徐文杰,周新力,吳龍剛

(海軍航空工程學(xué)院,山東煙臺(tái)264001)

0 引言

Longley-Rice模型是由Longley和Rice提出的著名模型,它是一種統(tǒng)計(jì)模型,以傳播理論為依據(jù),同時(shí)結(jié)合了數(shù)千組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),因此稱(chēng)其為半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型[1]。由于該模型以傳播理論為依據(jù),加上及其豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),使其得到了廣泛的應(yīng)用。但是Longley-Rice模型沒(méi)有考慮接收機(jī)附近的因素[2]以及多徑的影響,所以預(yù)測(cè)精度存在一定的誤差。這里旨在建立一種模型,讓接收機(jī)附近的因素包含在Longley-Rice模型中,使模型更加完善,精度得到響應(yīng)的提高。

1 Longley-Rice模型

Longley-Rice模型被稱(chēng)為不規(guī)則地面模型(ITM),它預(yù)測(cè)了自由空間中由地形的非規(guī)則性造成的中值傳輸衰落。該模型的計(jì)算基于計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)模型,可以用來(lái)仿真計(jì)算30 MHz信號(hào)的模擬預(yù)測(cè),以傳播理論為依據(jù),同時(shí)結(jié)合了數(shù)千組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),因此稱(chēng)其為半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。Longley-Rice模型預(yù)測(cè)損耗值的計(jì)算基于不同傳播范圍:

①在視距內(nèi),以反射傳播機(jī)制為主,采用雙線地面反射模型用于模擬地平線以內(nèi)的傳輸場(chǎng)強(qiáng);

②在超視距,以衍射傳播機(jī)制為主,但對(duì)于不規(guī)則地形,有2種理論用于計(jì)算衍射損耗,它們分別適用于非球形但光滑的地面和非常不規(guī)則的地面,用Fresnel-Kirchoff刃形模型計(jì)算,超視距衍射損耗計(jì)算結(jié)果是以上兩種理論計(jì)算結(jié)果的加權(quán);

③對(duì)于更遠(yuǎn)距離(大大超出地平線),以散射傳播機(jī)制為主,用前向散射理論對(duì)長(zhǎng)距離對(duì)流散射進(jìn)行預(yù)測(cè)。

Longley-Rice模型中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大多數(shù)取自10～1 000 MHz的頻率范圍,其中20～100 MHz的數(shù)據(jù)涉及5～50 km的距離和1～9 m的收、發(fā)信天線高度;較高頻段的數(shù)據(jù)涉及5～1 000 km的距離,10～1 500 m的發(fā)射天線高度和3～9 m的接收天線高度。數(shù)據(jù)來(lái)源于世界各地,但主要是美國(guó),多數(shù)為移動(dòng)記錄結(jié)果。Longley-Rice模型給出了參考衰減值的計(jì)算公式及不同環(huán)境下相關(guān)修正因子的詳細(xì)說(shuō)明,公式中所使用的參數(shù)包括:不規(guī)則地形參數(shù)、頻率、收發(fā)信機(jī)天線高度和表面折射率等。同時(shí)還引入了反映介質(zhì)特性的2個(gè)參數(shù):介電常數(shù)和導(dǎo)電率。

以傳播理論為依據(jù),加上極其豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),使得Longley-Rice模型使用范圍得到了拓展,其適用范圍如下:

①頻率范圍:20～40 000MHz;

②收發(fā)信機(jī)天線高度:0.5～3 000 m;

③覆蓋半徑:1～2 000 km;

④表面折射率:250～400 Ns。

Longley-Rice模型有2種模式。當(dāng)?shù)匦温窂綌?shù)據(jù)很詳細(xì)時(shí),特定路徑參數(shù)就很容易被確定。這種預(yù)測(cè)方式為“點(diǎn)到點(diǎn)預(yù)測(cè)”。如果地形數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確,可以利用Longley-Rice模型估計(jì)特定參數(shù)的值,這種預(yù)測(cè)方式為“區(qū)域預(yù)測(cè)”。

