（通信与信息系统专业论文）gsm无线网络干扰源定位的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 一一 g s m 无线网络干扰源定位的研究 摘要 随着g s m 网络的不断发展，无线网络的优化越来越受到重视。无线网络的干扰成为 了影响网络质量和传输可靠性的重要因素之一，为了能够保证通信网络有效地运转，使得 用户之间能够互相不受干扰地进行通信，就必须及时发现网络中存在的干扰，进行定位和 排查工作。这是贯穿于网络初建、改建、扩容、优化各个阶段需要关注的重要的问题之一， 因此，如何更简便准确地定位到干扰源的位置成为了目前一项重要的热点问题。 目前最常用的干扰源定位一般都是通过频谱分析仪进行的，使用车载的、方向性好的 天线加上频谱分析仪，来分析信号频域的特性，提取出其中的干扰信号，与此同时朝着干 扰信号的方向进行逐步地逼近，在此过程中，不断地实时地调整天线的指向，最后定位到 干扰源的位置。这种方法虽然操作比较简单，但是其设备笨重、投资高、工作量很大。 为了解决这个问题，本文提出了利用电波传播的理论进行建模来定位到干扰源。在研 究了当今各种主流的干扰源定位算法及其原理之后，选取了点散射算法和三点定位算法作 为基本算法，并且考虑到g s m 9 0 0 、d c s 1 8 0 0 或者g s m 一1 8 0 0 两种标准，通过结合 o k u m u r a h a t a 和c o s t - 2 3 1h a t a 两个经验模型以及温州校正模型，最终推导出完整的改进 版的干扰源定位算法，并通过了m a t l a b 的仿真验证。对比发现，三点定位算法在实际应用 更为简易并且误差较小。因此采用三点算法作为定位的基本算法，通过在温州联通干扰优 化项目中进行实践，在误差允许的范围内，定位到了干扰源的位置，大大缩短了查找干扰 源的时间，降低了定位的成本，提高了效率并保证了实时性，为干扰源定位提供了有效的 实际应用。 关键词：g s m ，干扰源定位，o k u m u r a - h a t a ，c o s t - 2 3 1h a t a ，优化 t h er e s e r a c ho ng s mw i r e l e s sn e t w o r k i n t e r f e r e n c el o c a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h eg s mn e t w o r k ，t h e o p t i m i z a t i o no fw i r e l e s s n e t w o r k sg e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h ei n t e r f e r e n c eo fw i r e l e s sn e t w o r k sh a v eb e c o m ea n i m p o r t a n t f a c t o ri nn e t w o r kq u a l i t ya n dt r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t y , i no r d e r t oe n s u r et h e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kt oo p e r a t ee f f e c t i v e l y , a n dm a k et h eu s e r sa b l et oc o m m u n i c a t ew i t h e a c ho t h e rw i t h o u ti n t e r f e r e n c e ，i tm u s tf i n di n t e r f e r e n c eo ft h en e t w o r kt i m l nt h e nl o c a t ea n d t r o u b l e s h o o t t h i si so n eo ft h ei m p o r t a n ti s s u e so fc o n c e r nt h r o u g h o u tv a r i o u ss t a g e so ft h e n e t w o r kc o n s t r u c t i o n ，a l t e r a t i o n ，e x p a n s i o na n do p t i m i z a t i o n t h e r e f o r e ，h o wt ol o c a t et h e l o c a t i o no ft h es o u r c eo fi n t e r f e r e n c em o r ee a s i l ya n da c c u r a t e l yh a sb e c o