（鄭州科技學院，河南鄭州市，450064）

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)的應(yīng)用已深入到社會的各個角落。無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性，進行信息交換的一種通信方式。這一技術(shù)的發(fā)展受到各種因素的限制，掌握電磁波的傳播特性能夠更好的發(fā)展無線通信技術(shù)。

早在90年代，前人就開始研究電磁波在不同場景下的傳播特性，包括開闊的平原地帶、空間限定的巷道隧道、水下環(huán)境中、雨霧散射環(huán)境中、高速移動環(huán)境等，得出了不少結(jié)論[1-3]。當前，城市環(huán)境中無線通信技術(shù)的發(fā)展正成為一個高度關(guān)注的問題，在城市環(huán)境中，包含大量的商業(yè)街區(qū)和居民住宅區(qū)，這些區(qū)域高樓林立、排布有序，由于受到地理條件的限制，電波傳播特性有別于開闊平原地帶。對城市環(huán)境中電波傳播特性的研究有利于對電磁波在路徑上的傳播損耗的分析，也有利于移動通信基站的選址和優(yōu)化。研究電磁波在城市環(huán)境中的傳播特性，首先將傳播環(huán)境理想化，建立電磁波傳播模型，然后在模型的基礎(chǔ)上結(jié)合軟件加以研究，分析不同因素對電磁波傳播的影響。

1 城市環(huán)境電磁波傳播模型

城市中的建筑物大體可劃分為兩種類型。第一種是統(tǒng)一規(guī)劃、整齊排布的等高、等間距的居民聚集區(qū)。將這種情況理想化，該模型中各個建筑物高度相同，前后樓間距相同，均坐落在同一水平線上。第二種是以地標大廈為中心、裙樓圍繞的商業(yè)中心，越靠近中心大廈，樓高越高，密度越大。將這種情況理想化，將其視為起伏地形下的等高、等間距建筑物。

1.1 Hata模型

Masaharu-Hata 在前人的基礎(chǔ)上，通過大量分析得出了一組路徑損耗經(jīng)驗公式——Hata 模型。對于城市環(huán)境，Hata模型[5]的計算公式如下：

其中，Ahm是有效天線高度的修正因子，該因子是關(guān)于覆蓋區(qū)域大小的函數(shù)，按照區(qū)域內(nèi)障礙物的分布密度以及阻擋程度，該因子的計算公式可分為：

式中：LP表示從基站到移動臺的路徑損耗，單位為dB；f 表示電磁波的頻率，單位為MHz；hb表示基站發(fā)射天線的高度，單位m；hm表示移動臺接收天線的高度，單位m；d表示發(fā)射天線與接收天線之間的距離，單位km。

Hata 模型的適用于電磁波工作頻率為150～1000MHz，基站發(fā)射天線的高度在30～200m，接收天線的高度在1～10m，發(fā)射天線與接收天線的距離1～20km。

1.2 Cost231-Hata分析模型

Cost231-Hata 分析模型[6]是陸地移動無線電發(fā)展歐洲委員會Cost231傳播模型小組根據(jù)Okumura-Hata 模型，結(jié)合長期的實驗數(shù)據(jù)進行修正，使得Hata 模型進一步擴展為適用于基站高度高于周圍建筑物的大或小宏蜂窩環(huán)境，并將電磁波工作頻率擴大到1 500～2 000MHz 的特高頻段。該模型的計算公式如下：

其中，Ahm=（1.1log10f-0.7）hm-（1.56log10f-0.8），Cm為城市修正因子，根據(jù)研究小組得到的結(jié)論，對于樹木密度適中的中等城市以及郊區(qū)的中心地帶Cm取值為0dB，而對于大型城市中心Cm取值則為3dB。

2 數(shù)據(jù)仿真與分析

對于不同規(guī)模的城市以及城市的不同地區(qū)，電磁波在其中傳播的損耗各不相同，受到電磁波工作頻率、傳播距離、發(fā)射天線高度、接收天線高度等因素的影響，分別通過Matlab仿真分析。

