3G無線傳播模型測試與校正研究

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司 朱 科 周 輝 李曉陽

1.引言

在移動通信系統(tǒng)運行過程中，由于終端位置不斷發(fā)生變化，傳播環(huán)境復(fù)雜多樣，造成電波傳播具有多樣性和復(fù)雜性，因而建立在嚴格理論計算上的確定性模型很難實現(xiàn)。目前傳播模型一般通過電磁理論推算和實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式獲得，即針對各個地市不同的地理環(huán)境進行測試，通過分析與計算等手段對傳播模型的參數(shù)進行校正，以提高預(yù)測的準確性，從而獲得符合本地市實際環(huán)境的無線傳播模型。

在10年我公司進行3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，為了得到準確的傳播模型，我們在某地市挑選了幾個典型的地點進行了傳播模型的測試與校正工作，得到了包括城區(qū)商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)，城郊等3種地形下的傳播模型參數(shù)，利用得到的模型，我們進行了網(wǎng)絡(luò)的仿真，以幫助我們進行3G無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃工作，本文正是基于該次的傳播模型校正的情況進行論述。

2.3G無線傳播模型

傳播模型表征的是在某種特定環(huán)境或傳播路徑下電波的傳播損耗情況。其主要研究對象是傳播路徑上障礙物陰影效應(yīng)帶來的慢衰落影響。在傳播模型研究方面主要有如下兩種流派：直接應(yīng)用電磁理論計算的確定性模型，基于大量測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型，又稱為經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚1]。

在3G系統(tǒng)的2.1G核心頻段上，通常使用的經(jīng)典模型有Cost231、射線跟蹤等。從精確程度看，射線跟蹤是最接近實際情況的，但由于它對數(shù)字地圖的高精度要求，無法大規(guī)模普及，本文選用的是標準傳播模型（SPM）。

2.1 理論分析方法的研究

射線跟蹤模型基于3D數(shù)字地圖，充分考慮建筑物的特征和分布對信號傳播的影響，通過理論計算得出每一點上的接收信號強度。因此，根據(jù)射線跟蹤模型的預(yù)測結(jié)果，可以精確地進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并有效地控制干擾。建立步驟如下：

首先確定一個發(fā)射源的位置，根據(jù)3D地圖上建筑物特征和分布，找出發(fā)射源到每個接收位置光線的所有傳播的路徑，并根據(jù)各種的無線傳播理論公式進行計算，得到每個測試點的接收場強，由于該模型要求的數(shù)字地圖很高，需要帶詳細建筑信息的三維數(shù)字地圖，對于算法要求非常嚴格，一般甚少使用。

2.2 實測統(tǒng)計方法

實測統(tǒng)計的方法就是基于一個經(jīng)驗的傳播模型，通過試驗測試的方法，并利用計算機規(guī)劃軟件進行輔助計算，修正模型的各個參數(shù)，得到不同地形下的模型參數(shù)，其中，這里的試驗測試，主要是指CW(連續(xù)波)測試。而傳播模型最常用的是標準宏小區(qū)(Standard MacroCell Model)傳播模型。

2.3 Standard MacroCell Model

標準宏小區(qū)(Standard MacroCell Model)傳播模型以ETS的Hata模型為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)之上添加了一些額外的功能，從而增強了模型的靈活性和精確性，模型為宏小區(qū)設(shè)計。

模型公式為：

Ploss=k1+k2log(d)+k3(Hms)+k4 log(Hms)+k5log(Heff)+k6log(Heff)log(d)+k7diffn+Clutter_Loss

其中：Ploss傳播路徑損耗(dB)；d是基站到移動站之間的距離(km)；Hms是移動站天線有效高度(m)；Heff是基站天線的有效高度(m)；Diffn是使用Epstein Peterson、Deygout或Bullington的等效刃形衍射方法計算的衍射損耗；k1 & k2：截距和斜率；K3：移動天線的高度因數(shù)；K4：Hms的Okumura Hata的Multiplying Factor；K5：有效天線高度增益；K6：Log(Heff)Log(d)。這是log(Heff)log(d)值的Okumura Hata類型的Multiplying Factor；K7：衍射系數(shù)；Clutter_Loss：地物損耗參數(shù)。

