无线传播模型及其校正原理

无线传播模型及其校正原理【摘要】在无线网络规划工作中，对信号传播损耗的预测是依据无线传播模型来进行的，因此确定准确的传播模型是无线网络规划的重要基础。本文首先对了无线传播模型的原理进行分析，并以此为基础对校正过程中需要关注的问题给出自己的建议。【关键词】无线传播模型；校正；CW测试一、概述在移动通信领域中，我们对无线电波的传播损耗预测一般是采用传播模型来进行的。准确的无线传播模型对于保证无线网络规划方案的合理性具有十分重要的意义，它是无线网络规划工作的重要基础和主要依据。宏蜂窝无线环境的传播模型校正的输入条件是大量路测数据，校正的过程就是利用这些数据来拟合出符合某种误差要求的曲线，从而完成对模型参数的校正。二、无线电波的传播方式与传播损耗在宏蜂窝无线环境中，由于存在非常多的楼宇以及其他遮挡物，使得无线电波的传播变得非常复杂，接收机接收到的信号通常是以下几种波的叠加：1.直射波：是指无线电波直接沿自由空间传播，不受任何阻挡；2.反射波：是指无线电波在传播的过程中遇到了物理尺寸远大于其波长的物体，电波在物体表面发生了反射，反射波可能增强也可能减弱信号的强度；3.衍射（绕射）波：是指无线电波在传播的过程中遇到了物理尺寸与其波长可比的或小于其波长的障碍物或缝隙时，电波仍然可以继续传播，只是它的能量和传播方向将发生改变。移动通信系统所在的无线环境是非常复杂的，无线电波从发射机到接收机之间通常包含了所有的传播方式，也就是说它是一种综合了所有传播方式的复杂环境，因此对于这种综合无线环境的传播特性的研究也就变得十分地困难和复杂。随着接收机与发射机之间距离的不断增大，无线电波的传播损耗也将发生变化，这种变化通常包含三种：1.中值损耗：与无线电波传播距离相关，损耗值与传播距离的某次幂成正比。2.慢衰落：由障碍物的阻挡所造成阴影效应，使得无线电波的传播损耗出现衰落，该衰落的变化比较缓慢，故称慢衰落，又称为阴影衰落或对数正态衰落。慢衰落服从对数正态分布。3.快衰落：由于无线电波的多径传播使得接受电波呈现快速的衰落，这种衰落称为快衰落。快衰落服从瑞利分布，又称为瑞利衰落。通常我们使用中值损耗、慢衰落、快衰落三个部分来描述一个无线信号所经历的路径损耗，即：其中：：中值损耗，该损耗与距离d的-n次幂成正比，一般情况下，n在3～4之间；：慢衰落。其中S符合正态分布，均值为0，方差为；R：快衰落，服从瑞利分布或莱斯分布；考虑到上述三种损耗和衰落的特点，目前，我们对于路径损耗的预测，只考虑中值损耗。也就是由于慢衰落和快衰落是随时间和地物等因素变化而变化的，不具有普遍实用的特点，所以在无线电波损耗的预测中我们通常不考虑他们。目前，传播预测主要采用下面有两种做法：（1）直接运用电磁理论进行计算，来得到确定性模型。射线跟踪技术就是运用的这种方式。这种方法的计算结果准确性高，但由于计算量过大，操作复杂，这种方法目前仅应用于少数的室内预测，室外宏蜂窝情况较少使用。（2）通过测量得到大量的测量数据，从中得出统计性的传播模型公式。这种方法的可操作性强，同时误差也可以控制在可以接受的范围内，因此被广泛采用。三、传播模型理论分析传播模型就是将影响电波传播损耗的一些主要因素（如传播距离、天线高度和地物类型，信号频率等）以变量函数的形式反映在一个传播损耗函数当中，该函数式就是我们所说的传播模型。在具体的无线传播环境中，传播模型的各个变量函数所对应的系数是不同的，找到这些系数的过程就传播模型校正的过程。常用的传播模型包括Okumura模型、Hata模型、Cost-231Hata模型、SPM模型等。1.Okumura模型（奥村模型）Okumura模型是最早提出来的无线传播模型。它是由Okumura等人在对东京进行大量的路测的基础上得到的一系列适用于东京的传播损耗曲线和图表，由于它并没有具体的数学表达式，因而适用范围很小。2.Hata模型德国数学家Hata对Okumura模型的曲线进行了有条件地拟合，如下得到了具有数学表达式的模型，这就是Hata模型。其中：为中值损耗（dB）为频率（Hz），取值范围150MHz～1500MHz为基站天线高度，取值范围30m～200m为移动台天线高度，取值范围1m～10m为传播距离，取值范围1km～20km为移动台天线修正因子3.Cost-231-Hata模型COST-231-Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会在Hata模型的基础上开发的扩展版本，应用频率在1500MHz到2000MHz之间，适用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，发射有效天线高度在30m到200m之间，接收有效天线高度在1m到10m之间。COST-231Hata模型公式为：其中：为平坦市区的中值传播损耗（dB）为频率（MHz），取值范围1500MHz～2000MHz为基站天线高度，取值范围30～200m为移动台天线高度，取值范围1～10m通常取1.5m为传播距离（km），大于1km为地貌修正因子4.SPM模型（StandardPropagationModel）SPM模型是在Hata模型的基础上推论得出的，其中增加了衍射，地貌损耗以及有效天线高度等内容。它适用于频率在150MHz-3500MHz，距离在1km-20km的情况，也就是说GSM900/1800，CDMA，UMTS，CDMA2000和TD-SCDMA都可以使用SPM模型，它的适用性很广，本文后面的工程也是采用该模型进行的无线传播模型校正。