无线通信网络基站覆盖分析与基站选址设计（原版论文） .pdf

单位代码 咝塑 密级 雳盖葬乏学院 工程硕士研究生学位论文 论文题目 垂垡望堡旦鳌茎塑垂董坌堑 与基站选址设计 研究生三呈曼 指导教师查鎏鎏壑堡旦堕壹三 学科专业皇王兰望堡三堡 弭穷音南移动通信与无线技术 研究方向竺型苎堕皇至塑坚至 申请学位级别 硕士 二oo 五年四月 南京i i i l i i 乜学院t 程顺i j j 究生学位论文摘要 摘要 目前移动通信网络规模已经非常庞大 但每年仍然有大量的资金投入到网络建设中 去 这其中一个原因是由于网络容量受限 另一个主要的原因就是覆盖问题不断地出现 需要不停地优化建设 从覆盖问题产生的原因来看是多种多样的 有的因为站址规划不合 理 有的因为传播环境恶劣 有的因为设备老化 有的因为网络参数设置不合理 从覆盖 问题的表现形式来看 有的因为接受信号电平弱 有的因为干扰 所以本论文对覆盖问题 进行深入的研究 了解其产生原因并提出解决方案 对实际的网络规划和优化工作有着实 际意义 本论文详细阐述了无线传播原理后 介绍了目前常用的传播模型 特别对 0 k u m u r a h a t a 模型 c o s t 一2 3 1h a t a 模型和k 系数模型作了详细的分析 在对模型的研究 基础之上 论述了影响无线网络覆盖的各种参数 包括传播环境中的参数 网络建设的参 数和设备本身的参数 并介绍了本论文中使用的网络规划软件 p l a n e t 本论文针对目前g s m 网络中的存在的一些覆盖问题进行了详细的分类分析 包括了室 内外的覆盖问题 干扰问题 特殊环境下的覆盖问题 工程中产生的覆盖问题以及设备本 身的问题对覆盖的影响等等 在提出问题的同时 还给出了各类问题对应的解决方案 考 虑到基站选址对网络覆盖的重要性 专门对基站选址设计的技术性进行了深入的论述 并 借助相应的工具一p l a n e t 软件来验证各因素的影响程度 本论文还结合目前准备建设 3 的现状 分析了3 g 基站与2 g 共址对2 g 网络覆盖造成的干扰问题 并提出应对之策 本论文的研究做到了理论结合实际 通过专业的覆盖预测工具来定性 定量地分析 各要素对覆盖范围的影响 并用直观的图形将其展示出来 分析中主要采用对照法 用 p l a n e t 软件将关键因素变化前后对覆盖的影响作对比 从而论述了基站选址工作对覆盖性 能的影响 本论文通过研究 认证了双频网交叉覆盖的效果 对网络建设提供了一种新的 思路 同时通过对基站选址的合理性 科学性研究 降低了基站频繁搬迁的机率 降l e t 扩容改造的成本 起到了很好的经济和社会效益 关键词 移动通信网络优化传播模型覆盖预测基站选址 塑塞些坐兰堕王堡塑 型 塑生主垡堡兰一i 童 a b s t r a c t n o w a d a y s t h e r ea l r e a d ye x i s t sad r a m a t i c a l l yh u g ew i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k h o w e v e r w es t i l lh a v et op a ym u c hf o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h en e t w o r ka n n u a l l y o n er e a s o nf o r t h a ti st h el i m i t e dc a p a c i t yo ft h en e t w o r k b u tt h ep r i m a r yf a c t o ri st h ep r o b l e mo ft h en e t w o r k s c o v e r a g ew h i c hr e q u i r e st ob es o l v e db yc e a s e l e s so p t i m i z a t i o n t h ec a u s e so ft h ep r o b l e ma r e v a r i o u s s u c ha st h ei r r a t i o n a l i t yo ft h el a y o u to ft h eb a s es t a t i o n s t h ea t r o c i o u sp r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n t t h et i m e w o r ne q u i p m e n ta n d t h ei r r a t i o n a ls e t t i n go f t h en e t w o r k sp a r a m e t e r s e t c i tr e f l e c t so nt h ew e a kr e c e i v e ds i g n a la n dt h ei n t e r f e r e n c e t h e r e f o r e t h i sp a p e rm a k e sa n i n d e p t hs t u d y o nt h ep r o b l e mo fc o v e r a g e a n a l y z i n gt h