使用Okumura-Hata模型曲线法进行无线通信优化

下面介绍在移动通信公网设计中常用的Okumura-Hata、COST231及通用校正预测模型，并以Okumura-Hata模型为例，介绍利用模型进行预测的计算方法。

Okumura-Hata模型是Okumura在20世纪70年代依据日本东京地区城市实测资料进行统计分析得出的经验模型，并由Hata进一步整理为计算公式。至今，在已总结出的适用移动通信的电磁波传播模型中，它提供的数据比较齐全，得到了较广泛的认可和应用。

Okumura-Hata模型的特点是以准平滑大城市市区的中值传输损耗为基础，对其他传播环境及地形条件等因素分别用修正因子进行修正。另外，它分别以曲线和公式两种形式给出，使用起来非常方便。

Okumura-Hata模型适用于宏蜂窝的预测，具体的适用范围是：

1）频率f：150～1500MHz。

2）通信距离d：1～20km。

3）基站天线有效高度h_b：0～200m。

4）移动台天线有效高度h_m：1～10m。

Okumura模型得到了广泛认可，并列入了CCIR5672号报告。下面介绍它的使用方法。

1.曲线法

可以通过查曲线的方法得到系统电波的中值传输损耗，步骤如下。

（1）计算准平滑大城市市区的中值传输损耗

准平滑大城市市区的中值传输损耗与频率、通信距离以及收发信机天线有效高度有关，可用式（1-2-34）表示：

L_T=L_fs+A_m（f，d）-H_b（h_b，d）-H_m（h_m，d）（1-2-34）

式中，L_T为给定传输条件下准平滑大城市市区的中值传输损耗；L_fs为自由空间的传输损耗；A_m（f，d）为在大城市市区；h_b=200m、h_m=3m时相对L_fs的中值传输损耗；H_b（h_b，d）为基站天线高度相对h_b=200m时的增益因子，是距离d的函数；H_m（h_m，d）为移动台天线高度相对h_m=3m时的增益因子，是频率f的函数。

当基站天线有效高度h_b=200m，移动台天线有效高度h_m=3m时，准平滑大城市市区中值传输损耗与距离d和频率f的关系A_m（f，d）如图1-2-12所示。如果f=450MHz、d=10km，由图1-2-12可以查得A_m（450，10）=27.5dB（见图1-2-12）。

注意：

1）查图时，注意每条曲线的含义；

2）在查询时对应的A_m（f，d）值对应为最左边的纵坐标值。

图1-2-12 相对L_fs的中值传输损耗A_m（f，d）

若基站天线有效高度不是200m，则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子H_b（h_b，d）表示。可利用图1-2-13查出修正因子H_b（h_b，d），对基本损耗中值加以修正，它称为基站天线高度的增益因子。

图1-2-13 基站天线高度增益因子H_b（h_b，d）

图1-2-12是以h_b=200m、h_m=3m作为0dB参考的。H_b（h_b，d）反映了由于基站的天线高度变化是图1-2-13中预测值产生的变化量。显然：

当基站天线高度h_b=200m时的增益因子H_b（h_b，d）=0dB。

当基站天线高度h_b>200m时的增益因子H_b（h_b，d）>0dB。

当基站天线高度h_b<200m时的增益因子H_b（h_b，d）<0dB。

同样，移动台天线高度相对于h_m=3m时的增益因子H_m（h_m，d）如图1-2_-14所示。由图1-2-14可见，它不仅与天线高度有关，而且与工作频率及传播环境有关。

当移动台天线高度h_m=3m时的增益因子H_m（h_m，d）=0dB。

当移动台天线高度h_m>3m时的增益因子H_m（h_m，d）>0dB。

当移动台天线高度h_m<3m时的增益因子H_m（h_m，d）<0dB。

（2）计算不同环境及不规则地形上的中值传播损耗

对于不是准平滑大城市市区的传播环境以及特殊的传播路径，中值传输损耗应在准平滑大城市市区中值传输损耗的基础上，加上适当的修正因子进行校正。

图1-2-14 移动台天线高度增益因子H_m（h_m，d）

如前所述，除市区外，还有郊区和开阔地的传播环境。不规则地形则主要包括丘陵地形、斜坡地形、水陆混合地形及孤立山岳四种。不同环境及不规则地形上的中值传输损耗可用式（1-2-35）表示：

L_M=L_T-K_T （1-2-35）

式中，L_T为中等起伏的市区传播损耗中值；K_T为地形、地物修正因子，一般可写成

K_T=K_mr+Q_o^-Qr+Kh+Khf+K js+Ksp+Ks（1-2-36）

式中，K_mr为郊区地形修正因子，可由图1-2-15查得；Q_o、Q_r为开阔地、准开阔地修正因子，可由图1-2-16查得；K_h，K_hf为丘陵地形修正因子及丘陵地形微小修正因子，可由图1_-2-17和图1-2-18查得；K_js为孤立山岳修正因子，可由图1-2-19查得；K_sp为斜坡地形修正因子，可由图1-2-20查得；K_s为水陆混合地形修正因子，可由图1-2-21查得。

