移動通信中傳播模型的校正

一、引言

傳播模型是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)，傳播模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃是否合理，運營商是否以比較經(jīng)濟(jì)合理的投資滿足了用戶的需求。由于我國幅員遼闊，各省、市的無線傳播環(huán)境千差萬別。例如，處于丘陵地區(qū)的城市與處于平原地區(qū)的城市相比，其傳播環(huán)境有很大不同，兩者的傳播模型也會存在較大差異。因此如果僅僅根據(jù)經(jīng)驗而無視各地不同地形、地貌、建筑物、植被等參數(shù)的影響，必然會導(dǎo)致所建成的網(wǎng)絡(luò)或者存在覆蓋、質(zhì)量問題，或者所建基站過于密集，造成資源浪費。隨著我國移動通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，各運營商越來越重視傳播模型與本地區(qū)環(huán)境相匹配的問題。

傳播環(huán)境對無線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：

自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）
        人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性
        該地區(qū)的植被特征
        天氣狀況
        自然和人為的電磁噪聲狀況

另外，無線傳播模型還受到系統(tǒng)工作頻率和移動臺運動因素的影響。在相同地區(qū)，工作頻率不同，接收信號衰落各異；靜止的移動臺與高速運動的移動臺的傳播環(huán)境也大不相同。

傳播模型的研究可分為兩類：

一類是基于無線電傳播理論的理論分析方法；

一類是建立在大量測試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式基礎(chǔ)上的實測統(tǒng)計方法。

在移動通信系統(tǒng)中，由于移動臺不斷運動，傳播信道不僅受到多普勒效應(yīng)的影響，而且還受地形、地物的影響，另外移動系統(tǒng)本身的干擾和外界干擾也不能忽視�；�于移動通信系統(tǒng)的上述特性，嚴(yán)格的理論分析很難實現(xiàn)，往往需對傳播環(huán)境進(jìn)行近似、簡化，從而使理論模型誤差較大。而最著名的統(tǒng)計模型是Okumura模型，它是Okumura 以其在日本的大量測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)統(tǒng)計出的以曲線圖表示的傳播模型。在Okumura模型的基礎(chǔ)上，利用回歸方法擬合出便于計算機(jī)計算的解析經(jīng)驗公式。這些經(jīng)驗公式有適用于GSM900宏蜂窩的Okumura-Hata公式、適用于GSM1800宏蜂窩的Hata擴(kuò)展公式。另外還有適用于微蜂窩的Walfisch公式及室內(nèi)傳播環(huán)境使用的Keenan-Motley公式 。這些經(jīng)驗公式計算繁瑣并且與實際環(huán)境之間存在著或大或小的誤差。因此在實際的場強(qiáng)預(yù)測中，一般都以修正的Okumura-Hata模型作為預(yù)測模型，利用計算機(jī)進(jìn)行輔助預(yù)測，在這種規(guī)劃軟件中，可以針對當(dāng)?shù)氐膶嶋H無線環(huán)境作CW測試后對上述公式進(jìn)行修正。

需要說明的是，如果已有地形地物相似城市的模型參數(shù)，可以直接用于規(guī)劃預(yù)測，而沒有必要重做CW測試和模型校正，以節(jié)省人力物力。

二、CW測試

CW測試目的就是為了獲得符合本地區(qū)實際環(huán)境的無線傳播模型，提高覆蓋預(yù)測的準(zhǔn)確性，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃打好基礎(chǔ)。

1.無線傳播特征

無線信號在傳播時會受到多種途徑衰減的損害，表示為：
        P(d)=d-nS(d)R(d)  (1)
        其中，P(d)為接收信號功率，是基站和移動臺之間距離的函數(shù)；d-n為空間傳播損耗，n一般為3~4；S(d)為陰影衰落，是由傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其它障礙物對電波遮蔽所引起的衰落，也稱長期衰落或慢衰落；R(d)為多徑衰落，是由移動傳播環(huán)境的多徑傳播引起的衰落，也稱短期衰落或快衰落。

慢衰落特性符合正態(tài)分布，而快衰落符合瑞利分布。 快衰落是疊加在慢衰落上的信號的快速抖動。由于移動臺的天線高度低于周圍建筑物的高度，并且載波波長遠(yuǎn)小于建筑物尺寸，因此在移動臺側(cè)，在半個波長的距離上信號變化動態(tài)范圍可達(dá)40dB（高于平均值10dB，低于平均值30dB）。