e c a u s e sa n d p r o v i d i n g t h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o nw h i c hm a yh a v ee f f e c to nt h ep r a c t i c a lp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o no ft h e n e t w o r k t h i sp a p e re x p a t i a t e st h et h e o r yo fw i r e l e s sp r o p a g a t i o na n di n t r o d u c e ss o m et y p i c a l p r o p a g a t i o nm o d e l s p a r t i c u l a r l ya n a l y z i n gt h eo k u m u r a h a t a m o d e l c o s t 一2 3ih a t am o d e la n d t h ec o e f f i c i e n to fk b a s e do nt h es t u d yo ft h e s em o d e l s s o m ek i n d so fp a r a m e t e r sw h i c ha f f e c t t h ec o v e r a g eo ft h ew i r e l e s sn e t w o r ka r ed i s c u s s e d i n c l u d i n gt h ep a r a n l e t e r so ft h ep r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n t t h ec o n s t r u c t i o no f t h en e t w o r ka n dt h ee q u i p m e n t st h e m s e l v e s t h e nt h es o f t w a r e o ft h en e t w o r kp l a n n i n gu s e dh e r en a m e dp l a n e ti sp r e s e n t e d t h i sp a p e rm a i n l ya i m sa ts e v e r a lc l a s s i f i e dc o v e r a g ep r o b l e m so ft h ee x i s t i n gg s m n e t w o r k i n c l u d i n gt h e i n d o o ra n do u t d o o rc o v e r a g e t h ei n t e r f e r e n c e t h ec o v e r a g ei ns p e c i a l e n v i r o n m e n t t h ec o v e r a g ep r o b l e mw h i c hi sb r o u g h ti ne n g i n e e r i n ga n dt h ei m p a c to nc o v e r a g e c a u s e db yt h ee q u i p m e n t s e t c m e a n w h i l e t h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r ep r o v i d e da sw e l l c o n s i d e r i n g t h e i m p o r t a n c e o ft h eo r i e n t a t i o no ft h eb a s es t a t i o n s f u r t h e rd i s c u s s i o ni s p a r t i c u l a r l ym a d eo ni t u s i n gt h er e l e v a n ts o f t w a r e 一p l a n e t t h ed e g r e eo fi m p a c to nt h e c o v e r a g eo f e a c h f a c t o ri sv a l i d a t e d r e c e n tt r e n d si n d i c a t e t h a tg s mn e t w o r ka n dt h e t h i r d g e n e r a t i o n 3 g n e t w o r kw i l lc o e x i s tt oo f f e rs e r v i c et oe n du s e r s t h i sp a p e ra l s og i v e s t h ea n a l y s i so ft h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h e s et w on e t w o r k sw h e nt h eb a s