尚海波,何國良(中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司,四川 成都 610042)
隨著我國無線通信的快速發(fā)展,傳播模型和本地環(huán)境的匹配程度引起了通信運(yùn)營商的普遍關(guān)注,因此,有必要獲得與實(shí)際環(huán)境極其相似的無線傳播模型。由于移動(dòng)通信是通過無線空間這一介質(zhì)作為傳播路徑的,決定了傳播路徑的開放性,也使得無線電波傳播環(huán)境更加惡劣,導(dǎo)致了無線電波傳播的復(fù)雜性。因此,無線傳播模型的研究對整個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展極其重要,它的準(zhǔn)確程度直接關(guān)系無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃規(guī)模估算的準(zhǔn)確度、基站的布局情況以及運(yùn)營商的成本問題。
無線傳播模型很大程度上取決于相應(yīng)的傳播環(huán)境,傳播模型的研究可分為3類,即理論分析、現(xiàn)場電波實(shí)測和計(jì)算機(jī)模擬。由于無線信道的復(fù)雜性,嚴(yán)格的理論分析很難實(shí)現(xiàn),因此在實(shí)際移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中,采用現(xiàn)場電波實(shí)測方法建模的較多,如Okumura模型。但由于實(shí)際無線環(huán)境的差異性,使得根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷贸龅膱鰪?qiáng)預(yù)測與實(shí)際環(huán)境之間存在或大或小的誤差。因此通用的工程方法是基于實(shí)際的無線環(huán)境,針對不同的地形、地物、地貌進(jìn)行詳細(xì)分類,利用專用連續(xù)波(CW)測試設(shè)備輔以專用模型修正軟件,來建立適合實(shí)際的無線傳播模型。
傳播模型表示某種特定環(huán)境或傳播路徑下電磁波的傳輸損耗情況。基于統(tǒng)計(jì)分析的模型,適用于宏蜂窩信號預(yù)測,它的研究歷史悠久,是一種較成熟的技術(shù)。目前,應(yīng)用較廣泛的模型大多是統(tǒng)計(jì)模型。
在傳播模型校正中一般采用的是標(biāo)準(zhǔn)傳播模型(SPM)。 由于目前普遍采用的 Cost231-Okumura、Cost231-Hata模型不適用于TD-SCDMA系統(tǒng),故相對原始標(biāo)準(zhǔn)的SPM模型在TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中應(yīng)用廣泛,是眾多規(guī)劃工具軟件所支持的一種標(biāo)準(zhǔn)宏蜂窩模型。這種模型同時(shí)增加配合當(dāng)?shù)氐臄?shù)字地圖信息,給出針對當(dāng)?shù)氐匚镄畔⒌牡匚飺p耗因子。從而能更加準(zhǔn)確地預(yù)測出規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)?shù)氐匚锵碌膫鞑ヌ匦?。具體的SPM模型參見文獻(xiàn)[3]。
TD-SCDMA傳播模型校正方法與傳統(tǒng)模型校正方法相似,但是由于TD-SCDMA信號頻段的不同,需要在傳播模型校正時(shí)特別注意路測信號強(qiáng)度的界定、路測移動(dòng)速度、路測有效長度等諸多問題,保證通過路測能搜集到足夠多的有效信號點(diǎn)信息完成校正。傳播模型校正的目的就是減小經(jīng)驗(yàn)傳播模型在該環(huán)境使用的誤差。通常采用CW測試,從而獲得最準(zhǔn)確的無線信號路徑損耗值,并與規(guī)劃工具的場強(qiáng)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比較修正,使兩者之間誤差的均值和方差達(dá)到最小,最終得出最能反映當(dāng)?shù)責(zé)o線傳播環(huán)境的參數(shù),從而得到適用于該環(huán)境并具有理論可靠性的經(jīng)驗(yàn)傳播模型。
移動(dòng)環(huán)境中實(shí)際接收信號電平是快衰落疊加在慢衰落信號之上形成的,為了分析方便,接收信號電平函數(shù)可以表示為
式中:
x——距離
r(x)——接收信號
r0(x)——瑞利衰落
m(x)——本地均值,也即長期衰落和空間傳播損耗的合成,可以表示為
式中:
2L——平均采樣區(qū)間長度,也即本征長度
