国际电联电波传播标准研究与启示.pdf

标准化研究Standardization Research信息技术与标准化http:/301 电波传播概述电波传播是指无线电信号遇到各种环境时所产生的传播效应，包括地球、地球大气层、宇宙空间、人类活动等对无线电波传播产生影响，这些对无线电波产生影响的环境也称为电波环境。地球及其大气环境对信息系统的无线电信号产生吸收、散射、折射等传播效应，导致无线电信号的衰减、射线弯曲、闪烁衰落、时延、去极化、反常传播等(如图 1所示)，直接影响信息系统作用距离、探测概率、定位精度和通信质量等工作性能。电离层暴、强电离层闪烁等反常电波环境甚至可引起短波系统、卫星通信和卫星导航等重要系统信号中断，导航定位、测控和雷达探测等定位精度严重下降。电波传播特性的分析和预测是无线电系统设计、频谱管理的重要基础，为使无线电系统可靠工作，必须首先摸清电波在传播路径上所有因素的影响。如果低估了电波传播的影响，轻则不能达到预期的系统可靠性要求，重则可能导致系统失效；如果高估了电波传播的影响，势必增加系统的成本和复杂度，既造成浪费、增加技术难度，同时也会对其他系统产生干扰。国际电信联盟无线通信局第三研究组(ITU-R Study Group 3，SG3)，其主要任务是研究电离和非电离介质中无线电波的传播及无线电噪声特性，形成电波传播国际标准，体现了国际上电波传播研究的最高水平，为无线通信系统规划设计、系统间干扰与兼容性分析和系统性能评估提供依据。ITU-R SG3的研究范围涉及到电波传播研究的各个方面，反映了全球范围内各种无线电业务对电波传播研究和预测的需求和方向。编辑：贾静宇E-mail:项目来源：国家自然科学基金项目“雨衰减研究中降雨参量统计特征分析与建模方法研究”，项目编号：61971385。中国电波传播研究所 林乐科 赵振维 滕晓光Research and Enlightenment of ITU Radio Wave Propagation Standard摘要 国际电信联盟无线通信局(ITU-R)电波传播标准是被各国广泛应用于无线电系统规划、设计、频率分配和共存分析等应用的共性技术标准体系，体现了国际上电波传播技术发展的最高水平。对电波传播进行了介绍，对 ITU-RSG3 及其业务进行分析，阐述了国际电联电波传播标准的研究进展及其电子装备中的应用，并总结了对我国电波传播标准的启示，为我国装备电波传播标准体系提供借鉴和参考。关键词 国际电信联盟 电波传播 无线电系统 兼容性分析Abstract:The International Telecommunication Union Radio Communication Bureau(ITU-R)radio wave propagation standard is a common technical standard system that is widely used in radio system planning,design,frequency allocation and coexistence analysis and other applications,reflecting the highest level of international radio wave propagation technology development.This paper introduces radio wave propagation,analyzes ITU-R SG3 and its business,expounds the research progress of ITU radio wave propagation standard and its application in electronic equipment,and summarizes the inspiration to Chinas radio wave propagation standard system,providing reference for our equipment radio wave propagation standard system.Keywords:International Telecommunication Union(ITU);radio wave propagation;radio system;compatibility analysis国际电联电波传播标准研究与启示标准化研究Standardization Research2023 年第 9 期http:/31本文介绍了国际电联电波传播标准的总体概况、研究进展和发展趋势，同时给出了国际电联电波传播标准的应用建议。根据上述研究，最后给出了对于我国电波传播标准的制修订和应用建议。