3.傳播模型校正流程

一般取用CW測試來進行模型的校正，CW測試是通過連續(xù)波，采用全向天線發(fā)射信號，接收機在服務(wù)區(qū)內(nèi)各個方向的道路上進行測試，以得到不同方向、距離的場強值，CW測試模型校正工作流程如圖1所示。

(1)測試工具

測試工具主要是用來發(fā)射和采集模型校正所需要的原始數(shù)據(jù)，包括信號發(fā)射部分和接收部分，信號發(fā)射部分一般放置在位置相對較高的地方及放置在測試區(qū)域的中心地點，其中本次測試的發(fā)射單元選取了上海諾恩科技公司的WHT2005測試發(fā)射機，接收單元NORN LiteScan掃頻儀2005，其他還有電腦，GPS，接收機，車載電源，hub，逆變器，車載電源一拖二，前臺測試軟件，加密狗等必要工具。

(2)測試基站/路線制定

根據(jù)地形地貌特征選擇典型地點作為測試基站，安裝發(fā)射設(shè)備，根據(jù)站點周圍的地理環(huán)境制定測試路線，對于測試基站設(shè)置的個數(shù)，一般在人口稠密的城市，測試站址應(yīng)不少于5個，中等規(guī)模的城市選取2－3個，中小城市及郊區(qū)1個就夠了。對于測試路線，為了足夠的采樣數(shù)據(jù)，在市區(qū)一般測試要求達到10公里左右的距離，在郊區(qū)一般在15Km到20Km。由于無線電波在離發(fā)射天線很近的地方無法用公式模擬，只是用一固定衰減值，所以在測試中離發(fā)射天線很近的地方(一般是0.5Km-1Km)不需要做大量測試。本次某地市傳播模型的校正共進行了三個地點的測試，主要如下(見表1)。

(3)無線測試

根據(jù)所選擇的測試站點和測試路線進行原始數(shù)據(jù)的采集。

圖1 CW測試模型校正工作流程圖

(4)測試數(shù)據(jù)的后處理

測試結(jié)束后對測試數(shù)據(jù)進行整理，該項工作是傳播模型校正的核心，一般都是依靠計算機的規(guī)劃軟件進行數(shù)據(jù)的處理，本次是使用了軟件是百林規(guī)劃軟件[2]。

(5)傳播模型參數(shù)修正

通過百林軟件平臺，利用Standard MacroCell Model模型[3]進行了模型優(yōu)化，給出適合某地市各種地形環(huán)境下的無線傳播模型。

(6)報告輸出

對整個工作內(nèi)容提交報告。

4.參數(shù)校正

4.1 K2校正

K2是與頻率相關(guān)的因子，在校正的過程中一般采用先校正K2再反過來對K1進行校正。

4.2 K1的校正

K2校好后可，則此時圖中的intercept即為K1的偏差（實際應(yīng)為[K1+K3(Hms)+K 4log(Hms)+K5log(Heff)+K7diffn]的偏差，但可先假設(shè)K3(Hms)+K4log(Hms)+K5 log(Heff)+K7diffn]為常數(shù)，則此就為K1的偏差），將原K1值加上intercept即得K1的校正值。也可以用Analyse功能得到此偏差值

4.3 K3、K4的校正

K3、K4與移動臺天線高度相關(guān)的因子，該值對傳播模型的影響一般不大，可以取缺省值，一般可取-2.93和0.00。K3、K4的變化可由K1來彌補，因此一般取了缺省值后，就可以無需調(diào)整。

