兰州交通大学 移动通信原理课程设计

兰州交通大学

移动通信原理课程设计

题目：天水市移动通信链路预算分析成绩：

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学 院： 电子与信息工程学院 班 级： 通信工程1201班 姓 名： 学 号： 指导教师： 邸敬

二零一五年七月

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摘要

链路预算是移动通信网络规划和设计过程中的重要环节。链路预算通过对链路中的增益、余量与损耗进行核算，计算空中链路的最大允许路径损耗，从而结合传播模型确定小区覆盖范围及站间距。本文结合LTE-FDD系统的特点对其链路预算参数进行分析，并着重研究了LTE-FDD系统的链路预算方法，并根据链路预算介绍小区覆盖半径和单站覆盖面积的方法，本文给出的方法可用于LTE-FDD网络规划和设计。本文对链路预算中几种传播模型的比较，包括OKUMURA模型、OKUMURA--HATA模型、COST-231 WALFISCH-IKEGAMI模型和COST-231 HATA模型，并对各个模型进行了建模仿真。最后，对天水市移动通信链路损耗，使用COST 231-Hata 模型进行了具体分析，对于大城市、中小城市、郊区三个不同区域的无线环境路径传输损耗，大城市路径损耗最大，中小城市次之，郊区最小。

关键词：链路预算；传播模型；基站半径；最大允许路径损耗

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Abstract

The link budget is a mobile communication network planning and design process is an important part. Link by link budget gain margin and loss accounting, calculate the maximum allowable air link path loss, thereby combining the propagation model to determine the cell coverage and station spacing. In this paper, the characteristics of LTE-FDD system link budget parameters were analyzed, and focuses on the link budget methodology LTE-FDD system and method described cell coverage radius and single station coverage based link budget to this article the method can be used for LTE-FDD network planning and design. In this paper, the link budget compare several propagation models, including OKUMURA model, OKUMURA - HATA model, COST-231 WALFISCH-IKEGAMI model and COST-231 HATA model, and each model is a modeling and simulation. Finally, the Tianshui City mobile communications link loss, use COST 231-Hata model is analyzed in detail for the wireless environment cities, small cities, suburban areas in three different transmission path loss, path loss biggest cities, small cities times the suburban minimum.

Key words： Link Budget；Propagation Model；Base Station Radius；Allowable Path Loss

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目录

第一章 移动通信网络构建及其关键技术分析 ..................................错误！未定义书签。 1.1 无线移动通信网络的体系结构 .................................................. 错误！未定义书签。

1.1.1 集中式网络体系结构.........................................................................................1 1.1.2 分布式网络体系结构.........................................................................................1 1.2 无线电波传播概述 ..........................................................................................................1 1.3移动通信网络体系的安全目标.................................................... 错误！未定义书签。 1.4无线移动通信网络的关键技术分析...............................................................................2

1.4.1第三代移动技术..................................................................................................2 1.4.2无线局域网技术..................................................................................................3 1.4.3 宽带无线接入技术.............................................................................................3 1.4.4分集技术..............................................................................................................3

第二章 链路预算的概述 ........................................................................................................3 2.1 链路预算的定义 ..............................................................................................................3

2.2 移动通信网络链路预算的思想方法 ...............................................................................4

2.3 链路预算的一般步骤 ......................................................................................................4 第三章 链路预算中几种传播模型的比较 ............................................................................4 3.1 OKUMURA模型 .................................................................................................................6 3.2 OKUMURA--HATA模型 .......................................................................................................6

3.2.1 Okumura--hata模型概述 ....................................................................................6 3.2.2 Okumura--hata模型仿真 ....................................................................................7 3.3 COST-231 WALFISCH-IKEGAMI模型 .................................................................................9

3.3.1COST-231 Walfisch-Ikegami模型基本原理 .....................................................9 3.3.2 COST-231 Walfisch-Ikegami模型仿真分析 ................................................... 11 3.4 COST-231 HATA模型 ...................................................................................................... 11