es t a t i o n sw h i c hb e l o n g t od i f f e r e n tn e t w o r ka r eo nt h es a m el o c a t i o n e s p e c i a l l yt h ei m p a c to ft h ei n t e r f e r e n c eo ng s m n e t w o r k d e f i n i t e l y t h es o l u t i o ni sp r o p o s e d a sw e l l a l lt h es t u d yo ft h i sp a p e ra r eb a s e do np r a c t i c ea n dt h ep a r t i c u l a rs o f t w a r eo fc o v e r a g e 南京邮电学院t 程硕i 研究生学位论文 摘要 p r e d i c t i o n a n dt h ei m p a c to nt h er a n g eo fc o v e r a g eo f e a c hf a c t o ri ss h o w nd i r e c t l yb ys e v e r a l f i g u r e s w ea d o p tp l a n e t t oc o m p a r et h ei m p a c to nt h ec o v e r a g ew i t ht h ei m p a c tw h e nt h e k e yf a c t o rc h a n g e s t h e r e f o r e w ed i s c u s st h a tt h eo r i e n t a t i o no ft h eb a s es t a t i o n sh a sg r e a t i m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fc o v e r a g e a c c o r d i n gt o t h e s t u d yh e r e t h ee f f e c to ft h e c r o s s c o v e r a g eo ft h en e t w o r kw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c i e si sv a l i d a t e d w h i c hp r o v i d e sab r a n d n e wt h o u g h tf o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h en e t w o r k t h r o u g ht h es t u d yo nt h er a t i o n a l i t ya n dt h e s c i e n t i f i c i t yo ft h eo r i e n t a t i o no ft h eb a s es t a t i o n s t h ep r o b a b i l i t yo ft h ef r e q u e n tm o v eo ft h e b a s es t a t i o n sa n dt h ec o s to ft h ee x p a n s i o na n dt h ea l t e r a t i o no ft h en e t w o r kw i l lb ed e c r e a s e d d r a m a t i c a l l y w h i c hw i l lm a k eg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t k e yw o r d s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ko p t i m i z a t i o n p r o p a g a t i o nm o d e l c o v e r a g ep r e d i c t i o n t h eo r i e n t a t i o no f t h eb a s es t a t i o n 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的 地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意 研究生签名 日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其 他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权 南京邮电学院研究生部办理 研究生签名 导师签名 日期 南京邮电学院t 程硕f 6 j f 究生学位论文第一章绪论 1 1 选题背景和研究意义 第一章绪论 我国目前的移动网络已经经历了十多年的建设 截至到2 0 0 3 年底 全国移动通信用 户数己经达到3 1 6 3 亿 网络规模巨大 基站总数约2 0 万个 网络覆盖情况总体上良好 