室內(nèi)傳播模型校正方法研究

丁　滔　重慶郵電大學通信與信息工程學院碩士研究生在讀何桂立　中國信息通信研究院西部分院院長

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室內(nèi)傳播模型校正方法研究

丁滔重慶郵電大學通信與信息工程學院碩士研究生在讀
何桂立中國信息通信研究院西部分院院長

摘要在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，電磁波的傳播模型得到了廣泛的運用。本文基于經(jīng)驗統(tǒng)計型傳播模型提出了一種傳播模型校正方法，包括數(shù)據(jù)測試、數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)與經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臄M合的方法。

關(guān)鍵詞傳播模型校正室內(nèi)傳播模型CW測試

1　引言

電磁波傳播模型在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃以及無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中具有較大作用。在處理無線網(wǎng)絡(luò)問題時，通過電磁波傳播模型可以預(yù)測出終端接收的信號強度。電磁波傳播模型可以分為經(jīng)驗統(tǒng)計型傳播模型和確定型傳播模型。

確定型模型通過運用復雜的數(shù)學方程將傳播環(huán)境以及電磁波與障礙物的相互作用表現(xiàn)出來。在運用確定型模型進行校正的時候，計算復雜程度以及負載非常高。

經(jīng)驗統(tǒng)計型模型通過數(shù)學公式將電磁波在傳播過程中所遇到的障礙對傳播的影響表現(xiàn)出來。這些公式是通過大量數(shù)據(jù)測試所統(tǒng)計出來的。在運用到新場景的時候，需要運用在新場景中進行測試所得到的數(shù)據(jù)對傳播模型進行校正，模型校正的計算負載比較低。校正出的傳播模型能準確地展示新場景的傳播環(huán)境特性。

考慮到確定型模型計算負載偏高以及經(jīng)驗統(tǒng)計型模型能準確地展示出傳播場景的傳播環(huán)境特性，所以本文主要基于經(jīng)驗統(tǒng)計型傳播模型進行研究，并提出了一種可行的傳播模型校正方法。

2　室內(nèi)傳播模型介紹

室內(nèi)是一個非常重要的無線通信應(yīng)用場景。所以在研究室內(nèi)的發(fā)生通信時，對攜帶信息的電磁波的傳播方式進行研究就顯得非常重要。電磁波傳播模型能夠具體展現(xiàn)出電磁波在不同環(huán)境中的傳播特性。已有室內(nèi)無線傳播模型相對于已有室外無線傳播模型較少，目前經(jīng)驗型室內(nèi)傳播模型有Keenan-Motley、ITU-R P.1238、對數(shù)距離路徑損耗、衰減因子等幾種較為經(jīng)典的傳播模型。但由于對數(shù)距離路徑損耗模型偏差較大，所以很少使用，而其他3個模型在實際工作中都有所采用。

下面將簡單介紹Keenan-Motley、ITU-RP.1238和衰減因子這3種較為常用的室內(nèi)傳播模型。

（1）Keenan-Motley模型

Keenan-Motley模型在自由空間傳播模型的基礎(chǔ)上增加了墻壁和地板的穿透損耗。模型所使用的公式（1）為：

其中，L表示路徑損耗值，單位dB；f表示頻率，單位MHz；d表示移動通信終端與設(shè)備之間的距離，單位m；P為墻壁損耗參考值；W為墻壁數(shù)目。

（2）衰減因子模型

衰減因子傳播模型包括建筑物類型影響以及阻擋物引起的變化。這一模型靈活性強，衰減因子模型如公式（2）所示：

其中，L表示路徑損耗值，單位dB；d表示移動通信終端與設(shè)備之間的距離，單位m；d0表示移動通信終端與設(shè)備之間參考距離，單位m；nSF表示同層測試的指數(shù)值；FAF表示建筑物特定數(shù)目樓層的衰減因子。

（3）ITU-RP.1238模型

ITU-RP.1238建議書中所描述的模型考慮了穿過多層樓板的損耗，以便考慮樓層之間諸如頻率重復使用這樣的一些特性?；灸Ｐ腿绻剑?）所示：

其中，L表示路徑損耗值，單位dB；f表示頻率，單位MHz；d表示移動通信終端與設(shè)備之間的距離，單位m；N表示距離損耗系數(shù)；Lf表示樓層穿透因子，單位dB；n表示移動通信終端與設(shè)備之間的樓板數(shù)量。