2 ITU-RSG3 及业务分析国际电联电波传播标准对于电波环境和电波传播涵盖的已经比较全面，其按业务种类和传播介质类型划分为 4 个工作组，用于 4 个具体领域的电波传播标准。各工作组又根据具体内容分为子工作组，子工作组还可下设标准起草组负责相关具体标准的制修订。ITU-R SG3 及下属工作组每年召开 12 次会议，其组织框架见表 1。ITU-R SG3 承担国际电联指派的电波环境及电波传播标准化研究课题，现承担的标准化研究课题共 24 项，这些课题的研究内容均可根据需求的变化进行修订并发布。通常这些课题会延续多个研究期(5 年)，各国根据课题开展研究的成果持续提交标准文稿，对标准进行完善，修订国际标准，或形成新的国际标准。部分课题在提出课题研究后，或长期没有得到各国行政当局提交的标准文稿而废止，如：ITU-R 232-1/3“纳米结构材料的传播效应”课题 2012 年提出并发布后，一直未收到任何国家的标准文稿，而于 2017 年 ITU-R SG3 大会上终止。同时，ITU-R 根据新的技术发展和需求，提出新的研究课题。例如，2017 年 ITU-R SG3 大会根据各国电离层闪烁数据处理不一致的问题，批准设立了“电离层闪烁指数计算”新课题；2019 年，针对国内外热门的界面电磁学在反射或吸收电磁信号中的应用，批准设立了新课题“工程电磁表面对无线电波传播的影响”。ITU 制定的国际标准一直被称作“建议书”，由于 ITU 作为国际组织的长期性和作为联合国的特别机构的特殊地位，ITU 发布的标准比大多数技术规范拥有更高的国际认同度。ITU-R SG3 目前在用的标准有 84 项。除标准外，ITU-R SG3 还发布与研究课题相关的技术、工作方法和工作程序等国际电联报告，用于指导数据获取、模式选用等，类似我国标准中的通用要求、规范和标准的编制说明等。ITU-R 还发布相关应用技术手册，指导全球无线电系统规划、设计和技术操作人员掌握某一无线电技术领域技术工表1 ITU-RSG3电波传播组织框架(截至2023年5月)工作组子工作组WP3J传播基础3J-1 晴空大气效应3J-2 云和降水效应3J-3 全球地图和统计3J-4 植被和障碍物绕射JSWG 3J-3K-3M 建筑物入口损耗JDG 3J-3K-3L-3M 决议和词汇WP3K点对面传播3K-1 P.18123K-2 P.1546 和 P.5283K-3 P.1410、P.1411 和 P.1238JSWG 3K-3M:地物杂散损耗WP3L电离层传播与无线电噪声3L-1 高频、中频、低频以及更低频率的传播3L-2 穿越电离层传播3L-3 无线电噪声WP3M点对点和地空传播3M-1 地面路径3M-2 地面宇宙空间路径3M-3 干扰路径3M-4 数字产品图 1 电波环境引起的主要传播效应标准化研究Standardization Research信息技术与标准化http:/32作和工程实践的相关知识、研究状况，配合标准使用。ITU-R SG3 还提供数据库和软件等支撑材料。其中，数据库主要包括电波环境与传播测试数据，用于支撑电波传播建模与模式检验；软件包括不同标准中传播模型的软件实现以及数字地图应用等。ITU-R P.311无线电波传播研究中数据的采集、表述和分析给出了 ITU-R SG3 数据库(DBSG3)的简要说明1。从上面的分析可以看到，国际电联电波传播研究的内容繁杂，对于行业应用人员而言理解比较困难。为加强对国际电联电波传播研究的总体理解和方便应用，本文作者曾梳理了国际电联电波传播标准体系2，可供有关学者和业界参考使用。3 国际电联电波传播标准研究进展随着无线电技术的不断发展，对电波传播研究不断提出了新的需求，特别是移动通信、卫星通信、建筑物内的短距离通信、短波宽带数字通信、光通信等的发展，必须充分了解地表环境、气象和电离层等对电波传播的影响。ITU-R SG3近年针对新业务的需求，开展了大量的研究工作，形成或修订了一系列 ITU-R P.系列标准。根据我们对国际电联电波传播标准的长期跟踪研究，国际电联电波传播标准的研究进展主要有以下 4 个方面。3.1 环境参数的数字化以往电波环境特性(无线电气象参数)主要以图表和经验公式等形式表示，如温度、折射指数等值线图、雨区、雨顶高度的经验公式等。这些电波环境数据精度较低，并在不同分区的交界处产生预测结果的不连续性，而且不便于实际应用。因此，ITU-R SG3 依据欧洲中尺度天气预报(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)再 分 析 数 据 产 品 ERA-15、ERA-40、ERA-Interim、ERA-5 等，提供了多种无线电气象参数的全球数字地图。