2.1 電磁波頻率對傳播損耗的影響

對比Hata 模型和Cost231-Hata 模型可以發(fā)現(xiàn)，兩種模型適用的電磁波頻率范圍不同，前者適用于150～1 000MHz頻率相對較低的工作場景，后者適用于1 500～2 000MHz 頻率相對較高的工作場景。仿真軟件選取基站發(fā)射天線高度為40m，移動臺接收天線高度為1.8m，接收天線與發(fā)射天線之間的距離為10km，結(jié)合兩種模型進行仿真，可以發(fā)現(xiàn)隨著電磁波頻率的增加，傳播損耗值逐漸增大，當頻率處于高于一定值的相對高頻范圍，其損耗值明顯小于相對低頻范圍內(nèi)的值。

2.2 距離對傳播損耗的影響

當移動臺接收天線距離基站發(fā)射天線的范圍小于1km時，兩種模型均不適用。這是因為對于距離發(fā)射天線較近的近場區(qū)而言，電磁波的傳播受到多種傳播機制的影響，此區(qū)域內(nèi)的電場強度變化較為隨機，故現(xiàn)在選取基站發(fā)射天線高度為40m，移動臺接收天線高度為1.8m，分別仿真電磁波工作頻率為900MHz 和1 800MHz 兩種頻率下，傳播距離與傳播損耗的關(guān)系。通過仿真得出隨著傳播距離的增加，損耗也隨之增大。

2.3 發(fā)射天線高度對傳播損耗的影響

移動通信基站是無線電臺站的一種形式，是指在一定的無線電覆蓋區(qū)中，通過移動通信交換中心，與移動臺接收終端之間進行信息傳遞的無線電收發(fā)射天線。通常是以發(fā)射臺或者建立在高樓樓頂?shù)陌l(fā)射裝置，其高度一般在30～200m 的范圍內(nèi)，現(xiàn)選取移動臺接收天線高度為1.8m，接收天線與發(fā)射天線之間的距離為10km，分別仿真電磁波工作頻率為900MHz 和1 800MHz 兩種頻率下，發(fā)射天線高度與傳播損耗的關(guān)系。通過仿真得出電磁波在同等環(huán)境下傳播，發(fā)射天線低時，電磁波的傳播損耗大；發(fā)射天線高時，電磁波的傳播??；同一環(huán)境下，隨著天線高度的不斷增高，電磁波傳播的損耗逐漸減小。

2.4 接收天線高度對傳播損耗的影響

隨著無線通信技術(shù)的不斷普及，當前移動通信用戶規(guī)模不斷擴大，這些用戶攜帶的接收設(shè)備就是城市環(huán)境中一個個分散的電磁波接收天線。這些接收天線的高度范圍隨著用戶的移動而發(fā)生變化，因而有必要研究分析接收天線的高度對電磁波傳播損耗的影響?，F(xiàn)選取基站發(fā)射天線高度為40m，接收天線與發(fā)射天線之間的距離為10km，分別仿真電磁波工作頻率為900MHz 和1 800MHz 兩種頻率下，接收天線高度與傳播損耗的關(guān)系。通過仿真得到，接收天線高度越低，電磁波損耗越大，當接收天線的高度逐漸接近發(fā)射天線的高度時，損耗越小。

3 結(jié)論

通過對電磁波在城市環(huán)境中傳播特性的分析，結(jié)合Hata和Cost231-Hata經(jīng)驗模型，分別從以上四個方面得出結(jié)論：電磁波工作頻率變化，城區(qū)與郊區(qū)環(huán)境下傳播損耗均隨之發(fā)生變化，頻率越高，衰減越大；傳播距離的增加也將對衰減有影響，距離越大，衰減越大；發(fā)射天線與接收天線的位置不同，對電磁波的傳播衰減影響也不容忽視，當接收天線的高度逐漸接近發(fā)射天線的高度時，損耗也逐漸減小。電磁波在城市環(huán)境下的傳播特性經(jīng)實驗數(shù)據(jù)驗證，規(guī)律一致。