传播模型校正方案Word格式文档下载.docx
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4.2.2数字地图的修正38
4.2.3模型校正的结果分析39
第五章本项目实施计划39
5.1前期准备40
5.2选择站址及站址查勘41
5.3制定测试路线43
第六章项目时间及人员安排44
第一章概述
在无线网络规划中，无线传播损耗是一个关键参数。
理论上讲，在自由空间中无线电波的传播损耗大小与传播距离的平方及使用频率的平方成正比关系，但考虑到实际环境下多径传播的复杂性，同时还要考虑在传播路径上存在着各种各样的影响，如高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等，因而电磁波具有如上文所属的反射、绕射、散射传播等多种传播方式。
在网络规划中，一般不会去一一分析各条多径的传播情况。
这就需要一种通过理论研究与实际测试的方法归纳出无线传播损耗与频率、距离、环境、天线高度等变量的数学关系式。
这一数学关系式称之为传播模型。
在无线网络规划过程中，无线传播模型帮助设计者了解预选站址在实际环境下的传播效果。
设计者可以通过将传播模型运用在规划仿真软件中的方法预测出所规划的基站的各种系统性能指标值。
由于这一预测结合了当地的数字地图中的地形，地物的信息，因此预测的结果从某种意义上来说反映了将来实际网络的状况，对网络规划有着很大的指导意义。
但是由于实际环境中电磁波多径传播的复杂性，因此能够完全准确地反映实际传播环境的模型并不存在。
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，运营商是否比较经济合理的投资且满足了用户的需求。
由于不同城市的无线传播环境千差万别，相应的传播模型也不同，每个模型只是客观上反应了模型校正的地区，而事实上各个地区，各个不同的城市，其地貌有着千差万别，这就决定了把一个传播模型应用到其他地区时必须对模型的一些参数进行调整，这就是传播模型校正工作。
实际工程中验证，一个没有经过修正的模型应用于其他地区时，将导致20dB的均方根误差和高达－30～―40dB的平均误差。
因此，传播模型校正是网络规划中一项非常重要的工作。
我市的地理和人文环境有自己的特点，现实中没有现成的传播模型供我们使用，所以我们必须作好传播模型校正工作。
为提高覆盖预测的准确性做好准备，同时也为更好的完成网络规划工作打好基础。
第二章无线环境传播模型
2.1移动无线传播环境
移动无线传播环境决定着电波传播的特性，从而影响着无线电信号的传输质量。
因此，研究无线通信的重要问题就是研究无线传播环境对信号的传输质量的影响，也就是研究无线电信号在空中所经历的路径损耗。
1、自由空间的基本传播损耗
自由空间的定义：
指充满均匀理想介质的空间，而且不存在地面和障碍物的影响。
在自由空间里传播的电波不产生反射、折射、散射、绕射和吸收等现象，只存在因扩散而造成的衰减。
自由空间的基本传输损耗是指位于自由空间的发射系统的等效全向辐射功率（EIRP）与接收系统各向同性接收天线所接收到的可用功率之比，通常用Lbf表示。
当收发天线之间的距离d>
>
λ（λ—工作波长）时，Lbf可由下式计算：
Lbf＝32.5+20lgfMHz+20lgdkmdB
2、非自由空间的基本传播损耗
在移动无线电环境中，传播环境的复杂多变和移动台的不断移动,无线链路呈现出复杂多变的特征。
从信号在空中传播的路径来分，可以分为直射传播和非直射传播。
一般情况下，在基站和移动台之间不存在直射信号，接收的信号是发射信号经过若干次反射、绕射和散射后的叠加，在某些特别空旷地区或基站天线特别高的地区存在直射传播路径。
人们经过理论分析和长期的实际观测，建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型，认为，电波传播的损耗主要由以下三个部分构成：
传播路径损耗：
为某时刻基站和用户之间的距离矢量。
表示空间的传播损耗，该损耗主要是由于电波传播的弥散特性造成的。
多径衰落：
通常引起多径效应的主要原因是移动台周围半径约100λ内的物体造成的反射。
它反映了数十波长内，接收信号电平的均值的变化趋势，此时信号的均值服从瑞利分布。
即公式中的
项。
慢衰落：
在移动无线电环境中，电波传播除了存在多径衰落外，还有由于地形起伏和人造建筑物引起的慢衰落以及由于电波的空间扩散造成的衰减。
它反映了数百波长内接收电平均值的变化趋势，此时信号的均值服从对数正态分布。
