基于ITU-R P.1546-5建議書的多種復雜地形下信號覆蓋狀況研究

水宜水　徐子龍　盧毅

【摘要】? ? ITU-R P.1546-5建議書是國際電信聯盟針對30 MHz至3000 MHz頻率范圍內，地面業務點對面預測的方法，最新一版的更新日期為2013年。本文使用該建議書建模，結合三種典型的地形，模擬不同軍用設備天線高度進行了信號覆蓋狀況仿真。結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覆蓋情況。

【關鍵詞】? ? ITU-R P.1546-5? ? 信號覆蓋? ? 典型地形

引言：

ITU-R P.1546-5建議書對30 MHz至3000 MHz頻率范圍內地面業務點對面無線電傳播的預測方法做了詳細的說明。該建議書主要適用于天線高度小于3000 m、收發端相距在1-1 000 km之間的陸地路徑、海洋路徑以及陸海混合路徑的電波傳播預測[1]。

建議書中具體的建模方式是通過經驗數據進行內插或者外推，從而得到相應的路徑損耗值關于距離、天線高度、頻率的函數。這其中還包括了對于地形、氣候區域的校正方法，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的電波傳播預測標準。ITU 1546模型繼承了其他ITU模型的有點，比如1KW的有效輻射功率。具體的傳播預測模型也采用的圖表，給出了各種計算公式以及求取場強值所應遵循的詳細步驟。

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確性，可以對多種場景，包括不規則地形下的電波傳播進行預測。

一、1546模型中與地形環境相關元素解讀

ITU-R P.1546-5建議書的輸入參數中，除了常規的頻率，距離，天線高度等參數外，還有若干與地形有關的參數，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，包括地形對信號的遮擋以及發射機接收機位于不同的海拔導致的信號傳輸情況的差異。所以如果需要精確的預測所需路段的信號狀況，需要結合具體的地形數據。

針對軍事信號覆蓋的建模，需要有如下的注意項：

（1）關于發射端和接收端的定義，不是看那一端發射信號或者哪一端接收信號而定義，而是要考慮地理環境，在ITU-R P.1546-5建議書中有詳細的論述。

（2）計算中用到的發射/基站天線高度h1的值取決于路徑的類型和長度，以及各個高度信息項，而這些參數不一定都能獲得的。對于海面路徑，h1是天線的海拔高度。對于陸地路徑，發射/基站天線的有效高度heff定義為從發射/基站天線到接收/移動臺天線的方向上3-15 km距離之間，超出地面平均水平的天線高度，單位為m。在不知道發射/基站天線的有效高度heff值的場合，應從一般的地理位置信息中估算。對于小于15km的路徑則有h1 =? hb 。

（3）對于陸地路徑，以及當接收/移動臺天線處于陸海混合路徑內的陸地路段上時，如果在特定地區內對于接收狀態的場強預測需要更高的精度，例如對一個小的接收地區的預測，則可以根據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/移動臺天線處視線的仰角，表示在該角度上對于遠到16 km的距離，發射/基站天線的方向內正好完全沒有地形障礙的角度，但仰角θ不可超出發射/基站天線高度。θ的計算中不考慮地球的曲率。根據建議書定義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地形，海拔最高達到2200m。高海拔區域占地較小，且在邊沿地區，在后文的分析中，對位于中心點通信端的覆蓋結果統計影響較小，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。圖右側有接近一半區域為海域。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，這些因素都將對信號覆蓋產生復雜的影響。如圖1（b），通信端位于圖中央，周圍有山體的遮擋，將對其造成一定影響。

如圖1（c）為某境外的復雜陸地地形，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對其造成遮擋效應。

三、三種典型地形下不同天線高度信號覆蓋狀況圖

設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升空節點三種高度。圖中其他通信端的天線高度設定為4m，模擬普通軍用車輛的天線高度。

假設可覆蓋的面積為S。統計區域為半徑為R的圓形區域。覆蓋率C與距離R的關系如下式：

C=S/πR2

假設使用QPSK調制方式進行信號傳輸，設置通信終端的中斷誤碼率閾值為10-5，此時的信噪比閾值為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，而復雜地形的覆蓋情況略好于海岸山地。復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，而起伏地形可以達到16km。

如圖3所示中心端天線高度為15m的時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的時候三種地形條件下的覆蓋范圍圖，起伏地形在45km范圍內的覆蓋率達到了95%，而原本覆蓋狀況不佳的海岸山地和復雜地形的覆蓋率也提升明顯，45km內覆蓋率可達75%左右。由此可見天線升高可以明顯提升覆蓋狀況。

四、結束語

本文先對ITU-R P.1546-5建議書跟地形和環境相關的因素進行了解讀，包括發射端和接收端的定義，有代表性地面散布物，地形凈空角和發射機/基站地形有效凈空角。隨后使用ITU-R P.1546-5建議書中的模型對三種不同軍用天線高度情況下，三種典型地形下的信號覆蓋狀況進行了仿真。結果顯示，不同地形條件下信號覆蓋狀況有較大的差別，升高天線可以明顯的提升信號覆蓋狀況。

參? 考? 文? 獻

[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.