3.4.1 COST-231 Hata模型基本原理 ........................................................................ 11

第四章 链路损耗的具体分析 ..............................................................................................13

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4.1 天水市链路损耗模型的选取 ........................................................................................13 4.2 模型中各种参数的确定 ................................................................................................13 4.3 COST 231-HATA 模型仿真及结果分析 .........................................................................13

4.4 分析总结 .........................................................................................................................15

结论 ..........................................................................................................................................16 致谢 ..........................................................................................................................................17 参考文献 ..................................................................................................................................18

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G(hb)错误！未指定书签。表示，当移动台高度不是3m时，需用为移动天线高度增益因子G(hm)错误！未指定书签。加以修正。中等起伏地上市区实际传播损耗（LT）为：

LT?LF?Amu(f,d)?G(hb)?g(hm) （3.3）

（3）郊区和开阔地传播损耗的中值

郊区的建筑物一般是分散的、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。郊区场强中值与基准场强中值之差定义为郊区修正因子，记作Kmr 。

开阔地的传播条件优于市区、郊区及准开阔地，相同条件下，开阔地上的场强中值比市区高近20dB。Q0表示开阔地修正因子，Qr错误！未指定书签。表示准开阔地修正因子。

（4）不规则地形上传播损耗的中值

实际的传播环境中，如下一些地形需要考虑，用来修正传播损耗预测模型，其分析方法与前面类似。

丘陵地的修正因子Kh 孤立山丘修正因子Kjs 斜坡地形修正因子Ksp 水陆混合路径修正因子Ks （5）任意地形地区的传播损耗的中值

任意地形地区的传播损耗修正因子KT一般可写成

KT?Kmr?Q0?Qr?Kh?Kjs?Ksp?Ks （3.4）

根据实际的地形地物情况，修正因子可以为其中的某几项，其余为零。 任意地形地区的传播损耗的中值

L?LT?KT （3.5）

式中， LT?LF?Amu(f,d)?G(hb)?G(hm) 3.2 Okumura-Hata模型 （1）概述

Okumura-Hata模型在900MHz GSM中得到广泛应用，适用于宏蜂窝的路径损耗预测。该模型的主要缺点是对城市和郊区快速变化的反应快慢。预测和测试的路径损耗偏差为10到14dB。

Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在

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150MHz到1 500MHz之间，并可扩展3000MHz;适用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，作用距离从1km 到20km 经扩展可延伸至100km;基站有效天线高度在30m到200m之间，移动台有效天线高度在1m到10m之间。 Okumura-Hata模型路径损耗计算的经验公式为：

Lp(dB)?69.55?26.16lgfc?13.82lghte??(hre)?(44.9?6.55lghte)lgd?Ccell?Cterrain （3.6）

式中，fc（MHz）为工作频率； hte（m）为基站天线有效高度，定义为基站天线实际海拔高度与天线传播范围内的平均地面海拔高度之差；hre（m）为终端有效天线高度，定义为终端天线高出地表的高度； d（km）：基站天线和终端天线之间的水平距离；α(hre) 为有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数，其数字与所处的无线环境相关，参见以下公式。

?(1.1lgf?0.7)hm?(1.56lgf?0.8)(dB), 中、小城市??（hm）=?8.29(lg1.54hm)2?1.1(dB), f?300MHz,大城市 （3.7）

?2?3.2(lg1.75hm)?4.97(dB), f?300MHz,大城市Ccell：小区类型校正因子，即

?0, 城市?2????2?(lgf/28)??5.4(dB), 郊区 （3.8） ????4.78(lgf)?18.33lgf?40.98(dB), 乡村CcellCterrain：地形校正因子，地形校正因子反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响，如水域、树木、建筑等。合理的地形校正因子可以通过传播模型的测试和校正得到，也可以由用户指定。 （2）Okumura-Hata模型仿真