由于以上3種模型都是根據(jù)大量測試所總結(jié)出的經(jīng)驗得來，并不能直接運用到現(xiàn)實的場景中，需要在實際場景中對路徑損耗值進行測量，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)對模型進行校正，才能得出符合所涉及到室內(nèi)場景的傳播模型。

3　數(shù)據(jù)測量及處理

在傳播模型校正過程中，準確豐富的測量數(shù)據(jù)是得到與實際場景相符合的傳播模型的前提。在實際的場強測試中，要針對所處場景的實際無線環(huán)境進行連續(xù)波測試，即CW測試。

3.1CW測試

CW測試是在模型校正過程中較為常用的一種路徑損耗測試方法。該測試主要通過將模擬信號設(shè)定到指定頻點及功率，通過天線發(fā)射出去，經(jīng)過一定距離傳播后，由接收平臺對數(shù)據(jù)進行采集。CW測試法所采集得到的數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)出被測地點周圍環(huán)境對電磁波傳播過程中路徑損耗的影響程度。

由于電磁波在傳播過程中會有慢衰落和快衰落，而傳播模型需要保留慢衰落，平滑快衰落。根據(jù)William C. Y. Lee博士所提出的測量準則可以確保測量數(shù)據(jù)的準確性，該測量準則為在測試信號的40個波長內(nèi)必須滿足有36～50個采樣點，這樣就可以使校正后的傳播模型滿足保留慢衰落，平滑快衰落這一目標。

3.2數(shù)據(jù)處理

根據(jù)發(fā)射天線與數(shù)據(jù)采集時的接收天線之間的距離，將采樣數(shù)據(jù)分成若干組，按組對采樣數(shù)據(jù)進行處理。

由于在任何的測量中都不可避免地存在誤差，為了提高測量的精度，必須盡可能地消除或者減小誤差。測量中的誤差按照產(chǎn)生的原因可以分為隨機誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。在處理數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)不同類型的誤差對數(shù)據(jù)進行處理。

由統(tǒng)計學和概率論可知，減少隨機誤差最有效的一種方法是對被測數(shù)據(jù)進行多次測量，取平均值。所以，為了測量數(shù)據(jù)更加準確，在進行測量時需要在一個采樣點上進行多次測量。系統(tǒng)誤差可能是測量裝置或者測量方法所引起的，所以為了減小系統(tǒng)誤差，在進行CW測試前，需要對測量儀器儀表進行校正。在處理數(shù)據(jù)時，消除系統(tǒng)誤差的基本方法有交換法、替代法、正負補償法、對稱法和周期法這5種，可以根據(jù)不同的情況選擇不同的方法。引起粗大誤差的主要原因有兩點：一是測試人員引起，二是客觀外界條件引起。粗大誤差的數(shù)值比較大，會對測量結(jié)果產(chǎn)生明顯的歪曲，所以一旦發(fā)現(xiàn)粗大誤差的測量值，需要將其從測量結(jié)果中剔除掉。判別出大誤差的準則有3δ準則（萊以特準則）、羅曼若夫斯基準則、格羅布準則和狄克松準則。而在實際的工作中，常常使用3δ準則對粗大誤差進行判別。

4　傳播模型校正

4.1選擇傳播模型

上文介紹了3種比較常用的經(jīng)驗型室內(nèi)傳播模型，經(jīng)過研究可知Keenan-Motley模型是在自由空間傳播模型的基礎(chǔ)上增加了墻壁和地板的穿透損耗。但Keenan-Motley模型沒有考慮到多徑的影響，且僅把穿透損耗僅僅作為是墻壁數(shù)目和墻壁損耗參考值的乘積，而且對所有的墻壁取相同的穿透損耗，不是很準確。所以，在本次研究中將不會選擇Keenan-Motley模型作為被校正傳播模型。

由衰減因子模型的表達式可知，其路徑損耗值只與發(fā)射和接收天線之間的距離有關(guān)，與發(fā)射天線所發(fā)射出的信號頻率無關(guān)，與本文所介紹的CW測試法所測出與頻率相關(guān)路徑損耗值不相符。所以，本文不選衰減因子模型作為被校正傳播模型。

ITU-R P.1238模型用于典型的室內(nèi)環(huán)境，并具有較低的環(huán)境相關(guān)性，也考慮了在室內(nèi)多墻體以及多樓層的影響。所以，本文將選擇ITU-R P.1238模型作為被校正傳播模型進行校正及研究。

