（通信与信息系统专业论文）wcdma无线网络规划中的传播模型校正.pdf

摘要 摘要 传播模型的准确对网络无线规划的可信度起着至关重要的作用。一个相对精 确的传播模型有助于准确估算基站的覆盖范围和预测网络的覆盖状况，从而有助 于准确估算满足网络的覆盖目标所需要的基站数量，具有战略性的意义。 鉴于此，本文筒述了w c d m a 无线网络规划的基础上，提出了相关传播模 型校正。论文首先论述了几类常用的传播模型，包括s p m 模型、o k u m u r a h a t a 模型、c o s t 2 3 1h a t a 模型、c o s t2 3 1 - w i 模型以及射线跟踪模型。在概述传播模 型的基础上对传播模型校正的原理及流程做了描述，最后结合实际的测试数据对 某市的密集市区和普通市区两类地形进行了s p m 模型校正，；! 导出了天线挂高与 环境高度对模型校正的影响以及平均误差和标准误差在传播模型校正结果中的 体现。 关键词：w c d m a 模型校正 c w 测试 标准方差 s p m 模型 平均误差 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ev e r a c i t yo fp r o p a g a t i o nm o d e lh a sa l li m p o r ti m p a c to nt h er e l i a b i l i t yo f w c d m an e t w o r kp l a n n i n g am o r ep r e c i s i o n 。p r o p a g a t i o nm o d e lm e a n sam o r e p r e c i s i o nc o v e r a g ep r e d i c t i o no f t h eb a s es t a t i o na n dc o v e r a g er a t eo f p r e d i c tn e t w o r k w i t ht h ep r o p a g a t i o nm o d e lt u n i n g ，w ec a nc a l c u l a t et h ee x a c tn u m b e ro f b a s es t a t i o n f o rt h ec o v e r a g et a r g e to f t h en e t w o r k t h i st h e s i s g i v e s ab r i e fi n t r o d u c t i o no fw c d m an e t w o r kp l a n n i n ga n d p r o p o s e st h ec o n c e p to fp r o p a g a t i o nm o d e lt u n i n g f i r s t l y , t h et h e s i sd e s c r i b e sf o u r m o d e l s ：s p mm o d e l ，o k u m u r a - h a t am o d e l ，c o s t 一2 31h a t am o d e l ，c o s t2 31 w i m o d e la n dr a y t r a c i n gm o d e l w i t ht h et h e o r ya n dp r o c e d u r ed e s c r i b e df o r e g o i n g ，w e m a d es o m es a m p l e so fm o d e lt u n i n gf o rd e n s eu r b a na n dn o r m a lu r b a n t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na n t e n n ah e i g h ta n de n v i r o n m e n th e i g h th a sa n e f f e c to np r o p a g a t i o nm o d e l a l s oi nt h i st h e s i sw eh a v es o m ef i g u r e si n d i c a t e st h e m e a ne r r o ra n ds t a n d a r dd e v i a t ee r r o rs h o w i n gi nt h er e s u l to fm o d e lt u n i n g s i m u l t a n e i t y k e yw o r d s ：w c d m a c w t e s t i n g m o d e lt u n n i n gs t a n d a r dd e v i a t ee r r o r s p mm o d e l m c a ne r r o r 西北工业大学硕十学位论文 w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 第一章绪论 本章主要对w c d m a 无线网络规划的原理及规划流程做了简单介绍，通过 对规划过程的分析提出了传播模型校币在w c d m a 无线网络规划中的重要意义。 