DTMB單頻網(wǎng)規(guī)劃中電波傳播模型的選取與校正

李彩偉，張曉林，于志堅，李 鈾

(1.北京航空航天大學(xué)數(shù)字電視國家重點實驗室，北京 100191;2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

單頻網(wǎng)因其諸多優(yōu)點成為地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先選擇的組網(wǎng)形式，比如頻譜利用率高、功率小等［1］。目前我國處于基于地面數(shù)字電視傳輸標準DTMB［2］單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的過程中，電波傳播模型的準確程度與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的好壞密不可分，然而不同的傳播模型有不同的適用范圍，不同的地形、地物、地貌對電波傳播的影響不同，因此沒有普遍適用的模型。在實際規(guī)劃中，只有基于實際的無線環(huán)境進行現(xiàn)場測試，將路徑損耗實測數(shù)據(jù)與預(yù)測值對比，依據(jù)一定準則選取一種傳播模型，并采用一定的算法對選取的模型進行校正，從而使適用于該規(guī)劃區(qū)的無線傳播模型具有理論可靠性，該模型能夠較準確地反映規(guī)劃區(qū)無線傳播環(huán)境特點，能較準確地預(yù)測路徑損耗和場強值，進而更加科學(xué)地規(guī)劃設(shè)計國標地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

1 現(xiàn)場測試方法

1.1 連續(xù)波測試理論

實測數(shù)據(jù)可以通過連續(xù)波測試和現(xiàn)網(wǎng)測試獲得，相比現(xiàn)網(wǎng)測試，連續(xù)波測試頻率和環(huán)境選擇方便，不易產(chǎn)生其他電波干擾和天線增益不同引起的測試誤差，實測數(shù)據(jù)具有較高的準確性［3］。無線信號在傳播過程中會受到空間傳播損耗、陰影衰落、快衰落等多種衰減，接收信號包絡(luò)可以表示為

式中:x為傳播距離;r0(x)為瑞利衰落信號;m(x)為本地均值，即慢衰落和空間傳播損耗的合成，是連續(xù)波測試期望測得的數(shù)據(jù)，估計式為

式中:2L為平均采樣區(qū)間長度，又稱本征長度。其取值長短影響到測試數(shù)據(jù)均值與實際本地均值的逼近程度。在本征長度為40個波長，采樣36～50個樣點時，可使測試數(shù)據(jù)均值與實際本地均值之差小于1 dB［4］。

對于國標地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)其中心頻率為600 MHz，波長 λ 為0.5 m，則有

設(shè)定這個值是與距離相關(guān)的采樣門限值T，就可以得到測試車輛的移動速度v、前臺測試設(shè)備的采樣速率R和T的關(guān)系為

假定前臺設(shè)備采樣速率R為50個/s，即20 ms測量一組瞬時接收功率，則對車速的要求

在測試中，數(shù)據(jù)采集應(yīng)該按照上述標準來設(shè)置前臺設(shè)備的采樣率和相應(yīng)的車速，盡量保持勻速行駛。

1.2 測試臺站的選擇

根據(jù)測試臺站的數(shù)目及選擇站址的原則［3］，選擇3個臺站，如圖1所示。

圖1 測試站點分布圖(截圖)

A發(fā)射臺傳播環(huán)境屬于市區(qū)環(huán)境，其天線高度為345 m，故近距離內(nèi)不會存在嚴重的遮擋;B，C發(fā)射臺屬于郊區(qū)環(huán)境，通過實地觀察，周圍100 m內(nèi)主要分布有30～50 m的建筑物，滿足測試臺站的選取原則。

1.3 測試區(qū)域的選取

不同傳播環(huán)境對電波的傳播特性的影響各不相同，因此需要對不同的環(huán)境類別分別進行測量及模型校正［5］。規(guī)劃區(qū)域?qū)儆诒容^復(fù)雜的大型城市和郊區(qū)結(jié)合的傳播環(huán)境，因此，在進行測試時主要將區(qū)域分為普通城區(qū)和郊區(qū)兩部分。

1.4 測試線路的確定

為了提高測試數(shù)據(jù)的準確性，需要按照預(yù)先規(guī)劃好的測試路線進行路測。根據(jù)規(guī)劃測試路線應(yīng)考慮的幾個方面［6］，在進行測試時，測試車輛勻速圍繞測試站點從近到遠按照環(huán)形測試路線行駛。選定的部分測試路線如圖2所示。

圖2 國標地面數(shù)字電視外場測試線路示意圖(截圖)

1.5 路測數(shù)據(jù)處理

車載測試數(shù)據(jù)包括路測時間、路測點經(jīng)緯度、瞬時接收功率和誤碼率等信息，首先濾除時間信息和經(jīng)緯度信息不存在或者不合理的無效測試點，然后濾除接收功率瞬時值大于-30 dBm或小于-100 dBm的測試點。此外，由于無線信道包括了快衰落和慢衰落兩部分，測試得到的瞬時接收功率包含了快衰落和慢衰落的瞬時功率值。為平均快衰落(統(tǒng)計區(qū)間為40 λ時陰影衰落影響可以忽略)，對落在統(tǒng)計區(qū)間的所有瞬時接收功率進行算術(shù)平均得到每個測試接收點的接收功率均值。第i個測試接收點的接收功率均值為

