特大城市密集城區(qū)3G核心頻段傳播模型的測試與校正

0 前言

　　在移動通信無線網(wǎng)絡的規(guī)劃設計中,預測無線信號的覆蓋水平是首先需要考慮的問題｡而準確預測信號覆蓋的關鍵便在于選用經過精確校正的傳播模型｡

　　特大城市的密集城區(qū)由于建筑密度大､樓層高､建筑形狀各異､外墻材料種類繁多,無線傳播環(huán)境十分復雜｡然而該區(qū)域也是用戶集中､業(yè)務量龐大的移動通信市場｡要設計一個既能適應復雜的傳播環(huán)境,又能滿足用戶需求的無線網(wǎng)絡,準確預測信號傳播特性是網(wǎng)絡規(guī)劃中非常重要的一環(huán)｡

　　本文以上海地區(qū)為例,介紹了利用CW測試對各種密集城區(qū)進行傳播模型校正的情況及其結果｡希望可以對類似特大城市密集城區(qū)無線信號傳播的預測有所幫助｡

1 3G無線傳播模型

　　在3G系統(tǒng)的2.1G核心頻段上,通常使用的經典模型有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)｡

1.1 射線跟蹤

　　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,通過理論計算分別得出每一點上的接收信號強度｡因此,根據(jù)射線跟蹤模型的預測結果,可以精確地進行網(wǎng)絡規(guī)劃并有效地控制干擾｡

　　射線跟蹤法的基本思想是:首先確定一個發(fā)射源的位置,根據(jù)3D地圖上的建筑物特征和分布,找出發(fā)射源到每個接收位置(測試點)光線的所有傳播路徑;然后根據(jù)菲涅耳等式和幾何繞射理論/一致性繞射理論(GTD/UTD)等,確定反射和繞射損耗,這樣相應得到每條路徑到每個測試點的場強,將到達同一測試點的所有路徑的場強做相干疊加,得到每個測試點總的接收場強｡

　　一般說來,采用射線跟蹤模型預測信號場強要輸入以下參數(shù):矢量表示的電子地圖(代表建筑物)､建筑物墻的電容率和傳導率､發(fā)射源(基站)位置､天線類型和使用頻率等｡射線跟蹤法要考慮光線的以下傳播路徑:直射波､在建筑物垂直面上的反射波､在建筑物垂直棱上的衍射波､在建筑物水平棱上的衍射波以及高階的反射/衍射波(其中二階反射/衍射波的影響相當大)等｡

　　由于射線跟蹤模型對于數(shù)字地圖的要求很高,需要帶有詳細建筑信息的三維數(shù)字地圖,其成本過于昂貴,目前國內僅華為公司在香港地區(qū)小范圍使用過｡在條件允許時,使用該模型可以大幅度提高預測的準確性,特別是在特大城市的中心區(qū)域,使用射線跟蹤模型尤為有利｡

1.2 SPM

　　SPM作為無線網(wǎng)絡規(guī)劃工具的傳播模型,建立在Cost231-Hata經驗模型的基礎上｡

　　SPM的數(shù)學表達形式為
PL50=K1+K2lgd+K3lgHeff+K4Diffraction+
K5lgdlgHeff+K6lgHmeff+Kclutterf(clutter)

　　下面將基于此模型來介紹如何進行模型校正｡

2 1G核心頻段傳播模型的校正

2.1 傳播模型的校正理論

2.1.1 校正參數(shù)

　　校正過程中的4個參數(shù)如下:
　　a) 最大的偏差emax,這只是一個參考信息｡
　　b) 均值e=■ei(可正可負),可通過傳播模型公式中的偏置來調節(jié)｡
　　c) 均方根eRMS=■(總是正值),表明預測的整體質量｡在校正的過程中應盡量使之最小｡
　　d) 標準偏差σ=■,表明誤差的分布,在校正的過程中應盡量使之最小｡

2.1.2 單變量校正

　　單變量校正示意圖｡首先考慮對給定變量的測量值圍繞計算值的分布情況｡若回歸線,即均方差最小時,假定
Y=aX+b
就可以得到
?鄣=■
式中:
X=xi-x
Y=yi-y
b=-ax+y
　　一個變量被校正時,相關Ki的新值等于a,固定常量等于b｡
　　其中相關性為
R=■
　　當絕對值接近于1時,認為滿足相關性｡否則,校正結果不穩(wěn)定,可靠性會較低｡當變量被校正并應用后,相關性歸零｡因為測量值和預測值之間的差值不再依賴于計算值｡
2.1.3 多變量校正
　　可以為一組變量的N個相關系數(shù)建立回歸線:
y=[a0…aN]×x0xN
　　由此可推出:
■x02■x0x1…■x0xN■x0x1■x12…■x0xN　　 …■xN2×a0a1aN=■X0Y■X1Y■XNY
式中:
X0=(x0)i-x0
X1=(x1)i-x1
Y=yi-y

　　通過矩陣轉換可得到相關系數(shù)Ai｡

2.2 傳播模型的校正過程

　　SPM的各個因子都是可以進行校正的,但是由于數(shù)據(jù)采集條件有限,并非所有參數(shù)都可以得到校正｡
　　K3､K5都是與天線有效高度有關的因子,由于天線掛高在測試過程中保持不變,可以不進行校正｡
　　K4是與衍射計算相關的因子,目前由于缺少建筑物的高度信息,衍射損耗的計算并不準確,不對其進行校正｡
　　K6是與移動臺有效發(fā)射高度相關的因子,移動臺在測試過程中保持不變,可以不進行校正｡
　　綜上所述,需要校正的主要是K1､K2和clutteri,因此在數(shù)據(jù)采集中要求采樣點均勻分布,在校正區(qū)域內收集盡量多的數(shù)據(jù)｡