在本章的最后对论文的结构做了简单的概述。 1 1 w c d m a 无线网络规划概述 随着经济社会的发展，移动通信在日常生活中的地位日益提高，人们对通信 质量的要求也越来越高。对于通信质量以及硬件设备的改善很重要，但良好的网 络规划更加重要。由于没有经过良好的规划，网络投入运行后产生了通话质量上 的许多问题。因此网络规划是蜂窝移动网建设中一个必不可少的环节，它对于网 络的建设成本和运行质量都存在这很重要的影响。移动通信的网络规划包括用户 预测、无线网规划、固定网规划等方面。每一个规划的环节都对整个规划的结果 产生重要的影响，而无线网的规划更是不能忽视。合理的无线网络规划可以避免 投资浪费、从而以最少的资金来满足用户的需求。我国各省( 市) 移动通信公司 和联通公司在其移动通信设备招标过程中也把设备供应商的网络规划作为一项 重要的考核指标，由此可以看出网络规划在移动通信网络建设中的重要意义。 在第二代移动通信网络中，g s m 网络主要采用时分频分多址的无线接入方 式，满足话音业务的连续覆盖要求，其容量与覆盖相互独立，因此，在g s m 的 无线网络规划中，覆盖和容量的规划可以独立进行。而第三代无线移动通信 w c d m a 无线网络系统中，由于引入了多业务环境和码分多址无线接入方式 ( c d m a ) ，其网络的容量、覆盖、服务质量存在自相关的特性，因此其规划方 法、流程与g s m 网络有着本质的不同。其中特别需要注意的是，在规划w c d m a 系统时，由于覆盖与负荷的相关性，小区的覆盖和负荷必须结合起来考虑；同时 w c d m a 是一个多业务环境，各种业务的覆盖以及上下行都需要分别考虑；另外， w c d m a 规划还需要考虑功率控制、用户分布、业务q o s 、移动性和多径环境等 的影响，这都使得w c d m a 的无线网络规划相对g s m 的规划要复杂得多。作为 无线网络建设重要环节的前期工作，无线网络规划以实现一个合理的无线网络架 构为目的，为未来的无线网络工程设计、优化以及网络扩容奠定了一个良好的网 络基础，并实现对网络建设成本的合理控制。 5 第一章绪论 1 2 w c d m a 无线网络规划流程 w c d m a 无线网络规划涵盖了无线资源规划、切换规划、容量规划、覆盖规 划等诸多方面，其中，容量规划和覆盖规划是核- t l , 内容。个完整的规划流程通 常应分为下列几步：数据的手机和分析；传播模型的选择；覆盖预测；m o n t ec a r l o 仿真以及基于仿真结果( 或现网采集、人工设定网络负载) 的业务预测等，如图 1 1 所示。 r n p 输入 设备配置 无钟预h i 2 设计i7 i 结构参数 估算站 问距 基于导攘电平 的预测( 与业 务无关) 否 导颇是 絮广 邻区规划标准 扰码分配原则 输出参数卜l 邻唔芬f 皆扰 否 网络性能 是否满足 要求 图1 1w c i ) b l a 无线网络规划流程 1 3 传播模型校正在无线网络规划中的意义 话务 否 i 镕广 是 黼m 剐o n t e c a r b 仿辫 假设的 ll 下行困 真il 定费抗 与业务有关的预测 在w c d m a 网络的整个规划的过程中可以看出，选择恰当的无线传播模型 是无线网络规划前的一项重要工作。传播模型是w c d m a 移动通信网小区规划 的基础。传播模型的准确对网络无线规划的可信度起着至关重要的作用。一个相 对精确的传播模型有助于准确估算基站的覆盖范围和预测网络的覆盖状况，从而 有助于准确估算满足网络的覆盖目标所需要的基站数量，具有战略性的意义。 同时对具有多业务特性的w c d m a 网络而言，传播模型的准确与否更是直 6 测 呈、 蛐拂。专朴龇 站 ； 确和 西北工业大学硕士学位论文 w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 接关系到系统性能仿真的准确性，对系统性能的分析具有很火的影响。 在移动通信系统中，由于移动台不断运动，传播信道不仅受到多普勒效应的 影响，而且还受地形、地物的影响，另外移动系统本身的干扰和外界干扰也不能 忽视。基于移动通信系统的上述特性，严格的理论分析很难实现，需对传播环境 进行近似、简化，从而使理论模型误差较小。通常的无线传播预测和覆盖预测， 系统性能仿真都是基于经验模型进行的，而经验模型是建立在统计分析和数字地 图之上的，具有普遍适用性。但一个具体的环境又有自己独特的地形地貌特征， 特定的建筑物结构特征( 马路宽度、楼房高度、建筑物材料等等) 和特定地物类 型，所以有必要对典型的城市环境进行无线传播测量以校准使用于该环境的无线 传播模型，确保覆盖预测和系统性能仿真的准确性。 1 4 论文结构总览 论文主要章节安排如下： 论文首先在第二章介绍了几种常用的无线传播模型，并对各类传播模型做了 一个简要介绍，在此基础上提出了传播模型校正的概念。 第三章介绍了传播模型校正的基本原理与流程。这一章内容是全文的一个理 论基础。 