式中:Ni是落在第i個統(tǒng)計區(qū)間的瞬時接收功率個數(shù)。

第i個測試接收點的路徑損耗為

式中:EIRPt為發(fā)射臺有效發(fā)射功率;Pt為發(fā)射臺發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線增益;Lb為發(fā)射臺線路損耗;Gr為接收天線增益;Lother為人體和車輛穿透損耗。

2 無線電波模型的選取

常見的5種可以應(yīng)用于VHF/UHF頻段地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算的電波傳播模型有ITU-R P.370模型、ITU-R P.1546 模型、ITU-R P.526 模型、Okumura-Hata模型及 COST231-Hata 模型［7-8］。

圖5 各測試接收點實測功率與預(yù)測功率曲線圖

經(jīng)統(tǒng)計計算，各個模型下預(yù)測功率值與實測功率值之間的均方誤差分別為σoku-hata=10.234，σcost231=8.412，σ1546=8.694=14.658。其中選取COST231-Hata模型得到的預(yù)測功率值與實測功率值之間的均方誤差最小，因此選取COST231-Hata模型進行電波模型校正。

為了提高驗證的可靠性，在單點B站發(fā)射和單點C站發(fā)射情況下對郊區(qū)地區(qū)進行了測試和仿真，并計算和對比測試數(shù)據(jù)的均方誤差。

3 電波模型的校正

3.1 校正原理

本文采用最小二乘法算法對模型進行校正。設(shè)N個測試接收點與發(fā)射機的距離分別為{d1，d2，…，dN}，各個測試接收點的實際傳播損耗為{L1，L2，…，LN}，電波傳播模型預(yù)測的傳播損耗為{Lp1，Lp2，…，LpN}，實際問題轉(zhuǎn)化為用處理得到的實測路徑損耗數(shù)據(jù)校正COST231-Hata模型中某些系數(shù)，使式(8)取最小值，即鏈路損耗的預(yù)測值和實測值之間的平方誤差最小。

COST231-Hata模型路徑損耗計算的經(jīng)驗公式為

式中:d為發(fā)射臺與接收機之間的距離，單位為km;fc為工作頻率，單位為MHz;ht為發(fā)射天線高度，單位為m;hr為接收天線高度，單位為m;α(hr)為接收天線高度校正因子，單位為dB，其公式為

Cm為大城市中心校正因子，單位為dB，其表達式為

將式(9)變換為

由式(12)可以看到，K2，K3，K4，K5，α(hr)與工作頻率fc、有效的臺站天線高度ht、傳播距離d和接收機距地面的高度hr有關(guān)。對于每一次外場測試，fc，hr和ht為一個定值，測試數(shù)據(jù)主要隨著傳播距離d的改變而變化，因此主要針對衰減常數(shù)因子K1和距離衰減系數(shù)K5進行校正。

對傳播距離d取對數(shù)，得到lg di，使迭代校正過程簡化為線性迭代，即

模型校正的問題轉(zhuǎn)化為求K1，K5使式(8)取最小值的問題，為驗證校正后的模型能否符合實際測試環(huán)境［10-11］，定義鏈路損耗預(yù)測值的均方誤差為

在fc，hr和ht不變情況下，經(jīng)化簡整理，式(12)的通式可以表示為

因此利用MATLAB對實測數(shù)據(jù)進行一次多項式最小二乘擬合，得到最小二乘法解a′，b′，計算校正后的K1值和K5值，得到校正后的傳播模型損耗公式為

式中:K1+a′-a即校正后的K1值;K5+b′-b即校正后的 K5值;K2，K3，K4保持不變。

3.2 校正結(jié)果及分析

分別對市區(qū)及郊區(qū)環(huán)境下的電波傳播模型進行校正，校正后的參數(shù)如表1所示。

利用校正后傳播模型再次進行鏈路預(yù)算仿真，并對校正前后鏈路損耗的預(yù)測值與實測值之間的均方誤差進行統(tǒng)計計算，結(jié)果如表2所示。

表1 模型參數(shù)

表2 模型校正前后統(tǒng)計結(jié)果

對于校正結(jié)果的誤差，業(yè)界普遍認為［12］，如果校正結(jié)束時的均方誤差小于8 dB，說明校正的模型基本符合了實際測試環(huán)境，否則需要重新分析從路側(cè)到校正的整個過程。通過上述統(tǒng)計結(jié)果證明，校正后的路徑損耗預(yù)測值與實測值的均方誤差小于8 dB，校正后模型到達了電波模型校正的預(yù)期要求，該模型更接近實測值、更準確，對與該城市具有相似類型的傳播環(huán)境的地區(qū)具有良好的普遍適用性。

4 小結(jié)

本文從測試臺站、測試區(qū)域、測試路線以及實測數(shù)據(jù)的處理方法等幾個方面介紹了基于連續(xù)波測試理論進行現(xiàn)場測試的過程，通過對實測數(shù)據(jù)和不同傳播模型下ICS telecom仿真的預(yù)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算得出COST231-Hata模型適用于該規(guī)劃地區(qū)，這與COST231-Hata適用于人口稠密的大城市地區(qū)結(jié)論相符。為了進一步提高預(yù)測的準確度，采用最小二乘法校正算法對該模型進行校正，得到兩種傳播環(huán)境(市區(qū)、郊區(qū))下的電波校正模型，校正后的鏈路損耗預(yù)測值與實測值的均方差誤小于8 dB，證明了校正模型的有效性。使用該模型將極大提高該規(guī)劃地區(qū)的單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的準確性和可靠性。

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