播模型的校正

移动通信中传播模型的校正一、引言     传播模型是移动通信网小区规划的基础，传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。由于我国幅员辽阔，各省、市的无线传播环境千差万别。例如，处于丘陵地区的城市与处于平原地区的城市相比，其传播环境有很大不同，两者的传播模型也会存在较大差异。因此如果仅仅根据经验而无视各地不同地形、地貌、建筑物、植被等参数的影响，必然会导致所建成的网络或者存在覆盖、质量问题，或者所建基站过于密集，造成资源浪费。随着我国移动通信网络的飞速发展，各运营商越来越重视传播模型与本地区环境相匹配的问题。       传播环境对无线传播模型的建立起关键作用，确定某一特定地区的传播环境的主要因素有：       自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）       人工建筑的数量、高度、分布和材料特性       该地区的植被特征       天气状况       自然和人为的电磁噪声状况       另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动因素的影响。在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落各异；静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相同。       传播模型的研究可分为两类：       一类是基于无线电传播理论的理论方法；       一类是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法。       在移动通信系统中，由于移动台不断运动，传播信道不仅受到多普勒效应的影响，而且还受地形、地物的影响，另外移动系统本身的干扰和外界干扰也不能忽视。基于移动通信系统的上述特性，严格的理论分析很难实现，往往需对传播环境进行近似、简化，从而使理论模型误差较大。而最著名的统计模型是Okumura模型，它是Okumura以其在日本的大量测试数据为基础统计出的以曲线图示的传播模型。在Okumura模型的基础上，利用回归方法拟合出便于计算机计算的解析经验公式。这些经验公式有适用于GSM900宏蜂窝的Okumura-Hata公式、适用于GSM1800宏蜂窝的Hata扩展公式。另外还有适用于微蜂窝的Walfisch公式及室内传播环境使用的Keenan-Motley公式。这些经验公式计算繁琐并且与实际环境之间存在着或大或小的误差。因此在实际的场强预测中，一般都以修正的Okumura-Hata模型作为预测模型，利用计算机进行辅助预测，在这种规划软件中，可以针对当地的实际无线环境作CW测试后对上述公式进行修正。       需要说明的是，如果已有地形地物相似城市的模型参数，可以直接用于规划预测，而没有必要重做CW测试和模型校正，以节省人力物力。       二、CW测试       CW测试目的就是为了获得符合本地区实际环境的无线传播模型，提高覆盖预测的准确性，为网络规划打好基础。       1.无线传播特征       无线信号在传播时会受到多种途径衰减的损害，表示为：       P(d)=d-nS(d)R(d) (1)       其中，P(d)为接收信号功率，是基站和移动台之间距离的函数；d-n为空间传播损耗，n一般为3~4；S(d)为阴影衰落，是由传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，也称长期衰落或慢衰落；R(d)为多径衰落，是由移动传播环境的多径传播引起的衰落，也称短期衰落或快衰落。       慢衰落特性符合正态分布，而快衰落符合瑞利分布。快衰落是叠加在慢衰落上的信号的快速抖动。由于移动台的天线高度低于周围建筑物的高度，并且载波波长远小于建筑物尺寸，因此在移动台侧，在半个波长的距离上信号变化动态范围可达40dB（高于平均值10dB，低于平均值30dB）。       对于移动通信系统，式(1)的分析不太方便，为了可以利用随机过程的理论分析移动通信的传播，可把(1)表示为：       r(x)=m(x)r0(x) (2)       其中，x为距离，r(x)为接收信号；r0(x)为瑞利衰落；m(x)为本地均值，也就是长期衰落和空间传播损耗的合成，可以表示为：        (3)       其中2L为平均采样区间长度，也叫本征长度。       因为地形地物在一段时间内基本固定，所以对于某一确定的基站，在某一确定地点的本地均值是确定的。该本地均值就是CW测试期望测得的数据，它也是与传播模型预测值最逼近的值。       