在我国东南沿海省份 基站已经建设到行政村一级 基本达到全覆盖 面积覆盖率基本已 经达到9 5 以上 但随着社会经济发展 人们对通信质量的期望值在逐步提高 原来无需覆盖的区域也 有了新的通信要求 随着城市和乡镇规模的不断扩大 总是不断会有新的覆盖问题出现 需要我们去发现和解决 所以现在讨论和研究基站的覆盖问题 是非常具有现实意义的 对现有网络的进一步建设和优化可以起到参考作用 而且我国正在考虑部署3 g 网络 现 有网络的覆盖情况是3 g 网络建设的一个重要参考依据 而且现有网络出现过的覆盖问题 也同样值得3 g 网络运营商的关注 因此 现在研究基站的覆盖对后续的2 g 和3 g 网络的 建设均有着较强的指导作用 1 2 研究内容与研究方法 本论文主要阐述了无线传播原理 介绍了目前常用的传播模型 论述了影响无线网络 覆盖的各种参数 并借助相应的工具 p l a n e t 软件来验证各因素的影响程度 在介绍了 理论基础之后 分析目前g s m 网络中的存在的一些覆盖问题 如 覆盖盲区问题 室内覆 盖问题 隧道覆盖问题 越区覆盖问题等 并做了详细的分析 提出相应的解决方案 从 实际工作中 本人体会到网络的良好覆盖离不丌科学 合理的基站选址设计 所以在覆盖 分析的基础之上 总结了以往在江苏移动g s m 网络基站选址设计工作的经验 对基站选址 设计的技术性进行了深入的论述 并结合目前准备建设3 g 的现状 分析了3 g 选址设计中 与2 g 基站共址的干扰问题 并提出应对之策 本文的研究做到了理论结合实际 从理论的分析到实际的现网情况 通过专业的覆盖 预测工具来定性 定量地分析各要素对覆盖范围的影响 并用直观的图形将其展示出来 分析中主要采用对照法 用p l a n e t 软件将关键因素变化前后对覆盖的影响作对比 从而 得出结论 南京邮电学院t 程倾f 研究生学位论文第二章无线传播原理和纂站覆盖预测基本方法 第二章无线传播原理和基站覆盖预测基本方法 2 1 无线传播基本原理 在规划和建设一个移动通信网络时 从频段的确定 频率的分配 无线电波的覆盖范 计算通信概率及系统间的干扰 直到最终确定无线设备的参数 都必须依靠对电波传 特性的研究和据此进行的场强预测 它是进行网络规划 工程设计与研究频谱利用 电 兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论 无线传播方式和传播环境 无线电通信就是利用电磁波振荡在空中传递信号 天线就是波源 电磁波中的电磁场 随着时间而变化 从而把辐射的能量传播至远方 无线电波从发射方传播到接收方 根据 电波波长和频率特性 可以选择多种不同的传播方式和途径 包括直达波 即自由空间波 地波 对流层反射波 电离层波等 发射机与接受机之间最简单的传播方式就是自由空问传播 在自由空间传播中 介质 是各向同性而且均匀的 卫星通信 空间通信和陆上视距通信都是自由空间传播 这时电 波由直射波和地面反射波组成相干传播 因此接收点的场强为二者之和 但在某些特殊情 况下 通过一系列的绕射 折射 散射或反射 其传播距离大大超过视距 电波传播环境的研究主要针对以下三个问题 1 某个特定频段和某种特点环境中 电波传播和接收信号的物理机制是什么 2 从发射机到接收机 信号功率的路径损耗是多少 该路径损耗预测对系统的规 划设计具有指导意义 3 接受信号的幅度 相位 多径分量到达的时削和功率是如何分配的 其概率分 布统计特性如何 一旦确定了信号衰落统计特性 就可以采取相应的抗衰落技术 在研究移动通信覆盖时 电波传播环境的特性有着重要的意义 它将导致两个主要的 应用成果 1 建立传播预测模型 根据理论分析或测量数据的统一分析 可以建立各种类型 的传播预测模型 在给定频率 距离 收发信天线高度和环境特性等参数时 可以预测出 传播路径损耗 该结果在移动通信中的规划和设计中有重要的影响 2 围播磁 k 曼塞堕皇兰堕三堡堡主婴塑竺兰些堡兰苎三兰歪垡堡堡堕堡塑苎些堡差垄塑苎查立鲨 2 为实现软件仿真提供基础 根据对传播特性的理论研究结果 测量数据统计分 析结果 可用硬件或软件实现电波的传播过程和传播特性的仿真 这样可以进行无线传播 的实验 更有效地进行各种抗衰落技术等无线传输技术的研究与开发 在对无线电波传播环境进行研究的过程中 基本研究方法有 1 理论分析方法 即用电磁波传播理论预测路径损耗 可采用射线跟踪法 即用 射线表示电磁波束的传播 在确定收发天线位置及周围建筑物等环境特征后 根据反射 绕射 散射等现象直接寻找出可能的主要传播路线 并计算出路径损耗及其他反映信道特 性的参数 在分析中 往往忽略次要因素 突出主要因素 以建立简化的信道传输模型 2 现场实测方法 即在各种典型传播环境中进行发射和接收的实验 现场记录下 接收信号的各种数据 实测后 用计算机对大量数据进行统计分析 寻找出反映传输特性 的各种参数的统计特性 在根据数据分析的结果 建立传播信道的统计模型来进行传播预 测 理论分析方法是应用电磁传播的理论来建立预测模型 因而更有普遍性 其预测准确 程度取决于对预测区域内传播环境的描述详细程度 在微小区环境中 由于基站覆盖区域 小于i k m 因而其传播环境具有特定性 即能够准确知道楼的位置 高度 街道的走向和 室内房屋结构等环境参数 相比之下 由于宏小区环境中的多样性和实测数据的环境依赖 性 在宏小区中较难建立具有一定普遍性的理论分析方法 现场实测方法对环境的依赖性较大 对测试设备的要求高 