根據(jù)著名的李氏定理,在移動(dòng)通信中,當(dāng)2L取40個(gè)波長,采樣點(diǎn)為30~50個(gè)時(shí),能有效地達(dá)到“消除快衰落、保留慢衰落”的目的。若2L不足40個(gè)波長,平均結(jié)果將保持有微弱的瑞利衰落;若多于40個(gè)波長,則會(huì)平滑掉本地均值數(shù)據(jù)。這種方法可使測試數(shù)據(jù)與實(shí)際本地均值的偏差小于1 dB。
2.2.1 環(huán)境分類
在前期準(zhǔn)備工作中,通常將需要進(jìn)行模型校正的環(huán)境分為4類,即密集市區(qū)、市區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村,且基于環(huán)境的復(fù)雜性,環(huán)境的分類可能有所差異。不同環(huán)境下電波的傳播行為是各不相同的,因此需要針對不同的環(huán)境進(jìn)行模型校正。對于某一具體的環(huán)境分類,由于市區(qū)、商業(yè)區(qū)的建筑物分布和居住區(qū)的建筑物分布有很大的差異,甚至同樣是商業(yè)區(qū),建筑物的特征也會(huì)有很大的差異。基于這樣的差異,在環(huán)境分類中,有必要將同一類環(huán)境再細(xì)分為不同的典型區(qū)域,如城市的商業(yè)區(qū)、市區(qū)的住宅區(qū)、市區(qū)的工業(yè)區(qū)等。在模型校正中,需要對這些不同的典型區(qū)域分別選點(diǎn)測試,取得適合這類環(huán)境的傳播模型。
測試站點(diǎn)的選擇對于測試結(jié)果有著直接的影響,需要根據(jù)測試站點(diǎn)選擇原則進(jìn)行詳細(xì)篩選,盡量避免由于測試站點(diǎn)選擇不合理造成的傳播模型校正結(jié)果有誤。
測試路線的先期規(guī)劃可以盡量避免車輛重復(fù)行駛,減少測試時(shí)間。測試路線只是預(yù)估,還需測試時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。
2.2.2 測試站點(diǎn)選擇
對于測試站點(diǎn)的選擇,一般性城市應(yīng)遵循以下原則。
a)站點(diǎn)周圍不能有明顯的遮擋。天線周圍50 m內(nèi)無較大阻擋物,天線的第一菲涅爾區(qū)應(yīng)確保近距離無障礙。
b)站點(diǎn)的天線掛高應(yīng)和適用該區(qū)域模型大致需要的天線掛高接近。
c)站點(diǎn)應(yīng)高于周圍建筑物的平均高度,但不能高出太多。密集城區(qū)測試站點(diǎn)天線掛高應(yīng)比周圍平均高度高10 m左右;一般城區(qū)測試站點(diǎn)天線掛高應(yīng)比周圍平均高度高15 m左右;郊區(qū)或農(nóng)村測試站點(diǎn)天線掛高應(yīng)比周圍平均高度高15~25 m。
d)各測試站點(diǎn)周圍的地形地貌應(yīng)與需要校正的模型代表的環(huán)境地形地貌一致。測試點(diǎn)周圍環(huán)境應(yīng)包含足夠多的地物類型,盡量包含所代表類型區(qū)域內(nèi)的各種地物類型。
e)測試站點(diǎn)周圍應(yīng)有足夠大的區(qū)域進(jìn)行測試,保證測試數(shù)據(jù)量的要求。密集城區(qū)、一般城區(qū)要求測試范圍以測試點(diǎn)為半徑不少于3 km;郊區(qū)、農(nóng)村要求測試范圍以測試點(diǎn)為半徑不少于5 km。對于面積在2 km2內(nèi)的特殊區(qū)域,不予單獨(dú)列為一種類型區(qū)進(jìn)行測試,例如城中村、小規(guī)模坡地。區(qū)域過小無法進(jìn)行路測的,在網(wǎng)規(guī)、仿真中對于特殊區(qū)域可單獨(dú)考慮。
f)測試站點(diǎn)所在樓面不能太大。如果樓面比較大,天線需要增高,否則樓面(尤其是女兒墻)對測試信號傳播影響較大。
g)測試站點(diǎn)周圍避免較大的河流、山體、坡地、礦區(qū)。
h)測試點(diǎn)能提供市電,并保障測試期間(一整天)不斷電。
i)測試點(diǎn)不宜選擇在2種規(guī)劃區(qū)域交界處。密集城區(qū)、一般城區(qū)選取2~5個(gè)測試點(diǎn),郊區(qū)、農(nóng)村選取1~3個(gè)測試點(diǎn)。
j)對于一些小城市,由于各種類型區(qū)域較小,建議使用推薦傳播模型。如客戶要求進(jìn)行傳播模型測試,傳播模型可以用一種模型表征,不需要?jiǎng)澐譃槊芗?、一般、郊區(qū)??梢灾苯釉谑兄行奶庍x擇一個(gè)典型的站點(diǎn),然后圍繞該站點(diǎn)進(jìn)行測試。
對于地域比較特殊的中小城市,在實(shí)際的傳播模型測試中,很難選到一個(gè)理想的測試站點(diǎn)。一方面由于這些城市面積比較小,可規(guī)劃的測試路線較少;另一方面由于中小城市的地物環(huán)境分類不是很明顯 (大部分中小城市沒有典型的郊區(qū)環(huán)境,通常是出了城區(qū)就是類似農(nóng)村的地物環(huán)境)。
