TD-SCDMA传播模型与校正.doc

TD-SCDMA传播模型与校正课程目标： 对传播模型矫正的原理有一个正确的认识 掌握传播模型测试工具的使用 了解传播模型测试的流程 会处理采集的数据 大概了解传播模型校正的过程文件编号版本号拟制人/修改人拟制/修改日期更改理由主要更改内容V1.0李 亥2006-8-26新建无注1：每次更改归档文件（指归档到事业部或公司档案室的文件）时，需填写此表。注2：文件第一次归档时，“更改理由”、“主要更改内容”栏写“无”。目 录第1章 概述1第2章 无线传播模型选取与校正输入32.1 宏蜂窝传播模型32.2 标准的宏小区传播模型32.3 校正输入4第3章 传播模型测试73.1 传播模型测试的原理与方法73.1.1 发射设备83.1.2 接收设备103.2 区域划分113.3 站点选择113.4 路线规划113.5 结果处理14第4章 传播模型校正174.1 传播模型校正对无线网络规划的重要性174.2 传播模型校正的流程174.3 Planet软件模型校正的一般过程184.3.1 测试数据的导入184.3.2 测试数据的预处理194.3.3 初始值（缺省值）的设定204.3.4 因子的校正（粗校）204.3.5 模型精细校准（现在只做到粗校）22-iii- 第1章 概述第1章 概述& 知识点l 概述营运商正在进行第三代移动通信的试验网建设准备。首要的工作就是网络规划。对于无线网络规划来说，最重要的一个步骤就是无线传播模型的校正以期得到较准确的场强预测。传播模型的准确性是决定无线网络规划是否可信的一个重要因素，这直接关系到运营商的投资是否比较经济合理。由于与模型校正直接相关的是电波传播特性，所以必须留意两个方面：无线电波的传播方式和无线电波的衰落。无线电波的传播方式主要是反射、直射、绕射和衍射，而无线电波的衰落主要是瑞利衰落和阴影衰落。根据对三种传播机制的区分，模型校正主要考虑的是在大尺度传播机制和中尺度传播机制下根据信号在不同环境下路径损耗以及障碍物阴影效应所带来的慢衰落影响。大量的工程实际证明，在准平坦地形的条件下，只要实测数据对于预测数据的标准偏差不大于8dB（丘陵地形不大于11dB），实测数据的均值相对于预测数据偏差不大于3dB，即可认为该模型是可用的。验证过程是这样的：一般先对某个典型环境选择若干个测试点（如9个），统一采集数据，然后提供6个测试点数据供模型校正，最后用校正后的模型预测另三个类似环境的场强值，得到标准偏差及均值偏差。可以这样理解上述评价模型的标准，即用可用的模型（标准偏差不大于8dB，均值偏差不大于3dB）进行预测，将有68的点与实测点的偏差落在(-8+8)dB以内，而32%的点则在之外。问题：是否对每建一个基站站都要在事先做传播模型的测试与校正?21 第2章 无线传播模型选取与校正输入第2章 无线传播模型选取与校正输入& 知识点l 宏蜂窝传播模型l 标准的宏小区传播模型l 校正输入现阶段校模的方法主要是采用基于大量测量数据的统计模型，而无线传播模型主要考虑的是室外环境适用于宏蜂窝信号预测的传播模型，其它模型只做简要说明。2.1 宏蜂窝传播模型对于传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测，和特定位置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机和接收机之间长距离上的场强变化，所以被称为大尺度传播模型，下面就宏蜂窝的大尺度传播模型进行介绍。2.2 标准的宏小区传播模型上式中：接收功率；发射功率；基站与移动终端之间的距离；移动终端的高度；基站距离地面的有效天线高度；Diffraction 绕射损耗；参考点损耗常量；地物坡度修正因子；有效天线高度增益；绕射修正因子；奥村哈塔乘性修正因子；移动台天线高度修正因子；移动台所处的地物损耗。