在電磁兼容分析系統(tǒng)中應(yīng)如何選擇傳播模型？

一、簡介

在無線電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和干擾評(píng)估過程中，對(duì)于某項(xiàng)特定的任務(wù)，選擇一個(gè)非常適當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ屯鞘掷щy的，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生混亂。本文并非從區(qū)別不同傳播模型的差異出發(fā)，即建議用戶在何種環(huán)境下使用何種傳播模型；而是立足于闡明選擇不同傳播模型對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終結(jié)果的影響。為了清楚地說明這個(gè)問題，本文在干擾評(píng)估時(shí)采用了幾種潛在的傳播模型，分別是：

? 自由空間傳播模型

?ITU-R.P525/526 模型

?ITU-R.P1546 模型

這三種傳播模型都是日常工作中普遍使用的，下面將分別討論每一種模型對(duì)結(jié)果的影響，以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行綜合比較，以確定一個(gè)最合適的模型。

同時(shí)，我們還應(yīng)知道，上述三個(gè)模型中只有一個(gè)是專門的干擾模型，使用其他模型有可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

二、案例分析

下面例子基于一個(gè)簡單的無線環(huán)境，一個(gè)VHF 全向移動(dòng)發(fā)射臺(tái)（干擾源）和其他發(fā)射臺(tái)在同一地理區(qū)域工作；為了分析方便，只考慮同頻干擾。

移動(dòng)發(fā)射臺(tái)的技術(shù)參數(shù)基于現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)，具體參數(shù)如下：

＞ 發(fā)射功率：2W ；

＞ 天線損耗：8.5 dB （鞭狀天線的效率低，損耗大）；

＞ 工作頻率：50MHz ；

＞ 天線對(duì)地高度：2m ；

待分析的系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：

＞ 發(fā)射制式： 模擬FM；

＞ 在90%可靠通信度條件下，接收天線端靈敏度為14 dBμV/m（典型值）；

＞ 接收機(jī)擾動(dòng)干擾最低電平低于靈敏度門限7dB ，即7 dBμV/m ；

＞ 工作頻率：50MHz；

這種情況下，在欲收發(fā)射臺(tái)有效覆蓋區(qū)內(nèi)，只有在極端情況下會(huì)產(chǎn)生有害干擾；然而，這時(shí)系統(tǒng)基本可用，但鏈路中斷的風(fēng)險(xiǎn)將成為我們關(guān)注的重點(diǎn)。

另外，在地理環(huán)境選擇方面，確定為西北歐較普遍而典型的地勢起伏的鄉(xiāng)村地形；同時(shí)，由于分析是帶有普遍意義的，并非針對(duì)某個(gè)特定情況，因此并沒有考慮當(dāng)?shù)氐牡孛惨蜃印?/p>

從概念上來看， 這種場景類似于移動(dòng)軍用發(fā)射臺(tái)，或?yàn)楸銛y式，或?yàn)樾⌒蛙囕d臺(tái)。但其分析原理可適用于其他類似系統(tǒng)。

分析方法： 將干擾發(fā)射臺(tái)隨機(jī)放置在所處區(qū)域的任意位置，然后使用其中一種模型進(jìn)行場強(qiáng)預(yù)測。 （下面將提到，使用自由空間模型計(jì)算損耗時(shí)，地球半徑不變）。在覆蓋區(qū)的最遠(yuǎn)點(diǎn)，可能會(huì)產(chǎn)生干擾，干擾電平將用圖表顯示。具體分析如下：

自由空間計(jì)算公式如下：

Ls = 32.4 + 20 log（F） + 20 Log（d）

這里L(fēng)s 是損耗（單位：dB）

F 是頻率（單位：MHz）

D 是距離（單位：km）

最大損耗由干擾發(fā)射臺(tái)ERP 和最小干擾電平的差值決定；

ERP = 33 dBm — 8.5 dB = 24.5 dBm

最小干擾信號(hào)場強(qiáng)為7 dBμV/m，轉(zhuǎn)換成dBm （參考半波振子天線，阻抗50Ω），即是：–102dBm。

最大路徑損耗為：24.5 —（-102） = 126.5 dB。

應(yīng)用上述方程，計(jì)算出的干擾距離為1013 km。

現(xiàn)在，使用ITU-R.P525/526 和ITU-R.P1546 模型進(jìn)行計(jì)算，沿用前面的技術(shù)參數(shù)和系統(tǒng)特性。圖-1 為使用ITU- R.P525/526 模型的分析結(jié)果，考慮等效地球半徑8，500 km （k 因子取4/3）。

圖1 分析表明：在這種情況下，干擾電平產(chǎn)生的最遠(yuǎn)位置距離移動(dòng)發(fā)射臺(tái)96 km （該距離顯得大嗎？記得我們接收端使用較低的信號(hào)電平，距離大將導(dǎo)致欲收系統(tǒng)通信可靠性變差，還有可能對(duì)其他更弱信號(hào)鏈路產(chǎn)生潛在干擾。）

現(xiàn)在我們使用ITU- R.P1546 模型進(jìn)行同樣的分析。一開始，我們就需要對(duì)影響干擾的一 些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，因?yàn)槭褂媚Ｐ蜁r(shí)必須確定干擾標(biāo)準(zhǔn)，特別是圖2 中的兩個(gè)變量。