第四章在前一章的基础之上，选取了具有代表性的典型区域，架设了发射机， 采用c w 测试采集数据，并对测试数据使用规划软件进行了传播模型校正，同时 生成了一些仿真结果，从不同的层面显示了传播模型校正之后对网络规划的影 响。 第五章给出了结论，总结了前几章的内容，并指出不足之处以及论文完成后 需要进一步做的工作。 7 第二章传播模型概述 2 1 。无线传播概述 第二章传播模型概述 在无线通信系统中，电波通常在非规则、非单一的环境中传播。在估计信道 损耗时，需要考虑传播路径上的地形地貌，也要考虑到建筑物、树木、电线杆等 阻挡物。不同的室外传播环境模型适用于不同的环境。如所示显示了在不同的环 境下接收信号强度的不同。 接 收 孽 嫠 距离 图2 1 不同地形中信号强度随距离衰减示意图 如图2 一l 所示，从图中可以看出：随着距离的增大，接收信号强度逐渐减 小，然而衰减的速率是不相同的：控件自由传播的情况下衰减速率最小，其次是 开阔地和郊区，城区的衰减速率最大。 一般来说，接收功率只与距离d 的指数d ”成正比，在空间自由传播环境中 n = 2 ，在其他情况下有3 盯4 。上图只是给出了接收信号强度随距离变化的 趋势。 当发射机和接收机之间的距离较小时，为视距传输即”22 ，此时包络服从 莱斯分布，以小尺度衰落为主；当距离增大时有3 ”兰4 ，此时以大尺度衰落为 主，包络服从瑞利衰落。 在实际的传播环境中，从覆盖区域来分，室外传播环境可以分为两类：宏蜂 窝模型和微蜂窝模型。宏蜂窝模型架设传输功率可达到几十瓦特；蜂窝半径为几 十公里。相比之下，微蜂窝传播模型的覆盖范围则小一些( 2 0 0 m 1 0 0 0 m ) ，在 r 西北工业大学硕士学位论文 w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 微蜂窝传播模型中假定基站不高( 3 m 1 0 m ) ，发射功率有限( 1 0 r o wl w ) 所预测的区域也只在基站附近。 下面将逐一介绍几种在传播模型校正中常用的传播模型。 2 。2 几种常用的无线传播模型 本节将对w c d m a 网络中常用的五种无线传播模型做一个简单的介绍，并 对每种无线传播模型做了简单的对比，提出了不同环境以及不同的地形地貌下需 要使用不同的传播模型，同时需要对传播模型进行定的修正才可以比较真实地 反映真实的移动传播环境。 2 2 1 s p m ( s t a n d a r dp r o p a g a t i o nm o d e l ) 模型 s p m 模型是一个标准传播模型，通常在进行传播模型校正的时候，会对模 型中的参数进行调整，以达到较好的传播模型校正效果。 s p m 模型的表达式为： 上p a t h = k l + 足2 l 。g ( d ) + k s l o g ( 日豫谚) + 丘4 d 撇打。 z 。舳( 2 - 1 ) + k 5l o g ( d ) l o g ( h r , ) + k 6l o g ( m ) + k 7 f ( c l u t t e r ) p a t h l o s s - - 路径损耗( d b ) ； a - 一偏移常量，与频率相关的常数； 2 一距离衰减系数； “，一基站天线高度修正系数； 。一与衍射损耗相关的系数，必须大于零； “s 一基站天线高度及距离修正系数； “o 一。，移动台有效天线高度的修正系数； k 7 一f ( c l u t t e r ) 的修正系数； d 一接收机和发射机之间的距离( m ) ； “r x e g 一发射机天线的有效高度( m ) ； “删移动台的有效天线高度( m ) ； d i f f r a c t i o n l o s s 一阻隔路径上的衍射造成的损耗( d b ) 八“t t e 7 ) 一地貌的平均加权损耗。 2 2 2o k u m u r a - h a t a 模型 o k u m u r a h a t a 模型是预测城市及周边地区路径损耗时使用最为广泛的模 9 第二章传播模型概述 型。它基于测试数据所作的图表，不提供任何的分析解释。工作频率在1 5 0 m h z 1 9 2 0 m h z ，并可扩展至3 0 0 0 m h z ：作用距离从l k m 到2 0 k m ，经扩展可延伸至 l o o k m ，基站天线高度在3 0 m 到2 0 0 m 之间，经扩展延伸至1 0 0 0 m ；移动台天线 高度从l m 到1 0 r n 。该模型经曲线拟合得出一组经验公式、它以市区路径传播损 耗为基准，在此基础上对其他地区进行修正。 在市区，c o s t h a t a 模型的经验公式如下： l 。= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 ( k , , ) 一日( 向。) + 【4 4 9 6 5 5 1 9 ( k ) l g d r ，、 式中，是载波频率；是发射天线有效高度；是接收天线有效高度；d 是发射机与接收机之间的距离；口l 疗m j 是移动天线修正因子，其数值取决于环境。 在g s m 系统中，取频率，。