4.2模型校正

ITU-R P.1238模型的表達式為：

其中，Lf為樓層穿透因子，在校正過程中，將Lf與公式（4）中的“-28”看作為常數(shù)，表示為K2；因為CW測試所得數(shù)據(jù)為在某一指定頻率下所測試出的數(shù)據(jù)，所以公式（4）中頻率f為已知常量，即20log（f）是一個常數(shù)，可以用C來代替；將lg（d）當作一個自變量，用x代替，N用K1代替，則公式（4）可以表示為：

由公式（5）可知，L（dB）與X線性相關(guān)。使用最小二乘法對公式（5）進行線性擬合，便可得出K1與K2的值，完成對傳播模型的校正。該數(shù)據(jù)測試及模型校正流程如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)測試及模型校正流程

4.3試驗及校正結(jié)果

筆者對某工廠一個車間內(nèi)頻率為2350MHz的電磁波傳播模型進行預(yù)測，這個頻點可以代表TD-LTE傳播制式的工作頻率，圖2所示為其車間平面圖。其中，黑色區(qū)域為儀表放置及工人工作區(qū)域，空白區(qū)域為過道或休息區(qū)域。該車間長12m，寬5m。

圖2　某車間平面圖

頻率為2350MHz的電磁波，其波長為0.13m，40個波長的距離為5.2m，在該車間內(nèi)進行CW測試時，測試總長度為80個波長的長度，即10.4m，每隔一個波長的距離（即0.13m）選擇一個采樣點，本次測試選擇80個采樣點，在每個采樣點上進行20次測試。測試時需要在該車間內(nèi)不同的位置進行測試，這樣測試出的數(shù)據(jù)才能充分地反映該車間電磁波傳播的情況。對測試數(shù)據(jù)進行處理后，再結(jié)合數(shù)據(jù)對ITU-RP.1238模型進行擬合。

將lg（d）當作為一個整體，一個自變量，則擬合出的傳播模型為：

采樣數(shù)據(jù)與擬合后的結(jié)果如圖3所示。

將公式（6）中的X還原為lg（d），則公式（6）可以改寫為公式（7），即：

公式（7）就是最后校正完成的該車間在2350MHz頻率下電磁波的傳播模型，圖4為距離d與路徑損耗的直觀關(guān)系圖。從圖4可以得知，路徑損耗隨著距離的增長呈非線性變化。

4.4校正結(jié)果分析

對傳播模型進行校正的主要目的是通過使用測量值對原始傳播模型進行擬合，使傳播模型的系數(shù)能夠得到最優(yōu)化的線性回歸。

圖3　lg（d）與路徑損耗關(guān)系圖

圖4　距離與路徑損耗關(guān)系

在分析校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的擬合程度時，需要運用校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的平均差Mean Error、校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的均方根誤差RMS Error、校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的標準差Std. Dev. Error以及校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的互相關(guān)系數(shù)Corr. Coeff。

常用模型校正結(jié)果分析判別準則有以下3點：

（1）校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的平均差Mean Error＜1dB。

（2）校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的均方根誤差RMS Error＜8dB。

（3）互相關(guān)系數(shù)Corr. Coeff在0.6～1之間。

運用MATLAB可以計算出此次模型擬合的平均差Mean Error為0.2536dB，均方根誤差RMS Error為0.5993dB，互相關(guān)系數(shù)Corr. Coeff為0.9698。根據(jù)模型校正結(jié)果分析判別準則可知本次校正后模型擬合程度較高。

5　結(jié)束語

室內(nèi)傳播模型研究相對于室外傳播模型研究較少，但隨著通信技術(shù)的發(fā)展，許多無線通信過程都是在室內(nèi)發(fā)生。研究室內(nèi)傳播模型對研究室內(nèi)無線通信以及室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有著重要的意義。

本文提出了一種對室內(nèi)傳播模型進行校正的方法，該方法包括在數(shù)據(jù)測量時采樣點的選擇，測量數(shù)據(jù)的處理以及運用測量數(shù)據(jù)與已有經(jīng)驗型傳播模型擬合的方法，并通過實踐及仿真證明，使用該方法校正后的傳播模型符合模型校正結(jié)果分析判別準則。

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中創(chuàng)信測技術(shù)專欄

Research on the Method of Indoor Radio Wave Propagation Model Calibration

AbstractThe radio propagation model is widely used in wireless network planning and wireless network optimization. In this paper，we presented a method of indoor radio wave propagation model calibration based on empirical model. This method include data test，data processing and a way to fitting the data and the empirical model.

Key wordspropagation model calibration，indoor wave propagation，CW test

收稿日期：（2015-12-17）