例如全球年平均降雨率累计分布、零度层高度、年平均地面气温、表面波导和悬空波导、表面折射率、折射率梯度、水汽密度分布、云含水量分布、大气层垂直剖面等栅格数据，栅格分辨率从 1.51.5 到0.50.5 不等。栅格数据本身隐含了地理位置信息，并且能够很好地反映环境参数空间连续分布，因此使用栅格数据能够方便地对区域传播特性进行预测，也方便用等值线或伪彩色图直观地表示传播特性的空间分布。ITU-R P.1144无线电通信第 3 研究组传播方法应用指导给出了电波环境参数数字地图的简要介绍3。图 2 为全球 0.01%时间被超过的降雨率数字地图(伪彩色图)4。此外，ITU-R SG3 还计划采用上述 ECMWF 再分析数据产品以及最新的再分析数据产品 ERA-5 等30 年以上的统计，每 5 年修订一版无线电气象数据数字地图。ITU-R SG3 也在发展直接利用电波环境数字地图的传播标准。例如 ITU-R P.617-5 超视距无线电中继系统设计所需传播预测技术和数据中的对流层散射传播预测方法采用了海平面折射率和近地面 图 2 全球 0.01%时间被超过的降雨率数字地图标准化研究Standardization Research2023 年第 9 期http:/331 kM 的折射率梯度数字地图5。另外 ITU-R SG3 针对 ITU-R P.676无线电波在大气气体中的衰减中准备建立的全球大气吸收衰减统计数字地图6，正在讨论支撑该标准的相关的无线电气象参数数字地图新标准草案。3.2 加强不同无线电业务系统共存分析所需电波传播标准的发展由于无线电业务的发展，对于频谱提出了新的需求。尤其是 IMT 业务的快速发展，需要大量新的带宽，从而需要与其他无线电业务，比如卫星通信业务、卫星导航业务、地面点对点业务、射电天文业务等进行干扰与兼容性分析。ITU-R SG3 相关传播标准是进行干扰与兼容性分析的基础，也是近期ITU-R SG3 的研究热点，在此基础之上修订多个标准，并形成了几个新标准。文献 7 曾对 ITU-R SG3 关于干扰与兼容性分析电波传播研究及进展进行了总结与分析，这里不再详细阐述。举例来说，针对 IMT 业务的共存分析对传播模型的需求，ITU-R 发动全球研究人员开展了大量的测试和建模工作，形成了地地、地空、地天等不同场景的传播模型，制定和修订了 ITU-R P.2108地物损耗的预测、ITU-R P.2109建筑物入口损耗预测、ITU-R P.619评估空间和地球表面台站之间干扰所需的传播数据、ITU-R P.1238用于规划频率范围在 300 MHz450 GHz 的室内无线电通信系统和无线局域网的传播数据和预测方法、ITU-R P.1411300 MHz100 GHz 短距离室外无线通信系统和无线局域网设计所需的传播数据和预测方法、ITU-R P.528使用 VHF、UHF 和 SHF 频段的航空移动和无线电导航业务的传播曲线等。相关的传播模型也可应用于 IMT 业务与固定业务、卫星业务、航空业务等多种无线电业务的干扰和兼容性分析。3.3 持续拓展已有电波传播标准的应用范围电波传播标准随着无线电技术的发展而不断改进，主要包括以下 3 个方面。3.3.1 频段扩展ITU-R 部门的主要任务是对无线电频谱进行分配，随着无线电业务的快速发展，一方面需要开发新的频段，另一方面原有的频段需要根据业务的需求重新分配。为此，电波传播标准的适用频段也应当跟随业务的需求而改变。近几年来主要国际电联电波传播标准频段范围的更改内容如下：(1)ITU-R P.1238 规定了上限 100 GHz 向上拓展到 450 GHz；(2)ITU-R P.1546 304 000 MHz 频率范围内地面业务点对面预测的方法 规定了其频率上限 3 000 MHz 向上拓展到 4 000 MHz；(3)ITU-R P.528使用 VHF、UHF 和 SHF 频段的航空移动和无线电导航业务的传播曲线规定了其频率下限 125 MHz 向下拓展到 100 MHz，频率上限 15.5 GHz 向上拓展到 30 GHz；(4)ITU-R P.1812VHF 和 UHF 波段中有关点对面地面业务的一种路径特定的传播预测方法规定其频率上限 3 GHz 向上拓展到 6 GHz；(5)ITU-R P.1411300 MHz100 GHz 短距离室外无线通信系统和无线局域网设计所需的传播数据和预测方法拓展了部分模型的频率限制；(6)ITU-R P.2108地物损耗的预测讨论斜路径模型频率向下扩展。3.3.2 时空分辨率提升时空分辨率的提升主要包含以下 3 个方面：(1)数字地图空间分辨率的提升。ITU-R SG3 电波环境数字地图已经过多次迭代，空间分辨率在不断提升，未来将随着相关数值预报产品的改进而持续提升。(2)统计的时间分辨率提升，例如水汽密度分布已经开始提供月平均统计数据等。