同时测试工作量较大 但 由于该方法建立的预测模型是对大量实测数据的统计分析中归纳出来的 因而在相似的传 播环境中 其预测值和实际值较为一致 另外 对于覆盖区域较大的小区而言 每个基站 覆盖区域的地域广 地形地物复杂 很难用理论方法建立预测模型 相比之下 用现场实 测和大量数据的分析 则能够建立较好的统计模型 理论分析和实测统计不实独立的 而是相互联系 互为补充的 理论预测模型的正确 性多用实测数掘来证实 而现场实测的规划 数据统计和实测结果分析则是在理论指导下 进行的 2 无线传播中的衰落 一个典型的蜂窝移动通信环境中 由于个人手机相对于地面高度较低 接收机与发射 机之间的直达路径往往被建筑物或其他物体所阻碍 不构成直视条件 所以在蜂窝基站与 移动台之间的通信不仅仅是通过直达路径 而是通过许多其他路径完成的 在该频段 从 堕塞业皇兰堕三堡堡主竺塞兰兰竺堕兰蔓三垦垄垡堡塑堕型塑董苎翌苎堡型兰查查鲨 发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射 即从建筑物平面反射或从人工 自然物 体折射 直达波 绕射波 各种反射折射波的信号分量合成就是接收方收到的信号 其信 号强度根据各分量的的相对变化而增加或减少 这种大量传播路径的存在就产生了移动通 信环境中普遍存在的多径现象 其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变 化 研究表明 如果移动单元所收到的各个波分量的振幅相位和角度是随机的 那么合成 信号的方位角和幅度的概率密度函数分别为 1 p o 2 寺o 口 2 玎 一三 p 2 7 r o 其中 r 为标准偏差 上式表明方位角服从o 2 万内的均匀分布 而电场强度概率密 度函数服从瑞利分布 故多径衰弱也称瑞利衰落 对于这种衰落 基站侧采取的措旌就是 分集接收 有时阃分集 频率分集 空间分集 极化分集 等多种方式 通过合并各路相 关性很小的分集支路信号 便可以在接收端上大大降低深衰落的概率 在移动信道中 大量统计测试结果表明 移动台接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰 落外 其局部场强中值还随着地区位置 时间改变以及移动台速度出现比较平缓的变化 其衰弱周期以秒级记 称为慢衰落 它是由阴影效应引起的 所以也称作阴影衰落 电波 传播路径上遇有高大建筑物树林地形起伏等障碍物的阻挡 就会产生电磁场的阴影 当移 动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时 就会使接收场强中值的变化 变化的大 小取决于障碍物的状况和工作频率 变化速率不仅和障碍物有关而且与移动台运动速度有 关 研究这种 慢衰落的规律 发现其中值变动服从对数诈态分布 另外 由于气象条件随 对问变化 大气介电常数的垂直梯度发生慢变化 使电波的折射系数随之变化 结果造成 同一地点的场强中值随时间的慢变化 统计结果表明此中值变化也服从对数正态分布 由 于信号中值变动在较大范围内随地点和时间的分布均服从对数正态分布 所以它们的合成 分布仍服从对数 f 态分布 在陆地移动通信中 通常信号中值随时问的变动远小于随地点 的变动 因此可以忽略时间慢衰落的影响 但是在定点通信中需要考虑该慢衰落的影响 3 无线传播路径损耗 无线传播过程中 由于传播路径和地形干扰等因素 接收方收到的信号强度会小于源 信号强度 这种减小称为传播损耗 4 塑塞塑皇兰堕三堡婴主竺塑生兰堡丝兰墨三垩垂望堡堡堕堡塑墨苎型苎鎏型堇查查鲨 传播损耗最简单的情形就是两个天线在自由空间 各向同性 无吸收 电导率为零的 均匀介质 条件下的特性 以增益为g t 的定向天线为例 若发射天线的辐射功率为辟 则距辐射源d 米处单位面积上的电波功率密度s 为 s 等 接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积a r 即 b s 以 订p r g r 厶 而 与接收天线增益g 一及电波波长有关 满足以下关系式 爿一 篆g 一 从而得到接收天线获取的电波功率为 b p r g 南 2 故自由空间传播损耗气可定义为 以d b 计 g p 毒 3 2 4 4 2 0 l g d 2 0 1 9 厂 式中 d 的单位为k m 频率单位以g h z 计 由上式可见 自由空间中电波传播损耗只与工作频率f 和传播距离d 有关 当f 或d 增加一倍时 损耗将增加6 d b 在实际移动通信中 电波传播损耗计算要比上面的计算复杂的多 首先 电波在低层 大气中传播 出于低层大气并不是均匀介质 其温度 湿度以及气压均随时间和空间而变 化 因此会产生折射及吸收现象 它将直接影响视线传播的极限距离 其次 由于移动台 手机的天线高度很低 电波的直射路径上存在各种障碍物 由此引发的附加传播损耗称为 绕射损耗 再次 电波传播时在障碍物表面还会出现反射波 直射波和反射波的合成场强 将随反射系数及路径差的变化而变化 造成衰落现象 对于复杂环境下电波传播损耗的计 算 就需要以一定的无线覆盖模型公式加以推导 2 2 无线覆盖预测模型 由无线传播理论得知 当移动台和基站的距离逐渐增加时 所收到的信号呈平方级地 5 南京邮电学院丁程颤l 研究生学位论空第二章无线传捕原理和基站覆盖预测基本方法 减弱 但根据载频频率 传播速度 地形地貌的不同 路径损耗也有所改变 