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Comparative Design of Radio Propagation Path Loss Models for 1800 MHz GSM Networks in Odukpani, Biase, Akamkpa, Akpabuyo, and Bakassi Local Government Areas of Cross River State

本研究评估了针对尼日利亚克罗斯河州不同地形下 1800 MHz GSM 网络中的四种无线电传播模型，结论是虽然 COST-231 Hata 模型为网络规划提供了最实用的整体预测，但 ECC-33 模型能更好地解释密集森林和沿海环境中的严重信号衰减。

原作者： Ofem Omini, Effiong Antigha Archibong

发布于 2026-10-06

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CC BY 4.0

原作者： Ofem Omini, Effiong Antigha Archibong

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

每当移动电话连接到网络时，它都依赖于设备与高耸铁塔之间一场无形的对话。这场对话通过无线电波进行，这些电波在空气中传播，却不断受到周围世界的挑战。树木、山丘、建筑物，甚至空气中的水分都会削弱这些信号，使它们在到达目的地之前就变得微弱。工程师使用数学模型来预测信号能传播多远以及其强度如何，但这些模型通常基于一般的假设。当地形复杂——充满了茂密的森林、沿海湿地或崎岖的山丘时——标准预测可能会失效，导致某些地区没有服务，或者需要比实际覆盖所需更多的设备。

在尼日利亚南部，一个研究小组着手测试这些标准模型在地形多样化景观中的表现如何。他们将重点放在了克罗斯河州（Cross River State）的五个地方政府辖区：奥杜帕尼（Odukpani）、比亚塞（Biase）、阿卡姆卡帕（Akamkpa）、阿卡普亚约（Akpabuyo）和巴卡西（Bakassi）。这些地区提供了独特的环境组合，从半城市化城镇和开阔的农村田野，到茂密的热带雨林和沿海河口地带。研究人员特别关注了 1800 MHz 频率——这是一种用于移动通信的常用频段——以观察不同的模型如何处理该地区的特定挑战。他们的目标不仅是计算数字，而是确定哪种预测工具能为网络规划者提供最准确的可靠覆盖图。

为了开始这项调查，团队首先为该地区典型的移动网络建立了一个基准。他们计算了标准小区铁塔的有效辐射功率，并确定了手机在保持清晰连接时所能容忍的最大信号损耗。设定好这些限制后，他们将四种不同的预测模型应用于相同的条件。第一个模型被称为自由空间路径损耗（free space path loss），它假设了一个没有任何障碍物的完美世界，作为一种理论上的最佳情况。其他三个模型——Okumura-Hata、COST-231 Hata 和 ECC-33——则试图考虑现实世界的因素，如铁塔的高度、周围建筑物的规模以及植被的密度。

研究人员在五个不同的地点运行了这些计算，并根据每个地点的特定地形进行了调整。在土地相对开阔的奥杜帕尼，信号传输得更远，阻力也更小。相比之下，以茂密雨林和崎岖地面为特征的阿卡姆卡帕，则为电波穿透提供了更为艰难的环境。结果显示出一个清晰的模式：随着距离铁塔的增加，在所有模型中信号强度都会下降，但下降的速率因环境和所使用的模型而异。那个假设完美、无障碍世界的模型预测信号可以传播得比实际远得多，提供了一种过于乐观的观点，在实践中会失效。

在旨在用于现实世界的模型中，COST-231 Hata 模型脱颖而出，成为这些地区通用规划中最平衡且实用的工具。它提供的预测与预期的网络性能非常接近，考虑了频率和铁塔的典型高度。然而，研究也强调，没有一个模型是适用于所有情况的完美的。在最困难的环境中，例如阿卡姆卡帕的茂密森林和巴卡西的海岸红树林，ECC-33 模型被证明更加准确。该模型旨在更加保守，这意味着它预测更高的信号损耗，这对于树木和水流会大量吸收或散射无线电波的区域至关重要。

这些发现的实际意义对于在该地区建设网络的人员来说非常重大。由于信号在每个位置的表现不同，单个铁塔可以覆盖的面积也大不相同。在开阔地形的奥杜帕尼，单个铁塔可以有效地覆盖一个半径约为 2.8 公里的圆圈。而在茂密森林的阿卡姆卡帕，同一个铁塔只能可靠地覆盖约 1.9 公里的半径。这种差异意味着，为了在整个地区提供相同水平的服务，网络规划者在森林地区需要安装比开阔地区多得多的铁塔。具体而言，研究估计，要覆盖阿卡姆卡帕广阔且困难的地形，需要超过 200 个基站，而较小的、具有挑战性的沿海地区巴卡西只需要大约 27 个，仅仅是因为其总土地面积较小。

最终，研究证实了物理景观决定了移动网络的成功。研究表明，忽视地形的具体特征（如热带雨林的密度或海岸水的存在）会导致规划不准确。通过在合适的环境下使用合适的模型，工程师可以避免在开阔地区建造不必要的铁塔带来的成本，同时确保那些困难、受阻的地区能够获得额外的基础设施以保持连接。这项工作为扩大克罗斯河州的移动覆盖范围提供了一个清晰的、基于数据的框架，确保这个无形网络是建立在尊重其穿越其中的有形世界的基石之上的。

