LTE復(fù)雜場景下的無線傳播模型校正研究

王 蕾，廖 鑫，姚 銳，黃幫明

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065; 2.深圳華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳518000;3.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司重慶分公司，重慶401147)

LTE復(fù)雜場景下的無線傳播模型校正研究

王 蕾1，廖 鑫2，姚 銳3，黃幫明3

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065; 2.深圳華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳518000;3.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司重慶分公司，重慶401147)

在進(jìn)行SPM模型校正中的數(shù)據(jù)篩選時，規(guī)劃人員通常剔除了較近距離的測試數(shù)據(jù)。但由于市區(qū)范圍內(nèi)LTE基站間距比GSM與TD-SCDMA更小，近距離的測試數(shù)據(jù)反而對研究市區(qū)的無線信號傳播特性具有參考價值。同時，在利用經(jīng)典SPM模型進(jìn)行線性擬合時發(fā)現(xiàn)了預(yù)測損耗高于實測損耗5～20 dB的情況。因此將修正原SPM模型，在考慮近距離實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上編寫算法進(jìn)行擬合驗證，在一定程度上減小塔下黑陰影區(qū)域、近基站處、遠(yuǎn)距離處預(yù)測損耗偏高的情況，為LTE傳播模型的校正和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供參考。

TD-LTE;傳播模型校正;2.6G;非線性最小二乘法;MATLAB

無線網(wǎng)絡(luò)仿真最重要的環(huán)節(jié)之一是覆蓋預(yù)測，而無線傳播模型的設(shè)置是覆蓋預(yù)測的基礎(chǔ)。COST231-HATA和SPM等默認(rèn)的傳播模型需要通過CW測試來進(jìn)行校正，才能在特定的區(qū)域使用，路測完成后還需要對CW測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)過濾、地理平均、數(shù)據(jù)篩選。一方面，數(shù)據(jù)篩選中的距離篩選一般剔除距離測試基站300 m范圍內(nèi)的較近測試數(shù)據(jù)，保留的數(shù)據(jù)為距離測試基站300～3 000m。但是，由于市區(qū)范圍內(nèi)LTE的基站間距常常在150～500 m之間，特別今后大范圍的TD-LTE的F頻段(1.9 GHz)和D頻段(2.6 GHz)混合組網(wǎng)，基站間距比GSM和TD-SCDMA更小，因此近距離的測試數(shù)據(jù)反而對研究市區(qū)的無線信號傳播特性具有參考價值［1］。另一方面，使用ANPOP仿真軟件進(jìn)行2.6 GHz SPM模型校正線性擬合中發(fā)現(xiàn)了預(yù)測損耗值偏高的情況。因此對原有傳播模型的修正再校正是非常必要的。

1 傳統(tǒng)模型原理及缺陷

1.1 COST231 Hata模型

COST231Hata模型應(yīng)用頻率在1 500～2 000 MHz，適用于小區(qū)半徑大于1 km的宏蜂窩系統(tǒng)，發(fā)射有效天線高度在30～200 m，接收有效天線高度在1～10 m［2］。COST231 Hata模型公式為

式中:fc為載波頻率，單位MHz;hte為基站發(fā)射天線有效高度，單位m;hre為移動臺有效高度，單位m;d為發(fā)射點到接收點的直線距離，單位km;Cterrain為地形校正因子，根據(jù)傳統(tǒng)擬合經(jīng)驗，此因子取值范圍控制在-1～8 dB; Cm為大城市中心校正因子，根據(jù)大中城市及郊區(qū)取值在0～3 dB;α(hre)為移動臺天線高度因子，單位dB;Ccell為小區(qū)類型校正因子，單位dB。

對于COST231 Hata模型，隨著城市的快速發(fā)展，在如今高樓密布的城市中，經(jīng)常出現(xiàn)天線高度低于周圍建筑物高度的情況，同時模型無法擴(kuò)展到LTE采用的2.6 GHz頻段，且考慮到LTE基站間距較小，不符合模型適用情況。因此通常不采用此模型。