AWGN加性高斯白噪声：
对信号造成干扰的除了上述三种乘性干扰外，还始终存在着一种加性噪声，服从高斯分布；
其噪声源包括热噪声、雷电噪声等，同时，多用户干扰及来自其他小区的干扰也常被等效为高斯白噪声。
2.2传播预测模型
信号的传播方式可以用三种传播机制来描述，而用无线传播模型研究的其中的大尺度和中尺度的信号传播机制，考察信号在不同环境下路径讯号以及障碍物阴影效应所带来的慢衰落影响，其表征的是在某种特定环境或传播路径下电波的传播损耗情况。
到目前为止，在传播模型研究方面主要有两种不同的做法。
一种是直接应用电磁理论计算的确定性模型，比如射线跟踪技术，其损失和室内或为小区的模型预测，但由于其应用比较复杂，计算量很大，所以目前较少使用；
另一种是基于大量测量数据的统计模型，统计模型的研究历史悠久，是一种比较成熟的技术；
适用于宏蜂窝信号的预测，它得到了包括国际电联（ITU）、欧洲电信标准化组织（ETSI）以及许多著名通信厂商的认可与采用，目前比较著名的，应用较广泛的模型大多属统计模型。
由于移动通信所在环境的多样性，每个传播模型都是适用于某特定类型地区的模型，根据我们所提供无线服务的环境差异，通常把传播模型分为以下三类：
宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝。
以下就关于几种在2G中就已经得到广泛应用、并且可以扩展到2000MHz频段使用的传播模型加以论述其应用。
需要说明的是，每种规划软件都有其推荐使用的传播模型类型，可能与下述几类不完全相同，但是经过实际工程应用数据说明其误差在可接受的范围之内的，都属于可用的传播模型。
2.1.1室外宏蜂窝的传播模型
1、Okumura-Hata模型
Okumura-Hata模型是预测城区信号是使用最广泛的模型。
应用的频率是150～1920MHz之间，后来测试结果又被扩展到100~3000MHz的频率上。
适用距离在1km到100km，天线高度在30m到1000m之间。
Okumura-Hata模型以准平坦地形为基准，并按照地形地貌分为开阔地、郊区和城区。
开阔地：
指传播路由上没有大的障碍物的开阔地带，以及前方数百米内没有任何阻挡的区域。
dB
郊区：
在传播路由上分布有少量的不太密集的障碍物以及障碍物的高度比较低的区域。
郊区路径损耗的计算公式为
城区：
指传播路由上集中分布着两层楼或以上的建筑物，或者有茂密的森林。
城区路径损耗的计算公式为：
Lb=69.55+26.16lgf-13.82loghb-α（hm）+（44.9-6.55loghb）logd（km）dB
式中，α（hm）是引入的有效移动天线修正因子，
为了使Okumura-Hata模型能适用于一些特殊地区，如丘陵地形、斜坡地和水陆混合地区等，Okumura-Hata模型定义了基站的有效天线高度，来应用于无线电波传播模式中。
通常在我们使用的各种规划软件中，将该模型进行了修正，使得该模型更能适用于实际工程及更便于计算机进行模拟计算。
因此，使用Okumura-Hata模型首先需要对所研究的地区进行分类，即把所研究地区按照地物的分布划分为：
开阔地、郊区和城区、密集市区等，然后根据不同的地形分类来进行实地连续波测试，再通过模型校正得到关于Okumura-Hata模型在当地的修正因子。
这样就得到比较能够精确反映当地路径损耗的预测结果。
该模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反映较慢，预测和实测值之间的偏差在10dB左右,并且在小区半径1km之内的偏差较大,只适用于基站半径较大的宏蜂窝的覆盖预测。
2、COST231-Hata模型
COST231-Hata模型也是以Okumura等人的测试结果为依据，通过对高频段的Okumura传播曲线进行分析，得到所建议的公式：
Lb=46.3+33.9lgf-13.82loghb-α（hm）+（44.9-6.55loghb）logd（km）+CmdB
α（hm）是有效移动天线修正因子,
Cm=0dB密度适中的中等城市和郊区乡镇
3dB大城市中心
COST231-Hata模型是以中小城市的无线环境为基准,适用于工作频率1500MHz~2000MHz之间,天线高度在30m到200m,手持机的天线高度在1m到10m之间,适合于基站半径在1km到20km。
3、Lee模型
Lee模型的特点是基于特定无线电路径上的实际地形变化，将有效天线高度随移动台位置变化而变化所引起的天线高度增益ΔG考虑在内，从而使预测值的标准偏差限制在2～3dB内。