Longley-Rice模型給出了超過(guò)自由空間的傳輸損耗Lfs的用戶自定義公式。本模型的輸出即為超過(guò)自由空間的傳輸損耗參考中值。

式中,dmin＜d＜dLs為視距傳播距離,dLs＜d＜dx為衍射傳播距離,d＞dx為散射傳播距離。

Longley-Rice預(yù)測(cè)模型主要有以下參數(shù):

①天線極化方式:可以采用水平極化或者垂直極化。Longley-Rice模型中假設(shè)發(fā)射天線和接受天線具有相同的極化方式;

②折射率:空氣的折射率決定了無(wú)線電波的“彎曲”程度。在一般的模型中,空氣折射率用地面有效曲率來(lái)代替,通常取1.333。在本模型中,空氣折射率可通過(guò)下式來(lái)計(jì)算:

式中,K為地表曲率值;Ns為空氣的折射率;

③介電常數(shù):地面的相對(duì)介電常數(shù) ε和電導(dǎo)率。其典型值如表1所示。

Longley-Rice模型中考慮了7種氣候:①近赤道氣候(如:剛果);②亞熱帶大陸性氣候(如:蘇丹);③亞熱帶海洋性氣候(如:非洲西海岸);④沙漠氣候(如:撒哈拉沙漠);⑤溫帶大陸性氣候;⑥溫帶海洋性氣候(陸地上)(如:英國(guó));⑦溫帶海洋性氣候(海上)。

表1 地面的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率

在Longley-Rice模型中,溫帶大陸性氣候?yàn)闇貛У貐^(qū)大片陸地上的典型氣候,其典型特征為顯著的氣溫變化和四季交替。在中緯度沿海地區(qū),強(qiáng)大的海風(fēng)為大陸帶來(lái)了濕潤(rùn)的空氣,因此這里主要是溫帶海洋性氣候。英國(guó)、美國(guó)西海岸和歐洲部分地區(qū)就是這種氣候的典型代表。對(duì)于小于100 km的傳播路徑而言,溫帶大陸性氣候和溫帶海洋性氣候造成的差別微乎其微。但是對(duì)于更長(zhǎng)的路徑而言,溫帶海洋性氣候帶來(lái)了更多的折射,使得在約10%的時(shí)間內(nèi)其場(chǎng)強(qiáng)大于溫帶大陸性氣候。

2 Longley-Rice模型的改進(jìn)

由于Longley-Rice模型不能反映接收機(jī)附近的路徑損耗情況,為了使模型更加完善,提高預(yù)測(cè)的精度,作者對(duì)Longley-Rice模型做了改進(jìn),用等效散射模型描述了接收機(jī)附近的路徑損耗情況。

由于接收機(jī)天線的高度通常很低,電波在傳播過(guò)程中會(huì)遇到各種障礙物、樹(shù)木以及起伏的地形,引起了電波的反射、折射和繞射,于是到達(dá)接收機(jī)的電波是上述電磁波的疊加,如圖1所示。

圖1 電波的傳播模型

采用等效的散射體來(lái)描述接收機(jī)附近的電波傳播情況,在該模型中,有n個(gè)等效散射體分布在接收機(jī)附近以r為半徑的圓上,其中有一個(gè)散射體在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的視線傳播路徑上,如圖2所示。

圖2 等效散射模型

第n條路徑的電波到達(dá)角度為:

式中,d為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離。

由 θi、d和r可以確定第n條路徑的長(zhǎng)度為:

于是將各個(gè)路徑的損耗疊加可以求得n條路徑的總損耗為:

式中,li為第i條路徑的損耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)Longley-Rice模型做了改進(jìn),考慮接收機(jī)附近的因素以及多徑的影響,建立了接收機(jī)附近的散射模型,使得Longley-Rice模型更加完善,減小了電波傳播損耗計(jì)算的誤差,提高了電波傳播預(yù)測(cè)的精度。

[1]徐紅艷,尉明明,馮玉珉.海上移動(dòng)通信預(yù)測(cè)模型的選擇[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,29(2):65-68.

[2]吳志忠.移動(dòng)通信無(wú)線電波傳播[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[3]楊大成.移動(dòng)傳播環(huán)境:理論基礎(chǔ)、分析方法和建模技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2003.