對于移動通信系統(tǒng)，式(1)的分析不太方便，為了可以利用隨機(jī)過程的理論分析移動通信的傳播，可把(1)表示為：
        r(x) = m(x)r0(x)  (2)

其中，x為距離，r(x)為接收信號；r0(x)為瑞利衰落； m(x)為本地均值，也就是長期衰落和空間傳播損耗的合成，可以表示為：

　　(3)

        其中2L為平均采樣區(qū)間長度，也叫本征長度。

因為地形地物在一段時間內(nèi)基本固定，所以對于某一確定的基站，在某一確定地點的本地均值是確定的。該本地均值就是CW測試期望測得的數(shù)據(jù)，它也是與傳播模型預(yù)測值最逼近的值。

2.CW測試方法

CW測試就是盡可能獲取在某一地區(qū)各點地理位置的本地均值，即r(x)與m(x)之差盡可能小，因此要獲取本地均值必須去除瑞利衰落的影響。對于一組測量信號數(shù)據(jù)r(x)平均時，若本征長度2L太短，則仍有瑞利衰落影響存在；若2L太長，則會把正態(tài)衰落也平均掉。因此在CW測試中確定2L關(guān)系到能否使所測數(shù)據(jù)與實際本地均值的逼近程度，以及根據(jù)CW測試校正的傳播模型預(yù)測的準(zhǔn)確程度。著名通信專家李建業(yè)證明，對于GSM系統(tǒng)，在本征長度為40個波長，采樣50個樣點時，可使測試數(shù)據(jù)與實際本地均值之差小于1dB（不考慮測試設(shè)備的誤差）。

1）CW測試站址

在測試之前首先需要確定測試站址及其數(shù)量，根據(jù)一般經(jīng)驗，在人口密集的大城市，測試站址應(yīng)不少于5個；對于中小城市一般一個測試站址就夠了，這主要取決于測試基站天線高度及其EIRP大小。站址選擇的原則是要使它能夠覆蓋足夠多的地物類型（這些地物類型來自數(shù)字地圖）。

作為測試站址，它的第一菲涅爾區(qū)必須無障礙物。在實際測試中為便于測試，可按以下標(biāo)準(zhǔn)來確定站址是否合適：

天線高度大于20m；

天線高于最近的障礙物5m以上

圖1 站址選擇標(biāo)準(zhǔn)示意圖

在此障礙物主要指天線所在屋頂上的最高建筑物，作為站址的建筑物應(yīng)高于周圍建筑物的平均高度。

2）CW測試設(shè)備

CW測試首先需要有一個測試基站發(fā)射RF信號，可以FM調(diào)制，也可以不調(diào)制，然后用CW測試設(shè)備進(jìn)行驅(qū)車測試�；�站系統(tǒng)包括發(fā)射天線、饋線、高功放、高頻信號源。測試系統(tǒng)包括測試接收機(jī)、GPS接收機(jī)、測距儀、測試軟件以及便攜式計算機(jī)等。測試接收機(jī)的采樣速度要盡可能高。

測試基站設(shè)備安裝在選定的測試站址后，應(yīng)用功率計測量天線口的發(fā)射功率和反射功率，計算出測試基站的有效輻射功率(EIRP)。計算公式如下：
EIRP = 10log[P_Forward(mW) - P_Reflected(mW)] + Tx_Antenna_Gain
              + Rx_Antenna_Gain - Rx_Feeder_Loss (4)

其中，P_Forward 為前向發(fā)射功率；P_Reflected為反射功率； Tx_Antenna_Gain為測試基站發(fā)射天線增益(dBi)； Rx_Antenna_Gain 為測試接收機(jī)天線增益(dBi)； Rx_Feeder_Loss為測試接收機(jī)的饋線損耗。

基站設(shè)備安裝調(diào)試正常后，記錄下該基站的EIRP。用GPS測量站址的經(jīng)緯度；用三角測量法測量建筑物的高度。天線高度為建筑物高度加上天線桅桿高度以及天線本身長度的一半。用便攜式測試設(shè)備掃頻，以確認(rèn)測試基站設(shè)備工作正常，并且周圍無干擾信號。