m eah o ti s s u e n o wt h em o s tc o m m o n l yu s e di n t e r f e r e n c el o c a t i o ni sg e n e r a l l yc a r r i e do u tt h r o u g ht h e s p e c t r u ma n a l y z e r , w i t ht h ea n t e n n ao fv e h i c l e m o u n t e da n de x c e e d i n g l yd i r e c t i o n a l ，t oa n a l y z e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es i g n a lf r e q u e n c yd o m a i na n de x t r a c t et h ei n t e r f e r e n c es i g n a lo ft h e s i g n a l ，g r a d u a l l ya p p r o a c h i n gt o w a r d st h ed i r e c t i o no fi n t e r f e r i n gs i g n a l sa tt h es a m et i m e i nt h i s p r o c e s s ，i tn e e dt oc o n s t a n t l ya d j u s tt h ea n t e n n ap o i n t i n gt i m l y , t h e nf i n dt h el o c a t i o no ft h e s o u r c eo fi n t e r f e r e n c ea tl a s t a l t h o u g ht h eo p e r a t i o no ft h i sm e t h o di sr e l a t i v e l ys i m p l e ，b u ti t s e q u i p m e n ti sh e a v y , i t si n v e s t m e n ti sh i g ha n dt h ew o r k l o a di sa l s oh e a v y t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e saa p p r o a c hf o ru s i n gt h et h e o r yo fr a d i ow a v e p r o p a g a t i o nm o d e l i n gt ot a r g e tt ot h es o u r c eo fi n t e r f e r e n c e a f t e rr e s e a r c h i n gt h el o c a l i z a t i o n a l g o r i t h ma n di t sp r i n c i p l eo ft h ev a r i o u st o d a y sm a i n s t r e a ms o u r c e so fi n t e r f e r e n c e ，i ts e l e c t sa p o i n ts c a t t e r i n ga l g o r i t h ma n dt h r e e p o i n t sl o c a t i o na l g o r i t h ma st h eb a s i ca l g o r i t h m ，a n dt a k e s i n t ot w os t a n d a r d so ft h eg s m - 9 0 0 ，d c s 一18 0 0o rg s m - 1 8 0 0 ，u l t i m a t e l yd e r i v e st h ei m p r o v e d v e r s i o no ft h ei n t e r f e r e n c es o u r c el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dp a s s e st h es i m u l a t i o no fm a t l a b ，b y c o m b i n i n gt h et w oe m p i r i c a lm o d e l so fo k u m u r a - h a t aa n dc o s t - 2 3 1h a t a b yc o m p a r i n g ，w e f i n dt h a tt h r e e p o i n tl o c a t i o na l g o r i t h mi sm o r es i m p l ea n dl e