(3)统计概率范围拓展。随着系统设计和干扰共存需求的提高，电波传播模型的统计概率范围也随之拓展。3.3.3 精度改进不论电波环境还是电波传播模型的精度都在持续改进中。我国参加 ITU-R SG3 活动以来所制修订的ITU-R P.617、ITU-R P.676、ITU-R P.530设计地面视距系统所需的传播数据和预测方法、ITU-R P.531 卫星业务和系统设计中需要的电离层传播数据和预标准化研究Standardization Research信息技术与标准化http:/34测方法、ITU-R P.841年度统计数据变换到最坏月份统计数据等主要都是对预报精度的改进，此外我国还在持续推动国际电联雨衰减预报模型的改进。3.4 跟踪最新电波传播研究进展ITU-R SG3 总体上代表了国际电波传播研究的最高水平，对于国际电波传播的最新动态一直积极跟踪研究。如前所述，2019 年针对国内外热门的界面电磁学(也叫智能反射表面)在反射或吸收电磁信号中的应用，批准设立了新课题“工程电磁表面对无线电波传播的影响”，并正在研究形成新的标准草案。图 3 给出了工程电磁表面的应用示例。4 国际电联电波传播标准在电子装备中的应用电波传播标准主要应用于无线电系统设计、系统兼容和系统运行。在无线电系统设计中的应用主要是计算信号的强度、覆盖范围、工作时段和通信质量等；在系统兼容分析中主要用于计算干扰信号的强度、覆盖范围、干扰时段以及对频率共享的影响等；在系统运行中的应用主要是实时计算可用频率、传播条件、效应补偿和性能评估。ITU-R P 系列标准必须针对不同的业务、不同工作频率合理应用，同时须结合设计地点的无线电气象参数。表 2 举例说明针对不同业务的 P 系列标准的应用。5 国际电联电波传播标准对我国电波传播标准的启示从以上分析可知，作为国际电波传播制修订的权威机构，ITU-R SG3 包含的研究内容非常全面，并积极跟进国际电波传播研究最新进展，相关标准在无线电系统设计、兼容分析和运行中得到广泛应用。我国目前尚未建立制定电波传播标准的标准化技术委员会，电波传播标准散布在不同标准体系中，电波传播标准还需要大力建设。因此，ITU-R SG3 的标准体系、标准内涵和标准应用对于我国制修订和应用电波传播标准有 5 个方面的重要启示。(1)建立常规的电波传播标准联络机制和制修订机制，若有可能尽量建立电波传播标准化委员会，定期开展标准的研讨和制修订工作，使得标准能够及时更新。(2)对标国际电联电波传播标准，丰富我国电波传播标准的内容，争取 1015 年之内我国的电波传播标准能与国际电联电波传播标准相匹配，对于我国暂时缺乏测试能力的电波传播标准，可以先采用国际电联电波传播标准。将我国电波传播相关的国标、国军标、行标等进行统一梳理，对于其中存在矛盾的地方进行修订使其一致，对于过时的标准及时废止。(3)建立电波传播标准相关的测试数据库和应用软件库，便于对标准中涉及的传播模型进行改进和校验以及标准中模型的推广应用，将标准中的等值线和分区等形式的数据转换为数字地图形式等，对于暂时缺乏相应条件的标准，可以先应用国际电联图 3 工程电磁表面应用示例a 室内应用场景b 场强分布情况标准化研究Standardization Research2023 年第 9 期http:/35相应的电波传播数据或软件等。(4)对于有紧急需求的电波传播标准，争取尽快制修订相关标准。举例来说，由于电波折射修正对于目标探测和定位精度提高的需求，而当前应用的标准比较陈旧，应该尽快更新，同时在制修订的过程中应该借鉴 ITU-R P.834对流层折射对无线电波传播的影响和 ITU-R P.453无线电折射指数：公式和折射率数据的最新成果，并分析新方法在我国区域的适用性，使得我国形成的新标准既能保证我国区域的适用性，又能尽量采用最新的方法；另一个例子，我国研发的对流层散射通信设备和微波超视距雷达等都亟需微波超视距传播标准的支持，而对流层超视距传播标准已在 2017 年、2019 年度两次进行了修改，因此我国也亟需更新对流层超视距表 2 ITU-RP 系列标准的应用举例列表装备业务类型需考虑的传播因素适用建议书地面广播和移动业务(远距离)场强(包括：绕射、植被影响、地形影响等)；多径效应、信道特性、地点变化、极化306 000 MHz：P.1546、P.1812230 MHz：P.533 天波0.151.7 MHz：P.1147 天波10 kHz30 MHz：P.368 地波卫星移动业务树木和建筑物的遮蔽效应、多径效应、电离层闪烁、极化旋转(损耗)海事移动业务：P.680陆地移动业务：P.681航空移动业务：P.682(卫星)、P.2041(星 空、空地)短距离室内/室外系统(个人通信、RLAN 