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基础无线电物理学及电波理论
影响通信距离的主要因素及估算方法 |
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任何无线电通信系统的作用距离不仅取决于发信机功率的大小、天线的增益，天线的有效高度，而且还与要求的话音质量、收信机灵敏度、电波传播等因素有关。以超短波通信设备电波传播方式为例，它主要是直接波传播，由于需通过许多复杂的环境和各种地形，故传播条件各不相同。
影响超短波通信设备通信距离主要有三个因素：
1)无线电波随着收、发信机之间的距离增加而减弱。这是一种连续的，可以预测的衰耗，它与收、发信机天线高度、频率、大气状况及地形条件等因素有密切关系。
2)阴影损耗。它是由于建筑物，小山丘等阻挡物引起的随机衰落。在城市中，它随着驵挡物高度和密度的增加而加快，甚至可以使通信设备的通信距离大幅度地减小。
3)多径传播引起的快衰落。由于移动中的通信设备天线低矮，完全埋没在各种建筑物、树木等下面，到达收信点的电波不仅有直接波，还有许多反射波，使合成的信号时而增强，时而减弱，造成快衰落。这对通信设备通信来讲，是非常不利的。影响超短波通信设备通信距离的主要因素一般来讲是这三个因素相互累加的结果。 |
1.视线距离计算
由于地球是球形，凸起的地表面会挡住视线。视线所能达到的最远距离称为视线距离do。在图1-1中，设两部超短波通信设备的天线高度分别为h1和h2，连线Qp与地球表面相切于C点、则do(do=d1+d2)即为直接波所能到达的最远距离，称为视线距离。现在让我们来推导do的计算公式。 |
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| 设地球半径为Ro，天线高度分别为h1和h2。在直角三角形QCO中， |
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在直角三角形PCO中， |
由于Ro>>h1、h2，故上式中可略去h12和h22，则近似可得 |
而do=dl+d2，所以视线距离do为 式中Ro=6370Km，h1、h2单位为m，则 |
由此可见，视线距离是取决于收、发天线架设高度的。天线架设越高，视线距离越远，因此在实际通信中，应尽量利用地形、地物把天线适当架高。
实际上，由于大气的不均匀性对电波传播轨迹要产生影响，所以，直接波传播所能到达酌视线距离应修正为 |
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由于地面是球形的，当电波传播的距离不同时，其情况也不相同。为分析问题方便，我们通常依据收信地点离开发信天线的距离分成三个区域，即亮区(照明区)，阴影区和半阴影区。
d<0.7do的区域称为亮区(照明区)，如图中P'点位置就属于亮区范围。0.7do<d<(1.2~1.4)do区域称为半阴影区。
d>(1.2~1.4)do的区域称为阴影区，如图中P"点位置即在阴影区范围。 |
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2.准平滑地形上的传播特性
地形种类是千差万别的，大体上分为“准平滑地形”和“不规则地形”。所谓“准平滑地形”是根据传播路径的地形断面来判定的，它是指地形起伏量约为20m以下，且起伏变化缓慢的平坦地形。不规则地形包括丘陵地区、孤立山峰、倾斜地形等。本书仅讨沦准平滑地形上的超短波电波传播特性。
由于地面通信设备移动通信所遇到的地面情况复杂多样，因此有必要对天线高度的定义作一明确规定。首先就基地式通信设备天线而言，在图1-2所示的地形断面上，设从基地式通信设备天线设置点起3~15km距离内(若全距离在15km以内时，则算到该距离为止)的平均地面高度为hga，基地式通信设备天线中心的海拔高度为hts，根据hte hts-hga，求出基地通信设备天线高度hte，简单表示为ht。同样，通信设备天线高度hr，则是从路面高度算起，若无特殊注明，ht、hr均为上述含义。 |
图1-2 基站通信设备天线高度定义 |
▲(1)市区的电波传播 市区地一般是指大厦和两层以上建筑物稠密的地区，例如城市内大的街区以及建筑物和茂盛的高大树林混杂稠密的地区等。从地理上和社会上习惯说法的大、中，小城市都包括在市区地的范围之内。
当把基地式通信设备天线放在城市的某一定高度的建筑物上，使通信设备沿各个街道行进，测出电场强度的中值。实测结果表明，街道有形成“波导”的效应，最靠近基地式通信设备的横向和纵向街道内往往电平较高，随着远离基地式通信设备天线而逐渐下降。在那些高大建筑物之后，则往往电平突然降低形成“阴影”。为了估计无线电波的传输损耗，有必要在试验的基础上讨论中值场强随各种因素变化的情况。 |
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图1-3是在纽约、费城、东京三大城市中测出的传输损耗与距离的关系。这三处基本上都是在900MHz频段上测试的，基地式通信设备天线高度也基本相同，均在140m左右。从图中可以看出，虽然是在不同城市，但三条曲线的变化趋势却相同。若以自由空间传输损牦为标准，该传输损耗在30km的距离以内基本上比自由空间传输损耗大25~30dB，超过30km损耗逐渐增大，到50km处约比自由空间传输损耗大50dB左右，此后的传输损耗随距离增大而迅速上升。