s se r r o ri np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s s o ， i i 浙江工业大学硕士学位论文 i nt h ep r a c t i c eo fi n t e r f e r e n c e o p t i m i z a t i o np r o j e c t a tw e n z h o uu n i c o m ，u s i n gt h r e e p o i n t a l g o r i t h ma st h eb a s i ca l g o r i t h mo ft h ep o s i t i o n i n g ，t h el o c a t i o no ft h ei n t e r f e r e n c es o u r c ei s l o c a t e dw i t h i nt h er a n g eo fa l l o w a b l ee r r o r t h i sm e t h o dg r e a t l ys h o r t e n st h et i m eo ff i n d i n gt h e s o u r c eo fi n t e r f e r e n c e ，r e d u c e st h ec o s to ft h ep o s i t i o n i n g ，i m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n de n s u r e s i t sr e a l t i m e i tp r o v i d e sa ne f f e c t i v ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o rl o c a t i n gs o u r c e so fi n t e r f e r e n c e k e yw o r d s ：g s m ，i n t e r f e r e n c el o c a t i o n ，o k u m u r a - h a t a ，c o s t - 2 3 1h a t a ，o p t i m i z a t i o n i i i 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 g s m 无线网络的发展与现状 g s m 数字移动通信系统源于欧洲【1 1 。它是迄今为止使用国家最多、用户最普及、设 备供应商最多的移动通信系统。1 9 8 2 年1 1 月，g s m 网络诞生了，c e p t 召集1 1 个国家 的代表参加，会上成立了一个称为g r o u ps p e c i a lm o b i l e 的小组，并在当时确定了这个小 组的主要任务是进行9 0 0 通信标准的制订等工作【2 1 。这个特别小组成立后，先是将重心 放在g s m 网络的基本理论的讨论；而后在1 9 8 4 年分别成立了三个小组进行专项的研究， 包括信令的流程、规范以及业务；1 9 8 6 年g s m 的永久研究机构成立了；1 9 8 7 年g s m 确 定了主要的无线传输技术；1 9 8 8 年欧洲成立了电信标准协会( e t s i ) ；1 9 9 1 年，1 2 个系列 和1 3 0 个建议诞生了，称之为第一个阶段的规范和技术；也是在这一年，世界上有了第一 个g s m 网络，并且正式进入了运营阶段。四年后，在第一阶段的基础上，新增了一些全 新的业务以及功能后，形成了第二阶段的规范和技术。从g s m 网络的整个发展历程可以 看到，完整的标准体系从一开始就已经形成了。 1 9 9 3 年，浙江嘉兴，我国的g s m 网在这个城市开始建设；一年以后，中国联通的 g s m 网络也开始进行建设，同时在这一年里实现了传真和数据业务。1 9 9 9 年，通过w a p 协议能够在手机上进行互联网的访问。2 0 0 0 年后，通用分组无线服务( g p r s ) 开始了商用， 能够更高效地提供g s m 系统的数据通讯。2 0 0 3 年，更为高效的e d g e 技术也开始商用 了，它的数据通讯能力已经接近3 g 。我国的g s m 网络目前已成为了全球最大的网络， 为人民的经济生活水平的提升以及社会经济的迅猛发展提供了强有力的推动作用。 随着移动通信应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论 上向更高水平发展。虽然第三代移动通信系统等其他移动通信技术发展非常迅速，但是 g s m 已有的网络基础加上其本身技术的不断进步，可以预见，在未来的数年内，g s m 仍 将保持世界移动通信领域的统治地位【3 j 。 1 2网络干扰优化的发展和国内外研究现状 近年来，通信行业在不断地成长发展，各大运营商为了能够提升用户的满意程度和对 品牌的认可程度，相互之问的竞争也是日趋激烈。