特大城市密集城区3G核心频段传播模型的测试与校正

0 前言

　　在移动通信无线网络的规划设计中,预测无线信号的覆盖水平是首先需要考虑的问题｡而准确预测信号覆盖的关键便在于选用经过精确校正的传播模型｡

　　特大城市的密集城区由于建筑密度大､楼层高､建筑形状各异､外墙材料种类繁多,无线传播环境十分复杂｡然而该区域也是用户集中､业务量庞大的移动通信市场｡要设计一个既能适应复杂的传播环境,又能满足用户需求的无线网络,准确预测信号传播特性是网络规划中非常重要的一环｡

　　本文以上海地区为例,介绍了利用CW测试对各种密集城区进行传播模型校正的情况及其结果｡希望可以对类似特大城市密集城区无线信号传播的预测有所帮助｡

1 3G无线传播模型

　　在3G系统的2.1G核心频段上,通常使用的经典模型有Cost231､射线跟踪等｡从精确程度看,射线跟踪是最接近实际情况的,但由于它对数字地图的高精度要求,无法大规模普及｡本文选用的是标准传播模型(SPM)｡

1.1 射线跟踪

　　射线跟踪模型基于3D数字地图,充分考虑建筑物的特征和分布对信号传播的影响,通过理论计算分别得出每一点上的接收信号强度｡因此,根据射线跟踪模型的预测结果,可以精确地进行网络规划并有效地控制干扰｡

　　射线跟踪法的基本思想是:首先确定一个发射源的位置,根据3D地图上的建筑物特征和分布,找出发射源到每个接收位置(测试点)光线的所有传播路径;然后根据菲涅耳等式和几何绕射理论/一致性绕射理论(GTD/UTD)等,确定反射和绕射损耗,这样相应得到每条路径到每个测试点的场强,将到达同一测试点的所有路径的场强做相干叠加,得到每个测试点总的接收场强｡

　　一般说来,采用射线跟踪模型预测信号场强要输入以下参数:矢量表示的电子地图(代表建筑物)､建筑物墙的电容率和传导率､发射源(基站)位置､天线类型和使用频率等｡射线跟踪法要考虑光线的以下传播路径:直射波､在建筑物垂直面上的反射波､在建筑物垂直棱上的衍射波､在建筑物水平棱上的衍射波以及高阶的反射/衍射波(其中二阶反射/衍射波的影响相当大)等｡

　　由于射线跟踪模型对于数字地图的要求很高,需要带有详细建筑信息的三维数字地图,其成本过于昂贵,目前国内仅华为公司在香港地区小范围使用过｡在条件允许时,使用该模型可以大幅度提高预测的准确性,特别是在特大城市的中心区域,使用射线跟踪模型尤为有利｡

1.2 SPM

　　SPM作为无线网络规划工具的传播模型,建立在Cost231-Hata经验模型的基础上｡

　　SPM的数学表达形式为
PL50=K1+K2lgd+K3lgHeff+K4Diffraction+
K5lgdlgHeff+K6lgHmeff+Kclutterf(clutter)

　　下面将基于此模型来介绍如何进行模型校正｡

2 1G核心频段传播模型的校正

2.1 传播模型的校正理论

2.1.1 校正参数

　　校正过程中的4个参数如下:
　　a) 最大的偏差emax,这只是一个参考信息｡
　　b) 均值e=■ei(可正可负),可通过传播模型公式中的偏置来调节｡
　　c) 均方根eRMS=■(总是正值),表明预测的整体质量｡在校正的过程中应尽量使之最小｡
　　d) 标准偏差σ=■,表明误差的分布,在校正的过程中应尽量使之最小｡

2.1.2 单变量校正

　　单变量校正示意图｡首先考虑对给定变量的测量值围绕计算值的分布情况｡若回归线,即均方差最小时,假定
Y=aX+b
就可以得到
?鄣=■
式中:
X=xi-x
Y=yi-y
b=-ax+y
　　一个变量被校正时,相关Ki的新值等于a,固定常量等于b｡
　　其中相关性为
R=■
　　当绝对值接近于1时,认为满足相关性｡否则,校正结果不稳定,可靠性会较低｡当变量被校正并应用后,相关性归零｡因为测量值和预测值之间的差值不再依赖于计算值｡
2.1.3 多变量校正
　　可以为一组变量的N个相关系数建立回归线:
y=[a0…aN]×x0xN
　　由此可推出:
■x02■x0x1…■x0xN■x0x1■x12…■x0xN　　 …■xN2×a0a1aN=■X0Y■X1Y■XNY
式中:
X0=(x0)i-x0
X1=(x1)i-x1
Y=yi-y