其中：为发射点到接收点的直线距离，单位m为发射天线有效高度，单位m为衍射损耗为移动台有效高度，单位m为第i类地貌校正因子为发射点和接收点之间剖面图上所经历的各种地貌类型的函数为频率相关因子，默认值为23.5为距离衰减因子，默认值为44.9为发射天线高度相关因子，默认值为5.83为衍射相关因子，默认值为1（0）为与距离和发射天线高度相关的因子，默认值为-6.55为移动台天线高度相关因子，默认值为0为地貌相关因子，默认值为1四、传播模型校正关键问题分析与建议通常我们采用测试连续波的方式来进行模型校正，也就是CW测试。即将发射机的发射功率和频率固定，在起周围进行车载采样测试，经过筛选得到足够多的合理的路径损耗测试数据。然后用这些数据对传播模型公式中的各个系数进行联合求解，求解的条件就是校正后模型的预测值与实测数据之间误差、均方差、标准方差达到要求。经过校正的传播模型将会比较好的反映当地无线传播环境，符合当地无线传播环境的实际情况。通常的模型校正的过程中主要包含以下几项比较重要的内容。1.数字地图的选择首先，数字地图应该满足一定的精度要求，精度越高模型校正的准确度也就越高，相应的运算量也就越高。另外，还要注意地图的时效性，由于目前我国大多数城市的建设速度都非常快，使得数字地图的更新的周期也就相应地缩短了，因此我们必须关注数字地图的时效性。如果所选地图的地貌信息与实际情况出入过大的话，模型校正的准确程度也将大大降低。2.发射站点选择为保证获得的数据能够真实地反映当地的无线传播环境，在选择站点的时候应把握如下原则：（1）大型城市应选择4～5个站点，一般中小型城市，选择3个或以下站点进行测试，特大城市则视情况来定；（2）根据城市的地貌分布和路况，划出相应的几块典型区域，发射站点应尽量靠近所在区域的中心位置；（3）站点应是局部地区的相对高点，站点周边100米内避免明显大型障碍物（如广告牌和高大建筑），站点应高于周围建筑平均高度10米以上，一个站点的覆盖半径应该在3km左右，站点应尽可能大的覆盖校正地貌，且分部合理，保证测试区域内每种地貌内的合理采样点在4000个左右；（4）所选站点应具备良好的电源和天线架设条件；（5）最好能事先找到熟悉该站点的相关人员了解一些站点的情况，比如站点楼层高度、平台情况，上楼顶的难度等，这有助于对站点的筛选，大大减少后面的工作量。3.路线选择为保证所获得数据的全面性和真实性。测试时的线路选择也需要认真考虑。最终确定的路线应：（1）深入地貌内部；（2）与发射站点的距离要大于200m；（3）纵向和横向的街道应采集同样数量的场强样本；（4）不要选择高速公路或很宽阔平直的街道，而应尽量选择窄小的街道；（5）在确保数据全面的条件下，尽量避免线路的重复。4.数据采集数据采集是模型校正能否准确的基础条件，如果所采集的路测数据不能准确的反映当地实际情况，那么即使完成了模型校正也只是数学意义上的校正，这样的校正出来的模型是没有办法应用到网规网优工作中的。采集到的路测数据应包含经度、纬度和场强等信息。传播模型所反映的是无线信号的中值损耗，因此采集到的测试数据应当能很好该中值损耗，也就是说要去除路测数据中所包含的快衰落的影响。根据李氏定理的结论，在40的长度内，如果能够采集到50个点的场强数据，那么平均后所得到的信号与当地实际信号均值的误差在1dB之内。假设测试车辆的车速为V（m/s），测试设备的采样速率为R（个/s）则每单位距离（米）内采样点数S为：根据李氏定理，有：也就是：5.数据筛选在路测过程中往往会采集到一些不符合模型校正要求的需滤除数据，为了防止这些数据对模型校正的影响，在校正之前必须滤除它们，这就是数据筛选。以下是几种典型的需滤除数据。（1）高架桥上和隧道中的数据这两种地方无线电波的传播特性与传播模型的应用条件不符。（2）远距数据距离发射机比较远时，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；且对于测试信号，底噪在远端接收信号中的比例比较大，不利于模型校正，因此远端的测试点应予以滤除。（3）近距数据在距离发射机较近的区域，电波基本以视距传播，这不符合传播模型所定义的电波传播条件，因此这类测试数据也不能用于传播模型校准。（4）街道波导效应数据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走向的夹角很小时，接受信号的强度相较于普通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。（5）街道弯角效应数据由于衍射和反射损耗，电波在街道转弯处信号会突然发生严重陷落。（6）地貌类型与数字地图不相符的数据在所采集的数据当中难免出现电子地图定义的地貌与实际情况不符合的情况，这部分数据应当将其滤除。6.评估校正结果评估校正是一个不断调整的过程，评估该校正结果是否符合要求的标准主要有：预测值和实测值之间误差的均值最小化，尽量接近0。预测值和实测值之间误差的标准偏差最小化，应小于6-8dB。预测值和实测值之间误差与各变量（如log（d））之间的相关性最小。五、结束语现代城市的无线传播环境随着城市的建设和发展变得十分复杂，准确的无线传播模型对与无线网络规划与优化工作具有十分重要的意义，特别是对于即将开始的4G网络建设工作，准确的传播模型不仅可以保证网络的通信质量，同时还能为网络运营商节约大量的成本，提高建网速度。