利用该模型校正的方法是：首先选定一个模型并设置各参数值K1K6及clutter的值，通常可选择该频率上的缺省值进行设置，也可以是其它地方类似地形的校正参数，然后以该模型进行无线传播预测，并将预测值与路测数据比较，得到一个差值，再根据所得差值的统计结果反过来修改模型参数，经过不断的迭代处理，直到预测值与路测数据的均方差及标准差达到最小，则此时得到的模型各参数值就是我们所需的校正值。2.3 校正输入下面，介绍进行传播模型校正所需的输入：1.测试数据大量的有效测试数据是进行传播模型校正的基础，除此之外，还包含发射系统和接收系统的相关参数，以及测试中的照片和问题描述资料。有关传播模型校正所需测试数据的具体情况，可以参阅有关传播模型测试方面的文档。2.电子地图电子地图（又称数字化地图），是用数字的方式体现了一个区域的地理信息，是进行传播模型校正所必需的。它有两个关键参数：地球模型和投影方式，移动通信领域经常使用的电子地图格式为：Planet/EET （MSI/ ERICSSON公司提出），该格式支持众多的地球模型和投影方式电子地图包括的信息。所用的电子地图包括地形高度、地物、矢量、建筑物等对电波传播有影响的地理信息，是传播模型修正的重要基础数据。电子地图的精度要求与传播模型及规划的精度和应用环境有关，一般情况下，密集城区微蜂窝环境使用5m精度的地图，一般城区宏蜂窝环境使用20m精度的地图，郊区宏蜂窝环境使用50m精度的地图，农村宏蜂窝环境使用100m精度的地图。注意：需要特别关注所使用电子地图的更新情况。3.传播模型校正软件传播模型校正是网络规划的一个重要组成部分，通常的网络规划软件都能进行传播模型校正，如AIRCOM、PLANET等，对于TD-SCDMA系统，目前我们使用的是PLANET软件。第3章 传播模型测试第3章 传播模型测试& 知识点l 传播模型测试的原理与方法l 站点选择l 路线规划l 结果处理3.1 传播模型测试的原理与方法无线信号在传播时会受到多种途径衰减的损害，表示为：P(d)=d-nS(d)R(d) (1) 其中，P(d)为接收信号功率，是基站和移动台之间距离的函数；d-n为空间传播损耗，n一般为34；S(d)为阴影衰落，是由传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，也称长期衰落或慢衰落；R(d)为多径衰落，是由移动传播环境的多径传播引起的衰落，也称短期衰落或快衰落。慢衰落特性符合正态分布，而快衰落符合瑞利分布。 快衰落是叠加在慢衰落上的信号的快速抖动。由于移动台的天线高度低于周围建筑物的高度，并且载波波长远小于建筑物尺寸，因此在移动台侧，在半个波长的距离上信号变化动态范围可达40dB（高于平均值10dB，低于平均值30dB）。 对于移动通信系统，式(1)的分析不太方便，为了可以利用随机过程的理论分析移动通信的传播，可把(1)表示为： r(x) = m(x)r0(x) (2) 其中，x为距离，r(x)为接收信号；r0(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： (3)其中2L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间内基本固定，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。模型测试就是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2L太短，则仍有瑞利衰落影响存在；若2L太长，则会把正态衰落也平均掉。因此在模型测试中确定2L关系到能否使所测数据与实际本地均值的逼近程度，以及根据测试校正的传播模型预测的准确程度。根据著名的李氏定律，在2L为40个波长间隔内，采集36或最多50个抽样点能有效去除快衰落的影响。40个波长作为一小段长度是一个较为合理的取值，如果小段长度比40个波长短，平均结果仍将保持有微弱的瑞利衰落；如果比40个波长大，则会平滑掉本地均值数据。两个抽样点的相关系数小于0.2，其间隔应大于等于0.8个波长，因此40个波长的长度内应有50个抽样点。