2.CW测试方法       CW测试就是尽可能获取在某一地区各点地理位置的本地均值，即r(x)与m(x)之差尽可能小，因此要获取本地均值必须去除瑞利衰落的影响。对于一组测量信号数据r(x)平均时，若本征长度2L太短，则仍有瑞利衰落影响存在；若2L太长，则会把正态衰落也平均掉。因此在CW测试中确定2L关系到能否使所测数据与实际本地均值的逼近程度，以及根据CW测试校正的传播模型预测的准确程度。著名通信专家李建业证明，对于GSM系统，在本征长度为40个波长，采样50个样点时，可使测试数据与实际本地均值之差小于1dB（不考虑测试设备的误差）。       1）CW测试站址       在测试之前首先需要确定测试站址及其数量，根据一般经验，在人口密集的大城市，测试站址应不少于5个；对于中小城市一般一个测试站址就够了，这主要取决于测试基站天线高度及其EIRP大小。站址选择的原则是要使它能够覆盖足够多的地物类型（这些地物类型来自数字地图）。       作为测试站址，它的第一菲涅尔区必须无障碍物。在实际测试中为便于测试，可按以下标准来确定站址是否合适：       天线高度大于20m；       天线高于最近的障碍物5m以上图1站址选择标准示意图       在此障碍物主要指天线所在屋顶上的最高建筑物，作为站址的建筑物应高于周围建筑物的平均高度。       2）CW测试设备       CW测试首先需要有一个测试基站发射RF信号，可以FM调制，也可以不调制，然后用CW测试设备进行驱车测试。基站系统包括发射天线、馈线、高功放、高频信号源。测试系统包括测试接收机、GPS接收机、测距仪、测试软件以及便携式计算机等。测试接收机的采样速度要尽可能高。       测试基站设备安装在选定的测试站址后，应用功率计测量天线口的发射功率和反射功率，计算出测试基站的有效辐射功率(EIRP)。计算公式如下：EIRP=10log[P_Forward(mW)-P_Reflected(mW)]+Tx_Antenna_Gain             +Rx_Antenna_Gain-Rx_Feeder_Loss(4)       其中，P_Forward为前向发射功率；P_Reflected为反射功率；Tx_Antenna_Gain为测试基站发射天线增益(dBi)；Rx_Antenna_Gain为测试接收机天线增益(dBi)；Rx_Feeder_Loss为测试接收机的馈线损耗。       基站设备安装调试正常后，记录下该基站的EIRP。用GPS测量站址的经纬度；用三角测量法测量建筑物的高度。天线高度为建筑物高度加上天线桅杆高度以及天线本身长度的一半。用便携式测试设备扫频，以确认测试基站设备工作正常，并且周围无干扰信号。       3）CW测试       专业的CW测试设备的采样方式有三种：按时间采样、脉冲采样及距离采样。通用测试设备一般只能按时间采样。按距离采样进行测试时，能够严格满足李氏定理40个波长采样36~50个样点的要求，测量准确度很高。距离采样方法对于车速要求不严格，但是存在一个车速上限。车速的上限(Vmax)与CW测试设备的最大采样速率(Tsample)有关：       Vmax=0.8/Tsample(5)       时间采样方法一般认为只适合做静止测试，但经过研究我们发现可用高性能的通用测试设备做CW测试方法如下：测试基站以GSM的载频频率发射；通用测试接收机设为按时间采样，且为一秒一次，让接收机扫描50个同一载频，当测试接收机以24km/h左右速度运动时，基本上可满足李氏定理的要求。实验证明采用这种方法校正的传播模型的标准偏差小于6dB。       脉冲采样方法一般用于室内测试，在此不作讨论。       在测试过程中，应选取包含各种地物类型的测试路径作随机驱车测试。当移动台离测试基站距离在3km以内时，接收信号受基站周围建筑物结构和天线高度的影响较大；平行于信号传播方向的信号强度与垂直于信号传播方向的信号强度差10dB左右。因此在距基站半径3km以内的街道上测试时，纵向和横向的街道最好采样同样数量的样本，以消除其影响。测试路径尽量不要选择高速公路以及很宽阔平直的街道，而应选择较窄的街道。对每个测试基站应采样尽量多的数据，一般每个站点测试4小时以上为宜。       三、传播模型的校正       CW测试的目的是传播模型校正，对某一城市或地区测得足够数据并进行分析处理后利用数字地图就可做模型校正了。       1.数字地图和地物类型       数字地图是进行模型校正的必备工具，移动通信所用的数字地图包括地形高度，地面用途种类等对移动通信电波传播有影响的地理信息，是规划软件进行模型校正、覆盖预测、干扰分析、频率规划的重要基础数据。