8 7 0 m h z ，上式可化简为 三m = 1 4 6 4 5 1 3 8 2 ( k ) 一a ( h m ) + 【4 4 9 6 5 5 1 9 ( h , d l g d ( 2 3 ) 对于大城市，移动台天线修正因子 地，也8 2 9 1 9 ，( 1 ，删5 4 h , ”： “2 _ 1 蹦1 ( d b ) # ：淼 对于中小城市，移动台天线修正因子为 口( ) = 【1 1 l g f o 7 】k 一【1 5 6 1 9 f 一0 8 】d b 另外，针对郊区及开阔地，该模型可修正为 l ，= 三( 市区) 一2 1 0 9 ( f 2 8 ) 2 5 4 在农村，该传播模型经验公式修正为 l 。= l ( 市区) 一4 7 8 ( 1 0 9 f ) 2 1 8 3 3 l o g f 一4 0 9 8 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 但是在利用上述公式计算路径损耗时，必须注意基站天线没有采取空问分 集，不能考虑分集增益。另外，用户终端天线的安装位置也会对计算路径损耗有 很大的影响，因此，根据天线的安装位置不同，所引起的穿透衰减分成三种不同 的情况，如表格2 1 所示。 表格2 - 1 天线不同位置损耗修正值 天线安装位置修正值，d b 室内( 非窗边) 一1 5 窗户旁 一3 室外 0 t o 西北工业大学硕十学位论文w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 地形对于传输损耗的修正值影响也很大。对于农村地区的传播环境，主要可 以分为丘陵地区和开阔地，其修正值如表格2 2 所示。 表格2 - 2 不同地形损耗修正值 地形修正值d b 丘陵地区l o 开阔地 2 5 另外，对于传播环境的衰落可以分为瑞利衰落和正态衰落两种。为了抵抗这 两种衰落，通常在系统中都需要有一定的余量储备，对于这两种衰落的余量储备 如表格2 - 3 所示。 表格2 - 3 不同衰落类型的余量储备 衰落类型祭量铬备j d b 瑞利衰落 0 8 正态衰落 6 2 2 3c o s t - 2 3 1h a t a 模型 在很多城市的高密度区，经过小区分裂站距已缩小到几百米。而基站密集的 区域使用o k u m u r a - h a t a 模型将出现预测值明显偏高的问题。因此，e u r o c o s t ( 科学和技术研究欧洲协会) 成立c o s t - 2 3 1 工作委员会，提出了o k u m u r a - h a t a 的扩展模型，即c o s t - 2 3 1h a t a 模型。 c o s t 2 31h a t a 模型路径损耗的计算公式为 l 。( d ) = 4 6 3 + 3 3 9 1 9 f - 1 3 8 2 l g 玩一a ( h 。) + ( 4 4 9 6 5 5 l g k ) l g d + c m ( 2 8 ) 式中，为大城市中心校正因子。在中等城市和郊区， 心，c u23 d b 。 接受到的场强为： p a d ) = 1 0 1 9 【只( d 耐- ) 】+ 咒。，。m 。( d 州) 一上。( d ) d b m 2 0 d b ，在市中 ( 2 9 ) c o s t - 2 3 1h a t a 模型适用范围为：1 5 0 0 m h z i 厂2 3 0 0 m h z ，1 d 2 0 k i n ， 1 k l o r e 3 0 m k 2 0 0 m 。 c o s t - 2 3 1h a t a 模型和o k u m u r a h a t a 模型的主要区别在于频率衰减的系数彳： 同。c o s t - 2 3 1h a t a 模型的衰减因子为3 3 9 ，而o k u m u r a - h a t a 模型的频率衰减因 子为2 4 ，1 6 。另外，c o s t 一2 3 1h a t a 模型还增加了一个大城市中心衰减因子c w ， 第= 章传播模型概述 大城市中心地区路径损耗增加3 d b 。 2 2 4 c o s t2 3 1 一w i 模型 c o s t2 3 lw i 模型广泛应用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境。它 足基于w a l f i s c h - b e r t o n i 模型和i k e g a m i 模型得到的。在使用高基站天线时该模 型采用理论的w a l f i s c h b e r t o n i 模型计算多屏绕射损耗；在使用低基站天线时采 用测试数据。该模型也考虑了自出空问损耗、从建筑物顶到街面的损耗咀及街道 方向的影响。c o s t2 3 1w 1 模型适用的范围为：8 0 0 m h z f 2 0 0 0 m h z ， o0 2 k i n d 5 k m4 m l 5 0 m c o s t2 3 1 一w i 模型分视距传播( l o s ) 和非视距传播( n l o s ) 两种情况计 算路径损耗。对于视距( l o s ) 传播环境，其路径损耗为 24 2 6 4 + 2 0 1 9 f + 2 6 l o g d ( 2 1 0 ) 式中，d 的单位为k m ，的单位为m h z 。 非视距( n l o s ) 环境的参数如图2 2 所示。 