他们都在努力打造自己的移动通信品牌， 1 浙江工业大学硕士学位论文 不断扩大服务的影响力【4 】。由于提高自身的竞争能力的一个最为基本和关键的因素是通信 的网络质量，尤为突出的是网络干扰对通信质量的影响，因此，运营商们都将网络干扰的 优化摆在首要的位置，以最终达到网络质量的提升，给用户提供良好的通信服务。 规划、设计一般是在正式建网以前进行并完成的，而网络优化，又称大优化，则是在 正式建网后，并经过一段正式运营后才进行的。网络优化是一项复杂的系统工程，它涉及 单小区的无线传输、多小区以及整个移动交换网络的优化，以及根据业务需求的扩容等问 题【5 j 。网络干扰优化主要是由运营商为主体完成的。网络干扰优化的主要目标是进一步提 高容量，改进通信质量，完善覆盖性能及挖掘设备与网络系统的能力，提高运营效率，另 外还要为网络扩容服务。 现行国内外对于g s m 网络干扰的优化主要分为系统内干扰优化和系统外干扰优化两 类。对于系统内干扰的优化，要不间断检测，统计空闲信道干扰与语音质量，确定同频与 邻频干扰，并通过改变频率规划及天线方向性加以克服。对于系统外干扰优化，一般采用 频谱仪( 有扫频功能) 监测并确定对本小区干扰大的频率及其强度、频率宽度及干扰源位 置，亦采用调整天线方向性和改变频率规划加以克服。总结网络干扰优化的过程，可以归 纳成以下的流程图，通过一系列的硬件和软件的分析，最终达到对干扰的排除并进一步提 升网络质量。 图1 1g s m 网络干扰优化流程图 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 g s m 无线网络干扰优化的重要性 1 3 1 干扰的分类 从频段的角度来分，可以分为上行干扰和下行干扰两类。上行干扰可以简单地描述为 干扰源对基站的干扰，它会降低基站的覆盖。可以看到，在理想的情况下，基站没有受到 干扰，较远处的手机的信号都能够被接收到。然而在基站受到干扰后，手机只有接近基站 才能和基站进行联络。下行干扰是指干扰源对手机的干扰，导致手机可能会无法辨别正常 基站的信号，甚至是手机与基站之间的联络也发生中断，造成掉话或无法登记1 6 1 。 从频点的角度划分，又可以将干扰划分两类。一类是同频干扰，它是指无用与有用的 两种信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰r 7 1 。另一类是非同频干 扰，它主要包括邻频干扰、互调干扰。邻频干扰指来自所使用信号频率相邻频率的信号干 扰。互调干扰则是由于在一非线性电路上有两个以上不同频率信号作用引起的。 1 3 2当前研究g s m 网络的意义 浙江联通从1 9 9 7 年起开展移动通信业务，在短短数年时间中，移动业务飞速发展， 1 9 9 7 年底仅有4 8 9 万户，近年来，随着资费的下调和移动终端的大幅降价，使移动通 信业务越来越贴近普通低收入用户，业务增长速度明显加快，电信服务不断向城市低收入 群体和广大农村消费者延伸，服务范围渐渐扩大，电信普及程度得到了进一步的提高。近 几年，浙江联通g s m 业务的发展表现为“稳中有升”，“稳 体现于用户数增长稳定；“升” 体现在话务量呈逐年上升趋势，g s m 业务收入的持续增长。 当前，我国移动通信发展大环境的一个显著特点就是竞争的不断深化，在激烈竞争的 市场上，市场占有率是企业赖以发展的生存空间，也是衡量其竞争力的重要指标。从网络 的覆盖、规模以及质量等各个方面来看，浙江移动的g s m 网络远远超越了浙江联通的g s m 网络。当前3 g 已迅速地发展并活跃于通信时代，除了中国移动和中国联通以外，中国电 信也进入了移动通信市场。在这样的环境下，各运营商所占的市场份额将取决于其服务质 量和营销策略。目前，浙江省通信市场竞争环境日趋激烈。各运营商为了扩大市场的占有， 在网络建设和网络质量等方面做了很大的工作。 2 0 0 9 年，联通开始建设3 g 网络、开通3 g 业务，面临着2 g 和3 g 网络、业务和用户 共存的局面。由于w c d m a 用户的发展是一个长期过程，g s m 网络是目前浙江联通的最主要 收入来源。通过2 0 1 1 年1 2 月的一份统计报表可以看到，浙江联通当月的g s m 出账用户数 为7 0 8 3 5 万户，而3 g 出账用户为2 0 1 1 万户，可见当前的g s m 网络仍然是移动通信网络 浙江工业大学硕士学位论文 的主力。进一步投资建设浙江联通g s m 网，完善其网络质量，缩小与竞争对手的差距，提 高竞争能力，这是浙江联通提高自身企业经济效益，增加企业竞争能力、树立企业品牌形 象的需要、也是社会对移动业务发展的需要。因此，有必要进一步研究g s m 网络，充分支 撑2 g 和3 g 市场发展需求，以应对今后激烈的市场竞争和适应新形势下联通的发展战略， 以达到2 g 和3 g 网络的协调发展。 另一方面，浙江省属于中国东部，经济活跃，g d p 总量和人均g d p 均处在全国前列。 在浙江省城镇经济高速发展的背景下，大片新兴开发区、县级市和中小城镇快速崛起，乡 镇逐步城市化。