播模型的校正(共9頁)

1、移動通信中傳播模型(mxng)的校正一、引言(ynyn) 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(huzh)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

2、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

3、身的干擾和外界干擾也不能忽視。基于移動通信系統(tǒng)的上述特性，嚴格的理論分析很難實現(xiàn)，往往需對傳播環(huán)境進行近似、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

4、小的誤差。因此在實際的場強預(yù)測中，一般都以修正的Okumura-Hata模型作為預(yù)測模型，利用計算機進行輔助預(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(ky)直接用于規(guī)劃預(yù)測，而沒有必要重做CW測試(csh)和模型校正，以節(jié)省人力物力。 二、CW測試(csh) 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

5、，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34；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，為了可以利用隨機過程的理論分析

6、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(qzhng)2L為平均采樣區(qū)間(q jin)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(bnd)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

7、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

8、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(xunz)標(biāo)準(zhǔn)示意圖 在此障礙物主要指天線所在屋頂(w dn)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(csh)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)備進行驅(qū)車測試。基站系統(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、GPS接收機、測距儀、測試軟件以及

9、便攜式計算機等。測試接收機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 = 10logP_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 為測試接收機天線增益(dBi)； Rx

10、_Feeder_Loss為測試接收機的饋線損耗。 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。按距離采樣進行測試時，能夠嚴格滿足李氏定理40個波長采樣3650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(

11、Tsample)有關(guān)： Vmax = 0.8 /Tsample (5) 時間采樣方法一般認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；通用測試接收機設(shè)為按時間采樣，且為一秒一次，讓接收機掃描50個同一載頻，當(dāng)測試接收機以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(ybn)用于室內(nèi)測試，在此不作討論。 在測試過程中，應(yīng)選取(xunq)包含各種地物類型的測試路徑作隨機驅(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(xnho)受基站

12、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度與垂直于信號傳播方向的信號強度差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

13、響的地理信息，是規(guī)劃軟件進行模型校正、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(yshng)四層數(shù)字地圖中，DEM層、DOM層、LDM層是必須(bx)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(xy

14、o)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，1530m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

15、發(fā)的用于計算機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：

16、 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(shngsh)模型的K1K7參數(shù)由具體的傳播環(huán)境(hunjng)決定，K(clutter)是由不同地物決定的修正(xizhng)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

17、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），測得了足夠多

18、的數(shù)據(jù)，利用這些測試數(shù)據(jù)進行模型校正。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，K1K6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)K3K7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：K1K2K3K4K5K6K7市區(qū)16428.5-2.880-13.8