1.2 SPM模型

SPM模型是一個結(jié)合了大量現(xiàn)場測試結(jié)果得出的通用模型，它對適用環(huán)境、工作頻段等方面沒有限制。SPM模型公式為

式中:k1為頻率相關(guān)因子;k2為距離衰減因子，默認(rèn)值為44.9;k3為基站發(fā)射天線有效高度相關(guān)因子，默認(rèn)值為5.83;k4為移動臺接收天線有效高度相關(guān)因子，默認(rèn)值為1;k5為衍射計算相關(guān)因子，默認(rèn)值為0;k6為發(fā)射天線有效高度和傳播距離相關(guān)因子，默認(rèn)值為-6.55;Diff為衍射損耗，Cclutter為地形校正因子。其他參數(shù)含義與式(1)相同。

利用SPM經(jīng)典模型進(jìn)行傳播模型校正時，通過對比實測數(shù)據(jù)與移動集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件ANPOP計算出的預(yù)測損耗，發(fā)現(xiàn)不論是離基站較近的幾十至幾百米范圍，還是大于一千米的較遠(yuǎn)距離范圍，都有預(yù)測損耗高于實測損耗5～20 dB的情況。因此考慮通過局部修正SPM模型，并基于實測數(shù)據(jù)進(jìn)一步校正，希望為LTE的近距離傳播模型找到一個突破口，使得預(yù)測值與實測值更為接近。

2 SPM模型修正

2.1 提出修正模型

盡管SPM模型的各個因子都是可以進(jìn)行校正的，但在實際應(yīng)用中由于所能采集的數(shù)據(jù)有限，且在特定應(yīng)用場合中所關(guān)注的因子并不相同。在本課題中，重點關(guān)注距離衰減因子對傳播模型預(yù)測結(jié)果的影響，因此，著重考慮對修正因子k2的局部修正。而在校正過程中主要任務(wù)集中在校正衰減常數(shù)k1值和距離衰減因子k2值。

利用反向推理的思路，在原有的SPM經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上，提出假設(shè)的修正模型

式中:d塔下黑是受塔下黑影響的距離;d非塔下黑是未被塔下黑影響的距離。

通過MATLAB仿真得到圖1所示結(jié)果。

第一，變型前后的模型在MATLAB仿真中有相似的曲線特性(見圖1)，都是損耗隨距離的增加而增加，且增加趨勢相似。與原模型相比，修正模型的距離衰減因子一項從k2×lg d更換為44.9×lg(d塔下黑+d非塔下黑)k2。其中，d在修正模型中被拆分為d塔下黑和d非塔下黑兩部分。

圖1 模型假設(shè)仿真圖

考慮塔下黑的原因為:受塔下黑范圍的影響，以及近基站測試點往往沒有直射路徑，LTE的近基站覆蓋測試點往往在模型校正中被忽略。然而LTE基站覆蓋半徑通常在150～500 m范圍，塔下黑范圍在基站半徑中的所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GSM和TD-SCDMA系統(tǒng)。如能使用擬合度更優(yōu)的公式去彌補(bǔ)這一缺陷，對LTE的D頻段網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有一定意義。塔下黑因素將在本文驗證過程中給出仿真結(jié)果。

第二，在仿真圖1中，藍(lán)色部分為某地區(qū)密集場景下通過現(xiàn)場實測得到的各個實測點，綠色實線為利用原SPM模型校正得到的校正曲線(k1和k2的校正值分別為22.2和46.13)。在實測中發(fā)現(xiàn)，不論是在密集、一般，還是郊區(qū)場景中，都的確存在原SPM模型的預(yù)測損耗高于實測損耗5～20 dB的情況。

因此，在假設(shè)修正模型中的k1和k2值分別為2和1.1時，可以得到紅色的虛線曲線。通過直觀仿真效果圖，計算其統(tǒng)計平均差、標(biāo)準(zhǔn)差、互相關(guān)系數(shù)等方面，效果都優(yōu)于原SPM模型。但是，由k1=2，k2=1.1并不是最優(yōu)解，所化曲線也不是最優(yōu)曲線，因此可以通過編寫相關(guān)算法，求得k1和k2最優(yōu)解，合理降低預(yù)測損耗，以此提升擬合優(yōu)度，降低標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2 模型求解算法描述

那么，根據(jù)最小二乘法定義可知，求解k1，k2最優(yōu)解問題可以看做求解

2.3 校正結(jié)果的判斷準(zhǔn)則及回歸分析方法

在模型校正中，通常使用以下判斷準(zhǔn)則對校正結(jié)果進(jìn)行判斷:統(tǒng)計平均差＜1 dB;標(biāo)準(zhǔn)方差＜8 dB;互相關(guān)系數(shù)滿足:0.6＜互相關(guān)系數(shù)＜1。如果滿足以上指標(biāo)，即認(rèn)定模型對當(dāng)?shù)氐母采w預(yù)測是合適的［3］。