4.4 K5、K6的校正

K5、K6與基站天線高度相關(guān)。該值也與K3、K4值一樣，可以取缺省值，K5、K6的變化可以通過K1、K2的變化來代替其變化的影響，因此一般也無需調(diào)整，一般取缺省參數(shù)設(shè)置-13.82和-6.55。

4.5 K7的校正

K7為衍射系數(shù)，表示衍射損耗對整個路徑損耗貢獻的權(quán)重。因為衍射只對非視線傳播范圍內(nèi)的樣點有效，對視線傳播范圍內(nèi)的樣點衍射損耗為0，對于K7值，如果地形起伏不大，一般建議保留值為0。

4.6 Clutter offset的調(diào)整

該值主要是對于各種地形的調(diào)整系數(shù)，對于該值，一般也是取缺省的值，對于每種地形的情況的取值詳見表2。

5.測試案例

本部分我們介紹其中一個測試點的情況，我們以某地市火車站作為了一個測試的例子，其中：

5.1 測試基站－火車站－周圍的照片(詳見圖2)

5.2 測試路線的選擇

選擇測試路線的主要原則是獲取充足的采樣點，盡量保證從統(tǒng)計意義上反映各種測試地形的真實情況。如圖3為火車站的測試路線場強圖。

圖2 測試基站－火車站－周圍的照片

表1 某地市傳播模型的校正三個地點的測試

表2 每種地形的情況的取值

圖3 火車站的測試路線場強圖

表3 傳播模型校正結(jié)果

圖4 模型校正前的預(yù)測與預(yù)測的循環(huán)播損失對比

表4 本次傳播模型測試和校正的結(jié)果

圖5 分析模型校正后的傳播損失誤差統(tǒng)計圖

5.3 模型校正前的預(yù)測與預(yù)測的循環(huán)播損失對比（詳見圖4）

從圖4中我們可以看出模型校正后預(yù)測與路測數(shù)據(jù)的實際值吻合度明顯提高，這說明通過校正后的模型與實際的傳播環(huán)境匹配度大大提高，模型的可用性和精準度增加。

從圖5中我們可以看出校正后模型的傳播損失誤差在5dB以內(nèi)的約為80%，這說明模型擬合的精度較高，此模型在絕大多數(shù)情況下可以近似代表某地市城區(qū)實際的傳播環(huán)境。

6.傳播模型的校正結(jié)果

經(jīng)過分析及規(guī)劃軟件的處理后，本次傳播模型測試和校正的結(jié)果如表3、表4所示。

7.結(jié)語

通過對某地市3個地點3種地形的測試，我們得出了一組某地市不同地形下的傳播模型的參數(shù)，該參數(shù)可以指導(dǎo)我們下一步的無線網(wǎng)絡(luò)的仿真工作。

但是應(yīng)該要補充的，對于以上各種地形得出的傳播模型不是唯一的，對于一個模型我們只能說是該模型是否適用，而不能說規(guī)定使用唯一的模型，因為不同的仿真軟件或不同一次的仿真得到的模型都可以是不一樣，模型中各參數(shù)之間一個聯(lián)動的結(jié)果，我們所說的模型的準確性是指校正所得的模型和實際測試環(huán)境的擬和程度，通常這種擬和程度用校正后的參數(shù)來評估。目前業(yè)界普遍認為當RMS Error（指模擬結(jié)果與實際測試結(jié)果之間的均方誤差）＜8時，則說明所校正模型是貼和實際環(huán)境的，即該模型校正的結(jié)果是準確的，可以用做網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時候使用。同時，因為不同的規(guī)劃軟件其內(nèi)部算法是有差異的，為此，在使用不同的規(guī)劃軟件進行仿真時，要是有條件，建議能重新做一個模型校正，以得出新的模型。

[1]蔣招金.3G無線傳播模型校正[J].郵電設(shè)計技術(shù),2006.5(5):24-27.

[2]百林網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件用戶手冊[S].

[3]李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)標準[M].北京:人民郵電出版社,2004.9:119.