CDMA2000無線傳播模型校正探討

1、CDMA無線傳播模型校正研究吳奕生（中國電信股份有限公司汕頭無線網(wǎng)絡運營中心， 廣東省汕頭市 515041）摘 要 傳播模型是無線網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化的基礎(chǔ)，每一個模型反映了特定地區(qū)的電波傳播特性，由于各個地區(qū)，各個不同的城市，其地物地貌有著很大的不同，需要建立適合當?shù)靥攸c的模型來指導網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化工作，無線傳播模型校正必須在通用傳播模型的基礎(chǔ)上根據(jù)合理的測試數(shù)據(jù)和物理數(shù)據(jù)，關(guān)注模型校正中可能出現(xiàn)的誤差，合理設(shè)置參數(shù)，最終形成適合當?shù)責o線傳播環(huán)境的傳播模型。關(guān)鍵詞 CDMA 傳播模型，校正，無線網(wǎng)絡規(guī)劃，校正方法Abstract: Propagation model is the foundatio

2、n of wireless network planning and optimization, each model reflects the propagation properties of radio waves in specific areas, because each region, different cities, the residential physiognomy are quite different, need to establish the model of local characteristics for guiding the wireless netw

3、ork planning and optimization.in general the propagation model must be based on the test data, and according to the reasonable physical data model and focus of possible error correction, reasonable parameters, and form the final propagation model which can match the environment of local wireless com

4、munication.Key words:CDMA propagation model, calibration,wireless network planning,calibration methods0. 概述傳播模型表征的是在某種特定環(huán)境或傳播路徑下，電波的傳播損耗情況，其主要研究對象是傳播路徑上障礙物陰影效應帶來的慢衰落影響。對于移動通信無線鏈路，在最大發(fā)射功率、保證信噪比的條件下最小的接收功率、各種損耗和增益，以及預留的功率余量確定以后，可以求出電波在空中傳播的最大允許損耗，這個最大允許損耗決定了小區(qū)的覆蓋半徑。無線傳播模型很大程度上取決于相應的傳播環(huán)境。由于無線信道的復雜性、多變性

5、，實際無線環(huán)境的差異性，使得根據(jù)經(jīng)驗模型得出的場強預測與實際環(huán)境之間存在誤差。在這種情況下，就需要基于實際的無線環(huán)境，針對不同的地形、地物、地貌進行詳細分類，利用特定的測試設(shè)備和專用模型校正軟件，來建立適合實際的無線傳播模型。1. 傳播模型校正的必要性傳播模型是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)，好的無線傳播模型能很好的預測傳播損耗的中值。傳播環(huán)境對無線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素如下。l 自然地形(高山、丘陵、平原、水域等)；l 人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性；l 該地區(qū)的植被特征；l 天氣狀況；l 自然和人為的電磁噪聲狀況。傳播模型的準確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃是否

6、合理，運營商是否以比較經(jīng)濟合理的投資滿足了用戶的需求。針對不同的地理環(huán)境應有不同的傳播模型的與之相適應，同時為了提高規(guī)劃仿真軟件仿真的準確性，有必要對規(guī)劃仿真軟件廠家提供的傳播模型中所用的因子進行相應的調(diào)整即模型修正，以得到一個與當?shù)責o線傳播環(huán)境相吻合的傳播模型。2. 典型傳播模型介紹傳播模型表示的是在某種特定環(huán)境或傳播路徑下電波的傳播損耗情況，其主要研究對象是傳播路徑上障礙物陰影效應帶來的慢衰落影響。在傳播模型研究方面目前主要有如下兩個方向：l 直接應用電磁理論計算的確定性模型：確定性模型適合室內(nèi)或微小區(qū)的模型預測，但由于其應用比較復雜，計算量很大，所以目前較少使用，比較有代表性如射線跟蹤、

7、幾何繞射理論等方法。l 基于大量測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型，又稱為經(jīng)驗模型：統(tǒng)計模型是應用較廣泛的模型，常用的統(tǒng)計模型有Okumura-Hata、COST-231Hata、CCIR、LEE、COST231-WI等幾種。另外，不同的廠家在做模型校正或仿真時，采用了通用傳播模型，通用模型是一種適合于帶寬在1502000MHz和超過長距離(1<d<20公里)傳播的模型，適合于GSM 900和1800技術(shù)以及CDMA技術(shù)。這種模型利用地形、衍射原理并考慮地形分類、天線掛高、天線傾角、天線種類來計算信號的傳播損耗。在實際規(guī)劃過程要根據(jù)路測數(shù)據(jù)進行校準，計算公式如式下：Ploss= K1+K2Log(