1）郊区衰减中值的预测

郊区的建筑物一般是分散的、低矮的，故传播条件优于市区，郊区场强中值和基准场强中值之差称为郊区修正因子K_mr，如图1-2-15所示。K_mr随频率和距离而变化，但与基站天线有效高度的关系不大，K_mr越大，说明传播条件越好。

郊区衰减中值可在准平滑市区的衰减中值基础上，减去郊区修正因子K_mr即可。

2）开阔地、准开阔地的修正因子

图1-2-16所示为开阔地、准开阔地的修正因子曲线。Q_o为开阔地修正因子曲线，Q_r为准开阔地的修正因子曲线，仅与频率和距离有关。开阔地由于其接收条件好，信号中值比市区高出约20dB。

图1-2-15 郊区修正因子

图1-2-16 开阔地、准开阔地的修正因子曲线

开阔地衰减中值可在准平滑市区的衰减中值基础上，减去相应的修正因子Q_o/Q_r即可。

注意：某一地形不可能既是市区地形，又是郊区地形，因此，市区、郊区、开阔地/准开阔地的修正因子是相互排斥的，在计算中只能根据需要使用其中一个。另外，因为郊区、开阔地/准开阔地的修正因子均为增益因子，计算衰耗时应减去。

3）不规则地形修正因子

①丘陵地形的修正因子

丘陵地形参数为“地形起伏高度Δh”，指自接收移动台向发射的基站方向延伸10km的范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差，如图1-2-17所示。图1-2-17中示出了以Δh为参数而变化的修正因子K_h。丘陵地形，修正因子分为两项，还有一项称为丘陵地形微小修正因子K_hf，主要是考虑在丘陵中，谷底与山峰处的屏蔽作用不同而设立的，其随Δh变化的曲线如图1-2-18所示，靠近山峰处，K_hf取负值；靠近山谷处，K_hf取正值。当计算丘陵地形不同地点的场强中值时，先按图1-2-17修正，再按图1-2-18修正。

②孤立山岳的修正因子

当电波传播路径上有近似刀形的单独山岳时，其背后的场强计算应考虑其绕射衰减。绕射衰减的修正因子K_js在山岳高度H为200m时，以山岳到发射点的距离d₁、到接收点的距离d₂为参数，变化曲线如图1-2-19所示。

图1-2-19中给出了d₁的三种值的曲线，其他值可用内插法估计。若山岳高度H≠200m，则需乘上高度影响系数即修正因子变为“αK_js”。在图1-2-19中表示在使用450～900MHz频段、山岳高度H=110～350m范围时，由实测所得的孤立山岳的修正因子K_js的曲线。

图1-2-17 丘陵地的修正因子曲线

图1-2-18 丘陵地形微小修正因子曲线

图1-2-19 孤立山岳修正因子曲线(www.xing528.com)

③斜坡地形的修正因子

斜坡地形是指在5～10km内地形倾斜，在电波传播方向上，若地形逐渐增高，称为正斜坡，倾角为+θ_m；否则称为负斜坡，倾角为-θ_m。θ_m单位为毫弧度（mrad）。斜坡地形修正因子K_sp如图1-2-20所示。K_sp还与收发天线之间的距离d有关，图1-2-20中给出了三种距离的曲线，其他距离同样可用内插法估计。

④水陆混合地形的修正因子

在电波传播路径上如遇有湖泊或其他水域，其接收信号的强度比全是陆地时高，即接收信号的路径损耗中值比单纯陆地传播时要低。

图1-2-21 水陆混合地形修正因子曲线

图1-2-20 斜坡地形修正因子曲线

如图1-2-21所示，该种地形以水面距离d_sr与全距离d的比值（d_sr/d）作为地形参数，纵坐标为水陆混合地形的修正因子K_s。图中曲线A（实线）表示水面位于移动台一方时混合路径的修正因子；曲线B（虚线）则表示水面位于基站一方的情况。当水面在传播路径中间时，则取曲线的中间值。

4）其他因素的影响

①街道走向修正因子（K_af/K_ac）

市区的场强中值还与街道走向有关，其修正因子如图1-2-22所示。当电波传播方向与街道走向平行，即在纵向路线上时，修正因子K_af为正值，表示其场强中值高于基准场强中值；当电波传播方向与街道走向垂直，即在横向路线上时，修正因子K_ac为负值，表示其场强中值低于基准场强中值。

图1-2-22 市区街道走向修正值

②建筑物的穿透损耗

各个频段的电波穿透建筑物的能力是不同的，一般来说波长越短，穿透能力越强，同时各个建筑物对电波的吸收能力也是不同的。不同的材料、结构和楼房层数，其吸收损耗的数据都不一样。表1-2-2给出建筑物地面层的穿透损耗。