Lee模型是可适用于市区和郊区的经验模式。
式中：
Pr—接收信号电平；
Pro—截收点（d=r0）的接收信号电平；
γ—路径损耗斜率；
r0—截收点至基站的距离，取r0=1km；
r—预测点至基站的距离，适用于r≥1km；
—有效天线高度；
h1—基站天线高度；
α—发射功率、天线高度、天线增益的校正因子；
—存在刃形障碍的路径的有效天线高度；
L—绕射损耗。
2.1.2室外微蜂窝的传播模型
Hata公式和它的修正式的获得是基于基站天线高度均高出基站附近的建筑物屋顶高度，同时忽略了街道宽度、街道绕射和散射损耗的影响，对于微蜂窝不应该用Hata公式和它的修正式。
COST231-Walfish-Ikegami模型
COST231-Walfish-Ikegami模型是经验模式和确定性模式的结合，在使用时引入一些描述市区环境特征的地理化信息参数。
包括建筑物高度、街道宽度、建筑物的间隔、阻挡物相对于直达无线电路径的道路方位角度。
同时对当固定基站天线等于或低于屋顶高度时的情况进行了一些修正。
COST231-Walfish-Ikegami模型在应用时要分成两种情况来处理：
一种是低天线情况，适用于视通情况；
另一种是高基站天线情况，适用于非视通情况。
低基站天线情况：
基站天线低于周围建筑物的的平均高度的时候，信号是在街道形成的峡谷中传播的，其传播特性与高基站天线的传播特性不同。
经过实际测试，得到对街道峡谷内的视通情况使用的公式描述如下：
路径损耗Lb=42.6+26logd（km）+20logf（MHz）20m≤d≤5km
高基站天线情况：
在这种情况下应用的公式适合于非视通情况的传播路径，可以简单表达如下：
L=Lbf+Lrts+Lmsd
Lbf代表自由空间损耗，代表“最后的屋顶到街道的绕射和散射损耗”，用来计算街道内的绕射和反射；
为“多重屏前向绕射损耗”，计算屋顶上方的多次绕射。
2.1.3室内传播模型
室内传播环境与室外型宏蜂窝、微蜂窝相比，有更多的可变因素。
如隔断墙的材料、家具的位置等。
但无线电波在室内的传播特性较为简单，可分为视距和非视距的情况，只存在直射和反射波，没有折射波，因此无线传播较为简单。
室内微蜂窝基站与室外型基站相比，又具有很多不同的特点，主要表现在室内基站的天线高度和小区覆盖距离等。
因此原先的Okomula-Hata模型、COST-231模型等已不再适用。
对室内型微蜂窝传播特性的描述，应使用Keenan-Motley模型。
Lindoor=LBS+kF（k）+pW（k）+D（d-db）
其中LBS为自由空间传播损耗，LBS=32.5+20logf+20logd
Lindoor室内传播损耗
f频率MHz
d传播距离km
k直达波穿透的楼层数
f楼层衰减因子（dB）
p直达波穿透的墙壁数
W墙壁衰减因子（dB）
D线性衰减因子（dB/m）
db室内转折点（m），典型值为65m，大于该值增加0.2dB/m。
室内信号传播路径相对简单，但是信号传播却受到环境的影响很大，而且室内环境的不确定因素太多，比如门窗、家具的位置及材质等。
因此在实际工程中，通常采用实地进行测试的方法来得到比较准确的室内型微蜂窝的路径传播损耗。
第三章CW测试
CW（ContinueWave）测试即连续波测试，是进行模型校正的重要步骤。
通过CW测试和数字地图可以对模型进行校正。
这些测试数据中的经纬度信息和接收电平形成模型校正的数据源。
3.1CW测试原理
无线信号在传播过程中会受到多种途径的衰减损耗,表示为：
P（d）=d-nS（d）R（d）
P（d）为接收信号功率,为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3～4；
S（d）为阴影衰落,也称为长期衰落和慢衰落；
R（d）为多径衰落,也称为短期衰落或快衰落。
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50dB（高于平均值20dB，低于平均值30dB）。
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40个波长的空间距离上取平均的话，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。
模型校正的原理和方法就是通过CW测试来获取特定长度的本地均值，从而利用这些本地均值来对该区域的传播模型进行校正，得到本区域内信号传播的慢衰落变化特性。
为了便于分析，利用随机过程的理论可以把上式变为