對校正結(jié)果k1值和k2值，可確定回歸方程，但是否是最優(yōu)回歸系數(shù)，則需要檢驗回歸曲線對實測損耗值的擬合程度，即檢驗擬合優(yōu)度。擬合優(yōu)度的判定系數(shù)為

式中:Gi為第i個測試點的路測損耗值;G*為所有路測數(shù)據(jù)均值;G'i為通過修正后SPM模型計算出來的第i個點的預(yù)測損耗值;R2的取值范圍為0～1，R2值越接近1，代表回歸方程對實測數(shù)據(jù)擬合的越好，反之較差［4］。

3 仿真驗證方法及驗證結(jié)果

3.1 驗證方法

根據(jù)修正模型利用MATLAB編寫相應(yīng)算法，通過帶入實地采集到的實測數(shù)據(jù)值進(jìn)行仿真分析。首先定義密集市區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)3種復(fù)雜場景，然后每個場景下進(jìn)一步分為近基站距離范圍，受塔下黑影響范圍以及完整測試距離3種情況，通過仿真得到的結(jié)果，分析直觀的擬合效果圖、統(tǒng)計平均差、標(biāo)準(zhǔn)差、互相關(guān)系數(shù)和擬合優(yōu)度指標(biāo)，同時也與原SPM模型對比以上指標(biāo)，以驗證提出的修正模型在塔下黑范圍，近基站距離內(nèi)和完整測試范圍內(nèi)是否能使得預(yù)測值與實際測量值比原模型更為接近，是否實用性更好。驗證思路見圖2。

圖2 模型驗證思路

3.2 仿真結(jié)果

下面通過實例來驗證經(jīng)過本文提出的算法校正得到的傳播模型是否能夠較好地擬合實測路徑損耗。同時，也將原SPM模型校正得到的曲線及其參數(shù)與修正模型對比。下文介紹采集到的站點的具體信息描述。

3.2.1 密集場景仿真結(jié)果

密集城區(qū)測試站點情況和校正結(jié)果如表1、表2所示。

表1 密集城區(qū)測試站點情況 %

表2 密集城區(qū)測試校正結(jié)果

1)仿真效果圖對比(完整d)如圖3、圖4所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表3所示。

2)仿真效果圖對比(100～800m)如圖5、圖6所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表4所示。

3)仿真效果圖對比(塔下黑范圍)如圖7、圖8所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表5所示。

圖3 原SPM模型完整d擬合效果圖

圖4 修正SPM模型完整d擬合效果圖

表3 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

圖5 原SPM模型100～800 m擬合效果圖

圖6 修正SPM模型100～800 m擬合效果圖

表4 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

圖7 原SPM模型塔下黑擬合效果圖

圖8 修正SPM模型塔下黑擬合效果圖

表5 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

3.2.2 一般城區(qū)場景仿真場景

一般城區(qū)測試站點情況和校正結(jié)果如表6、表7所示。

表6 一般城區(qū)測試站點情況

表7 一般城區(qū)測試站點校正結(jié)果

1)仿真效果圖對比(完整d)如圖9、圖10所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表8所示。

圖9 原SPM模型完整d擬合效果圖

圖10 修SPM模型完整d擬合效果圖

表8 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

2)仿真效果圖對比(100～800 m)如圖11、圖12所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表9所示。

圖11 原SPM模型100～800 m擬合效果圖

圖12 修正SPM模型100～800 m擬合效果圖

表9 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

3)仿真效果圖對比(塔下黑范圍)如圖13，14所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表10所示。

3.2.3 郊區(qū)場景仿真結(jié)果

郊區(qū)測試站點情況和校正結(jié)果如表11，12所示。

圖13 原SPM模型塔下黑擬合效果圖

圖14 修正SPM模型塔下黑擬合效果圖

表10 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

表11 郊區(qū)測試站點情況

表12 郊區(qū)測試校正結(jié)果

1)仿真效果圖對比(完整d)如圖15、圖16所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表13所示。

圖15 原SPM模型完整d擬合效果圖

圖16 修正SPM模型完整d擬合效果圖

表13 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

2)仿真效果圖對比(100～800 m)如圖17、圖18所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表14所示。