t 基站无线， 吐豳雕臣k 图2 2 非视距参数酗解 图中，为基站天线高出地面的高度，单位为m ( 4 5 0 m ) ；为移动台天 线高度，单位为m ( 1 p 3 m ) ； 8 为建筑物屋顶高度，单位为“；2 - h b 为 基站天线高出建筑物屋顶的高度，单位为m ；a h m 5 h b k 为移动台天线低于建 筑物屋顶的高度，单位为m ：b 为建筑物间隔，单位为i t i ( 默认值为2 0 5 0 m ) ； w 为街道宽度，单位为m ( 默认值为b 1 2 ) 。 当小知道建筑物的准确高度时，可咀用下式进行估计 h b = 3 n ，+ i ( 2 1 1 ) 式中，”，为楼层数量； ，为房顶高度。 堂兰堕、业奎堂堡主堂垡堡奎 ! 篁里! 竺垂垡堕堑塑型塑堡堡堕型垫垩 ：3 m ( 斜屋屋顶) 【o 平屋屋顶 ( 2 1 2 ) 基于以上参数，模型给出了各种情况下路径损耗的计算公式。 在视距传播的情况下，有 三0 5 2 4 2 6 4 + 2 6 l g d + 2 0 1 9 f ( 2 1 3 ) 式中，d 的单位为k m ，f 的单位为m h z 。 在非视距传播的情况下，有 上：钳k“msdnlos；mt 枷) (2-14)l “ 一16( 三m + 三。“o ) 1 式中 三= 3 2 4 4 + 2 0 1 9 f + 2 0 1 9 d ( 2 - 1 5 ) 式中，“为自由空间路径损耗，的单位为m h z ，d 的单位为k m ；三。为 从屋顶到街面的衍射和散射损耗；三一为多遮蔽物衍射损耗。 工m 由下式给出 式中 三m2 一1 6 9 1 0 l g w + 1 0 l g f + 2 0 l o gz x h , , + k ( 2 。1 6 ) 式中，f 的单位为m h z ，w 的单位为m 。 l o r i 为定向损耗，由下式给出 i 一1 0 + 0 3 5 4 # 0 。谚3 5 。 三。= 2 5 + o 0 7 5 ( 矿一3 5 。) 3 5 。妒5 5 。 1 4 0 一o 1 1 4 ( 妒一5 5 。)5 5 。庐9 0 。 m “由下式给出 m 鲥茹l h h + k 。+ k d l g d + k f l g f 一9 1 9 b ，l 一1 8 1 9 ( 1 + ) l m 。 0 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 篓；g ( 2 - 1 9 ) 1 3 第二章传播模型概述 a h 0 吃o 且d 0 5 地0 且d 0 5 和。勉即。 吒2 卜s 等麓： “d “ o 7 f 上一 l 9 2 5 1 5 f 上一 f9 2 5 2 2 5 射线跟踪模型 中等城市和郊区 大城市 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 以上四类传播模型主要是适用于室外的宏蜂窝模型，而对于室内传播预测模 型，由于覆盖范围远远小于宏蜂窝模型，同时天线高度也低于环境高度，这就需 要有一种不同于以上模型的一种新的模型来对室内传播环境进行预测，射线跟踪 模型正是这样一种模型。 对于w c d m a 网络而言，它的频率高达2 g 以上，根据波长与频率之间的关 系可以知道，w c d m a 网络的无线信号的波长与大多数障碍物的尺寸相比要小 的多，此时电波的传播可以用几何光学来近似，即认为电磁波沿直线传播，远场 区的电磁波可视为局部平面波，因而可用射线跟踪法来进行研究。射线跟踪的基 本思想是：将发射点视为点源，其发射的电磁波作为向各个方向传播的射线，对 每条射线进行跟踪，在遇到障碍物时按反射、投射或绕射来进行场强计算，在接 收点将到达该点的各条射线合并，从而实现传播预测。通常射线是有一定宽度的， 跟踪时对其中心线进行跟踪。 在用射线跟踪法进行传播预测时，接收点的场强可表示为 一e r = 虿 巧= a n a 。上，( s ) l - i 露p ，) n 于。) n 荔。，) 瓦 ，” 式中：e r 为第i 条射线在接收点的电场强度矢量 e o 为距发射点i m 处的电场强度矢量： 1 4 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 觇觇 舛呲 一 一 4 4峪博 | j k 、，、 西北工、【k 大学硕士学位论文 w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 u f - 和”n 分别为发射和接收天线的方向性系数： 当y ，为第i 条射线到达接收点所经过路径s 在自由空间的衰减： 兰r 一，为第i 条射线第i 次发射的反射系数，入射角为q ，； ，为第i 条射线第k 次透射的透射系数，入射角为； “w k ，为第i 条射线第m 次绕射的绕射系数，入射角为伊m ，； 射线的跟踪过程实际就是射线与物体进行求交的判断运算过程，由于由发射 天线出发的射线在遇到物体块时又会产生反射射线、投射射线，所以整个跟踪过 程是一个递归过程。递归的深度取决于所预先规定的射线被丢弃的衰减系数，例 如可将一次发射的衰减系数定为2 ，一次透射定位3 ，如被丢弃的衰减系数定为 1o ，这意味着在一根射线在经过5 次发射或两次发射两次透射后将停止跟踪，此 时认为该射线的场强已衰减到很小。