r（x）=m（x）·
r0（x）
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：
其中2L为平均采样区间长度，也叫本征长度。
根据著名的李氏定理，在移动通信中，当2L取40个波长，采样点为30～50个时，能有效地达到“消除快衰落、保留慢衰落”的目的。
因此，要求在传播模型的校正工作中，CW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。
专业的CW测试设备的采样方式有三种：
按时间采样、脉冲采样及距离采样。
通用的测试设备一般只能按时间采样。
安捷仑接收机支持按距离采样。
按距离采样进行测试时，能够严格满足李氏定理40个波长采样30~50个样点的要求，测量准确度很高。
距离采样方法对于车速要求不严格，但是存在一个车速上限。
车速的上限（Vmax）与CW测试设备的最大采样速率（Tsample）有关：
Vmax=1.1λ/Tsample
3.2CW测试执行流程
传播模型主要包括以下几个步骤：
✧前期准备工作
✧划分区域
✧选点及路线确定
✧站点架设及cw路测数据采集
✧对采集回来的数据预处理和地理平均
✧利用模型校正软件进行校正，建立规划仿真模型库
我们把四个步骤定义为CW测试阶段。
下面对他们进行介绍。
3.2.1前期准备工作
如上面流程图所示，由于模型校正涉及到CW波的测试及数据的软件处理等工作，为了保证对模型修正结果的质量，对所需的软硬件设施有比较高的要求。
本工程选用设备如下：
✧发射机（包括信号发生器和功率放大器）：
要求能够发射连续波（CW波），发射机的发射功率最小43dBm（20W），且在3G频段内可自由设置频率；
✧发射天线：
要求采用垂直极化的全向天线，要求能准确提供天线增益和天线方向图；
✧发射端其他辅助设备：
功率测量仪、驻波比测试仪、数码相机、1/2馈线、7/8馈线、引电线圈、多功能转换插座、多功能电源等；
✧接收机：
能在3G频段内进行宽频RF扫频的接收机，能完成干扰测试及CW测试数据的采集，且接收机的灵敏度不低于-120dBm.；
✧频谱分析仪：
能够完成扫频干扰测试；
✧GPS接收机：
提供准确的地理化定位信息，要求GPS接收机具有较高的灵敏度，并能提供相应的通信接口；
✧数字地图：
更新期为一年的包括二维、三维数字地图，城区地图精度要求在20m以上，郊区地图精度要求在50m以上，且地图上各种地物都比较齐全；
✧软件：
做cw测试的软件，对数据进行分析处理软件等；
✧服务器：
性能良好，能够安装分析软件，实现对测试数据的存储，具备强大的数据处理和分析的能力；
✧天线支撑架：
临时支撑天线的支撑架，要求在4-6m内能自由调节高度；
✧接收端辅助设备：
手提电脑、路测车辆、车载电源、多用转换插座、街道地图、指南针、测距仪、数码相机等。
3.2.2划分区域
划分区域主要是了解该地区的地形地貌特点、人文环境、以及在2G时代的基站分布特点、然后拟定需要完成的模型校正数量。
通常需要我们从该地区的行政区域划分、地物的分布特点、特别是各种不同人文环境下建筑物的密集程度来进行分析，以确定模型的数量。
详尽、明确区域划分将是顺利完成模型校正工作的前提条件。
根据对本市地形地貌的研究结果，把本市划分为7种区域类型：
超密集市区、密集市区、市区、郊区、工业区、城中村、农村开阔地。
对应开发7种无线传播模型。
每个区域类型的划分标准如下：
✧超密集市区：
周围建筑物平均高度50米左右（20层以上）,周围建筑物平均楼距约10～20米；
一般在基站附近的建筑物十分密集，周围既有较多20层以上的建筑物，也有部分四十层左右的建筑物，周边道路不算太宽。
✧密集市区：
周围建筑物平均高度50－30米（20～10层）,周围建筑物平均楼距约10～20米；
一般在基站附近的建筑物较为密集，周围既有较多10层以上的建筑物，也有部分二十层左右的建筑物，周边道路不算太宽。
✧市区：
周围建筑物平均高度15－30米（5～9层）,周围建筑物平均楼距约10－20米；
一般基站附近的建筑物分布比较均匀，周围主要以9层以下建筑物为主，也可能有零星的9层以上建筑物，周边道路不算太宽。
✧郊区：
城市边缘地区，周围建筑物平均高度10－15米（3～5层）,周围建筑物平均楼距约30－50米；
一般基站附近的建筑物分布比较杂乱，不规整。
周围主要以3～4层建筑物为主，也可能有零星的4层以上建筑物，建筑物之间有较宽的空间。
✧工业区：
深圳市关外的工业开发区，周围建筑物平均高度10－15米（3～5层）,周围建筑物平均楼距约30－50米；