圖17 原SPM模型100～800 m擬合效果圖

圖18 修正SPM模型100～800 m擬合效果圖

表14 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

3)仿真效果圖對比(塔下黑范圍)如圖19、圖20所示，結(jié)果判斷準(zhǔn)則如表15所示。

圖19 原SPM模型塔下黑擬合效果圖

圖20 修正SPM模型塔下黑擬合效果圖

表15 校正結(jié)果判斷準(zhǔn)則

通過對密集城區(qū)，一般城區(qū)和郊區(qū)的站點進(jìn)行MATLB仿真驗證。首先，在完整距離 d范圍，100～800 m，塔下黑范圍這3種情況下，原模型都存在著預(yù)測值偏高的情況且較嚴(yán)重，而修正后的模型在效果擬合圖、擬合優(yōu)度、平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)方差和互相關(guān)性上都滿足指標(biāo)要求，且較原模型都有明顯的提升。因此修正模型在這3種復(fù)雜場景的不同距離情況下都是適用的。

傳播模型校正采用實測數(shù)據(jù)對無線傳播模型的系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得校正后傳播模型預(yù)測的損耗中值與實測值誤差最小，從而提高了傳播預(yù)測的準(zhǔn)確性，也從根本上保證了無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的合理性。本文在介紹和分析了傳統(tǒng)傳播模型的原理及其缺陷后，在經(jīng)典SPM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了局部的修正。因為修正模型公式呈現(xiàn)為非線性，因此通過非線性最小二乘法算法迭代求得參數(shù)值，并依此在密集城區(qū)、一般城區(qū)和郊區(qū)通過該修正模型進(jìn)行驗證，仿真結(jié)果顯示修正模型對以上3種場景都基本使用，同時擬合優(yōu)度、平局誤差、標(biāo)準(zhǔn)方差、互相關(guān)系數(shù)對比原SPM模型都有相應(yīng)的提升，說明了修正模型的有效性和實用性。

4 總結(jié)和建議

［1］ RANI M S，SURESH K.Comparison of standard propagation model (SPM)and stanford university interim(SUI)radio propagationmodels for long term evolution(LTE)［J］.IJAIR，2012(3):221-228.

［2］蔣遠(yuǎn)，湯利民.TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

［3］張華，李懿，堯文彬，等.2.6GHz頻段傳播模型校正及分析［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2011(9):5-8.

［4］徐皓，丁智.基于TD—LTE路測數(shù)據(jù)的無線傳播模型校正［J］.中國電子商務(wù)，2013(10):71.

王 蕾，女，碩士生，主研無線網(wǎng)絡(luò)通信;

廖 鑫，工程師，主要研究領(lǐng)域為無線通信規(guī)劃與優(yōu)化;

姚 銳，工程師，主要研究方向為移動通信，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù);

黃幫明，碩士生導(dǎo)師，高級工程師，中國移動通信設(shè)計院重慶分院總經(jīng)理，主要研究領(lǐng)域為移動通信。

LTEW ireless Propagation M odel Correction Research

WANG Lei1，LIAO Xin2，YAO Rui3，HUANG Bangming3
(1.Institute of Information and Communication Engineering，Chongqing University of Postsand Telecommunications，Chongqing 400065，China; 2.Shenzhen Huawei Technologies Co.，Ltd.，Guangdong Shenzhen 518000，China; 3.Chongqing Branch，China Mobile Group Design Institute Co.，Ltd.，Chongqing 401147，China)

The planners usually get rid of the closer-in data in the SPM correction.However，the base station spacing of LTE ismuch smaller in the city，so the closer test data have important value for the SPM correction.Meanwhile，in the classical SPM linear fitting，the prediction loss is higher than themeasured loss 5～20 dB.Therefore，localmodification ismade based on classical SPM model，closer range test data is analyzed，and which are finally used in the Matlab simulation，in order to decrease the higher prediction losswithin different distance range.It is hoped that it can provide reference suggestions for the LTE propagation model correction and network design.

LTE;propagation model correction;2.6G;nonlinear least squaresmethod;MATLAB

TN915;TN92

A

?? 盈

2014-04-25

【本文獻(xiàn)信息】王蕾，廖鑫，姚銳，等.LTE復(fù)雜場景下的無線傳播模型校正研究［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).