　　通过矩阵转换可得到相关系数Ai｡

2.2 传播模型的校正过程

　　SPM的各个因子都是可以进行校正的,但是由于数据采集条件有限,并非所有参数都可以得到校正｡
　　K3､K5都是与天线有效高度有关的因子,由于天线挂高在测试过程中保持不变,可以不进行校正｡
　　K4是与衍射计算相关的因子,目前由于缺少建筑物的高度信息,衍射损耗的计算并不准确,不对其进行校正｡
　　K6是与移动台有效发射高度相关的因子,移动台在测试过程中保持不变,可以不进行校正｡
　　综上所述,需要校正的主要是K1､K2和clutteri,因此在数据采集中要求采样点均匀分布,在校正区域内收集尽量多的数据｡

2.3 采样数据的要求

　　采集到的数据应至少包括经度､纬度和场强信息｡

　　采集到的测试数据应当足够多而且均匀分布,基于李氏分析,如果在40 λ的范围内采集50个场强信号进行平均,所得到的信号同当地真实信号均值的误差在1 dB之内｡对于3G网络,如果中心频点为2 140 MHz,则有8.93个/m｡

　　假设该距离为C,可以得到车速v(m/s)､前台测试设备的采样速率R(个/s)和测试车辆运行的关系

■>C,或v<■

　　假定采样速率为50个/s,则车速为

v<■=■=5.59 m/s≈20 km/h

　　数据采集过程中,应按照上述标准来设置前台设备的采样速率和车速,并保证以匀速运动进行测试｡

　　接收天线高度为1～2 m,通常接收机天线及GPS天线置于车顶｡

　　当接收到的信号不满足以下条件时,测试不应当再向远处延伸｡

接收信号-接收机灵敏度>10 dB
接收信号-底噪>20 dB

2.4 校正区域的选取

　　在上海这样的特大城市中,市区面积大,居民区､商业区､旅游区纵横交错,即便属于同一种功能区域,其建筑构造､道路布局的差异仍然很大｡

　　针对特大城市密集城区地形的复杂性和多样性,在模型校正时需根据建筑､道路的特性细分不同的校正种类,如南京路这种高层建筑在道路沿线分布､徐家汇这种建筑围绕广场分布､居民区多层居民楼密集分布等等｡

　　由于目前在预测中使用的数字地图大多没有建筑高度信息,在规划中使用针对区域地貌特性并经过校正的传播模型可以使预测结果最大限度地贴近实际情况｡

2.5 模型校正

　　对CW测试数据的处理是使用法国Fosk公司的Atoll网络规划软件进行的,该软件可以直接校正SPM的各项参数｡

　　当满足以下条件时,认为校正可以结束｡
　　a) 预测值和实测值误差的均值最小化,尽量为0,或不大于0.2 dB｡
　　b) 预测值和实测值误差标准偏差,城市区域为6～8 dB,农村地区为8～10 dB｡

2.6 测试描述

　　由于时间和测试条件所限,本文介绍的测试仅列举了两种典型地貌｡测试频点选择2 120 MHz,频谱分析结果表明,在该频点无干扰信号,信号底噪在-120 dB左右,测试设备如表4所示｡

2.7 传播模型校正结果

　　在黄石站和农业大厦站(可以视为一般居民聚集区模型)覆盖的周围,我们得到的最终校正结果为:K1=18.92､K2=49.93,其他系数使用默认值｡
　　黄石基站周边环境｡
　　校正后模型如下:
L=18.92+49.93lgD+5.83lgHeff+Diff.-
6.55lgDlgHeff+Clutter

　　校正后测试点实测数据同预测值之间的均值接近于0,方差小于7 dB｡

　　漕溪站(可以视为高层沿街分布的模型)获得的数据校正得到的结果为:K1=-69.16､K2=73.58｡校正后模型如下:
L=-69.16+73.58lgD+5.83lgHeff+Diff.-
6.55lgDlgHeff+Clutter

2.8 预测结果和实测数据的比较

　　CW信号为实际测试的结果,与使用经过校正的模型所预测出来的覆盖相比,误差在8～10 dB以内,模型较正结果的准确性得到了很好的验证｡

3 结束语

　　特大城市的无线传播环境非常复杂,即便同属于密集城区,无线环境也各不相同,而且随着城市的不断发展,无线环境也会随之发生变化｡这就要求特大城市的传播模型校正有较强的针对性:根据环境､建筑密集度的不同,尽量细分成不同的种类进行校正｡同时,在环境发生较大变化时能及时更新,以便使预测结果更贴近实际情况｡

　　用经过校正的传播模型进行覆盖预测,可以使覆盖预测结果更加贴近实际｡在特大城市这种复杂的无线环境下,可以准确把握站址选择是否合理,是否存在盲区以及干扰情况如何等｡准确的覆盖预测可以为网络规划的调整提供有力依据,减少了网络建成后的调整､优化工作量,节约了投资｡

参 考 文 献
1 ATOLL 网络规划软件用户手册
2 CDMA 无线网络规划与优化 啜钢 机械工业出版社

----《邮电设计技术》
作者：刘伟宏