一般基站附近的建筑物分布比较均匀，规划整齐，周围主要以3～5层建筑物为主，也可能有零星的4层以上建筑物，建筑物之间有较宽的空间。
✧农村开阔地：
一般的农村地区及道路，周围建筑物平均高度10米以下（以1-2层房子为主）,周围建筑物散落分布，建筑物之间或周围有较大面积的开阔地。
✧城中村：
城中村的特点是楼房十分密集，楼距及楼间道路很窄，楼的高度在6层左右。
3.2.3选点及路线确定
选点也就是选出满足模型校正要求的站点。
为此，在选点中首先要求我们对服务区的基站分布进行分析，初步划分区域范围，并大致选定各类型站点所在的区域（这一步通常是在电子地图或者当地的旅游图上完成的），然后对初步确定的站点进行现场查勘，进行第二次筛选，再对选定的基站进行详细的记录。
一次选点时尽可能选择服务区内具有代表性的传播环境，对不同的人文环境需分别设立站点，测试站点条件必须能代表典型站点条件，包括天线挂高、周围地物地貌等，选定的站址要能覆盖尽可能多的地物类型，使每一种地物类型在得到校正后都能得到一个相应的修正值。
下面对选点的原则进行具体说明：
✧站址数量：
一般地，每种区域类型选择2－3个不等的测试站点。
根据本市的实际情况，“超密集市区”以及“城中村”模型由于区域范围不大，每种类型测试2个点，其余每种类型测试3个点；
✧代表性：
站址选择的原则是要使它能够覆盖规划区内所有的地物类型（这些地物类型来自数字地图）；
✧多种模型：
如果测试环境需要用多个模型来描述其传播特性，则各个模型所对应的区域要仔细的定义好；
✧区域重叠：
尽量增加各个站之间的测量重叠区，不过需注意保证站点间距离合理（10%--15%）；
✧阻挡物：
如果有明显的障碍物存在，则要在数据的后处理中进行过滤。
站址的选择标准：
✧天线高度大于20米；
✧天线高于最近的障碍物5米以上；
✧在此障碍物主要指天线所在屋顶上的最高建筑物，作为站址的建筑物应高于周围建筑物的平均高度，天线高于最近障碍物5米以上，沿用的是GSM中的数据，是根据第一菲涅尔区来定义的；
✧建筑物顶要有一个平台，以适合安装模拟基站设备，楼面不能太大，如果楼面较大，天线应该离楼面较高，防止天线信号被楼面或女儿墙阻挡；
✧注意测试站点的周围是否有太多新建的建筑物（与使用的数字地图不匹配）；
✧建筑物楼顶或距楼顶不远处有可利用的机房用于放信号发生设备，且能够提供220伏稳压交流电源，机房的防水、安全性能好
路线的确定
在具体的路线确定上，按照下面的要求进行：
路线选择上要求尽可能多通过各种地物类型，测试数据分布尽量均匀。
测试路线一般采用“S”型路线，避免同心圆式的路线。
测试路径应选择在模拟发射机信号所能覆盖范围内，行车路线尽量为菊花形。
测试时，选择平行于信号传播方向的街道应与垂直与信号传播方向的街道数量大致相等，并且同一条街道尽量不重复行驶。
测试前应该根据数字地图结合实际情况选择测试好测试路径，并在地图标出来，同时确定测试的大致行进路线。
测试路径的选择会影响到模型校正的准确性。
选择测试路径原则：
✧地形：
测试路径必须照顾到区域中所有的主要地形
✧高度：
如果该区域地形起伏差异大，则测试路径必须照顾到区域中不同
高度的地形
✧距离：
测试路径必须照顾到区域中离站点不同距离的位置
✧方向：
纵向和横向路径上的测试点数需保持一致
✧长度：
1次CW测试的路程总长度应大于60km
✧点数：
测试点数越多越好
✧重叠：
不同站点的测试路径可尽量重叠，以增加模型可靠性
在天线信号受某一侧的楼面阻挡时，不要跑到该侧楼面后的阴
影区。
3.2.4站点架设及CW路测数据采集
站点架设和数据采集是整个模型校正工作中至为重要的一步，站点架设的合理与否、采集的数据是否达到要求将直接对模型校正的结果产生影响。
按照前面所提的原理，必须保证测试数据密度达到30－50样点/40λ，才能有效达到“消除快衰落、保留慢衰落”的目的。
站点架设和数据采集的要求
✧站点的架设主要是要充分考虑天线的架设高度以及位置，通常要求天线的安装高度比天面高出5米以上，天线的安装位置在近距离内（150米）没有明显阻挡，或者至少保证在测试上没有阻挡；
✧站址本身所形成的阴影范围内的测试数据需要过滤掉；
✧车速控制：
根据数据采集的频率要求，取本征长度2L为40个波长，数据密度为50个样点/40λ，f=2150M（即λ＝0.139m）,接收机每秒的采样点数是120个时，根据公式40λ×
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