8、d) + K3(Hms) +K4Log(Hms)+ K5Log(Heff)+ K6Log (Heff)Log (d) + K7 Diffn + Clutter_Loss式中：Ploss：路徑損耗(dB)；d：基站到移動臺的距離，單位：公里；Hms：移動臺距地面的高度，可以統(tǒng)一指定為一個常數(shù)，或者在每一種地物類型上分別定義其高度，單位：米；Heff：基站有效高度，單位：米；Diffn：地物繞射損耗；Clutter_Loss：為可校正的地物損耗修正因子，包括本地的地物損耗以及傳播路徑上其它地物引起的損耗，根據(jù)地物高度，隔離度等計算得出；K1為衰減常數(shù)K2為距離衰減系數(shù)K3和K4為移動臺天線高度修正

9、系數(shù)K5和K6為基站天線高度修正系數(shù)K7為繞射修正系數(shù)3. 傳播模型校正原理與方法根據(jù)慢衰落變化規(guī)律，信號在幾十個波長的距離上經(jīng)歷慢的隨機變化，其統(tǒng)計規(guī)律符合對數(shù)正態(tài)分布，當我們在40個波長的空間距離上取平均，可以得到包絡均值，這個值通常叫做本地均值，其和特定地點上的評價值相對應，模型校正的原理就是利用測試數(shù)據(jù)獲得特定長度上的本地均值，從而利用這些本地均值對傳播模型進行校正，得到慢衰落變化的特性，并使得傳播模型與測試數(shù)據(jù)之間的均方差和標準差的值達到最小，同時也由此來判斷模型的預測結(jié)果和實際環(huán)境的擬合情況。移動通信網(wǎng)絡規(guī)劃的工程經(jīng)驗證明：在準平坦地形條件下，標準差不大于8 dB；丘陵地形條件下，

10、標準差不大于11 dB，可認為該模型是可用的。測試數(shù)據(jù)可以有CW測試數(shù)據(jù)和DT測試數(shù)據(jù)兩種。l CW 測試（Continue Wave 連續(xù)波）是傳統(tǒng)的方法，CW測試是通過連續(xù)波，采用全向天線發(fā)射信號，接收機在服務區(qū)內(nèi)各個方向的道路上進行測試，以得到不同方向、距離的場強值。CW 測試的最大優(yōu)點是測試頻點可以根據(jù)周圍的電磁環(huán)境進行選擇，從而保證測試不受外界電磁波干擾，保證了測試結(jié)果的客觀性。但是，CW 測試也存在測試站點選擇困難、需要耗費大量的人力、物力等缺點。l DT測試（Driver Test 路測）是為了克服CW 測試中存在的一些困難，而采取的一種有效的替代方法，其測試原理與CW測試完全相

11、同。不同之處是利用現(xiàn)有的CDMA基站的發(fā)射系統(tǒng)，利用DT測試數(shù)進行模型校正，是一種有效的測試方法。本文介紹了DT測試數(shù)據(jù)進行模型校正。4. 傳播模型校正傳播模型的校正主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理模型校正等幾個過程，具體如下。4.1. 模型校正前準備工作4.1.1. 數(shù)字地圖數(shù)字地圖是進行傳播模型校正的必備工具，是以數(shù)字形式記錄和存儲的地圖，便于存儲、傳輸和更新。數(shù)字地圖可分為矢量和柵格地圖。移動通信所用的數(shù)字地圖包括地形高度、地面用途種類等對移動通信電波傳播有影響的地理信息，是規(guī)劃軟件進行模型校正、覆蓋預測、干擾分析、頻率規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。數(shù)字地圖包含DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)、DO

12、M(地面覆蓋模型)數(shù)據(jù)、LDM(線狀地物模型)數(shù)據(jù)及BDM(建筑物分布模型)等4種數(shù)據(jù)。地圖的數(shù)據(jù)要盡可能新，要反映最近土地的使用情況。如果用來校模的數(shù)字地圖太舊，又沒有新的數(shù)字地圖可用時，應該注意站點的選擇，盡量選取實際地貌類型和數(shù)字地圖相匹配的站點，這樣才能保證校正的模型是有效的。不同區(qū)域也需要采用不同精度的地圖，研究表明，地圖精度與站間距有關(guān)，一般建議在城市采用20 m，郊區(qū)采用50 m，而邊遠地區(qū)可采用100 m精度等。4.1.2. 測試站點選擇測試站點的位置對模型的準確性有較大的影響，其選取可以參考以下原則：l 測試站點條件必須能代表典型基站條件。這里的條件包括天線掛高、周圍地物地貌