在這樣的城市中選擇傳播模型測試站點(diǎn)時(shí),盡量不要把城區(qū)類型劃分為密集城區(qū)、一般城區(qū)和郊區(qū),大部分中小城市完全可以劃分為城區(qū)和郊區(qū)2種地物類型。
在城區(qū)中選擇站點(diǎn)時(shí),一般可選取1~2個(gè)測試站點(diǎn)(選取太多的站點(diǎn)沒有太大意義,因?yàn)槌菂^(qū)面積比較小,站點(diǎn)多的話大部分站點(diǎn)的測試路線都是重復(fù)的);對于郊區(qū),可選取1~2個(gè)最能代表郊區(qū)地物環(huán)境的站點(diǎn)。
2.2.3 測試路線選擇規(guī)劃
a)規(guī)劃的測試路線應(yīng)包括測試點(diǎn)周圍所有方向。如某一小方向內(nèi)有山體、河流阻隔,可在滿足測試數(shù)據(jù)量的前提下,不對該方向進(jìn)行測試。
b)規(guī)劃測試路線應(yīng)盡量包括該測試點(diǎn)所代表的類型區(qū)域內(nèi)的所有地物類型。
c)規(guī)劃測試路線盡量避免重復(fù)道路,避免反復(fù)測試。
d)規(guī)劃測試路線以2~4車道道路為主。盡量規(guī)避大路或過小的道路。
e)規(guī)劃測試路線盡量避免坡地、高架橋、海/湖/河濱路、較大較長的橋梁。
f)規(guī)劃測試路線盡量避免在沿天線發(fā)射方向上延伸的道路,此類道路易出現(xiàn)波導(dǎo)效應(yīng)。
g)規(guī)劃測試路線要保障有足夠的測試數(shù)據(jù)。在后期數(shù)據(jù)處理中,平均每6 m生成一個(gè)有效采樣點(diǎn)。密集城區(qū)由于該類型區(qū)域較小,校模數(shù)據(jù)可以略少,有效采樣點(diǎn)至少為6 000個(gè);其他區(qū)域?yàn)楸U闲D5臏?zhǔn)確性,有效采樣點(diǎn)需在8 000個(gè)以上。測試路線一般在60 km以上,密集城區(qū)規(guī)劃測試路線至少需在36 km以上,其他類型城區(qū)規(guī)劃測試路線至少需在48 km以上。
h)測試路線必須保證區(qū)域類型相同。一般來說,密集城區(qū)、一般城區(qū)測試路線范圍的半徑為1~3 km,郊區(qū)、農(nóng)村的為1~6 km。可以犧牲少量測試數(shù)據(jù),但必須保證測試區(qū)域的區(qū)域類型相同。
i)建議采用選擇道路的方法。先跑東西向道路,再跑南北向道路,最終測試的道路形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),圖1是2種理想的路線圖。
圖1 測試?yán)硐肼肪€圖
做好以上各步驟后即可以開始測試。不同人在同一點(diǎn)進(jìn)行測試的結(jié)果都會(huì)有一定的偏差,傳播模型測試時(shí)的人為因素很重要。在傳播模型測試中要著重注意以下幾個(gè)方面。
a)車速控制。對于行駛的速度,基于李氏定理,在進(jìn)行傳播模型測試時(shí),要保證在40個(gè)波長間隔內(nèi),采集36或最多50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這一方面要考慮測試設(shè)備的性能,也要考慮車速,車速不能太快,也不能太慢。設(shè)車速為v,在2 000 MHz的頻段,40λ的長度是6 m,測試設(shè)備每秒采樣n個(gè)點(diǎn),則合理的車速為
掃頻儀采樣頻率為10 ms(即n=100),得到的車速為 43.2~60 km/h;掃頻儀采樣頻率為 13 ms(即 n=77),得到的車速為33.2~46.2 km/h;掃頻儀采樣頻率為15 ms(即 n=67),得到的車速為 28.8~40 km/h。 根據(jù)上述分析,在實(shí)際的傳播模型測試中,可以根據(jù)具體情況(如所測城市的交通情況)設(shè)置合適的采樣頻率,以保證滿足李氏定理,去除快衰落的影響。
b)測試點(diǎn)的采集。測試時(shí)隨時(shí)控制采集軟件的暫停、開始功能。重復(fù)路段、車輛停止時(shí)不采集數(shù)據(jù)。但要保證足夠的采樣點(diǎn)。
c)測試區(qū)域的控制。測試時(shí)要隨時(shí)觀察周圍環(huán)境,避免測試路線超出測試類型。如測試密集城區(qū)時(shí),當(dāng)發(fā)現(xiàn)已駛出密集城區(qū),則及時(shí)停止該方向的測試。
d)測試場強(qiáng)的把握。場強(qiáng)設(shè)置的目的是保障測試區(qū)域內(nèi)能采集足夠的數(shù)據(jù)。受到接收機(jī)靈敏度的限制,實(shí)際采集信號達(dá)到-110 dBm,即為信號下限。