各地级市和县级市的人口逐渐增多、城区边缘不断扩大、新建城区面积迅 速扩张；而随着各地的旧城改造等工程的推进，大量高层建筑取代了旧式居民区，也出现 了新的覆盖盲点，浙江联通g s m 网在这些区域的覆盖也亟待解决。 因此，g s m 网络在当下的研究仍是各大运营商的重点工作之一，刻不容缓。由于本文 主要是关于联通干扰优化的项目，因此此处从联通的各个方面分析了在3 g 时代继续研究 g s m 网络的重大意义。 1 3 3 干扰优化的重要性 为了能够有效地利用网络资源，改善网络中存在的质量问题，必须对网络中存在的干 扰进行优化。网络干扰的优化是业务发展的有力后盾，其重要性不言而唰8 1 。通过网络干 扰的优化，不仅仅能使得网络的质量进一步得到提升，更甚至是能够增强企业的竞争力， 最终使得用户轻松愉悦地享受这个美好的通信时代。 频率资源是有限的，为了扩大网络的覆盖，势必需要对频率进行复用，邻频干扰和同 频干扰就是由此而引起的；与此同时，网络中的一些参数没有正确地进行设置也是引起干 扰的一个原因；再次，电波在传播中电磁环境的影响也会导致干扰。上述干扰严重时使通 信质量下降，网络服务性能变差 外。干扰会导致误码率升高，通信质量下降，是造成掉话 的一个很重要的原斟1 0 1 。因此作为网络优化的核心问题，无线干扰问题的解决显得越来 越重要。 1 4 本文的工作安排 g s m 无线网络干扰优化的目标始终是在现有的网络资源上提高网络质量，其关键之 处是对干扰源的定位。本文基于无线传播理论，对信号传播的损耗做了具体的分析，在 m a t l a b 仿真平台上构建了基于o k u m u r a h a t a 模型和c o s t - 2 3 1h a t a 模型的查找干扰源的 4 浙江工业大学硕士学位论文 算法；讨论了现网中干扰的分类，如何通过现网的系统发现干扰问题的存在及定位和排查 方式；分析了点散射模型与三点定位法这两种算法的性能优劣以及在实际网络中的使用 性；最后探讨了干扰源定位法的具体应用。 第一章介绍了g s m 无线网络的发展与现状，阐述了网络干扰优化的发展和国内外研 究现状，同时讨论了在目前3 g 时代到来的背景下研究g s m 无线网络的意义以及干扰优 化的重要性。 第二章讨论了移动信道的特点以及接收信号中的3 类损耗，重点研究了大范围的传播 损耗的定量分析，主要是自由空间、o k u m u r a - h a t a 模型和c o s t - 2 31h a t a 模型的路径损 耗的推导分析，并对中小范围的传播损耗进行了简要的阐述。 第三章首先介绍了干扰的分类以及各类干扰的特征；其次讨论了现网中最常用的三种 发现干扰问题的方法；最后介绍了干扰定位和排查的建议的步骤。这一章主要侧重于分析 总结现网中的干扰的优化步骤。 第四章首先介绍了点散射模型定位的原理及系统模型，并通过m a t l a b 编程和仿真验 证了在大城市和中小城市( 市区、郊区和开放环境) 下，该算法是可行的；然后介绍了三点 定位法的定位原理及系统模型，也通过m a t l a b 编程和仿真验证了自由环境和温州环境下， 该算法是可行的；最后从不同的角度对这两种算法进行比较分析，通过一系列的数据分析， 三点定位法更优于点散射法，并通过实地的测试验证了三点定位法的实际可操作性。 第五章通过同频干扰和直放站干扰的两个案例中三点定位法的应用，阐述了该算法在 实际的干扰优化过程中的可操作性，为网络干扰优化的定位和分析带来了便利。并且将此 算法应用至温州联通的网络优化的项目中，通过这个定位算法定位干扰源大致的位置，提 高了优化的效率，最终扭转g s m 网络服务质量差的不利局面，降低温州网络干扰水平， 从1 5 降低至1 1 。 第六章对本文的研究成果进行了总结和归纳，并对未来的研究方向和重点作了展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章无线传播理论 移动信道属于无线信道，它是一种时变信道【l 。因为它由用户所处的地理位置和环 境条件等决定，所以移动信道可以说是动态且非常复杂的信道。为了能够在这种复杂的信 道中通信，首要的问题是要分析掌握这类信道的特征和内涵，然后才能针对存在的各类干 扰问题一一对症下药，给出相应的优化方案。任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信 的3 项基本指标一有效性、可靠性和安全性进行不断地优化。因此，分析移动信道的特点 是解决移动通信关键技术的前提，是产生移动通信中各类新技术的源泉，是解决g s m 网 络中存在的干扰问题的根本。无线信道特性的优差将直接影响通信系统的可靠性和时效性 【l 引，所以往往在研究一些调制和编码等等的性能时，会先对无线信道的一些性质进行深 入的分析探索。因此，如何兼具精确度和复杂度要求地对移动无线信道进行建模和仿真【1 3 】 是非常重要的问题。本章主要对移动信道特点、3 类主要的快衰落在理论上进行探讨，同 时重点对大范围的传播损耗模型的进行定量分析，并简要分析了小范围的传播损耗。 