特大城市密集城區(qū)3G核心頻段傳播模型的測(cè)試與校正

0 前言

　　在移動(dòng)通信無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中,預(yù)測(cè)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的覆蓋水平是首先需要考慮的問(wèn)題｡而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)信號(hào)覆蓋的關(guān)鍵便在于選用經(jīng)過(guò)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(lèi)繁多,無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境十分復(fù)雜｡然而該區(qū)域也是用戶(hù)集中､業(yè)務(wù)量龐大的移動(dòng)通信市場(chǎng)｡要設(shè)計(jì)一個(gè)既能適應(yīng)復(fù)雜的傳播環(huán)境,又能滿(mǎn)足用戶(hù)需求的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)信號(hào)傳播特性是網(wǎng)絡(luò)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(cè)試對(duì)各種密集城區(qū)進(jìn)行傳播模型校正的情況及其結(jié)果｡希望可以對(duì)類(lèi)似特大城市密集城區(qū)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播的預(yù)測(cè)有所幫助｡

1 3G無(wú)線(xiàn)傳播模型

　　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(xiàn)跟蹤等｡從精確程度看,射線(xiàn)跟蹤是最接近實(shí)際情況的,但由于它對(duì)數(shù)字地圖的高精度要求,無(wú)法大規(guī)模普及｡本文選用的是標(biāo)準(zhǔn)傳播模型(SPM)｡

1.1 射線(xiàn)跟蹤

　　射線(xiàn)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(duì)信號(hào)傳播的影響,通過(guò)理論計(jì)算分別得出每一點(diǎn)上的接收信號(hào)強(qiáng)度｡因此,根據(jù)射線(xiàn)跟蹤模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,可以精確地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并有效地控制干擾｡

　　射線(xiàn)跟蹤法的基本思想是:首先確定一個(gè)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(gè)接收位置(測(cè)試點(diǎn))光線(xiàn)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(yīng)得到每條路徑到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng),將到達(dá)同一測(cè)試點(diǎn)的所有路徑的場(chǎng)強(qiáng)做相干疊加,得到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)總的接收?qǐng)鰪?qiáng)｡

　　一般說(shuō)來(lái),采用射線(xiàn)跟蹤模型預(yù)測(cè)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)率､發(fā)射源(基站)位置､天線(xiàn)類(lèi)型和使用頻率等｡射線(xiàn)跟蹤法要考慮光線(xiàn)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(dāng)大)等｡

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

1.2 SPM

　　SPM作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具的傳播模型,建立在Cost231-Hata經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕�礎(chǔ)上｡

　　SPM的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為
PL50=K1+K2lgd+K3lgHeff+K4Diffraction+
K5lgdlgHeff+K6lgHmeff+Kclutterf(clutter)

　　下面將基于此模型來(lái)介紹如何進(jìn)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(guò)程中的4個(gè)參數(shù)如下:
　　a) 最大的偏差emax,這只是一個(gè)參考信息｡
　　b) 均值e=■ei(可正可負(fù)),可通過(guò)傳播模型公式中的偏置來(lái)調(diào)節(jié)｡
　　c) 均方根eRMS=■(總是正值),表明預(yù)測(cè)的整體質(zhì)量｡在校正的過(guò)程中應(yīng)盡量使之最小｡
　　d) 標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=■,表明誤差的分布,在校正的過(guò)程中應(yīng)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(duì)給定變量的測(cè)量值圍繞計(jì)算值的分布情況｡若回歸線(xiàn),即均方差最小時(shí),假定
Y=aX+b
就可以得到
?鄣=■
式中:
X=xi-x
Y=yi-y
b=-ax+y
　　一個(gè)變量被校正時(shí),相關(guān)Ki的新值等于a,固定常量等于b｡
　　其中相關(guān)性為
R=■
　　當(dāng)絕對(duì)值接近于1時(shí),認(rèn)為滿(mǎn)足相關(guān)性｡否則,校正結(jié)果不穩(wěn)定,可靠性會(huì)較低｡當(dāng)變量被校正并應(yīng)用后,相關(guān)性歸零｡因?yàn)闇y(cè)量值和預(yù)測(cè)值之間的差值不再依賴(lài)于計(jì)算值｡
2.1.3 多變量校正
　　可以為一組變量的N個(gè)相關(guān)系數(shù)建立回歸線(xiàn):
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(guò)矩陣轉(zhuǎn)換可得到相關(guān)系數(shù)Ai｡

2.2 傳播模型的校正過(guò)程

　　SPM的各個(gè)因子都是可以進(jìn)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(xiàn)有效高度有關(guān)的因子,由于天線(xiàn)掛高在測(cè)試過(guò)程中保持不變,可以不進(jìn)行校正｡
　　K4是與衍射計(jì)算相關(guān)的因子,目前由于缺少建筑物的高度信息,衍射損耗的計(jì)算并不準(zhǔn)確,不對(duì)其進(jìn)行校正｡
　　K6是與移動(dòng)臺(tái)有效發(fā)射高度相關(guān)的因子,移動(dòng)臺(tái)在測(cè)試過(guò)程中保持不變,可以不進(jìn)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(diǎn)均勻分布,在校正區(qū)域內(nèi)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(yīng)至少包括經(jīng)度､緯度和場(chǎng)強(qiáng)信息｡

