线驻波比为1.08。数据采集使用鞭状全向天线、R&S FSH8手持频谱仪、FT-1907R电台进行测试，在兰州地区进行测试的基本信息见表1。从发射点到各个接收点的链路分布如图1和图2所示。

表1 兰州地区无线电参数测试信息Tab.1 The radio parameters test information of Lanzhou area地区安宁白银地形特点城市郊区发射机经纬度103.721091,36.103591104.187038,36.50901馈线损耗(dB)1.51.5发射天线高度(m)57.216接收天线高度(m)22功率频率(MHz)428.6428.6

图1 安宁地区测试路径图Fig.1 Map of testing paths in Anning area

图2 白银地区测试路径图Fig.2 Map of testing paths in Baiyin area

3.2 数据的分析方法

根据测量的实验参数，结合SRTM3高程数据，对接收点场强进行初步计算，然后通过建立好的模型，对计算的损耗进行修正，并根据测试结果，对各个接收点的实际损耗进行统计，再和理论预测结果进行对比。比对计算的均方根误差(单位dB)为

(5)

式中：

N

——测量点数；

LO

——损耗测量值；

LP

——为损耗预测值。

图3 安宁区损耗散点图Fig.3 The dissipation plot of Anning district

3.3 预测与实测结果对比分析

安宁区与白银区的实测损耗和ITU-R P.1546传播模型预测损耗，以及通过Matlab修正后的路径损耗散点图如图3和图4所示。其中修正的模型是对天线高度、发射机净空角、地形净空角、天线高度差逐一修正后得到的结果。可以看到，实测数据和修正后的预测数据具有较好的一致性，模型修正前和修正后的损耗均方根误差见表2。

图4 白银区损耗散点图Fig.4 The dissipation plot of Baiyin district

表2 模型修正前后的损耗均方误差Tab.2 The mean square error of loss before and after model correction地区安宁白银修正前均方误差(dB)6.368.00修正后均方误差(dB)5.456.75

3.4 分析结果

在兰州地区，通过分析测试数据的链路可以发现，安宁区比白银区地势平坦，所以白银区对损耗的修正量比安宁区大，但由于地形的不平坦导致了影响因素更为复杂，所以在安宁区修正后的模型所预测的损耗相较于白银区来说更为准确。

在对模型进行校正的时候发现，当发射机和接收机的路径之上存在一个较高的点，会导致修正后的损耗比未修正的损耗大得多，而当发射机和接收机的路径上不存在遮挡时，修正后的损耗和未修正的损耗仅有1dB左右的差距。通过对模型的每一修正项进行逐一修正时发现，在各个修正项之中地形净空角对损耗的影响最大，在兰州地区其最大修正为10.67dB，而发射机的净空角，天线之间的高度差修正对损耗的影响平均为0.66dB。测试的每一个链路的地形净空角修正拟合曲线如图5所示。

图5 地形净空角的修正拟合曲线图Fig.5 A modified fitting curve of the terrain clearance angle

选取安宁区经纬度(103.677977，36.1134)这一距发射机路径长度为4.0km的中间存在较高点的链路来进行详细分析。从发射站到接收站之间的地形剖面图如图6所示。其中初始坐标为发射天线位置，结束坐标为接收天线位置。

图6 4.0km路径剖面图Fig.6 4.0km path profile

通过对路径的高程信息可以计算获得路径的平均高度为1 546.616 8m，地形净空角

θtca

为2.121 0°，发射机的地形净空角为-0.769 8°。再通过式(1)计算得到发射机的有效高度为54.066 1m，由式(3)计算得到地形净空角的修正为9.82dB。在不计算修正的情况下，ITU-R P.1546模型计算从发射点到接收点的损耗为134.71dB，再对上述所有修正项进行修正过后得到的损耗为144.54dB，与实测损耗145.50dB十分接近。

4 与传统模型的比较

4.1 Okumura-hata模型

Okumura模型是使用最为广泛的传统经验模型，适用于VHF和UHF频段，在进行快速预测城区信号的损耗中普遍使用。该模型主要是以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正来进行场强的预测。

4.2 与Okumura-hata模型的比较

其中ITU-R P.1546模型和Okumura-hata模型的基本适用条件见表3。

表3 ITU-R P.1546模型和Okumura-hata模型的适用范围比对Tab.3 Comparison of application scope of ITU-R P.1546 model and Okumura-hata model模型ITU-R P.1546Okumura-hata通信距离(km)0～10001～100基站天线(m)陆地:0～3000海面:1～300020～100移动天线(m)陆地:1～3000海面:3～30001～19频率范围(MHz)30～3000100～3000

从表3可以明显看出ITU-R P.1546的适用范围比Okumura-hata更广，选取安宁区的数据来与Okumura-hata模型进行比较分析可以发现：在安宁地区Okumura-hata模型的均方根误差为7.78dB，而修正后的ITU-R P.1546损耗为5.45dB，存在着42.75%的偏差，主要是因为在兰州地区地形存在明显起伏，而Okumura-hata模型并未考虑到由于地形因素对路径损耗带来的影响。修正过的ITU-R P.1546和Okumura-hata模型的预测与实际损耗对比如图7所示。

图7 模型的预测与实际损耗散点图Fig.7 Model prediction and actual dissipation plot

5 结束语

在ITU-R P.1546方法的基础上，对天线高度、地形净空角、发射机净空角、天线高度差进行修正，并基于兰州安宁地区和白银地区的实测结果与修正的结果进行比对，分析了该模型在兰州地区的适用性，结果表明：相对于传统的Okumura-hata经验模型来说，ITU-R P.1546不仅在适用条件上更为宽广，并且拥有更高的精度。并且经过修正过后使得其在地形有较大起伏时，与实际损耗情况更为接近。同时在对修正项进行逐一修正时发现其中最主要的影响因素为地形净空角。上述研究有助于提高对电波传播预测分析的准确性，并且为在平原地区进行快速的传播预测提供理论依据，对ITU-R P.1546传播模型的改进和本地使用提供参考依据。