技术摘要：克罗斯河州 1800 MHz GSM 网络无线电传播路径损耗模型的比较设计

问题陈述
移动通信服务的快速扩张需要准确的无线电传播建模，以确保可靠的 GSM 网络覆盖、服务质量以及高效的基础设施规划。虽然存在多种传播模型，但其性能因当地环境因素（如地形高度、植被密度、建筑结构和大气条件）的不同而表现出显著差异。在尼日利亚的克罗斯河州（Cross River State），环境具有高度异质性，包括茂密的热带雨林（如 Akamkpa）、半城市化和农村定居点（如 Odukpani、Biase）以及沿海/河口地区（如 Bakassi、Akpabuyo）。现有文献表明，标准模型往往无法考虑到这些特定的局部特征，导致覆盖预测不准确。目前缺乏专门针对这些多样化地形在 1800 MHz GSM 频段下的自由空间路径损耗（FSPL）、Okumura-Hata、COST-231 Hata 和 ECC-33 模型的比较研究。

研究方法
本研究采用一种结合了理论传播建模与地理空间分析的比较设计方法，旨在评估五个地方政府辖区（LGA）的网络性能：Odukpani、Biase、Akamkpa、Akpabuyo 和 Bakassi。

系统参数： 分析采用了典型的尼日利亚运营商（MTN、Airtel、Globacom、9mobile）的标准 GSM 1800 MHz 参数。关键参数包括频率 ( $f$ ) 为 1800 MHz，基站高度 ( $h_b$ ) 为 40 m，移动台高度 ( $h_m$ ) 为 1.5 m，以及基站发射功率 ( $P_t$ ) 为 43 dBm (20 W)。
链路预算计算： 研究计算了有效各向同性辐射功率（EIRP）为 57 dBm，以及基于 -102 dBm 接收灵敏度的最大允许路径损耗（MAPL）为 159 dB。
模型评估： 计算并比较了四种传播模型：
1. FSPL： 假设视距传输的理论基准。
2. Okumura-Hata： 用于陆地环境的经验模型。
3. COST-231 Hata： 扩展至高达 2000 MHz 的频率。
4. ECC-33： 纳入了用于受阻环境的环境修正因子。
环境修正： 通过应用源自各 LGA 地形特征的特定杂波损耗值来调整实际路径损耗：Odukpani (3 dB)、Biase (5 dB)、Akamkpa (12 dB)、Akpabuyo (7 dB) 以及 Bakassi (10 dB)。
地理空间分析： 使用 GPS 制图和 Google Earth 数据来确定土地面积、地形剖面并可视化覆盖区域。研究根据每个小区（cell）的有效覆盖面积计算了每个 LGA 所需的基站收发信机（BTS）数量。

主要结果
对比分析得出了以下技术发现：

模型性能： 路径损耗随距离和环境复杂度的增加而增加。FSPL 模型预测的衰减最低，而 ECC-33 模型预测的衰耗最高，反映了其在受阻环境中的保守特性。COST-231 Hata 模型为该研究区域的一般网络规划提供了最平衡且现实的预测。
环境影响：
- Akamkpa： 由于茂密的雨林植被和崎岖的地形，表现出最高的路径损耗（173.53 dB）和最小的覆盖半径（1.9 km）。
- Odukpani： 由于其相对开阔的地形，记录到最低的路径损耗（164.53 dB）和最大的覆盖半径（2.8 km）。
- Bakassi： 由于沿海和河口的多径效应及水分影响，显示出高衰减（171.53 dB）。
覆盖与基础设施：
- 估计的单小区覆盖面积范围从 11.34 km² (Akamkpa) 到 24.63 km² (Odukpani)。
- 每个 LGA 所需的 BTS 数量差异显著：由于严重的衰减和庞大的土地面积 (5,003 km²)，Akamkpa 需要最高的密度 (203 个 BTS)；而尽管 Bakassi 衰减较高，但由于其土地面积较小 (665 km²)，仅需最少的 BTS (27 个)。
信号指标： 在不进行杂波修正的理论 5 km 距离处，计算出的接收信号强度（RSS）为 -100.53 dBm，信号裕度为 1.47 dB。然而，当应用实际杂波损耗时，所有位置的 RSS 均降至接收灵敏度阈值（-102 dBm）以下。具体而言，在小区边缘，Odukpani 为 -103.53 dBm，Biase 为 -105.53 dBm，Akamkpa 为 -112.53 dBm，Akpabuyo 为 -107.53 dBm，以及 Bakassi 为 110.53 dBm（如原文明确所述）。

意义与主张
本文声称为像克罗斯河州这样异质环境下的 GSM 1800 MHz 网络规划和优化提供了一个实用的框架。其主要意义在于：

模型选择： 它确定了 COST-231 Hata 模型是该地区一般网络规划中最实用的模型，同时建议将 ECC-33 模型用于高度受阻的森林和沿海地区。
基础设施规划： 通过量化地形/杂波损耗与 BTS 需求之间的关系，该研究为基础设施部署提供了数据驱动的估算，强调了环境因素可以剧烈改变网络密度需求。
地理空间集成： 研究展示了将传播建模与基于 GPS 的地理空间制图相结合，以可视化覆盖区域和地形剖面的效用，有助于蜂窝基础设施的战略部署。

作者得出结论，地形和植被是影响该研究区域内 GSM 信号传播的主导因素，忽视这些局部特征会导致覆盖预测不准确。所提出的方法论被验证适用于类似的多元化尼日利亚环境中的网络优化。

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