显然，如预定的衰减系数越大则到达接收点 的射线越多，但计算量将大大增加。在跟踪过程中，如果射线被接收或跑出被预 测的区域则停止跟踪。整个跟踪的过程简单示意图如图2 3 所示。 射线初始化 求距高量近的相交物 体并计算发射透射和 绕射系教 是 杏 产生发ll 产生透ii 产生绕 射射线ii 射射线ii 射射线 图2 3 射线的跟踪过程 鼹踪下一条 射线 否 键接收 工 接收点场 强计算 瓣义擎 第三章传播模型校正的原理及流程 第三章传播模型校正的原理及流程 本章主要介绍了传播模型校正的原理以及基本流程，同时为后续的章节中对 c w 数据的采集做了一定的描述，描述了c w 数据采集的一些原则以及对于站址 的选取。 3 1 传播模型校正的原理 传播模型校正实际就是在经过了传播测试之后获取一定的模型，然后根据一 定的算法对获取的传播模型进行校正，以使得最终的传播模型更加符合真实的地 理情况以及无线环境。 传播测试实际上就是利用相关仪表，获得不同方向传输路径上的路径损耗。 为了获得较为准确的测试结果，必须从以下几个方面入手。 1 无线传播环境 移动信道是一种时变信道，无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径 的衰减损耗( 一般可归结为三类) ，见式 p ( 孑) = d ”s ( - k p ) ( 3 1 ) 弛： p p j 一接收信号功率，是基站和移动台之问距离的函数； d 一矢量，表示距离的方向性； d ：”一空间传播损耗，n 一般为3 4 ； j f j 一阴影衰落，是由传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波 遮蔽所引起的衰落，也成为长期衰落或慢衰落，其衰落特性符合对数币态分布； r p j 一多经衰落，是由移动传播环境中多经传播引起的衰落，也称短期衰落 或快衰落，其衰落特性符合瑞利分布。 从无线系统工程角度看，空间传播损耗和阴影衰落主要影响无线覆盖区域的 覆盖，合理涉及总可以消除这种不利的影响。而多经衰落严重影响信号传输质量， 是小可避免的，只能采取抗多经衰落技术来减少这种影响。 将上式进行变换，得： p ( _ ) = 聊( - k ( _ ) 式中： ( 3 2 ) 西北工业大学硕十学位论文 w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 m p j 一本地均值，也是空问传播损耗和慢衰落的合成，可以表示为 m ( - ) 2 瓦1 d。+l i ； ( 3 - 3 ) 其中2 l 为平均采样区间长度，又称本征长度。 进行测试的目的就是要尽可能地获取某一地区各点地理为止的本地均值。因 此，要获取本地均值，必须剔除多经衰落或瑞利衰落的影响。 综上，可以看到常用的经验传播模型都是一种中值场强模型，场强预报精确 度依赖于代表无线环境的模型参数、所使用的地图精度、规划工具中传播模型与 地形数据库结合的算法，等等。 传播模型校正的目的就是减小中值场强模型在该环境使用的误差。通常的做 法是：实际架设发射机进行连续波( c w ，c o n t i n u o u sw a v e ) 测试，从而获得最 准确的无线信号路径损耗值，并与规划工其的场强预测结果进行比较修正，使两 者之间误差的均值和方差达到最小，最终得出最能反映当地无线传播环境的参 数，从而得到适用于该环境并具有理论可靠性的中值场强模型。 根据无线电波的传播理论，信号在几十个波长的距离上经历慢的随机变化， 其统计规律服从对数正态分布。当我们在4 0 个波长的空间上取平均的话，就可 以得到其均值包络，这个量通常称作本地均值，其和特定地点上的平均值相对应。 模型校正的c w 测试就是要取得特定长度上的本地均值，从而利用这些本地均值 来对该区域的传播模型进行校正。 根据著名的李氏定理，在移动通信中，当2 l 取4 0 个波长，非相关采样点为 3 6 5 0 个( 采样点间隔大于o 3 8 个波长才能确保数据的非相关性) 。时，能有效 的达到“消除快衰落、保留慢衰落”的目的。因此，在传播模型的校正工作中， c w 测试必须达到李氏定理所要求的测试密度，才能使得测试数据与实际本地均 值之差最小，这也是模型校正中c w 测试的原理所在。信号的慢衰落与快衰落示 意图如图3 1 所示。 第三章传播模型校正的原理及流程 s g l m 宝 0 乱 一d i s t a n c e ( 1 - 2k m ) 一 图3 一l 信号衰落示意图 3 2 传播模型校正的流程 一个常用的传播模型校正的流程如图3 2 所示。 尤其需要说明的一点是：在模型校正中，准确而丰富的测量数据与精确的电 子地图是得到精确模型的前提保障。 本节的后续部分将会对流程中的所有过程做一个详细的分析说明。 i 数字地图检查 上 i 选择洲试站点 i l 洲试设备准备 l 发射机测试 i l 测试数据预娃珲 i 模犁校币 上 i模型输出 图3 2 传播模型校正流程 1 8 堕i ! 三些奎堂堡主堂垡笙壅 ! 竺望塑垒垂垡塑竺塑型塑堡堡堡型墼垩 3 2 1 传播模型校正的前期准备工作 3 2 1 1 环境分类与测试站点的选择 1 环境分类 通常将需要进行模型校正的环境分为四类，即密集市区、市区、郊区和乡村 ( 基于环境的复杂性，环境的分类可能有所差异) 。