2 1 移动信道的特点 2 1 13 个主要特点 第一个特点是接收环境的复杂性。它是指在接收之处的环境是各种各样且纷繁复杂 的。可分为三类较为典型的环境：一类是农村和远郊区；一类是近郊区；还有一类是城市 的繁华地带。 第二个传播的开放性是指电磁波是在开放式的环境中进行信息的传播，不会受到空间 的限制。而传统的有线通信则是在完全封闭的传输线中进行的。 第三个特点是移动用户的随机移动性。可以归类成这三种类型的用户：高速行驶的用 户、慢速行走的用户和类似于静止的用户。 总而言之，以上这三点形成了移动信道的三大特点。 2 1 2 移动通信信道 从电磁传播的角度，移动信道分为直射、反射和绕射三种波。直射波是信号最强的方 式，它是指在传播中没有任何遮挡，是微波和超短波的主要传输方式。反射波的信号稍弱 6 浙江工业大学硕士学位论文 于直射波，是指由建筑物、山丘等物体反射以后，被接收到的信号。绕射波的信号也弱于 直射波，它是指接收到的信号满足电波绕射的条件，并且是从较大的建筑物和山丘等绕射 的。 另外，存在空气中还有散射波，它是由于离子受激后，经过二次发射的漫反射生成的； 以及能够透过建筑物的传播。但是，它们都比直射波、反射波和绕射波弱，因此认为直射、 反射和绕射是最主要的，但在特殊情况时，也是需要考虑穿透的直射波与散射波的影响的。 2 1 3 接收信号中的3 类损耗 慢衰落损耗：它是信号在中等范围内进行传播时电平平均值随之变化的过程。阻挡物 ( 比如建筑物等) 会引起这一类损耗，又可以称之为阴影衰落。这类损耗一般是从统计规律 的角度进行分析，它符合对数的正态分布，其变化慢于传送信息的变化，属于无线传播特 有的损耗。 快衰落损耗：它表现为接收到的信号相位振幅都会随机且快速地变化。这是由于接收 处的电波经过散射由各不相同的途径到达。衰落信号的振幅每秒内以正斜率越过中值电平 的次数定义为衰落频率。对流层散射信号的衰落频率一般不超过l o h z 。克服快衰落影响 的有效办法是分集接收 1 4 】。通过理论推导和实际的测试都可以证明，这类接收到的信号 有服从均匀分布的相位以及瑞利分布的振幅。 路径传播损耗：它是指电波在宏大范围里进行传播时的产生损耗，在传播的过程中， 电平的值会随着传播距离的增大而减小。这类损耗也称为衰耗。下面论文中主要涉及的是 这类传播损耗。 2 2 大范围的传播损耗的定量分析 大尺度衰落是指在长距离内，接收信号的强度因地点、时间以及移动台速度而产生比 较平缓、缓慢的变化，其衰落周期以秒或小时甚至天数计，因此也称之为慢衰落。电波在 通过很长的距离传播，或者是碰到了比电磁波的波长大百倍以上的大型物体后，所表现出 来的一个平均的衰落情况称为大尺度衰落【ls - 。 大尺度衰落近似服从对数正态分布【16 j 。服从正态对数分布的阴影效应以及电波传播的 损耗是产生这种衰落的最主要的原因f 1 7 】。在理想情况下，只有工作频率和传播的距离能 够决定电波传播的衰落程度。一般来说，大尺度衰落与发射天线和接收天线之间的距离以 及电磁波的工作频率有关，即随着传播距离的增加、频率的增加，平均接收场强逐渐减弱， 浙江工业大学硕士学位论文 且在不同的地区的衰减因子是不同的。 但在实际的传播模型中，地球的曲率、大气层、植被、湖水、高楼建筑等等都会对电 磁波的能量产生影响【1 8 。因此，在分析时不能忽略在此过程中阴影衰落的影响。 天线分集和功率控制可以补偿大尺度衰落。在设计网络时，通常都是留有一定的余量 以满足一定的覆盖可靠度。比如覆盖目标是在室内，则需考虑建筑物穿透损耗，从而确保 网络设计所要求的覆盖可靠度1 1 9 j 。 2 2 1 目由空i 司传播 自由空间传播是指在传播的过程中，认为是不存在散射和反射的，也不存在障碍物会 把能量吸收导致能量的减少。它是一种理想情况的假设。实际电波传播时，满足以下条件， 可以看作是自由空间的传播：地面上空的大气层的均匀煤质是各向同性的，它的相对介 电常数量和相对磁导率脾均为1 ；可以忽略到达接收天线的地面的反射信号的场强； 没有障碍物阻挡在传播的路径上。 尽管电波在自由空间里传播没有受到阻挡，也没有折射、反射、散射、绕射以及吸收。 但是，由于辐射能量的扩散，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减【2 0 1 。 下面来计算自由空间的传播损耗： 设发射机输出给发射天线功率为b ( 单位为：w ) ，则接收天线上获得的功率为： 足= p r g g ( 啬) 2 ( 2 - 2 - 1 ) 式中，q 为发射天线增益；瓯为接收天线增益；d 为收发天线之间的直线距离；五 为工作频率的波长；d , 2 4 e r 为各向同性( i s o t r o p i c ) 天线的有效接收面积。 自由空间损耗定义为在q 、嗥都为1 时，发射功率与接收功率的比值，即： k = 去= ( 等2 ( 2 - 2 - 2 ) 从而，用d b 可表示为： k = 3 2 4 4 + 2 0 l g d + 2 0 l g f( 2 - 2 - 3 ) 式中，d 的单位为k m ；f 为工作频率，单位为m h z 。