Lee证明了使用这种测量方法，可使测试数据与实际本地均值的偏差小于1dB。基于李氏定理，在进行传播模型测试时，要保证在40个波长间隔内，采集36或最多50个数据点。这一方面要考虑测试设备的性能，也要考虑车速，车速不能太快，也不能太慢。设车速为v，测试设备每秒采样n个同一频点同一扰码的接收功率，波长为，则有：40/v*n = 36因此，模型测试的数据处理一般包括以下两部分：数据过滤 （数据过滤的具体过程见 4.4.2 测试数据的预处理）数据的地理平均地理平均主要是为了获取特定长度上的区域均值，然后用这些均值来对该区域的模型加以校正，区域均值的长度选择除遵循慢衰落的变化规律外，还应该充分考虑地图精度的影响，通常认为在115米内都是可行的，从实际的某些厂家的校正情况看，取6米为地理化平均的长度将具有比较好的效果，地理平均的操作一般是由专用的地理平均软件来完成的。目前多数厂家普遍采用的处理方法是：将测试路线分段，每段取6米，将该6米内的数据取均值，并将取得的均值作为该路段中心的场强值。3.1.1 发射设备在传播模型校正测试中，传统的方法是连续波测试，即CW测试。采用CW测试而不考虑导频发射机是根据25.225协议，TDD模式下对beacon 信道的功率测量需以midamble码为基础。同时，导频信道是一个非调制的信道，在WCDMA系统的测试中，导频测试法通常用来测试传播模型。而WCDMA中的导频信号主要用于其它信道的相位参考，同时也作为小区选择和重选的电平参考，但TDSCDMA系统是一个同步系统，DwPts不再用作相位参考，并且，小区选择和重选的电平参考不是DwPts而是PCCPCH，DwPts的主要作用是用于初始上行同步。所以，在TDSCDMA中，导频信道的功能已经弱化，单纯的强调导频的作用意义不大。而且，如果从发射设备实现的难易程度来说，模拟时隙结构的导频发射信号显然更加复杂。所以，连续波CW发射机，由于其价格低廉且适用范围广，我们优选它作为TDSCDMA传播模型测试的发射设备是合理的。 当选用CW发射机时，接收机可选定RSSI来测量传播模型。RSSI除了包含有用信号外，还包含干扰源的信号和底噪。当测试环境不是很干净时，外界干扰的比重加大，不能真实反映接收到的有用信号的强度。但在清频工作做的比较好的情况下，因RSSI的采集速率比较高，通过适当的平衡可有效滤除快衰落的影响。所以，当测试环境比较干净时，用RSSI进行模型校正比较好。从以往实际经验来看，采用RSSI往往能获得更好的效果。TD-SCDMA选用的传播模型校正发射机是一款CW发射机Gator。Gator是一款多用途的信号源，可以用于PCS，GSM，IDEN/SMR等的测量，支持包括TD频段2015-2025MHz在内的多个频带，功放输出有效值可为25Watts或45Watts；可以连续调节功放输出，步进最小可达0.1dB，32dB动态可调范围；可通过面板控制或远程登录，进行调制方案编程。图3.1 CW发射机CW测试首先要有一个发送端设备发射连续波信号（可以是FM调制，也可以不调制），然后用CW测试设备进行驱车测试。Gator可以通过后台笔记本来对发射机的相关参数进行设置和控制，在接收端，由于Coyote的所有测试数据都是存放在SD卡中，其测试数据最后都是通过专用软件从SD卡中读出。其通常的连接方式如下：图3.2CW测试示意图整个系统由发射系统和接收系统部分组成。发射系统由CW发射机、馈线和发射天线等组成；接收系统由接收天线、CW接收机、GPS定位仪、便携机及测试软件组成。3.1.2 接收设备与发射设备相似，专门针对TD-SCDMA的路测接收设备也较少。它不但要实时监测TD-SCDMA系统基站和手机之间的信令流程以及测量服务小区内相关的物理参数，而且还可应用于TD-SCDMA系统设备的研发的网络的维护、规划及优化。对于TD-SCDMA校模用接收机，我们选用了Berkeley Varitronics Systems的Coyote，Coyote是一种高性能、模块化的接收机，它可以通过自身独特的两个接收模块，同时测量两路信号，其可充放的Li-Ion的电池和32M的Compact Flash卡给使用和数据存储带来极大的方便。