3）CW測試

專業(yè)的CW測試設(shè)備的采樣方式有三種：按時間采樣、脈沖采樣及距離采樣。通用測試設(shè)備一般只能按時間采樣。按距離采樣進(jìn)行測試時，能夠嚴(yán)格滿足李氏定理40個波長采樣36~50個樣點的要求，測量準(zhǔn)確度很高。距離采樣方法對于車速要求不嚴(yán)格，但是存在一個車速上限。車速的上限(Vmax)與CW測試設(shè)備的最大采樣速率(Tsample)有關(guān)：

Vmax = 0.8 /Tsample (5)

時間采樣方法一般認(rèn)為只適合做靜止測試，但經(jīng)過研究我們發(fā)現(xiàn)可用高性能的通用測試設(shè)備做CW測試方法如下：測試基站以GSM的載頻頻率發(fā)射；通用測試接收機(jī)設(shè)為按時間采樣，且為一秒一次，讓接收機(jī)掃描50個同一載頻，當(dāng)測試接收機(jī)以24km/h左右速度運動時，基本上可滿足李氏定理的要求。實驗證明采用這種方法校正的傳播模型的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于6dB。

脈沖采樣方法一般用于室內(nèi)測試，在此不作討論。

在測試過程中，應(yīng)選取包含各種地物類型的測試路徑作隨機(jī)驅(qū)車測試。當(dāng)移動臺離測試基站距離在3km 以內(nèi)時，接收信號受基站周圍建筑物結(jié)構(gòu)和天線高度的影響較大；平行于信號傳播方向的信號強(qiáng)度與垂直于信號傳播方向的信號強(qiáng)度差10dB左右。因此在距基站半徑3km以內(nèi)的街道上測試時，縱向和橫向的街道最好采樣同樣數(shù)量的樣本，以消除其影響。測試路徑盡量不要選擇高速公路以及很寬闊平直的街道，而應(yīng)選擇較窄的街道。對每個測試基站應(yīng)采樣盡量多的數(shù)據(jù)，一般每個站點測試4小時以上為宜。

三、傳播模型的校正

CW測試的目的是傳播模型校正，對某一城市或地區(qū)測得足夠數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理后利用數(shù)字地圖就可做模型校正了。

1.數(shù)字地圖和地物類型

數(shù)字地圖是進(jìn)行模型校正的必備工具，移動通信所用的數(shù)字地圖包括地形高度，地面用途種類等對移動通信電波傳播有影響的地理信息，是規(guī)劃軟件進(jìn)行模型校正、覆蓋預(yù)測、干擾分析、頻率規(guī)劃的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)字地圖包含以下內(nèi)容：

數(shù)字高程模型（DEM數(shù)據(jù)）：按規(guī)定分辨率等間隔表示的地面高程數(shù)據(jù)，采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

地面覆蓋模型（DOM數(shù)據(jù)）：按規(guī)定分辨率等間隔表示的地面覆蓋類型，采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

線狀地物模型（LDM數(shù)據(jù)）：以弧段坐標(biāo)表示的線狀地物平面位置，采用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

建筑群空間分布模型（BDM數(shù)據(jù)）：描述建筑物的平面位置和高度數(shù)據(jù)，采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在以上四層數(shù)字地圖中，DEM層、DOM層、LDM層是必須數(shù)據(jù)，BDM層一般只用于微蜂窩，在微蜂窩用量較大時才需要用到這層數(shù)據(jù)。數(shù)字地圖的精度為100m、50m、20m、5m。5m精度的數(shù)字地圖用于微蜂窩，20m用于城市，50、100m用于農(nóng)村。對于用的最廣的20m精度數(shù)字地圖，其地物數(shù)據(jù)包括塊狀地物，包括內(nèi)陸水域、海洋、濕地、鄉(xiāng)村開闊地、市內(nèi)公園、市區(qū)開闊地、綠地、林地、高層建筑群、一般建筑群、低矮建筑群、郊區(qū)村莊等。線狀地物包括高速公路、國道線、主要道路、主要街道、一般街道、鐵路、航道、機(jī)場跑道、水系邊界線、河岸線、湖泊岸線、海岸線、行政區(qū)界等。地圖的平面精度為20m，高于30m的建筑定義為高層建筑，15~30m的建筑定義為一般建筑，低于15m的建筑定義為低矮建筑。