可采用多种 传播模型来进行预测 模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的 所以传播环境对无线传播模型的建立 起关键作用 确定某一特定地区的传播环境的主要因素有 1 自然地形高山丘陵平原水域等 2 人工建筑的数量高度分布和材料特性 3 该地区的植被特征 4 天气状况 5 自然和人为的电磁噪声状况 另外 无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响 在相同地区 工 作频率不同 接收信号衰落状况各异 传播模型一般分为三类 经验模型 半经验半确定模型和确定模型 经验模型时有大量测量数据的统计分析导出的公式 该方法简单 且不需要详细的环 境信息 利用起来迅速而方便 其缺点是精度不高 确定性模型是基于电磁理论直接用于特定环境的求解 该特定环境的描述是由建筑物 和地形数据库来完成的 对确定模型 环境描述的精度直接影响到模型的精度 目前常用 的确定模型是射线跟踪模型 半经验半确定模型先从确定性模型导出的公式入手 从实验上对模型进行校正 这类 模型比经验模型要求更详细的环境信息 但又少于确定性模型所要求的环境信息 从模型 的表达式看 半经验半确定模型类似于经验模型 得到了较广泛的应用 以下介绍几种常用的模型 1 o k u m u r a h a t a 模型 o k u m u r a 模型出在同本测得的大量测量数据统计出的以曲线图表示的传播模型 适用 于1 5 0 至1 5 0 0 m h z 频段的电波传播 该模型是预测城市信号时最常使用的模型 它以准平 滑地形大城市市区的中值场强或路径损耗作为参考 对其他传播环境和地形条件等因素分 别以校 f 因子的形式加以修 f 由于o k u m u r a 模型是一系列经验曲线 实际使用时不方便 于是h a t a 将其改进并经 拟合得到相应的公式 由此产生了o k u m u r a h a t a 模型 o k u m u r a h a t a 模型的准确性经大 量试验数据验证已获得认可 并在此基础上得到了进一步的修改和完善 2 0 世纪8 0 年代 宴室堂皇堂堕三堡堡主堕壅生兰垡笙兰墨三童墨些堡堡堕墨塑墨塑翌苎塑型苎查互堡 后期 c c i r 推荐使用此模型作为移动通信场强预测模型 o k u m u r a h a t a 模型市区的路径损耗中值可以用下面的近似解析式表示 l p 市区 6 9 5 5 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 h 6 一a h 4 4 9 6 5 5 l g h b 1 9 d 式中 魄 分别为基站 m s 天线的有效高度 单位为m d 是基站与m s 之闯的距 离 单位为k m f 为中心频率 o 位 jm h z a k 为m s 天线高度增益修正因子 j 1 1 l g f o 7 k 一 1 5 6 1 9 f o 8 中小城市 砌护 曩裂蒜 焉 锚淼豢 10 k 1 5 m 在农村和郊区 o k u m u r a h a t a 经验公式需要修正为 l p 郊区 l p 市区 一2 1 9 f 2 8 2 5 4 工p 农村 工p 市区 一4 7 8 1 9 f 2 1 8 3 3 1 9 f 4 0 9 4 在覆盖距离超过i k m 的情况下 o k u m u r a h a t a 模型和o k u m u r a 曲线所得到结果很接近 o k u m u r a h a t a 模型使用于覆盖半径较大的基站系统 一般覆盖距离大于1 k m 该模型的适用范围为 f 1 5 0 1 5 0 0 m h z h b 3 0 2 0 0 m h l l o m d 1 2 0 k m 2 c o s t 一2 3 1h a t a 模型 在不少城市的高密度区 经过小区分裂后 站距已经缩小到3 0 0 5 0 0 米 此时运用 o k u m u r a h a t a 模型会出现预测值偏差较大的问题 因此 e u f f o c o s t 欧洲科学和技术研 究协会 组成了c o s t 一2 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 一2 3 1 h a t a 模型 c o s t 一2 3 1h a t a 模型路径损耗的计算公式为 l p 市区 4 6 3 3 3 9 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 h b 一日 晰 4 4 9 6 5 5 l g h k x l g d c u 式中 c 为大城市中心校正因子 在中等城市和郊区 c o d b 在市中心 c 3 d b 7 南京邮电学院工程硕士研究生学位论文 第二章无线传播原理和基站覆盖预测基本方法 c o s t 2 3 1 一h a t a 模型和0 k u m u r a h a t a 模型的主要区别在于频率衰减系数不同 c o s t 2 3 1 一h a t a 模型的衰减系数为3 3 9 而0 k u m u r a h a t a 模型的频率衰减系数为2 6 1 6 另外 c o s t 一2 3 1h a t a 还增加了一个大城市中心衰减因子c m 该模型的适用范围为 f 1 5 0 0 2 0 0 0 m h z h 3 