由此可以看出。自由空间传播 损耗与距离d ) r 频率厂的平方成正比，距离或频率每增加一倍，传播损耗增加6 d b 。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 奥村哈塔( o k u m u r a - h a t a ) 模型 大尺度传播模型主要有通过理论计算建立的确定性模型【2 l 】、基于实验测试通过统计 分析方法得到的经验模型口2 1 以及通过理论和实验相结合得到的半经验或半确定性模型 2 3 】 o 从宏观的大范围看，由于移动通信信道是一个完全的开放的信道，它的传播损耗主要 是由传播的环境和条件决定的。决定传播损耗的关键因素之一是传播的距离；另一方面天 线的高度、地形及地貌等因素也会对其产生很大的影响。因此，如果要通过理论的分析推 导，得出一个完整的公式去定义传播损耗是非常困难的。为了满足工程上的一些算法的要 求，一般都是采用一些模型和经验公式来计算的。 奥村哈塔( o k u m u r a h a t a ) t 2 4 1 模型是一种在移动通信中使用最频繁，也是最有效的基 于时延测试通过统计分析方法得到的经验模型。奥村对城镇与郊区的传播损耗进行了广泛 的测量，而后对数据进行整理和分析，最终制作了很多图表，在规划蜂窝系统时起到了重 大的作用。 主要环境和条件为：工作频率为1 5 0 m h z f 。 1 5 0 0 m h z ：有效距离为i k m r 2 0 k m ；发 射( 基站) 天线的有效高度为3 0 m 吃 2 0 0 m ；接收( 移动台) 天线的有效高度为 l m h m 。 ，7 麓 ， 一 ， - ， 1 x 奠 7 r y x 、-一 3 l 、- 图4 1点散射定位模型示意图 根据图4 - 1 的直角坐标系建立如下模型： 由以上定义，测试点x 的圆心在( 0 ，o ) ，半径大小为r ，设这个圆为： x 2 + y 2 = r 2 ( 4 1 1 ) 测试点y 的圆心在，0 ) ，半径大小为，设这个圆为： ( x 一三) 2 + y 2 = ，2 ( 4 1 2 ) 计算得到这两个圆的交点坐标如下： r + r 2 一r 2 2 三 ( 4 1 - 3 ) y = r 2 一掣 。4 。4 ， 由式( 4 1 3 ) 和式( 4 1 4 ) 两个式子，可以确定干扰源可能所在的位置是a 点和b 点， 然后再根据这两个点附近的电平变化情况定位到干扰源的所在地。 综上，为了定位到干扰源的位置，编程的主要思路如下： a 、输入两个测试点的接收电平、两个测试点间的距离、基站的高度和发射功率、工 作频率等数据； b 、求路径损耗公式中的几个参数的值( o k u m u r a h a t a 模型时需要求口( ) 、a 、b 、c 、 d 等几个参数的值；c o s t - 2 3 1h a t a 模型时需求d ( ) 、4 、b 等几个参数的值) e 、运行程序，图中两个圆的交点即为所求的a 点和b 点 的可要嚣根据点散射模型以及编程的思路，对各种环境下的定位进行分析，以验证该方法 的可行性。 “” 批u l 以月7 友 4 1 2 0 k u m u ，a h a t a 模型的m a t l a b 编程思路和仿真结果 1 、中小城市的仿真结果 。根据。k 啪w a - h a t a 模型，中小城市的校正因子口( ) 的值由靴嘴示。同时， 路径损耗又可以表示为： 2 弓一砚 ( 4 1 5 ) 其中嵋是基站天线发射的电场强度( 单位：蛳以表示测试点x 接收电平，融 表不测试点y 接收电平。 。 下面分别分析在市区、郊区和开放环境下三种环境下的仿真结果。 ( 1 ) 市区环境下，根据该模型的经验公式，路径损耗表示如下： 乞= a + b l g r 其中川釉的值由式( 2 - 2 - 7 ) 和船2 - 8 ) 拣由船1 蚵得嘲表达式女6 将式( 4 一】- 5 ) 代入式( 4 1 7 ) 得： ，= 1 0 ( 厅一暇一a ) i b 图4 - 2 市区的路径损耗曲线 2 7 ( 4 1 - 7 ) ( 4 1 - 8 ) 浙江工业大学硕士学位论文 为了分析市区的路径损耗，取中国联通常用的数值来进行仿真，测试天线的高度为 3 5 m ，基站天线的高度为3 5 m ，频率值取9 0 9 m h z ，对市区的路径损耗进行m a t l a b 仿真， 由上图可知，市区路径损耗随着距离的增大而增大，但是随着距离的不断增大，损耗的增 加逐渐减缓。 输入以下一组数据，利用点散射定位模型进行m a t l a b 编程和仿真，可以求出两个交 点的坐标。 表4 - 1市区仿真中使用的主要参数 输入x 点接收y 点接收两点距离基站发射频率测试天线基站高度 电平电平 功率 高度 单位 ( 1 b md b m 千米 d b mm h z米米 值 8 59 013 69 0 93 53 5 输入并运行程序，得到的仿真图和干扰源坐标如下： 1 、 i 7f j 中小城市市区干扰源查找m a t l a b 仿真图 xx a 仿真整体图b 仿真局部放大图 图4 3 市区点散射定位模型m a t l a b 仿真图 由上图易得a 点和b 点的坐标，见表4 2 ，然后再根据这两个点附近的电平变化情况 定位到干扰源的所在地。 