　　采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)足夠多而且均勻分布,基于李氏分析,如果在40 λ的范圍內(nèi)采集50個(gè)場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行平均,所得到的信號(hào)同當(dāng)?shù)卣鎸?shí)信號(hào)均值的誤差在1 dB之內(nèi)｡對(duì)于3G網(wǎng)絡(luò),如果中心頻點(diǎn)為2 140 MHz,則有8.93個(gè)/m｡

　　假設(shè)該距離為C,可以得到車(chē)速v(m/s)､前臺(tái)測(cè)試設(shè)備的采樣速率R(個(gè)/s)和測(cè)試車(chē)輛運(yùn)行的關(guān)系

■>C,或v<■

　　假定采樣速率為50個(gè)/s,則車(chē)速為

v<■=■=5.59 m/s≈20 km/h

　　數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,應(yīng)按照上述標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)置前臺(tái)設(shè)備的采樣速率和車(chē)速,并保證以勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)試｡

　　接收天線(xiàn)高度為1～2 m,通常接收機(jī)天線(xiàn)及GPS天線(xiàn)置于車(chē)頂｡

　　當(dāng)接收到的信號(hào)不滿(mǎn)足以下條件時(shí),測(cè)試不應(yīng)當(dāng)再向遠(yuǎn)處延伸｡

接收信號(hào)-接收機(jī)靈敏度>10 dB
接收信號(hào)-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(cuò),即便屬于同一種功能區(qū)域,其建筑構(gòu)造､道路布局的差異仍然很大｡

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

　　由于目前在預(yù)測(cè)中使用的數(shù)字地圖大多沒(méi)有建筑高度信息,在規(guī)劃中使用針對(duì)區(qū)域地貌特性并經(jīng)過(guò)校正的傳播模型可以使預(yù)測(cè)結(jié)果最大限度地貼近實(shí)際情況｡

2.5 模型校正

　　對(duì)CW測(cè)試數(shù)據(jù)的處理是使用法國(guó)Fosk公司的Atoll網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件進(jìn)行的,該軟件可以直接校正SPM的各項(xiàng)參數(shù)｡

　　當(dāng)滿(mǎn)足以下條件時(shí),認(rèn)為校正可以結(jié)束｡
　　a) 預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值誤差的均值最小化,盡量為0,或不大于0.2 dB｡
　　b) 預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差,城市區(qū)域?yàn)?～8 dB,農(nóng)村地區(qū)為8～10 dB｡

2.6 測(cè)試描述

　　由于時(shí)間和測(cè)試條件所限,本文介紹的測(cè)試僅列舉了兩種典型地貌｡測(cè)試頻點(diǎn)選擇2 120 MHz,頻譜分析結(jié)果表明,在該頻點(diǎn)無(wú)干擾信號(hào),信號(hào)底噪在-120 dB左右,測(cè)試設(shè)備如表4所示｡

2.7 傳播模型校正結(jié)果

　　在黃石站和農(nóng)業(yè)大廈站(可以視為一般居民聚集區(qū)模型)覆蓋的周?chē)?我們得到的最終校正結(jié)果為:K1=18.92､K2=49.93,其他系數(shù)使用默認(rèn)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(cè)試點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同預(yù)測(cè)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(jié)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(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較

　　CW信號(hào)為實(shí)際測(cè)試的結(jié)果,與使用經(jīng)過(guò)校正的模型所預(yù)測(cè)出來(lái)的覆蓋相比,誤差在8～10 dB以?xún)?nèi),模型較正結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了很好的驗(yàn)證｡

3 結(jié)束語(yǔ)

　　特大城市的無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境非常復(fù)雜,即便同屬于密集城區(qū),無(wú)線(xiàn)環(huán)境也各不相同,而且隨著城市的不斷發(fā)展,無(wú)線(xiàn)環(huán)境也會(huì)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(qiáng)的針對(duì)性:根據(jù)環(huán)境､建筑密集度的不同,盡量細(xì)分成不同的種類(lèi)進(jìn)行校正｡同時(shí),在環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)能及時(shí)更新,以便使預(yù)測(cè)結(jié)果更貼近實(shí)際情況｡

　　用經(jīng)過(guò)校正的傳播模型進(jìn)行覆蓋預(yù)測(cè),可以使覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果更加貼近實(shí)際｡在特大城市這種復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)環(huán)境下,可以準(zhǔn)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(zhǔn)確的覆蓋預(yù)測(cè)可以為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的調(diào)整提供有力依據(jù),減少了網(wǎng)絡(luò)建成后的調(diào)整､優(yōu)化工作量,節(jié)約了投資｡

參 考 文 獻(xiàn)
1 ATOLL 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件用戶(hù)手冊(cè)
2 CDMA 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化 啜鋼 機(jī)械工業(yè)出版社


----《郵電設(shè)計(jì)技術(shù)》