在實(shí)測中會(huì)出現(xiàn)測試點(diǎn)過密集、過稀疏,存在快衰落影響,取得測試數(shù)據(jù)以后,不能直接進(jìn)行模型校正,還需要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,才能保證數(shù)據(jù)的可用性。一般的數(shù)據(jù)處理步驟分為3步,即矢量平滑抽樣、柵格抽樣、地理平均。
2.4.1 矢量平滑抽樣(保證采樣點(diǎn)獨(dú)立性)
通過李氏定理可知,當(dāng)本征長度取40λ時(shí),可使測試數(shù)據(jù)與實(shí)際本地均值之差小于1 dB。本征長度就是進(jìn)行地理平均的長度。在TD主要采用的是2 000 MHz頻段,發(fā)射波長為0.15 m,40λ就是6 m,即每6 m需做一次平均。
但是,GPS定位速度太慢 (1 s只能定位一個(gè)點(diǎn)),若車速為50 km/h,則每14 m才能定位一個(gè)經(jīng)緯度點(diǎn)。顯然不能直接將測試數(shù)據(jù)做地理平均,需要在地理平均之前做離散處理。
由于掃頻儀的采樣速度遠(yuǎn)大于GPS的定位速度,因而在每個(gè)定位點(diǎn)(相同的經(jīng)緯度)按時(shí)間順序排列著很多條測量記錄。可以假定每2個(gè)定位點(diǎn)之間(通常時(shí)間間隔為1 s)車速是勻速的,且每2條測量記錄之間的時(shí)間間隔相等 (在誤差允許范圍內(nèi)這都是可以滿足的),則可以將這些測量記錄按時(shí)間順序均勻分布到2點(diǎn)之間的路段,這樣就可以滿足在測試路線上每40λ長度內(nèi)都有足夠的點(diǎn)數(shù)。
若掃頻儀采樣頻率為10 ms,而GPS采樣頻率為1 s,每個(gè)GPS采樣點(diǎn)有100個(gè)測試數(shù)據(jù),矢量平滑將按照時(shí)間連續(xù)的2個(gè)采樣點(diǎn)間的距離以1個(gè)波長(12 cm)為單位進(jìn)行離散??砂凑针x散后的份數(shù)進(jìn)行抽樣,例如2個(gè)GPS采樣點(diǎn)間距離為1.2 m,矢量平滑后生成10個(gè)(120 cm/12 cm)個(gè)離散點(diǎn)。將第1個(gè)GPS采樣點(diǎn)上的100個(gè)數(shù)據(jù)分為10組,第1個(gè)離散點(diǎn)的場強(qiáng)數(shù)據(jù)在第1組中的10個(gè)原始數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取1個(gè)(一般抽取第1個(gè)),被抽取點(diǎn)的場強(qiáng)值為該離散點(diǎn)的場強(qiáng)值。其余離散點(diǎn)的場強(qiáng)值同理。
但如果按時(shí)間連續(xù)的2個(gè)GPS采樣點(diǎn)間的距離過大,而首個(gè)GPS采樣點(diǎn)的采集點(diǎn)過少,則此2個(gè)GPS采樣點(diǎn)間沒有矢量平滑抽樣數(shù)據(jù)。例如2個(gè)GPS采樣點(diǎn)間距離為20 m,矢量平滑分為167(2 000 cm/12 cm)個(gè)離散點(diǎn),首個(gè)GPS點(diǎn)的RNT采集點(diǎn)為90個(gè),無法給每個(gè)離散點(diǎn)分配場強(qiáng)數(shù)據(jù)。則該2個(gè)GPS采樣點(diǎn)間沒有矢量平滑抽樣數(shù)據(jù)。在實(shí)際路測中經(jīng)常會(huì)由于種種原因(天氣、建筑物阻擋等)造成GPS短時(shí)間接收不到數(shù)據(jù),或車速過快,產(chǎn)生以上這種無法生成矢量平滑抽樣數(shù)據(jù)的情況。
2.4.2 柵格抽樣(去除重復(fù)路線)
柵格抽樣可減少近距離重復(fù)的采樣點(diǎn),是在矢量平滑抽樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。
柵格是以每個(gè)矢量平滑抽樣后的數(shù)據(jù)點(diǎn)為中心,半徑為一個(gè)波長(12 cm)的圓為一個(gè)柵格,按照文件排列順序進(jìn)行篩選。如第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),計(jì)算前一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和它的距離;第三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),計(jì)算第一、第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和它的距離;后面依次類推。