圖 1： 使用ITU-R.P525/526 預(yù)測場強(qiáng)和距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2： 需要指定時(shí)間和地點(diǎn)變化概率（即可靠度）

此時(shí)，我們假設(shè)分析在10% 的地點(diǎn)概率和 1% 的時(shí)間概率下的信號(hào)電平，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3： 使用ITU-R.P1546 預(yù)測場強(qiáng)和距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 結(jié)果表明：ITU-1546 模型計(jì)算方法能檢測到干擾信號(hào)（7dBuV/m）的最遠(yuǎn)點(diǎn)是距移動(dòng)發(fā)射臺(tái)246km 處。

綜上所述，移動(dòng)發(fā)射臺(tái)在三種不同模型下產(chǎn)生的潛在干擾距離可概括如下：

很明顯，上述三個(gè)模型計(jì)算結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，下面將分別闡述三個(gè)傳播模型的含義及其分析方法的優(yōu)劣。

1．自由空間模型計(jì)算方法

該方法計(jì)算的結(jié)果值最大（1062km），超過了1，000 km。從積極的一面來說，距離值越大，意味著接收機(jī)經(jīng)受干擾的概率越低（雖然這么遠(yuǎn)的距離也會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)管效應(yīng)或偶發(fā)E 層的干擾）；這種潛在干擾信號(hào)在臨近最大距離點(diǎn)處的產(chǎn)生影響的可能性也是非常低的。 因此，在大多數(shù)情況下，使用這種頻率復(fù)用度較低的方法將導(dǎo)致頻譜利用效率低下，從頻譜需求角度考慮，該方法是不可取的。

2．ITU-R.P525/526 計(jì)算方法

該方法計(jì)算的結(jié)果值最小（96km） ，小于100km，頻譜利用效率高，是否最優(yōu)秀呢？答案是否——該模型存在許多缺陷：尤為重要的是，該模型主要考慮地形的影響，唯一的大氣校正因子是地球的有效半徑（我們?nèi)〉厍蚯誓J(rèn)值 ，K= 4/3）。實(shí)際上，對(duì)于50% 的時(shí)間概率， 地球曲率已經(jīng)超過了上述典型值，導(dǎo)致非預(yù)期的干擾。我們能通過變換地球的有效半徑，以糾正地球曲率， 選擇更大的K 因子（雖然所設(shè)值很少見）；但即便如此，也不可能解決全部因素的影響。使用該模型主要不足在于兩點(diǎn)：首先，我們可能低估了干擾的可能性；

其次，使用該方法很難評(píng)估預(yù)期值在實(shí)施過程中是否超過。這兩點(diǎn)都將直接導(dǎo)致干擾風(fēng)險(xiǎn)的增加。 這種風(fēng)險(xiǎn)，既難預(yù)計(jì)，也難處理。

3．ITU-R.P1546 計(jì)算方法

ITU-R.P1546 是專門的干擾模型，和其他兩種模型相比，具有顯著的優(yōu)勢。首先，它使用實(shí) 際信號(hào)傳播的測試結(jié)果，這點(diǎn)和ITU-R.P525/526 是截然不同的。而ITU-R.P525/526 卻主要 依賴與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的物理鏈路。這意味著該模型集成了所有傳播環(huán)境的影響因素， 包括那些不經(jīng)常發(fā)生的及間歇的干擾，例如導(dǎo)管效應(yīng)。對(duì)于干擾模型來說，這些因素都是非 常重要的，對(duì)所有傳播環(huán)境在全年內(nèi)變化的綜合考慮也正是該模型的價(jià)值所在。第二個(gè)主要 優(yōu)勢是：該方法使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將主要精力集中在思考在設(shè)定的時(shí)間概率和地點(diǎn)概率上可接受 的干擾電平是多少？使用該模型須依靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇合適的時(shí)間概率和地點(diǎn)概率，因此 須審慎考慮。處理正確， 意味著干擾風(fēng)險(xiǎn)不僅能正確評(píng)估，也能被清醒地控制或規(guī)避。選 擇合適的時(shí)間概率和地點(diǎn)概率還能對(duì)頻譜利用效率的提高產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。如圖 4 所示， 不同的時(shí)間概率和地點(diǎn)概率對(duì)應(yīng)著不同的干擾距離。

圖4： 時(shí)間、地點(diǎn)概率的綜合選擇和干擾距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系

三、結(jié)論

本文為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在兩個(gè)矛盾的主體——頻譜利用效率（頻率復(fù)用盡可能高）和最小干擾概率 （盡量提高同頻臺(tái)隔離距離）方面獲得折衷提供了一套切實(shí)可行解決方法。

然而，具體采用哪種傳播模型，最終將取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者——綜合考慮影響通信系統(tǒng)的各種因素，再作出抉擇。但是，ITU- R.P1546 模型能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者為平衡多種干擾因素提供了一個(gè)非常友好的工具——這一點(diǎn)，是其他兩種模型尚不具備的。

最后需要說明的是：本文中為方便理解所列的技術(shù)參數(shù)均為典型值，并非真實(shí)數(shù)據(jù)，切不可應(yīng)用于各種實(shí)際技術(shù)方案。