数字地图包含以下内容：       数字高程模型（DEM数据）：按规定分辨率等间隔表示的地面高程数据，采用栅格数据结构；       地面覆盖模型（DOM数据）：按规定分辨率等间隔表示的地面覆盖类型，采用栅格数据结构；       线状地物模型（LDM数据）：以弧段坐标表示的线状地物平面位置，采用矢量数据结构；       建筑群空间分布模型（BDM数据）：描述建筑物的平面位置和高度数据，采用栅格数据结构或矢量数据结构。       在以上四层数字地图中，DEM层、DOM层、LDM层是必须数据，BDM层一般只用于微蜂窝，在微蜂窝用量较大时才需要用到这层数据。数字地图的精度为100m、50m、20m、5m。5m精度的数字地图用于微蜂窝，20m用于城市，50、100m用于农村。对于用的最广的20m精度数字地图，其地物数据包括块状地物，包括内陆水域、海洋、湿地、乡村开阔地、市内公园、市区开阔地、绿地、林地、高层建筑群、一般建筑群、低矮建筑群、郊区村庄等。线状地物包括高速公路、国道线、主要道路、主要街道、一般街道、铁路、航道、机场跑道、水系边界线、河岸线、湖泊岸线、海岸线、行政区界等。地图的平面精度为20m，高于30m的建筑定义为高层建筑，15~30m的建筑定义为一般建筑，低于15m的建筑定义为低矮建筑。       2.传播模型及其校正       各软件商开发的用于计算机辅助分析的传播模型各不相同，但都基于Okumura的基本模型，并提供可作修正的参数。下面结合具体的规划软件ASSET阐述模型校正的方法。       1）ASSET传播模型       AIRCOM公司的ASSET规划软件具有模型校正的功能。ASSET中使用的宏蜂窝传播模型如下：       RxLev=EIRP?PathLoss  (6)       PathLoss(dB)=k1+k2log(d)+k3Hms+k4log(Hms)+k5log(Heff)+k6log(Heff)log(d)+k7(DiffractionLoss)+ClutterLoss  (7)其中，RxLev：接收信号功率电平(dBm)EIRP：基站有效辐射功率(dBm)PathLoss：传播路径损耗(dB)k1：衰减常数k2：距离衰减系数k3、k4：移动台天线高度修正系数k5、k6：基站天线高度修正系数k7：绕射修正系数ClutterLoss：地物衰减修正值d：基站与移动台之间的距离(km)Hms移动台天线有效高度(m)Heff：基站天线有效高度(m)       2）传播模型的校正       上述模型的K1~K7参数由具体的传播环境决定，K(clutter)是由不同地物决定的修正系数。不同的地物决定了不同的K(clutter)，这些K参数是通过CW测试的数据逐步拟合出来的。获得CW测试数据后，可以通过K参数试验法和最小方差法两种途径得到。       在标准模型的众多K参数中，每个K参数对模型的影响程度是不一样的，从对模型的分析可知，K1、K(clutter)是常量，与传播距离、天线高度等因素无关；K3、K4为移动台的高度修正因子，由于移动台的高度变化不大（可定为1.5米左右），因此，K3、K4最终可以归结为最后阶段的微量调整，K2、K5、K6的调整要视具体的测试数据和测试路径而定。       3）传播模型的校正实例       为了得到适合于某市的电磁传播模型，在该市进行了连续波(CW)测试，在市区选择了三个地点作为测试站址，并架设测试基站（模拟发射机），测得了足够多的数据，利用这些测试数据进行模型校正。由于现行的规划软件尚不具备自动校正K参数的功能，因此我们用上面介绍的K参数调整方法校正出了适合于该市的K参数。图2为测试路径图，图3为CW测试值与校正后模型预测值偏差图。校正后的模型标准偏差可达5.7dB，测试路径上的不同颜色代表了对应点的偏差，从结果看，大部分测试点上的偏差都控制在可以接受的范围内。校正过程如下：       首先把CW测试数据文件加入ASSET的CW数据分析窗口中，并选择合适的分析半径范围和合理的电平范围，然后调整K2和K1直至模型的均方根差最小，微调K3、K4、K5、K6，K1~K6调整好以后，调整K7，同时在模型中应选择绕射类型。然后根据K3～K7调整过程中产生的模型误差调整K1。最后根据数字地图和测试路径包含的各种地物类型，调整模型中的Clutter衰耗值。经过校正过程，得到该市的K参数如表1和表2所示。表1市区模型参数如下： 　K1K2K3K4K5K6K7市区16428.5-2.880-13.82-6.550.8表2各种Clutter的损耗值：　市区Water0.8Urbanopenarea-0.4Greenland-1.1Ordinaryregularbuilding1.4Lowbuilding-2.8