不同环境下电波的传播行为 是各不相同的，因此需要针对不同的环境进行模型校正，即需要对不同的环境类 别分别进行测量。 对于某一具体的环境分类，比如对于市区，商业区的建筑物分布和居住区的 建筑物分布有很大的差异，甚至同样是商业区，建筑物的特征也会有很大的差异。 基于这样的差异，在环境分类中，有必要将同一类环境再细分为不同的典型 区域，如城市的商业区，市区的住宅区、市区的工业区等。在模型校正中，需要 对这些不同的典型区域分别选点钡i 试，取得适合这类环境的传播模型。 2 测试站点的选择 1 ) 测试站点数目的确定 为了保证模型校正的精确性，测试站点的数量应该越多越好。但从工程实施 角度来看，测试站点越多，工作量也就越大。为了求得这两者之间的平衡，通常 每个模型选择3 5 个能代表典型地形地貌特征的测试站点，利用多个站点的测试 数据合并校正。 2 ) 测试站点的选择原则 测试站点必须在能够反映规划区地貌特征的区域中选择，所选择的测试点必 须能够涵盖该环境类别的主要地貌特征。 选择的测试站点一般应满足以下一些条件： 对不同的环境分类如密集市区、市区、郊区和乡村等，分别设置测试 站点； 站点周围的地形地貌应包含有规划区内大多数的地物类型，应能覆盖 足够多的地物特征，并有相当数量的道路以便能到达各种地物； 测试站点天线高度与未来网络天线挂高保持一致或接近( 3 0 5 0 m ) ： 测试站点应高于周边最近建筑物5 m ，近距离内( 1 0 0 m ) 不能有严重 遮挡； 若城市个别选用的站点天线挂高超过其他站点天线平均挂高2 0 m ，且 处于网络重要服务区的，需要单独选择1 2 个类似站点进行测试， 校f 出来的模型专门应用于这种环境。 1 9 第三章传播模型校正的原理及流程 一一 3 2 1 2 测试环境的设置 在搭建测试环境时，应注意以下几点： 尽可能选择全向天线测试以避免天线辐射图对模型校f 带来额外附加 误差； 全向天线架设于楼顶或现有铁塔上面。如果架设于楼顶，天线应该尽 量放置于楼墙壁边沿，避免楼体本身对发射信号的影响；如果架设于 铁塔上，则要求天线高出铁塔最高点l m 以上，避免铁塔本身对发射 信号影响； 天线和发射机连接跳线接头要求连接紧固，跳线中段不能有盘绕情况。 在架设模拟信号源的时候，为了确保发射机按照标称的功率发射，必 须在每一次测试前用功率计测量发射机的输出功率和天馈系统的驻 波比，确认无误后方可测试： 天线架设过程、发射机配置过程、天线最终架设位置( 包括楼面、铁 塔和楼体) 及周围的传播环境都要进行拍照记录。 3 2 1 3 测试路径确定 测试路线直接关系到测试数据的准确性，测试前要预先规划好。规划测试 路线必须考虑以下几个方面： 测试路线必须在规划的覆盖范围内，应包含网络覆盖区的主要道路， 东西向和南北向的道路都应包括； 测试路线应尽量包括所有能跑到的道路。以一般道路为主，测试最 好选择宽度不超过3 m 的狭窄公路，尽量避免选择高速公路、高架或 较宽的公路； 覆盖范围内各种距离的位置都要跑到：测试半径应尽量大，保证接 收机接收到的最小信号在一1 2 0 1 3 0 d b m 以下： 尽量避免跑到高楼阴影区；避免在同样的路线反复测试； 中速行驶，一般市区为3 0 4 0 k m h ，郊区为5 0 k m h ； 确保在某一距离上至少有4 5 个测试数锯，以消除位置影响： 基于此要求，在进行传播模型测试时，测试车应围绕测试站点从近到远或从 远到近，“8 ”字形、环形或螺旋形测试路线，以匀速运动行驶。但具体测试还要 根据实际的环境选择可行的路线。 对于超远覆盖站点的测试，由于测试距离比较远，难以按照上面的要求执行， 要求测试路线沿着需要重点覆盖区域的方向一直测试到接收信号降低到一 2 0 西北工业大学硕士学位论文 w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 1 3 0 d b m 以下才返回。 图3 3 c w 测试路径示意图 3 2 1 4 。测试设备的准备与参数设置 完整的模型校正设备包括：发射系统、接收系统、后期处理工具。 1 发射系统 信号源和r f 攻放：w c d m a 专用信号发生器，工作频段2 11 0 2 1 7 0 m h z ， 根据测试的实际环境调整发射功率，使其输出功率为1 0 4 0 w 。( 常用的工作频 率为2 1 4 0 m h z ，发射功率2 0 w 或4 3 d b m ) 。 全向天线：如d b 9 0 9 e 天线，工作频率为1 9 2 0 2 1 7 0 m h z ，增益l l d b i ，并 具有如图3 4 所示的方向图。 f h q2 0 4 5 m h 瑚t ：0h 吣：2 0 4 5 h 丑；t 心，0 图3 4 天线方向图 2 ，接收系统 一个典型的路测接收系统包括带有扫频功能的路测设备、g p s 、用于路测设 各配置及监控的笔记本电脑。 第三章传播模型校正的原理及流程 3 后处理 后处理包括了对测试数据的预处理以及对测试数据进行模型校正。 4 其他的辅助设备 其他的辅助设备还有功率计( 用于测试发射机的功率与驻波比) 、手持g p s 定位仪( 用于对测试站点的定位) 、电源线、路测车辆和电源逆变器等。 