Coyote数据采集数度快，最多可以达到LEE氏推荐速率的两倍，Coyote可以测量：C/I, RSSI, adjacent channel, best server，峰值保持, BER分析。 图3.3 Coyote接收机3.2 区域划分根据待规划区域的范围或客户需求确定传播模型测试的区域。首先，根据测试区域地形起伏情况将测试区域划分为三种地形：开阔地、丘陵、山地；然后，根据测试区域所在环境划分为：大型密集城市、中小规模城市、城镇和农村。最后，在测试区域划分的大环境下面，根据各种地物所占大致比例，进一步细分为：密集城区、一般城区、郊区和农村。3.3 站点选择确定了测试区域后我们下步的工作就是要找到相应区域内的理想测试点。测试站点的选择要求如下：(1) 站点周围不能有明显的遮挡。(2) 站点的天线挂高应和适用该区域模型大致需要的天线挂高接近。站点应高于周围建筑物，但不能高出太多。密集城区测试站点天线挂高应比周围平均高度高10米左右；一般城区测试站点天线挂高应比周围平均高度高15米左右；郊区或农村测试站点天线挂高应比周围平均高度高1525米。(3) 对每种细分后的测试区域选择24个测试站点，利用多个站点的测试数据进行合并校模，消除位置因素的影响；要求各测试站点周围的地形地貌应与需要校正的模型代表的环境地形地貌一致。对于密集城区，要求测试不少于4个点；对于一般城区，要求测试不少于3个点；郊区要求测试不少于2个点；农村测试不少于1个点。(4) 对于一些小城市，传播模型可以用一种模型表征，不需要划分为密集、一般、郊区。所以对这些小城市的测试，可以直接在市中心处选择一个典型的站点，然后围绕该站点进行测试。对于中等城市，可以考虑用两种传播模型表征：密集和郊区。对于这些中等城市的测试，需要选择两个典型站点。(5) 测试站点周围应包含足够的地物类型，并有相当数量的道路以便测试时各种地物都能到达。(6) 测试站点所在楼面不能太大。如果楼面比较大，天线需要增高，否则楼面（尤其是女儿墙）对测试信号传播影响较大。3.4 路线规划对于每个测试站点在测试之前都要详细的进行路线规划，一般有以下要求：东西向和南北向的道路都应包括；各种距离的位置都应跑到；各种地物附近区域都应跑到；应尽量包括所有能跑到的道路，以一般道路为主，多跑小道（包括地物内的小道），最好选择宽度不超过3米的狭窄道路。避免在同样的路线反复测试。同一条道路上反复跑时，只记录第一次的数据。测试过程中停车时（如红灯）不记录数据（使用测试软件中的暂停功能）。测试半径应该尽量大，保证接收机接收到的信号最弱低于-120dBm；根据实际测试过程中的信号情况调整测试的路线。对于中小城市的测试，跑到城市边沿信号还没有到-120dBm，也不需要再继续跑到远处的农村。测试过程中保持中速行驶，一般小于40km/h。对于城中有湖泊和河流的情况，应该避开湖滨和河滨道路，避开水域做测试。对于城市中心有山的情况，可以测试山背面的信号，这样可以通过信号的衰减，校正得出衍射因子，但是要注意不要测试与基站同一面的山面上的信号，因为可能出现越往高处跑，跑的越远，信号越强的情况，（因为随着海拔的升高，遮挡会越来越少，）这样校正模型时就会出现距离越远，信号越好模型曲线的标准差就会加大。建议采用选择道路的方法：先跑东西向道路，再跑南北向道路，最终测试的道路形成网状结构，图2和图3是两种理想的路线图，图4是实际路线图：图3.4 路线图一图3.5 路线图二图3.6 实际情况下的路线图检查采样路线：保证采样路线在以测试站点为轴心，各径向方向上路线分布均匀合理，每个径向方向上保证23组采样数据。不可某方向路线采样太多或太少，每个方向上保证至少2组采样数据。对于超远覆盖站点的测试，由于测试距离比较远，难以按照各种区域都跑到的要求执行。对于这种站点的测试，电测路线只需要沿着希望重点覆盖区域的方向一直测试到接收信号降低到-120dBm以下返回，如果条件许可，可以在返回时平移一段距离后再返回，这样就有了两段可用的数据，有助于超远模型的研究。