表4 - 2 市区m a t l a b 仿真结果 a 点b 点 横坐标一0 0 1 6 5 2o 0 1 6 5 2 纵坐标1 0 4 9 01 0 4 9 0 浙江工业大学 | _ 吹士学位论文 ( 2 ) 郊区环境下，根据该模型的经验公式，路径损耗表示如下： 2 彳+ b 1 9 ，一c ( 4 1 9 ) 其中a 、b 和c 的值分别由式( 2 2 7 ) 、式( 2 2 - 8 ) 和式( 2 2 9 ) 表示；由式( 4 1 - 9 ) n - i 得，的 表达式如下： r = 1 0 ( 如一一+ c ) 7 b ( 4 - 1 - 1 0 ) 将式( 4 1 5 ) 代入式( 4 - 1 1 0 ) n - 丁得： r = 10 ( p t 一烈一爿+ c ) 7 b ( 4 1 11 ) 1 4 0 1 3 0 1 2 0 - j ”0 1 g o 中小城市郊区路径损耗 净一 、， 024 6 81 01 21 41 61 82 0 r 图4 4 郊区的路径损耗的曲线 为了分析郊区的路径损耗，取中国联通常用的数值来进行仿真，测试天线的高度为 3 5 m ，基站天线的高度为3 5 m ，频率值取9 0 9 m h z ，对郊区的路径损耗进行m a t l a b 仿真， 由上图可知，郊区路径损耗随着距离的增大而增大，但是随着距离的不断增大，损耗的增 加逐渐减缓。 输入以下一组数据，利用点散射定位模型进行m a 廿a b 编程和仿真，可以求出两个交 点的坐标。 表4 3 郊区仿真中使用的主要参数 输入x 点接收y 点接收两点距离基站发射频率测试天线基站高度 电平电平功率高度 单位 d b md b m 千米 d b mm h z米米 值 8 08 51 3 69 0 93 53 5 2 9 浙江工业大学硕士学位论文 一 输入并运行程序，得到的仿真图和干扰源坐标如下： 中小城市郊区干扰源查找m a l i a b 仿真图 中小城市郊区干扰源查找m a a 仿真整体图 t l a b 仿真图 b 仿真局部放大图 图4 5 郊区的点散射定位模型m a t l a b 仿真图 由上图易得a 点和b 点的坐标，见表4 4 ，然后再根据这两个点附近的电平变化情况 定位到干扰源的所在地。 表4 - 4 郊区m a t l a b 仿真结果 a 点b 点 横坐标 0 4 8 2 4- 0 4 8 2 4 纵坐标1 3 6 6 01 3 6 6 0 ( 3 ) 开放环境下，根据该模型的经验公式，路径损耗表示如下： 0 2 4 + b l g ，一d ( 4 1 1 2 ) 其中a 、b 和d 的值分别由式( 2 2 7 ) 、式( 2 2 8 ) 和式( 2 2 1 0 ) 表示；由式( 4 1 1 2 ) 可得， 的表达式如下： ，= 10 ( l , 一爿+ d ) 7 b 将式( 4 1 5 ) 代入式( 4 1 1 3 ) 推导可得： ，= 10 ( 斥一烈一彳+ d ) 7 口 3 0 ( 4 - 1 1 3 ) ( 4 - 1 1 4 ) 浙江工业大学硕士学位论文 中小城市开放环境路径损耗 ，：降 图4 6 开放环境的路径损耗曲线 为了分析开放环境的路径损耗，取中国联通常用的数值来进行仿真，测试天线的高度 为3 5 m ，基站天线的高度为3 5 m ，频率值取9 0 9 m h z ，对开放环境的路径损耗进行m a t l a b 仿真，由上图可知，开放环境路径损耗随着距离的增大而增大，但是随着距离的不断增大， 损耗的增加减缓。 输入以下一组数据，利用点散射定位模型进行m a t l a b 编程和仿真，可以求出两个交 点的坐标。 表4 5 开放环境仿真中使用的主要参数 输入x 点接收y 点接收两点距离基站发射频率测试天线基站高度 电平电平功率高度 单位 d b md b m 千米d b mm h z 米 米 值6 26 0 2 3 69 0 93 53 5 输入并运行程序，得到的仿真图和干扰源坐标如下： 中小城市开放环境干扰源查找m a t l a b 仿真图 厂淤。 沁 xx a 仿真整体图b 仿真局部放大图 图4 7开放环境点散射定位模型m a t l a b 仿真图 浙江工业大学硕士学位论文 由上图易得a 点和b 点的坐标，见表4 - 6 ，然后再根据这两个点附近的电平变化情况 定位到干扰源的所在地。 表4 6 中小城市开放环境m a t l a b 仿真结果 a 点b 点 横坐标 1 1 3 2 01 1 3 2 0 纵坐标 0 9 9 1 40 9 9 1 4 2 、大城币的仿真结果 根据o k u m u r a h a t a 模型，大城市的校正因子口( ) 的值由式( 2 - 2 - 1 2 ) 表示。下面分别 分析在市区、郊区