0 2 0 0 m h l l o m d 1 2 0 k m 3 k 系数模型 在实际无线传播环境中 无线覆盖预测还应考虑各种地物地貌的影响 针对到这一点 需对传播模型进行一些改进 考虑现实环境中各种地物地貌对电波传播的影响 从而更好 的保证覆盖预测结果的准确性 一般无线网络规划软件常用的模型是用一系列k 系数来表 示 如下 l k i k 2l g d k 3 k 4 l g h m 十k 5l g h f f k 6 l g h 町 l g d 丘坜 f 柚甜 式中 k i 是与频率有关的常数 市区中 k l 26 9 5 5 2 6 1 6 1 9 g g5 9 0 0 1 8 0 0 郊区中 k i 6 9 5 5 2 6 1 6 1 9 f 一2 l g c 2 8 2 5 4 c 9 0 0 1 8 0 0 开阔地带 k l 兰6 9 5 5 2 6 1 6 1 9 f 一4 7 8 j i g f 2 1 8 3 3 1 9 f 一4 0 9 4 c 9 0 0 1 8 0 0 k 2 是距离衰减常数 n k 是移动台天线高度修正系数 缸 k s 是基站天线高度修正系数 k 是绕射修正系数 岸m 一是地物衰减修正系数 该系数在预测中体现为 预测点的c l u t t e r 类型是什么 r 南京邮电学院t 程硕 研究生学位论文 第二章无线传播原理和基站覆盖预测基本方法 该点的场强就根据这个c l u t t e r 来修正 与传播路径上的c l u t t e r 类型无关 而传播路径 上的一切损耗都体现在中值损耗中 d 是基站和移动台m s 之间的距离 以k m 计 t 肌 酊分别是移动台天线和基站天线的有效高度 以m 计 在分析不同地区不同城市的电波传播时 各项k 值会因地形地貌的不同以及城市环境 的不同而选取不同的值 从而计算出不同地形地貌及环境下传播损耗的中值 但是 由于 环境的复杂性 适当的修正是必不可少的 当蜂窝移动通信系统用于室内时要考虑建筑损 耗 建筑损耗是一个很复杂的变量 它涉及到墙壁结构 楼层高度 建筑物走向 窗户区 域比重等参数 只能在周围环境的基础上统计预测 但总的来说 有以下的一些结论 1 位于市区的建筑平均穿透损耗大于郊区和农村 2 有窗户区域的损耗一般小于没有窗户区域的损耗 3 建筑物内开阔地的损耗小于有走廊的墙壁区域损耗 4 在天花板和内部墙壁都加隅离的建筑物产生的衰减大 在g s m 移动通信系统中 有9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 两个频段 频段的不同导致不同的传 输特性 由于室内电波分量一般以绕射信号分量为主 而波长越长 绕射损耗越小 所以 1 8 0 0 b n z 的室内外信号电平差距一般大于9 0 0 m h z 的室内外信号电平差距 k 系数在实际的规划和设计工作中使用的较多 因此以下内容提及传播模型时主要指 k 系数模型 目前绝大部分的3 g 网络规划工作中都使用k 系数模型 4 传播模型校正 传播模型的研究可分为两类 一类是基于无线电传播理论的理论分析方法 一类是建 立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法 根据慢衰落变化规律 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 定波长范 围内取平均 就可得到均值包络 模型校正的原理就是通过c w 测试束获取特定长度上的 本地均值 利用这些本地均值对该区域的传播模型进行校正 根据随机理论 利用随机过程的理论分析移动通信的传播 可表示为 r x m x r 0 x 其中 x 为距离 r x 为接收信号 r 0 x 为瑞利衰落 m x 为本地均值 也就是长 期衰落和空间传播损耗的合成 可以表示为 9 南京邮电学院工程硕士研究生学位论文第二章无线传播原理和基站覆盖预测基本方法 脚 对2 麦 渺 其中2 l 为平均采样区间长度 也叫本征长度 因为地形地物在一段时闻内基本固定 所以对于某一确定的基站 在某一确定地点的 本地均值是确定的 该本地均值就是c w 测试期望测得的数据 它也是与传播模型预测值 最逼近的值 c w 测试 要求尽可能获取在某一地区各点地理位置的本地均值 即r x 与m x 之差 尽可能小 因此要获取本地均值必须去除瑞利衰落的影响 对于一组测量信号数据r x 平均时 若本征长度2 l 太短 则仍有瑞利衰落的影响存在 若2 l 太长 则会把正态衰落 也平均掉 因此 根据李建业理论 测试采样要求在4 0 个波长的距离内 要有3 6 5 0 个 采样点 因此我们根据s c a n n e r 的采样频率 设计测试车速为4 0 公里 模型校 f 的简要流程包括数字地图地貌验证 选择测试点 制定测试计划和分析数据 勘测站点和传播测量的流程包括 a 选择备选测试站址 b 确定站点传播测量方案 c 确定行车路线 d 确定测试仪器的输出正常 设定正确参数 e 确定站点发射机正常 设定正常参数 f 安装接收设备 g 接收发射机的输出 h 数据分析 其中测试路线的选择会直接影响到模型校正的质量和准确度 因此 测试路线应尽可 能多的包括所在区域内的c l u t t e r 种类 每一种c l u t t e r 的测量点尽可能多 相对于测试 点 街道的横向 纵向路程基本要一致 测试路线尽量不要重复 另外 测试期间 天气 