基于ITU-R P.1546-5建议书的多种复杂地形下信号覆盖状况研究

水宜水　徐子龙　卢毅

【摘要】    ITU-R P.1546-5建议书是国际电信联盟针对30 MHz至3000 MHz频率范围内，地面业务点对面预测的方法，最新一版的更新日期为2013年。本文使用该建议书建模，结合三种典型的地形，模拟不同军用设备天线高度进行了信号覆盖状况仿真。结果显示不同的地形的覆盖状况有着明显的差异，天线的升高可以十分显著的提升信号覆盖情况。

【关键词】    ITU-R P.1546-5    信号覆盖    典型地形

引言：

ITU-R P.1546-5建议书对30 MHz至3000 MHz频率范围内地面业务点对面无线电传播的预测方法做了详细的说明。该建议书主要适用于天线高度小于3000 m、收发端相距在1-1 000 km之间的陆地路径、海洋路径以及陆海混合路径的电波传播预测[1]。

建议书中具体的建模方式是通过经验数据进行内插或者外推，从而得到相应的路径损耗值关于距离、天线高度、频率的函数。这其中还包括了对于地形、气候区域的校正方法，以便得到更为精确的值。

ITU 1546模型，它继承融合了ITU 370[2]、ITU 529[3]、ITU 1146[4]等模型，客服了其他建议书各方面的不足，并形成一套更加科学的电波传播预测标准。ITU 1546模型继承了其他ITU模型的有点，比如1KW的有效辐射功率。具体的传播预测模型也采用的图表，给出了各种计算公式以及求取场强值所应遵循的详细步骤。

相较于其他模型，ITU-R P.1546-5建议书的模型目前具有较高的准确性，可以对多种场景，包括不规则地形下的电波传播进行预测。

一、1546模型中与地形环境相关元素解读

ITU-R P.1546-5建议书的输入参数中，除了常规的频率，距离，天线高度等参数外，还有若干与地形有关的参数，包括平均地形高度、地形净空角和有效净空角。ITU-R P.1546-5建议书中考虑了诸多地形的影响，包括地形对信号的遮挡以及发射机接收机位于不同的海拔导致的信号传输情况的差异。所以如果需要精确的预测所需路段的信号状况，需要结合具体的地形数据。

针对军事信号覆盖的建模，需要有如下的注意项：

（1）关于发射端和接收端的定义，不是看那一端发射信号或者哪一端接收信号而定义，而是要考虑地理环境，在ITU-R P.1546-5建议书中有详细的论述。

（2）计算中用到的发射/基站天线高度h1的值取决于路径的类型和长度，以及各个高度信息项，而这些参数不一定都能获得的。对于海面路径，h1是天线的海拔高度。对于陆地路径，发射/基站天线的有效高度heff定义为从发射/基站天线到接收/移动台天线的方向上3-15 km距离之间，超出地面平均水平的天线高度，单位为m。在不知道发射/基站天线的有效高度heff值的场合，应从一般的地理位置信息中估算。对于小于15km的路径则有h1 =  hb 。

（3）对于陆地路径，以及当接收/移动台天线处于陆海混合路径内的陆地路段上时，如果在特定地区内对于接收状态的场强预测需要更高的精度，例如对一个小的接收地区的预测，则可以根据地形净空角得出校正量。地形净空角θtca，由下面的公式给出：

θtca=θ度

其中，θ是接收/移动台天线处视线的仰角，表示在该角度上对于远到16 km的距离，发射/基站天线的方向内正好完全没有地形障碍的角度，但仰角θ不可超出发射/基站天线高度。θ的计算中不考虑地球的曲率。根据建议书定义θtca的范围为+0.55°≤θtca≤+40.0°。

二、三种典型地形

如图1（a）为境外某地典型的起伏地形，大小为100km×90km，如图所示，图中大部分地区为海拔是700m左右的较为平坦的起伏地形，地形变化海拔范围为700m到900m，在图中两边沿处为山区地形，海拔最高达到2200m。高海拔区域占地较小，且在边沿地区，在后文的分析中，对位于中心点通信端的覆盖结果统计影响较小，所以本文将其归为起伏地形。如图1，通信端位于图中央。

如图1（b）为某境外的海岸山地地形，地形大小为100km×90km。图右侧有接近一半区域为海域。整张图海拔范围从0m-2500m左右，变化比较剧烈，在海岸端为较为陡峭的山地地形，这些因素都将对信号覆盖产生复杂的影响。如图1（b），通信端位于图中央，周围有山体的遮挡，将对其造成一定影响。

如图1（c）为某境外的復杂陆地地形，地形大小为100km×90km。海拔范围变化从0m-1800m左右。整块地形包含的地理要素较多，拥有河流，河谷，山地，平坦，起伏，丘陵地形的多种地形的组合地域。如图1（c），通信端位于图中央，位于海拔较高处，但是周围较高的山体会对其造成遮挡效应。

三、三种典型地形下不同天线高度信号覆盖状况图

设定位于地图中央的通信端的天线高度分别为4m、15m和100m，模拟普通军用车辆，军用架高天线和无人机升空节点三种高度。图中其他通信端的天线高度设定为4m，模拟普通军用车辆的天线高度。

假设可覆盖的面积为S。统计区域为半径为R的圆形区域。覆盖率C与距离R的关系如下式：

C=S/πR2

假设使用QPSK调制方式进行信号传输，设置通信终端的中断误码率阈值为10-5，此时的信噪比阈值为9dB。，载频为200MHz，带宽为100kHz，带入如下的仿真条件中，计算不同地形下的覆盖状况。

如图2为中心端天线高度为4m的时候，三种地形条件下的覆盖范围图，可以看到起伏地形的覆盖情况要明显好于另两种地形，而复杂地形的覆盖情况略好于海岸山地。复杂地形和海岸山地这两种地形，在天线高度为4m的情况下90%覆盖率情况下通信距离只有5-6km，而起伏地形可以达到16km。

如圖3所示中心端天线高度为15m的时候三种地形条件下的覆盖范围图，可以看到起伏地形的覆盖情况依旧要明显好于另两种地形，天线升高使得三种地形下覆盖情况都变好。复杂地形的90%覆盖率距离从6km升高到10km，海岸山地地形的90%覆盖率距离从5km升高到6km，而起伏地形90%覆盖率距离则升高到27km。

如图4所示中心端天线高度为100m的时候三种地形条件下的覆盖范围图，起伏地形在45km范围内的覆盖率达到了95%，而原本覆盖状况不佳的海岸山地和复杂地形的覆盖率也提升明显，45km内覆盖率可达75%左右。由此可见天线升高可以明显提升覆盖状况。

四、结束语

本文先对ITU-R P.1546-5建议书跟地形和环境相关的因素进行了解读，包括发射端和接收端的定义，有代表性地面散布物，地形净空角和发射机/基站地形有效净空角。随后使用ITU-R P.1546-5建议书中的模型对三种不同军用天线高度情况下，三种典型地形下的信号覆盖状况进行了仿真。结果显示，不同地形条件下信号覆盖状况有较大的差别，升高天线可以明显的提升信号覆盖状况。

参  考  文  献

[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.