Okumura-Hata模型是预测城市及周边地区路径损耗时使用最为广泛的模型。它基于测试数据所作的图表, 不提供任何的分析解释。工作频率在150MHz到1500MHz之间, 并可扩展3000MHz; 作用距离从1km 到20km 经扩展可延伸至100km; 基站天线高度在30m 到200m 之间, 经扩展可延伸至1000m;移动台天线高度从1m 到10m。Hata模型则根据Okumura图表数据, 经曲线拟合得出一组经验公式。它以市区路径传播损耗为基准, 在此基础上对其他地区进行修正。

实测中在基本确定了设备的功率、天线的高度后，可利用Okumura-Hata模型对信号覆盖范围做一个初步的测算。损耗单位为dB。

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以下就是仿真过程，仿真所用程序见附录，仿真得图形如图3-1和3-2所示：

Okumura-Hata模型路径损耗504030路径损耗 /dB 20100-10-20 0中小城市大城市f<=300MHz大城市f>=300MHz郊区乡村102030405060距离 /km708090100

图3-1 Okumura-Hata模型（d=0:100km; f=450MHz; h_m=5m;c_t=0;）

Okumura-Hata模型路径损耗504030 路径损耗 /dB20100-10-20-30 0中小城市大城市f<=300MHz大城市f>=300MHz郊区乡村102030405060距离 /km708090100

图3-2 Okumura-Hata模型（d=0:100km; f=900MHz; h_m=5m;c_t=0;）

从仿真结果中可以看出，中小城市和大城市地形地物基本上差别不大，而移动台高度、频率、基站高度一定的情况下，损耗曲线基本上是重合的;从仿真结果得知，在0～10km范围中损耗急剧上升，10km之后信道的衰减虽然也是随着距离的增加也有增大的趋势但相比之下，衰减更为平缓，从图中不难看出，在相同

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的频率下中小城市和大城市的衰减最为严重，郊区次之，农村的衰减最少，这是因为在城市当中造成衰减的因素更多。此外，在其他条件不变的情况下，频率越大，衰减也就越大。Okumura-Hata模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不到1km的个人通信系统，Okumura-Hata模型基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，因为在宏蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射决定。Okumura-Hata模型的建模不仅为蜂窝移动和陆地无线信道传播损耗的预测提供了方便实用的可视化解决方案, 而且解决了在无线信道建模中存在的人机交互性差, 对模型进行参数分析、综合计算及全过程演示困难的问题。 3.3 COST-231 Walfisch-Ikegami模型

（1） COST-231 Walfisch-Ikegami模型的基本原理

COST-231 Walfisch-Ikegami模型广泛地用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，它可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播路径损耗预测，经常在移动通信的系统（GSM/PCS/DECT/DCS）的设计中使用。COST-231 Walfisch-Ikegami模型是基于Walfisch模型和Ikegami模型得到的，该模型也考虑了自由空间的路径损耗、散射损耗以及由建筑物边缘引起的附加损耗，其使用范围为频率f在800—2000MHz之间，基站天线高度h为4—50米，移动台天线高度为1—3米，距离d为0.02—5km。图3-3为COST-231 Walfisch-Ikegami模型的示意图。

dΔhbhRoofhbwb图3-3 COST-231 Walfisch-Ikegami模型的示意图

Δhmhm

COST-231 Walfisch-Ikegami模型分视距传播（LOS）和非视距传播（NLOS）两种情况计算路径损耗。视距（LOS）传播路径损耗为

Lf?42.6?26logd?20logf错误！未指定书签。 （3.9）

式中，Lf的单位为dB，f的单位为MHz，d的单位为km。

在非视距传播中，总的路径损耗包括自由空间传播损耗（Lfs），屋顶至街道

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的绕舌及散射损耗（Lrts），多重屏障的绕射损耗（Lmsd）。其路径损耗