3 2 1 5 数字地图验证 数字化地图包含了传播环境中的高度信息、地貌信息，以及道路河流等信息。 模型校正需要借助数字化地图来模拟电波的传播环境。 在模型校正中对数字地图的要求包括： 地球坐标系( 建议采用w g s - - 8 4 ) ； 椭球体投影方式( 建议采用u t m ) ； 地球精度越高越好，但考虑到精度与成本的均衡，常用的地图精度 为地区环境2 0 m ，郊区和乡村环境5 0 m ； 更新日期( 距离规划日期一年内) 。 在模型校正之前，需要对数字地图进行检查和验证。同时还要通过对该城 市实际环境的勘测来修正数字地图中对地物类型的定义，以确保校正模型中地 物损耗的合理性。 由于本次模型校正是和某省设计院合作进行，数字电图都是由设计院提供， 因此对于数字地图，我们不需要对数字地图进行检查和验证。 3 2 2 传播模型校正 3 2 2 1 数据采集 在进行数据采集时，我们需要有专门的软件对c w 数据进行采集。在数据 采集时在纵向和横向街道的采样点数应该尽量相当，尽量减小街道效应的影响， 同时测试时测试区域内的每种地物类型都应采集到足够多的数据，以便对每种地 物类型的损耗偏移量进行校j 下。 3 2 2 2 传播模型校正结果的判断准则 传播模型校正的目的是使用真实的测量数据为传播模型中的每个参数找到 最优化的线性回归。模型校正目标的统计定义如下。 堕j ! 三些奎堂婴士学位论文 w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 平均误差：模型预测值与测量值之差的算术平均值，以d b 表示。 模型标准偏差： x = 勘一e m ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) x = 模型预测值( 皇p ) 与r f 测量值( e 埘) 的差，以d b 表示。 n = 模型校正测量的样本数。 常用的模型校正结果的判断准则包括： 信号覆盖预测值与路测数据统计平均误差( m e a ne r r o r ) l d b ( 常 用典型值为l 2 d b ) ； 信号覆盖预测值与路测数据的标准方差 6 ：1s w r ) a n dt e m p e r a t u r e p r o t e c t e d t r a i n i n gr a n g e 2 1 1 0 2 0 2 1 6 9 8 0 m h z t u n n i n gi n c r e m e n t s 5 0 1 2 0 0k h zs t e p sv i ak e y p a do rr o t a r yc o m r o l s t a b i l i t y + 2 0 p p m f r o m0d e g t o5 0d e g c 第四章测试数据及分析计算 t y p eo f m o d u l a t i o ng m s ki n t e m a ld a t am o d u l a t o r d a t ar a t e 2 7 0 ，8 3 3s y m b o l s s e c o n d b a s e b a n df i r e r g a u s s ，bx t = 0 3 r e m o t ec o n t r o lt h r e ew a y s ，m o d e m ，d t m fo rr s 一2 3 2 一cv i ar e a r p a n e l d i s p l a yg r a p h i c2 4 0 x6 4e lb a c k l i g h t e d p o w e ri n p u t 1 1 0 ，2 2 0 v a c ，5 0 6 0 h zo r 2 3 2 7 v d ca t 6 a m p s 图4 3 g a t o r 选用的g p s 设备为世晁通用的一个基于n m e a 0 1 8 3 协议的手持式g p s ，如 图4 4 所示。 图4 4 手持式g p s 3 0 西北t 业大学硕士学位论文w c d m a 无线网络规划中的传播模型校正 4 1 2 本次模型校正理论基础 本次模型校正采用的是2 呈上节中的s p m 传播模型，即 l = + k l ；+ k 21 0 kl o g ( d ) 8 x 鬣黑k 舞：k 麓f ( c 酣l u 泐t t e r 础) 件， + 5l o g ( h m 厅) +6 ( h 脚口) + 尽管模型校正的最终日的是将标准方差调整到最小，而同时将平均误差调为 0 ，以产生一套适合某种城市地貌的参数体系，但是对于这样的一套参数，由于 他们都有具体的物理含义，因此不能够将所有参数的值调整的偏离了基本的范 围，因此，在我们使用s p m 传播模型进行模型校正之前，有必要首先了解各个 参数的大致范围。 a 作为一个线性调整的参数，它的主要目的是使得平均误差为0 。 足z 参数作为与距离有关的参数而言，在自由空间，k z22 0 d b d e c a d e ，对 于城市，则k s 通常为3 0 5 0 d b d e c a d e 。当基站远离城市时，通常可以增加kz 。 a ：的值对基站周围的环境有一定的反映。如果当前基站出于城市中，并且它的 高度与周围建筑物相比不是很高的情况下，