2.3 采樣數(shù)據(jù)的要求

　　采集到的數(shù)據(jù)應至少包括經度､緯度和場強信息｡

　　采集到的測試數(shù)據(jù)應當足夠多而且均勻分布,基于李氏分析,如果在40 λ的范圍內采集50個場強信號進行平均,所得到的信號同當?shù)卣鎸嵭盘柧�值的誤差在1 dB之內｡對于3G網(wǎng)絡,如果中心頻點為2 140 MHz,則有8.93個/m｡

　　假設該距離為C,可以得到車速v(m/s)､前臺測試設備的采樣速率R(個/s)和測試車輛運行的關系

■>C,或v<■

　　假定采樣速率為50個/s,則車速為

v<■=■=5.59 m/s≈20 km/h

　　數(shù)據(jù)采集過程中,應按照上述標準來設置前臺設備的采樣速率和車速,并保證以勻速運動進行測試｡

　　接收天線高度為1～2 m,通常接收機天線及GPS天線置于車頂｡

　　當接收到的信號不滿足以下條件時,測試不應當再向遠處延伸｡

接收信號-接收機靈敏度>10 dB
接收信號-底噪>20 dB

2.4 校正區(qū)域的選取

　　在上海這樣的特大城市中,市區(qū)面積大,居民區(qū)､商業(yè)區(qū)､旅游區(qū)縱橫交錯,即便屬于同一種功能區(qū)域,其建筑構造､道路布局的差異仍然很大｡

　　針對特大城市密集城區(qū)地形的復雜性和多樣性,在模型校正時需根據(jù)建筑､道路的特性細分不同的校正種類,如南京路這種高層建筑在道路沿線分布､徐家匯這種建筑圍繞廣場分布､居民區(qū)多層居民樓密集分布等等｡

　　由于目前在預測中使用的數(shù)字地圖大多沒有建筑高度信息,在規(guī)劃中使用針對區(qū)域地貌特性并經過校正的傳播模型可以使預測結果最大限度地貼近實際情況｡

2.5 模型校正

　　對CW測試數(shù)據(jù)的處理是使用法國Fosk公司的Atoll網(wǎng)絡規(guī)劃軟件進行的,該軟件可以直接校正SPM的各項參數(shù)｡

　　當滿足以下條件時,認為校正可以結束｡
　　a) 預測值和實測值誤差的均值最小化,盡量為0,或不大于0.2 dB｡
　　b) 預測值和實測值誤差標準偏差,城市區(qū)域為6～8 dB,農村地區(qū)為8～10 dB｡

2.6 測試描述

　　由于時間和測試條件所限,本文介紹的測試僅列舉了兩種典型地貌｡測試頻點選擇2 120 MHz,頻譜分析結果表明,在該頻點無干擾信號,信號底噪在-120 dB左右,測試設備如表4所示｡

2.7 傳播模型校正結果

　　在黃石站和農業(yè)大廈站(可以視為一般居民聚集區(qū)模型)覆蓋的周圍,我們得到的最終校正結果為:K1=18.92､K2=49.93,其他系數(shù)使用默認值｡
　　黃石基站周邊環(huán)境｡
　　校正后模型如下:
L=18.92+49.93lgD+5.83lgHeff+Diff.-
6.55lgDlgHeff+Clutter

　　校正后測試點實測數(shù)據(jù)同預測值之間的均值接近于0,方差小于7 dB｡

　　漕溪站(可以視為高層沿街分布的模型)獲得的數(shù)據(jù)校正得到的結果為:K1=-69.16､K2=73.58｡校正后模型如下:
L=-69.16+73.58lgD+5.83lgHeff+Diff.-
6.55lgDlgHeff+Clutter

2.8 預測結果和實測數(shù)據(jù)的比較

　　CW信號為實際測試的結果,與使用經過校正的模型所預測出來的覆蓋相比,誤差在8～10 dB以內,模型較正結果的準確性得到了很好的驗證｡

3 結束語

　　特大城市的無線傳播環(huán)境非常復雜,即便同屬于密集城區(qū),無線環(huán)境也各不相同,而且隨著城市的不斷發(fā)展,無線環(huán)境也會隨之發(fā)生變化｡這就要求特大城市的傳播模型校正有較強的針對性:根據(jù)環(huán)境､建筑密集度的不同,盡量細分成不同的種類進行校正｡同時,在環(huán)境發(fā)生較大變化時能及時更新,以便使預測結果更貼近實際情況｡

　　用經過校正的傳播模型進行覆蓋預測,可以使覆蓋預測結果更加貼近實際｡在特大城市這種復雜的無線環(huán)境下,可以準確把握站址選擇是否合理,是否存在盲區(qū)以及干擾情況如何等｡準確的覆蓋預測可以為網(wǎng)絡規(guī)劃的調整提供有力依據(jù),減少了網(wǎng)絡建成后的調整､優(yōu)化工作量,節(jié)約了投資｡

參 考 文 獻
1 ATOLL 網(wǎng)絡規(guī)劃軟件用戶手冊
2 CDMA 無線網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化 啜鋼 機械工業(yè)出版社


----《郵電設計技術》