Lb(dB)?Lfs?Lrts?Lmsd （3.10）

式中：Lfs为自由空间的路径损耗，其依赖于载波频率和距离，具体表达式为

Lfs(dB)?32.45?20logd(km)?20logf(MHz)错误！未指定书签。（3.11） 从式（3.9）中可以得出：Lfs虽频率增加而增大，随距离的增加也增大。 Lrts为屋顶到街道的绕射和散射损耗，其取决于频率、街道宽度、移动台的高度以及街道相对于基站、移动台连线的方位，具体表达式为：

???16.9?10logw?10logf?20log?hm?Lori, hRoof?hm （3.12） Lrts????0, Lrts?0这里，?hm?hb?hm

式中，Lori错误！未指定书签。是考虑到街道方向的实验修正值，且各项参数为

??10?0.345?, 0???<35??Lori??2.5?0.075(??35?), 35????55? （3.13）错误！未指

?4.0?0.114(??35?), 55????90??定书签。

从式（3.12）中可以得出：Lrts虽街道宽度增加而减少，虽建筑物增加而增大。 Lmsd多重屏障的绕射损耗依赖于建筑建的距离、基站和移动台的高度以及载波频率、基站高度和屋顶高度。具体表达式为：

Lmsd?Lbsh?Ka?Kdlogd?Kflogf?9logb （3.14）

式中，Lbsh和Ka表示由于基站天线高度降低而增加的路径损耗；Kd和Kf为Lmsd与距离d和频率f相关的修正因子，与传播环境有关，各项参数的值为

Lbsh??18log(1??hb), hb?hRoof?? （3.15） 0, h?h?bRoof??54, hb?hRoof??Ka??54?0.8?hb, hb?hRoof且d?0.5km （3.16）

??54?0.8?hb, hb?hRoof且d?0.5km

??18, hb?hRoofKa?? （3.17）

18?(?h/h), h?h?bRoofbRoof????4?(f/925?1), 中等城市及具有中等密度 （3.18） Kf?? 树林的郊区中心??4?(f/925?1), 大城市中心?

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从式（3.15）中得出：Lbsh错误！未指定书签。虽建筑物间隔增大而减少；当基站天线高于屋顶（h?hRoof）时，将导致54dB的损耗，当天线低于屋顶时将导致多余54dB的损耗，此时当链路距离相当小（<500m）时，超出54dB的损耗数会减小；当基站天线高于屋顶（h?hRoof）时，距离每增加10km,Lmsd增加18dB错误！未指定书签。；当基站天线低于屋顶（h?hRoof）时，Lmsd错误！未指定书签。虽距离的增大而增加的更多。

（2） COST-231 Walfisch-Ikegami模型仿真结果和分析

这里只考虑基站天线高于建筑物平均高度的情况，；另外设移动台位于街道中央，并选取f=900MHz和1800MHz，基站天线高度hb=30m，街道宽度w=20m错误！未指定书签。。移动台天线高度hm错误！未指定书签。=1.5m，建筑物的间隔b=40m，入射电波与街道走向之间的夹角90建筑物高度hRoof错误！未指定书签。=15m。

以下就是仿真过程，仿真所用程序见附录，仿真得图形如图3-4所示：

COST-231-Walfish-Ikegami模型路径损耗300 250路径损耗 /dB200150100视距路径损耗f=900MHz非视距路径损耗f=900MHz非视距路径损耗f=1800MHz0.511.522.53距离 /km3.544.5550 0 图3-4 COST-231 Walfisch-Ikegami模型仿真图

在仿真之前规定了非视距传播(NLOS)适用条件和主要参数进行，设定了非视距传输的参数，分别对f=900MHz和f=1800MHz的非视距传播模型进行了仿真，对于视距模型只对f=900MHz这个频率进行了仿真。从仿真结果可以得知，对于COST-231 Walfisch-Ikegami模型在0—0.5km范围内大幅度衰减，在0.5km之后缓慢衰减切成上升趋势，很明显视距路径损耗要远远小于非视距损耗，这是在相同发射频率下。对于非视距路径损耗在不同发射频率下，也是频率越高，意味着损耗也就越大。