问题：在测试时为什么要尽量避免在高架桥上走?3.5 结果处理根据前面介绍的模型测试原理，测试的目的是在特定位置测量本地均值信号。然而，在测量的过程中，我们仅仅能得到信号包络的瞬时值，信号的本地均值只能通过平均快衰落过程来估计。例如在WCDMA系统，取f=2140MHz，则根据公式=c/f 可得40=40c/f6米，即本征长度近似取6米。而对于TDSCDMA系统，现在还没有具体的约定。不过，按照WCDMA的标准，由地图的分辨率，可以计算一个bin(地理单元格，如图5所示)的采样点数目，比如20m*20m,要求采样158至223个点。图3.7 地理单元格（bin）第I个bin的接收功率本地均值为：，是第I个bin的采样点数目。问题：为什么李氏定理能减少快衰落对测试带来的影响?Error! No text of specified style in document. Error! No text of specified style in document.第4章 传播模型校正& 知识点l 传播模型校正对无线网络规划的重要性l 传播模型校正的流程4.1 传播模型校正对无线网络规划的重要性传播模型是移动通信网小区规划的基础，传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。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大。此外，由于我国幅员辽阔，各省、市的无线传播环境千差万别。如果仅仅根据经验而无视各地不同地形、地貌、建筑物、植被等参数的影响，必然会导致所建成的网络或者存在覆盖、质量问题，或者所建基站过于密集，造成资源浪费。因此就需要针对各个地区不同的地理环境进行测试，通过分析与计算等手段对传播模型的参数进行修正。最终得出最能反映当地无线传播环境的、最具有理论可靠性的传播模型，从而提高覆盖预测的准确性。4.2 传播模型校正的流程利用规划软件（Planet规划软件）对模型调校过程如下图所示，模型公式是“标准宏小区（Standard MacroCell Model） ”传播模型：利用该模型校正的方法是：首先选定一个模型并设置各参数值K1K7值，通常可选择该频率上的缺省值进行设置，也可以是其它地方类似地形的校正参数，然后以该模型进行无线传播预测，并将预测值与路测数据比较，得到一个差值，再根据所得差值的统计结果反过来修改模型参数，经过不断的迭代处理，直到预测值与路测数据的均方差及标准差达到最小，则此时得到的模型各参数值就是我们所需的校正值。图4.1 模型校正流程4.3 Planet软件模型校正的一般过程4.3.1 测试数据的导入用于传播模型校正的数据很简单，只需要路测得到的经纬度信息及所选的数据项的场强值。用于传播模型校正的数据文件包含两个：文件头（*.hd）和文件体（*.dat）。头文件记录了传播模型测试的基站信息及其测试信息，主要包括所引用的测试数据文件体、基站经纬度、天线挂高、下倾角、方向角、天线类型、基站等效发射功率EiRP、馈线的类型、长度、损耗及发射频点等数据。文件体包含测量数据信息（经纬度及场强值），其中第一列为经度，第二列为纬度，第三列为测量信号场强值，各列之间以tab键分隔。4.3.2 测试数据的预处理大量有效的测试数据是进行传播模型校正的基础，对于测试人员提交的测试数据，必须进行过滤筛选，用真正有效的、反映传播特性的测试数据进行模型校正，才能得到一个能较好反映整个覆盖区域信号的传播模型。对测试数据的过滤主要包含以下几个方面：1.过滤远端数据当接收机距离发射机较远时，接收到的信号强度太低，因接收机灵敏度的影响，其测量值往往不准确，且对于CW测试信号，底噪在远端接收信号中的比例加大，不利于模型校正，所以远端的测试点数据应予以去除，具体远端距离值的选取视覆盖范围而定。2.过滤近端数据在基站附近，由于受天线垂直方向图的影响，接收信号的功率主要受基站附近建筑物和街道走向的影响，因此离基站很近的测试数据不能用于修正传播模型。