柵格抽樣的目的是為了減少近距離(12 cm以內(nèi))重復(fù)的數(shù)據(jù)點(diǎn),避免由于測試路線重復(fù),測試車輛停止造成的數(shù)據(jù)重復(fù)。路線重復(fù)、車輛停止時(shí)未暫停測試,會(huì)造成重復(fù)、停止路段測試數(shù)據(jù)過多,影響校模結(jié)果。
2.4.3 地理平均(消除快衰落)
以上矢量平滑抽樣、柵格抽樣是為了保證合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行地理平均,而地理平均是真正消除快衰落影響的方法。
地理平均的目的就是消除快衰落,保留慢衰落的影響,其做平均的范圍就是本征長度。做地理平均有2種方法。
一是將整個(gè)區(qū)域做柵格,柵格的邊長為40λ,將落到每個(gè)柵格內(nèi)的數(shù)據(jù)做算術(shù)平均,并以柵格的中心作為新的位置點(diǎn)。
二是由于數(shù)據(jù)基本上都是在道路上測得的,因而其位置基本成線狀排列,可以沿路徑等間距分段,每段40λ,將每段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均,并統(tǒng)一選某點(diǎn)為平均值的位置點(diǎn)。
第一種方法的好處是簡單易行,運(yùn)算速度快,缺點(diǎn)是不能保證本征長度為40λ,而是在40λ~57λ之間變動(dòng)。第二種方法的好處是能保證本征長度為40λ,但比較復(fù)雜,運(yùn)算速度較慢。
目前通常使用第二種方法做地理平均。按照地理平均輸入文件排列順序數(shù)點(diǎn)。例如從文件第1個(gè)點(diǎn)開始,數(shù)50個(gè)點(diǎn)為一組。第25個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度作為該組地理平均后生成點(diǎn)的經(jīng)緯度,1~50個(gè)點(diǎn)場強(qiáng)數(shù)據(jù)的平均值作為該組地理平均后生成點(diǎn)的場強(qiáng)值。
在進(jìn)行模型校正時(shí),首先設(shè)置各參數(shù)值,通常可選擇該頻率上的缺省值進(jìn)行設(shè)置。也可以是其他地方類似地形的校正參數(shù)。然后以該模型進(jìn)行無線傳播預(yù)測,并將預(yù)測值與路測值作比較,得到一個(gè)差值,再根據(jù)所得差值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果反過來修改模型參數(shù)。經(jīng)過不斷的迭代處理,直到預(yù)測值與路測值的均方差及標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最小,此時(shí)得到的模型的各參數(shù)值就是所需的校正值。
在分析所設(shè)模型與實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合程度時(shí),需用到預(yù)測值和實(shí)際路測值的統(tǒng)計(jì)平均差、預(yù)測值和路測數(shù)據(jù)的均方差以及預(yù)測值和路測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。
大量的工程實(shí)踐表明,在準(zhǔn)地形的條件下,只要實(shí)測數(shù)據(jù)對于預(yù)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于8 dB,丘陵地形不大于11 dB,實(shí)測數(shù)據(jù)的均值相對于預(yù)測數(shù)據(jù)偏差不大于3 dB,互相關(guān)系數(shù)為0.6~1,則該模型可以使用。
參照以上原則經(jīng)過本次實(shí)測完成的傳播模型校正均值趨于0,標(biāo)準(zhǔn)方差為7.175 2,充分說明了上述方法在TD-SCDMA工程應(yīng)用中的可行性。
無線傳播模型的準(zhǔn)確性對TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃起著重要作用,它是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的基礎(chǔ),準(zhǔn)確的傳播模型可以得到好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋,減少通信運(yùn)營商的成本。隨著TD技術(shù)的不斷發(fā)展,有關(guān)TD-SCDMA無線傳播模型校正的方法及流程將更加完善。
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