似乎有这样一条近似规律；在d<15kmit寸，传输损耗大约和距离的4次方成比例，当50<d<100km，损耗迅速增加，大约和距离的5~6次方成比例。
市区内电波传输损耗与频率有很大关系。因为在城市中建筑物相当多，并多为高大的建筑物。由于波长愈短的电波，绕过障碍物的能力愈弱，所以频率愈高，传输损耗愈大。图表示市区内的传输损耗(相当于自由空间的传输损耗)与频率和距离的关系．其测试条件为hr=3m，ht=200m。
当然，传输损耗和基地式通信设备、通信设备的天线高度都有关系。如果是其它高度，则可用天线高度增益因子加以修正。例如在图中，若ht不等于200m，则这个高度增益因子在d=10~15km的范围内，大约和基地式通信设备天线高度的平方成比例(或20lght)，当d>30km时，大约和天线高度的三次方成比例(或30lght)。以上述规律为基础，绘制成ht=200m为基准的基地式通信设备天线高度增益因子曲线，如图1-5所示。 |
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当通信设备天线高度hr改变时，也可以利用图1-6进行修正。经实测发现，当hr低于3m时，天线高度增益因子与频率关系不大，当hr高于3m时，则与频率有较密切的关系。
此外，传输损耗还和建筑群的高度及分布状况、街道的纵横分布及宽度等都有关系，例如街道的宽度不同，传输损耗的数值相差可达10dB。总而言之，影响传输损耗的因素很多，我们这里就不一一介绍了。
以上数据皆取自日本人奥村(OKumura)所做的工作。我国有关部门也曾在北京等地作过一些测试，其结果表明与国外资料的数据基本相符，仅有1~2dB的差别。因此奥村所提供的曲线图表可作为城市地面通信设备通信系统的设计参考。
为了便于估算地面通信设备通信系统传输损耗值，根据奥村的报告，导出计算传输损耗的经验公式，其公式形式为 |
| Lb=αlgd+βlgf-γlght-α(hr)+k |
式中α、β、γ为相应各项的系数；k为常数项；α(hr)为通信设备天线高度因子的修正项，它与市区的规模以及工作频率都有关系。
在下述条件：频率f=150~1500MHz，基地式通信设备天线有效高度ht=30~200m，通信设备天线高度hr=1~10m，通信距离d=1~20Km，得出两无方向性天线之间的传输损耗经验公式，其表达式如下 |
| Lb=69.55+26.16lgf-13.82lght-a(hr)+[44.9-6.55lght]xlgd |
| 上式中，当hr=1.5m时，a(ho)=0。若不同的hr值，则可用通信设备高度系数a(hr)修正，其公式为 |
| 中小城市：a(hr)=(1.1lgf-0.7)hr-(1.56lgf-0.8)；大城市如下：
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以上公式中，hr单位为m，f单位为MHz。
▲(2)郊区与开阔地的电波传播 郊区地是指通信设备附近有障碍物但不稠密的地区，例如，树木、房屋稀落的田园地带和郊区公路网等。开阔地通常是指电波传播的方向上无高大树木、建筑物等障碍呈开阔状态的场地，作为大致的标准来说，就是前方300～400m以内，呈开阔状态的旱地、稻田或原野等。它们与城市相比，建筑物要矮，障碍物要少些，因此传输损耗(中值)也要少些。但是，由于道路两旁是较开阔的田地原野，稀落的建筑物等对电波有明显的反射作用(城市内多为漫射)，因此，移动式通信设备在行进中，其接收场强电平(中值)的变化较大，有时竟达30~40dB左右。
由奥村的研究发现，郊区与城市相比，两者传输损耗之差与距离、天线高度的关系不大，而与频率有较密切的关系。因此，只要计算出城市的传输损耗后、再加上郊区地的修正值即可。郊区地的电波传输损耗(中值)的经验公式为 |
| Lbs=Lb-Kr (dB) |
| 式中Lb为市区内的电波传输损耗(中值)；Kr为郊区的修正因子，其经验公式为Kr=2[lg(f/28)]2+5.4 |
kr~f曲线如图1-7所示。图中实线为由公式的计算值，虚线为奥村的实验曲线。两者吻合较好。
开阔地的电波传输损耗(中值)的经验公式为Lbo=Lb-Qr (dB) |
| 式中Qr为开阔地的修正因子，其表达式为Qr=4.78(lgf)2-18.33lgf+40.94 |
Qr~f曲线如图1-8所示，实线为由公式的计算值，虚线为奥村的实验曲线。
最后再次强调一下，计算Lb、Lbs和Lbo公式应用范围为：f=150~1500MHz,ht=30~200m，hr=1~10m，d=1~20km。若不符合上述条件，则会引起较大的误差，不合实用。 |
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| 图1-7 郊区地修正系数 图1-8 开矿地修正系数 |
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