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3.4 COST-231 Hata模型 （1）COST-231 Hata模型的基本原理

COST-231Hata模型和Okumura-Hata模型主要的区别是频率衰减的系数不同， 其中频率衰减因子为33.9，Okumura-Hata模型的频率衰减因子为26.16另外COST-231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减Cm，大城市中心地区路径损耗增加3dB。COST 231-Hata模型路径损耗Lp随着f，d的增加而增大，随着hb，hm的增大而减小，所以在给定的范围内，f、d越大，hb、hm越小，路径损耗Lp越大；f、d越小，hb、hm越大，路径损耗Lp越小。 COST 231-Hata模型路径损耗Lp在不同的环境中有所不同，在大城市，中小城市，郊区，乡村的损耗依次减小。COST 231-Hata传播模型适合于长距离（1～200km）对1500～2000MHz频段进行预测。它适合DCS1800（1800MHz数字蜂窝系统）、UMTS（通用移动通信系统）及GSM1800的宏蜂窝技术。国内外的有关文献报道了TD-SCDMA系统应套用的传播模型，普遍认为应使用CSOT231-Hata传播模型，但由于CSOT231-Hata传播模型约适用于上限频率为2000MHz，与TD-SCDMA系统频段稍有差异，所以COST231-Hata模型为基础的TD-SCDMA传播模型在频率参数上需要进一步校正。

COST-231 Hata模型是以载频1500MHz≤f≤200MHz，基站天线高度 30m≤Hb≤200m,移动台天线高度 1m≤Hm≤10m，基站和移动台间的距离 1km≤d≤20km为基准条件得到的。COST 231-Hata模型路径损耗计算的经验公式为：

Lp(dB)?46.3?33.9lgf?13.82lghb?a(hm)?(44.9?6.55lghb)lgd?Ccell?Cterrian?CM式中，a(hm)为移动台天线高度修正因子，由下式给出：即

（3.19）

?(1.1lgf?0.7)hm?(1.56lgf?0.8)(dB), 中、小城市? （3.20） a(hm)??8.29(lg1.54hm)2?1.1(dB), f?MHz,大城市?3.2(lg1.54h)?4.97(dB), f?300MHz,大城市m? Ccell为小区类型校正因子，由下式给出：即

Ccell?0, 城市????2[lgf/28]2?5.4(dB)， 郊区 （3.21） ??4.78(lgf)?18.33lgf?40.98(dB), 乡村? 12

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CM为大城市中心校正因子，由下式给出：即

?0(dB), 中等城市和郊区 （3.22） CM?? 大城市中心?3(dB)，式中：f为载频，hb为基站天线高度，hm为移动台天线高度，d为基站和移动台间的距离，Cterrian为地形校正因子，反映了一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响，如水域、树木、建筑等。合理的地形校正因子可以通过传播模型的测试和校正得出，也可以由用户指定。

第四章 链路损耗的具体计算分析

4.1 天水市链路损耗模型的选取

由以上各种模型的分析比较可知COST 231-Hata模型路径损耗Lp随着f，d的增加而增大，随着hb，hm的增大而减小，所以在给定的范围内，f、d越大，hb、hm越小，路径损耗Lp越大；f、d越小，hb、hm越大，路径损耗Lp越小。 COST 231-Hata模型路径损耗Lp在不同的环境中有所不同，在大城市，中小城市，郊区，乡村的损耗依次减小。COST 231-Hata传播模型适合于长距离（1～200km）对1500～2000MHz频段进行预测。它适合DCS1800（1800MHz数字蜂窝系统）、UMTS（通用移动通信系统）及GSM1800的宏蜂窝技术。结合天水市的地理环境，所以应该选取COST 231-Hata模型。 4.2 模型各种参数的确定