情况要大体一致 本次规划采用的p l a n e t 软件采用k 系数模型的k 1 至k 7 参数由具体的传播环境决定 k c l u t t e r 是由不同地物决定的修正系数 不同的地物决定了不同的k c l u t t e r 这些k 参 数是通过c w 测试的数据逐步拟合出来的 获得c w 测试数据后 可以通过k 参数试验法和 最小方差法两种途径得到 在标准模型的众多k 参数中 每个k 参数对模型的影响程度是不一样的 从对模型的 分析可知 k 1 k c l u t t e r 是常量 与传播距离 天线高度等因素无关 k 3 k 4 为移动台 1 0 堕塞塑皇兰堕王堡堡主塑塞兰兰竺丝塞 兰三皇墨垡笪堡堕堡塑苎苎矍苎堡型薹查立鲨 的高度修正因子 由于移动台的高度变化不大 可定为1 5 米左右 因此 k 3 k 4 最终 可以归结为最后阶段的微量调整 k 2 k 5 k 6 的调整要视具体的测试数据和测试路径而 定 2 3 影响无线覆盖规划设计的重要参数 在上文的内容中我们可以得知 除了直接与路径损耗相关的频率 距离 天线高度外 还有其他的很多因素都在影响着覆盖效果 因此在进行覆盖预测分析时 还必须要注意以 下几个参数的影响 1 地形地貌 我们必须知道要覆盖的区域是什么地形地貌 究竟是山地 丘陵地区 还是平原 开 阔地带 究竟是城市市区 县城 还是郊区 农村地方 对于不同的地形地貌 预测公式 会有相应的修正和调整 在奥村模型经验公式中 分别就市区 郊区和农村的不同情况有 各自的计算方式 而在k 系数模型公式中 对地形地貌参数的考虑直接反映到k 系数的选 取上 k 参数的选取依市区 郊区和开阔地的不同有不同的修正 而地物衰减修正系数 c l u l w 则直接和地物类型相关 下表为本次研究所采用的某城市市区经过校正的传播模型 的k 值以及一些c l u t t e r 衰减值 某城市 k lk 2k 3k 4k 5 k 6k 7k c l u t t e r 一般市区 1 6 0 4 54 7 1 5一2 8 80 0 0一1 3 8 2 6 5 5o o o2 0 0 2 基站天线高度 类型 下倾和方向角等参数 移动通信是在距地表一定高度区域内进行的 考虑其中最简单的情形 如果不考虑收 发端天线增益 平坦地面传播的路径损耗为 l 2 0 1 9 h 2 0 1 9 h 一4 0 1 9 d 式中 h c 是基站天线的高度 h m 是移动台的天线高度 可以看到 增加天线高度一 倍 可以补偿6 d b 的损耗 在预测模型中 天线高度对电波传输过程中损耗的影响较复杂 一些 但也是以一定的对应关系 随着天线高度的增加 损耗量相应减小 不同类型的天线的参数不同 其覆盖效果也大不相同 天线增益越大 则发射出去的 南京邮电学院工程硕士研究生学位论文第二章无线传播原理和基站覆盖预测基本方法 功率越强 传播中所能忍受的衰耗也就越大 这样 覆盖范围也就越远 天线主瓣宽度越 大 则覆盖的广度就越大 但同时齐覆盖深度必然就越小 天线方向角的设置对覆盖有着非常大的影响 天线的方向角即天线的主瓣方向 是电 磁波能量辐射最强的方向 我们一般将主瓣方向对准需要覆盖的范围 以达到最好的效果 同时要注意的是两个主瓣方向之间的信号一般相对较弱 避免将其对准话务量高发地区 天线的下倾角主要是指通过机械或电子的方式将天线的主瓣方向由水平方向调整向 下 以便于更好的覆盖 可以通过覆盖区距离基站的距离和天线的高度来计算合适的下倾 角 但需要注意的是天线的机械下倾角过大时会导致天线方向图的严重变形 对网络的覆 盖和干扰带来许多不确定因素 因此一般不主张天线机械下倾角超过1 5 0 3 各种建筑物的穿透损耗参数 在传播路径上各种不同材料的建筑物 不同厚度的墙体 以及手机所处的不同楼层都 会给路径损耗带来不同的影响 所以 在考虑基站的覆盖范围时 必须要仔细确定这个穿 透损耗的影响 在市区内 这个穿透损耗的值的范围很大 从一般多层居民楼的l o d b 到 一般高层楼宇的2 0 d b 到地下室的3 0 d b 以上 所以对我们覆盖的分析有很大的影响 4 发射机功率的参数设置 道理明显 发射机功率直接影响到覆盖范围的大小 功率越大 覆盖范围越大 但从 网络的层面上来说 并不是功率越大就越好 在市区内 为了控制系统内的干扰 一般基 站的发射机功率都没有调到最高 在c d m a 系统中 为了不致对覆盖要求以外的相邻小区 造成干扰 同时又要满足覆盖要求以内移动台m s 的接收要求 发射机的发射功率要求进 行合理的分配和精确的动态控制 2 4 覆盖预测工具介绍 覆盖预测是根据已经选择的站址以及设计的站型 同时选择合适精度的电子地图 借 助网络规划工具 预测将要建设网络的覆盖 判断是否能满足用户的要求的一个过程 覆 盖预测是一个非常复杂的工作 需要处理大量的数据和进行多次的计算 并绘制出模拟图 形 所以不可能用人工来计算 只能通过一定的规划设计软件来进行规划预测 系统仿真 工作 而软件的功能是否强大 预测的准确度都成为影响仿真效果的重要因素 本文从理 南京邮电学院工程硕士研究生学位论史第二章无线传播原理和基站覆盖预测基本方法 论上分析了影响覆盖的各项因素后 通过覆盖预测软件模拟各种因素变化对覆盖带来的影 响 从而给网络建设提供一个实际 直观的参考 业界常用的规划软件有p l a n e t w i z a r d n e t p l a n c e 4 等 下面就本论文所使用p l a n