2.傳播模型及其校正

各軟件商開發(fā)的用于計算機(jī)輔助分析的傳播模型各不相同，但都基于Okumura的基本模型，并提供可作修正的參數(shù)。下面結(jié)合具體的規(guī)劃軟件ASSET闡述模型校正的方法。

1）ASSET傳播模型

AIRCOM公司的ASSET規(guī)劃軟件具有模型校正的功能。ASSET中使用的宏蜂窩傳播模型如下：

RxLev = EIRP ? Path Loss   (6)
        Path Loss(dB) = k1 + k2log(d) + k3Hms + k4log(Hms) + k5log(Heff) + k6log(Heff)log(d) + k7(Diffraction Loss) + Clutter Loss   (7)

其中，RxLev： 接收信號功率電平(dBm)
EIRP： 基站有效輻射功率(dBm)
Path Loss：傳播路徑損耗(dB)
k1： 衰減常數(shù)
k2： 距離衰減系數(shù)
k3、k4： 移動臺天線高度修正系數(shù)
k5、k6： 基站天線高度修正系數(shù)
k7： 繞射修正系數(shù)
Clutter Loss：地物衰減修正值
d： 基站與移動臺之間的距離(km)
Hms 移動臺天線有效高度(m)
Heff： 基站天線有效高度(m)

2）傳播模型的校正

上述模型的K1~K7參數(shù)由具體的傳播環(huán)境決定，K(clutter)是由不同地物決定的修正系數(shù)。不同的地物決定了不同的K(clutter)，這些K參數(shù)是通過CW測試的數(shù)據(jù)逐步擬合出來的。獲得CW測試數(shù)據(jù)后，可以通過K參數(shù)試驗法和最小方差法兩種途徑得到。

在標(biāo)準(zhǔn)模型的眾多K參數(shù)中，每個K參數(shù)對模型的影響程度是不一樣的，從對模型的分析可知，K1、K(clutter)是常量，與傳播距離、天線高度等因素?zé)o關(guān)；K3、K4為移動臺的高度修正因子，由于移動臺的高度變化不大（可定為1.5米左右），因此，K3、K4最終可以歸結(jié)為最后階段的微量調(diào)整，K2、K5、K6的調(diào)整要視具體的測試數(shù)據(jù)和測試路徑而定。

3）傳播模型的校正實例

為了得到適合于某市的電磁傳播模型，在該市進(jìn)行了連續(xù)波(CW)測試，在市區(qū)選擇了三個地點作為測試站址，并架設(shè)測試基站（模擬發(fā)射機(jī)），測得了足夠多的數(shù)據(jù)，利用這些測試數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正。由于現(xiàn)行的規(guī)劃軟件尚不具備自動校正K參數(shù)的功能，因此我們用上面介紹的K參數(shù)調(diào)整方法校正出了適合于該市的K參數(shù)。圖2為測試路徑圖，圖3為CW測試值與校正后模型預(yù)測值偏差圖。校正后的模型標(biāo)準(zhǔn)偏差可達(dá)5.7dB，測試路徑上的不同顏色代表了對應(yīng)點的偏差，從結(jié)果看，大部分測試點上的偏差都控制在可以接受的范圍內(nèi)。校正過程如下：

首先把CW測試數(shù)據(jù)文件加入ASSET的CW數(shù)據(jù)分析窗口中，并選擇合適的分析半徑范圍和合理的電平范圍，然后調(diào)整K2和K1直至模型的均方根差最小，微調(diào)K3、K4、K5、K6，K1~K6調(diào)整好以后，調(diào)整K7，同時在模型中應(yīng)選擇繞射類型。然后根據(jù)K3～K7調(diào)整過程中產(chǎn)生的模型誤差調(diào)整K1。最后根據(jù)數(shù)字地圖和測試路徑包含的各種地物類型，調(diào)整模型中的Clutter衰耗值。

經(jīng)過校正過程，得到該市的K參數(shù)如表1和表2所示。

表1 市區(qū)模型參數(shù)如下：

表2 各種Clutter的損耗值：