对于中等城市和郊区各参数选取如下： ? 工作频率f(MHz):1800 ? 发射天线高度ht(m):45 ? 接收天线高度hr(m):1.7 ? 天线口功率TX(dBm):41 ? 天线增益G(dBi):21 ? 人体损耗Rs(dB):5 ? 边缘场强Rx(dBm):-91.99 ? 车体损耗Cs(dB):10 ? 天线覆盖距离d(km)2.5

经验公式为：

L =46.33+(44.9-6.55lght)lgd+33.9lgf-（(1.1lgf-0.7)hr-1.56lgf+0.8）-13.82lght

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带入计算得到L=138.99db

4.3 COST 231-Hata模型仿真及结果分析

以下就是仿真过程，仿真得图形如图4-1和4-2所示，图4-1为相同条件下不同区域的路径损耗，图4-2为同一区域不同条件下的路径损耗。

COST-231 Hata模型170160150路径损耗/dB140130120大城市损耗,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=3m中小城市损耗,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=3m郊区损耗,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=3m02468101214收发天线间的水平距离/km161820110

图4—1相同条件下不同区域的路径损耗

分别测试大城市、中小城市、郊区三个不同区域的无线环境路径传输损耗，

大城市路径损耗最大，中小城市次之，郊区最小。因为大城市高大建筑物巨多，行人及车辆复杂繁多，他们都会对信号的传播形成障碍，使得信号散射、反射、绕射的机会增多，程度加重，受多径衰落的影响严重；中小城市相对于大城市而言，其建筑物，行人及车辆都会少许多，无线传输环境的质量相对较好，路径损耗较低；而郊区多为空旷地带，无线信号多为视距传播，受多径衰落影响最小，主要为大尺度衰落。

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COST-231 Hata模型170160150路径损耗/dB140130120大城市损耗,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=3m大城市损耗,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=10m中小城市损耗，f=1800,Hb=150,Hm=3中小城市损耗，f=1800,Hb=200,Hm=3郊区损耗,f=1800MHz,Hb=150m,Hm=3m郊区损耗,f=2000MHz,Hb=150m,Hm=3m02468101214收发天线间的水平距离/km161820110

图4—2同一区域不同条件下的路径损耗

同一区域（如大城市中），在载频（f）、基站天线高度（Hb）相同的情况下，随着移动台天线高度（Hm）的增高路径传输损耗减小；同一区域（如中小城市中），在载频（f）、移动台天线高度（Hb）相同的情况下，随着基站天线高度（Hb）的增高路径传输损耗减小；同一区域（如郊区），在基站天线高度（Hb）、移动台天线高度（Hm）相同的情况下，随着载频（f）的增加路径传输损耗增加。所以，路径传输损耗随着基站天线高度（Hb）和移动台天线高度（Hm）的增高而减小，随着载频（f）和传输距离（d）的增加而增加。由仿真结果知，预算与仿真结果相互吻合。 4.4 分析总结

由仿真条件可知COST-231 Hata模型工作频段较小，Okumura-Hata模型和COST-231 Walfisch-Ikegami模型工作频段较大，Okumura-Hata模型和COST-231 Hata模型作用距离较长，而COST-231 Walfisch-Ikegami模型作用距离较短，Okumura-Hata模型和COST-231 Hata模型可以用于宏蜂窝，而COST-231 Walfisch-Ikegami模型可以用于微蜂窝，Okumura-Hata模型和COST-231 Hata模型基站天线高度和移动台天线高度范围较大，COST-231 Walfisch-Ikegami模型范围较小，Okumura-Hata模型和COST-231 Hata模型可以用于城市等高建筑群区域，COST-231 Walfisch-Ikegami模型用于低建筑群区域。

由仿真结果可以知道，对于经验模型，在其他条件不变的情况下，频率越高，传播过程中的损耗也就越大。对于Okumura-Hata模型，中小城市和大城市在移

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dv82.html