等)墙壁、地板反射和传输损耗；建筑物和其他障碍物的穿透损耗；极化失配、时延展宽、多普勒效应等短距离室内：P.1238(900 MHz450 GHz)短距离室外：P.1411(300 MHz100 GHz)宽带接入：P.1410(20 50 GHz)固定卫星业务大气和云雨衰减；闪烁、折射；无线电噪声；穿越电离层效应(色散、时延、极化旋转、闪烁等)；地点分集通信卫星：P.618、P.531 广播卫星：P.679红外频段卫星：P.1621、P.1622地面固定链路传输损耗(大气吸收、雨衰减、绕射等)、分集增益、衰落特性；对流层散射、大气波导；天波场强、最大可用频率(MUF)、无线电噪声等；光波大气散射、大气吸收、闪烁等视距：P.530超视距：P.617短波：P.533光波链路：P.1814、P.1817抗衰落措施及传播仿真 衰落时间序列、衰落动态特性、差分衰减等P.1853、P.1623、P.1815、P.2001干扰协调视距传播、绕射、对流层散射、波导和层结反射、水凝物散射、附加地物损耗、建筑物入口损耗等地面站间干扰：P.452地球站与地面站干扰：P.620地球站与空间站干扰：P.619干扰传播附加分析：P.2108、P.2109注：干扰与协调相关标准的应用详见参考文献，这里只是给出几个示例。标准化研究Standardization Research信息技术与标准化http:/36传播标准。(5)及时跟踪国际电波传播研究最新进展，尽早地将电波传播最新研究成果向标准转化。6 结语本文介绍了国际电联电波传播标准研究的总体概况，给出了国际电联电波传播标准的研究进展和发展趋势，分析了国际电联电波传播标准的应用建议，最后提出了国际电联电波传播标准对于我国应用和制修订电波传播标准的启示。本研究对无线电信息系统的规划设计、运行和性能评估、干扰和兼容性分析具有重要的技术支撑和保障作用，对提升信息系统在复杂电磁环境下的效能具有重大意义，同时对于从事电波传播研究、标准制定以及无线电系统的设计、兼容分析和运行评估等相关科研和工程人员有重要参考价值。参考文献1 ITU-R.Acquisition,presentationandanalysisofdatainstudiesofradiowavepropagation:ITU-RP.311-17S.Geneva:ITU-R,2017.2 林乐科,张蕊,赵振维,等.国际电联电波传播标准体系研究 C/第十六届全国电波传播年会论文集.海口:中国电子学会电波分会,2020.3 ITU-R.GuidetotheapplicationofthepropagationmethodsofRadiocommunicationStudyGroup3:ITU-RP.1144-10S.Geneva:ITU-R,2019.4 ITU-R.Characteristicsofprecipitationforpropagationmodeling:ITU-RP.837-7S.Geneva:ITU-R,2017.5 ITU-R.Propagationpredictiontechniquesanddatarequiredforthedesignoftrans-horizonradio-relaysystems:ITU-RP.617-5S.Geneva:ITU-R,2019.6 ITU-R.Attenuationbyatmosphericgasesandrelatedeffects:ITU-RP.676-12S.Geneva:ITU-R,2019.7 林乐科,张蕊,赵振维,等.国际电信联盟电波传播干扰与兼容性分析 J.强激光与粒子束,2019,31(2):023201-1023201-5.(收稿日期：2023-08-15)工业和信息化绿色低碳标准化工作调度推进会在京召开8 月 23 日，为加强工业和信息化绿色低碳领域标准化管理，加快推进相关标准体系建设，工信部节能与综合利用司在京组织召开工业和信息化绿色低碳标准化工作调度推进会。来自中国石油和化学工业联合会、中国钢铁工业协会、中国电子技术标准化研究院等多家部标准化委托机构以及部相关标准化工作组的负责人参加会议。会上，节能与综合利用司介绍了目前工业和信息化绿色低碳标准化工作总体情况，通报了相关行业和领域标准项目立项、制修订、发布等进展情况，从全生命周期管理角度对深入推进绿色低碳标准化工作做出部署，要求各相关标准化机构聚焦工业绿色低碳发展重点任务，系统梳理本行业、本领域标准项目需求，进一步细化完善标准化工作流程，按照急用先行原则加大重点急需标准的制修订力度，切实提升绿色低碳领域标准质量，为加快推动工业和信息化绿色低碳转型提供有力支撑。参会的各标准化部委托机构、部标准化工作组交流了本行业、本领域绿色低碳标准化工作推进情况及标准体系建设情况，针对当前工作中遇到的具体问题进行了研讨，并提出有关建议。(来源：工信部网站)