总之，远近端测试数据的过滤可以在网络规划软件中采用距离过滤器的方法进行。3.滤除“波导效应”（“街道效应”）由于电波传播测试一般是在街道上测试的，但对于街道，存在着“波导效应”（“街道效应”），即：当信号源发射来的电波信号的传播方向和测量点所处街道的走向间的夹角很小时，接收信号的强度相较与普通的情况下会有很明显的加强，使得平行于传播方向的信号强度比垂直于传播方向的信号强度高出10dB左右。由于传播模型不是只为了预测道路上的损耗，而是为了反映整个覆盖区域的传播情况，因此应该去掉“波导效应”等与道路相关的影响因素，否则会导致校正后的传播模型整体偏大或偏小。4.滤除掉其它明显异常的数据点，如特别离散的点。在实际校正过程中，在设置好合适的信号强度和距离滤波器后进行分析，根据报告输出结果看各种地物信息上的采样点数，记录下那些采样点少的地物类型，因为采样点太少，将来校正时需要滤除。对于Planet软件，操作步骤如下：a.导入测试数据后，要先打开log(d) vs Signal的分布图，观察它们的对应关系，找到直达信号Line of Sight（LOS）。一般来说，如果地势较平坦，可在预处理时直接去掉LOS，对于高低起伏大的环境，需要在校正K7时去掉LOS；b.设置ANALYSIS FILTERS，过滤掉一些不能用来校模的数据，例如距离基站200米以内及5000米以外的数据，信号强度在50dBm以上以及110dBm以下的数据。在Graph中选择Log(d) vs Signal，画出一个接收信号强度和距离的关系图，看Filter设置是否合理；若不合理，可以再设重新画图；c.显示测试路线和地图中的Vector文件，观察测试路线是否和Vector显示的路线相吻合，对于两者有偏差的地方需要手工对测试路线进行微调，使得Survey路线尽量贴近Vector。4.3.3 初始值（缺省值）的设定各系数的初始值：参数取值-20-44.9-5.830.56.550并在FileModel EditorEdit ParametersClutter中，将Clutter Factor设置为零。4.3.4 因子的校正（粗校）传播模型校正主要是通过分析待校准模型预测得到的路测点处的电波场强值和实测场强值之间的误差与对应的传播距离对数绘制的散点图来进行。实际上，、都是不容易进行校正分析的，因为它们作为权值对应的参量是移动台或发射源的有效天线高度，而要通过变更移动台或者发射源的有效天线高度来进行大量的数据收集试验是不容易的。在试验网的实际校准工作中，没有进行校准，取为0，取了COST-231建议模型中的-5.83。它们的不准确尽量通过校准、来进行弥补。在进行模型校正时，先通过调整斜率因子，使分析工具输出的Log(d) vs Error图中的Gradient=0dB/dec，然后再调整截距因子，使得Log(d) vs Error图中的 Intercept=0dB。每次调整可以根据输出的Gradient和Intercept值进行调整。当调整到Gradient=0dB/dec、Intercept=0dB时，通过Analysis可以看到输出的报告中模型的整体Mean Error=0，其它各种地物的Mean Error不一定为零（通常都不为零，因为还没有进行因子校正）。参数是基于对电波传播中的散射损耗的考虑。对于散射损耗的计算有多种方法，它们都需要一个比较准确的地物（建筑物，树木等）的高度描述。由于绕射因子只有在发射机到接收机没有直射信号时才会起作用，所以在校正因子时不能包括直射信号Line of Sight（LOS）在内。通过不断地调整，使Analysis输出报告中的模型Mean Error=0。在校正模型后一定是正值，如果校完后出现负数，应再次估算survey分析结果，重新设置优化参数，将设成0.5，再重新校正。在得到绕射因子后，将滤除的LOS信号恢复，再将Log(d) vs Error图输出，看Gradient是否为零，不为零则通过不断地调整使Gradient0。然后查看An