一般的传播模型都是以街心或空阔地面为假设条件，如果移动台在室内使用，计算传播损耗和场强时，需把建筑物的穿透损耗也计算进去，才能保持良好的可通信率。即L_b=L_o+L_p，式中L_b为实际路径损耗中值；L_o为街心的路径损耗中值；L_p为建筑物的穿透损耗。图1-2-23所示为信号损耗与楼层高度的关系。

图1-2-23 信号损耗与楼层高度的关系

表1-2-2 建筑物地面层的穿透损耗

③植被损耗

树木、植被对电波有吸收作用。在传播路径上，由树木、植被引起的附加损耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树林的路径长度等多方面的因素。大片森林对电波传播产生的附加损耗如图1-2-24所示。

图1-2-24中两条曲线分别对应于不同极化波，一般垂直极化波比水平极化波的损耗要稍大些。在城市中，由于树林、绿地与建筑物往往是交替存在着的，所以，它对电波传播引起的损耗与大片森林对电波传播引起的损耗是不同的。

图1-2-24 森林对电波传播产生的附加损耗

④隧道中的传播损耗

移动通信的空间电波传播在遇到隧道等地理障碍时，将受到严重的衰落而导致不能通信，空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的损耗，如图1-2-25所示，曲线A是160MHz时，隧道内两半波偶极子天线间的电波传输损耗；曲线B为200Ω平衡波导线的损耗。

图1-2-25 隧道中的传播损耗

由图1-2-25可知，在隧道中，中等功率通信设备间的通信距离，在通常情况下为200m左右，在理想条件下不超过300m。当通信系统中的一方天线在隧道外时，则由于地形、地物的阻挡，通信距离还要大大缩短。电波在隧道中的损耗还与工作频率有关，频率越高，损耗越小。这是由于隧道对较高频率电波形成了有效的波导，因而使传播得到改善。当隧道出现分支或转弯时，损耗会急剧增加，弯曲度越大，损耗越严重。

【提高】

【例1-2-2】设基站天线有效高度为60m，移动台天线高度为1.5m，工作频率为900MHz，在准平滑市区，通信距离为20km时，其传播路径上的传播损耗中值为多少？

解：

【分析】：给出条件符合Okumura-Hata模型的使用条件，且其工作地形、地物为准平滑市区。

自由空间传播损耗L_fs=32.45+20lgf+20lgd

=（32.45+20lg900+20lg20）dB

=117.56dB

【注意问题】

此公式中频率f单位为MHz；距离d单位为km。

查图1-2-12得A_m（f，d）=33dB，H_b（h_b，d）=-11dB，H_m（h_m，f）=-2.5dB。

根据已知条件，K_T=0，则传播损耗中值为

L_T=L_fs+A_m（f，d）-H_b（h_b，d）-H_m（h_m，f）

=[117.56+33-（-11）-（-2.5）]dB

=164.06dB

【例1-2-3】若将例1-2-2中的地形改为郊区、正斜坡地形，且θ_m=15mrad，其他条件不变，则传播损耗中值为多少？

解：

查图1-2-15和图1-2-20得K_mr=9dB，K_sp=4dB。

根据地形可得K_T=K_mr+K_sp，则传播损耗中值为

L_M=L_T^-KT

=L_T-K_mr-K_sp

=（164.06-9-4）dB

=151.06dB

2.Okumura传播路径损耗经验公式（公式法）

根据Okumura的各种传播路径损耗经验曲线，可归纳出一个传播路径损耗经验公式如下

L_M=69.55+26.16lgf_c-13.826lgh_b-a（h_m）+（44.9-6.55lgh_b）lgd（dB） （1-2-37）

式中，a（h_m）为移动台天线修正系数。中小城市的修正因子a（h_m）为

a（h_m）=（1.11lgf_c-0.7）h_m-（1.56lgf_c-0.8） （1-2-38）大城市的修正因子a（h_m）为

a（h_m）=3.2lg²11.57h_m-4.97f_c≥400MHz

a（h_m）=8.29lg²1.54h_m-1.1f_c≤200MHz （1-2-39）

在式（1-2-37）中h_m以1.5m为基准，大城市是指建筑物高度大于15m的城市。载波频率f_c单位为MHz，基站天线高度h_b和移动台天线高度h_m的单位为m。式（1-2-37）的适用范围是：f_c为150～1000MHz；h_b为30～200m；h_m为1～10m；d为1～20km。

式（1-2-37）是根据Okumura准平滑大城市市区传输曲线模型归纳出来的。因此，对于其他传输环境，仍然要按前述修正因子进行修正。对于郊区及开阔地等修正因子Hata也在修正的基础上给出了部分公式，但Hata模式没有考虑Okumura报告中的所有地形修正。Hata模式适用于大区制移动系统，不适合覆盖距离不到1km的个人通信系统。