13、類型等。l 對每種典型無線傳播環(huán)境，選取足夠的測試站址數(shù)目。根據(jù)一般經(jīng)驗，在人口密集的大城市，測試站址應不少于5個；中等城市，約3個；對于中小城市一般1個測試站址就夠了。l 選定的站址應能覆蓋足夠多的地物類型，使得每一種地物類型通過模型校正后，都能得到一個相應的offset值(實現(xiàn)的前提是要求電子地圖分類足夠精確)。l 第一費涅爾區(qū)在垂直方向必須無障礙物，天線覆蓋扇區(qū)應在水平方向無障礙物。根據(jù)經(jīng)驗，作為站址的建筑物應該高于周圍建筑物的平均高度，具備天線安裝條件，周圍地形應該能有效代表該地形類別的無線傳播環(huán)境，周圍無明顯阻擋，天線高于最近障礙物5 m以上。l 測試站點所在樓面不能太大。如果樓面比

14、較大，天線需要增高，否則樓面(尤其是女兒墻)對測試信號傳播影響較大。l 站點的天線掛高應和適用該區(qū)域模型大致需要的天線掛高接近。站點應高于周圍建筑物，但不能高出太多。l 天線架設(shè)于樓頂或現(xiàn)有鐵塔上面，天線的有效高度為430 m。如果架設(shè)于樓頂，天線應該盡量放置于墻壁邊沿，避免樓體本身對發(fā)射信號的影響；如果架設(shè)于鐵塔上，則要求天線高出鐵塔最高點1 m以上，避免鐵塔本身對發(fā)射信號影響。l 利用多個站點的測試數(shù)據(jù)進行合并校模，消除位置因素的影響。要求各測試站點周圍的地形地貌應與需要校正的模型代表的環(huán)境地形地貌一致。4.1.3. 測試路線選擇測量前應預先規(guī)劃好路線，測量路線直接關(guān)系到測量數(shù)據(jù)的準確性。

15、設(shè)定測量路線必須考慮以下幾個方面：l 能夠得到不同距離、不同方向的測量數(shù)據(jù)。l 在某一距離上至少有四五個測量數(shù)據(jù)，以消除位置影響。l 盡可能經(jīng)過各種地物，測試數(shù)據(jù)分布盡量均勻。l 盡量避免在高樓陰影區(qū)測量，避免在同樣的路線反復測量。l 對橫縱向的街道應盡量采集同樣數(shù)量的標本，測試接收機的天線需放置到車頂，以消除人體或者車體對信號接收的影響。l 在測量區(qū)域內(nèi)每種地物類型上應采集足夠多的數(shù)據(jù)點，以便對每種地物類型的損耗偏移量進行校準。l 對每一個模型的測試，應盡量考慮在同等條件下進行測試。具體是：同種車輛，天氣相同，測試時間段相同。l 充分考慮摒棄測試站點中個性的東西，而保留該類模型中共性的東西。

16、4.2. 數(shù)據(jù)采集為了達到可使測試數(shù)據(jù)與本地均值之差小于1 d B ，考慮采樣符合李氏定律：為了平滑掉快衰落，同時保留慢衰落，要求4 0個波長范圍內(nèi)采樣3 6 到5 0 個點。根據(jù)此定理路測是需滿足車速上限： V m a x = 0.8 入T sample，測試軟件采樣率一般為1 5 點/ s，則CDMA 8 0 0 M 測試中，波長為0.375 m，路測車速上限約為16 k m /h r，不同的軟件采樣率可能不同， 需要針對所路測的軟件的采樣率來取定測試的車速。測量時要求車速保持勻速，這一方面要求了測量設(shè)備的性能，也要求車速不能太快，也不能太慢。4.3. 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理將測試中帶入的不合理

17、數(shù)據(jù)進行濾除，完成地理化平均和數(shù)據(jù)偏移的修正，然后轉(zhuǎn)換成模型調(diào)校所需要的文件格式。測試數(shù)據(jù)必須處理后才能應用于模型校正軟件。數(shù)據(jù)處理包括以下幾個方面4.3.1. 數(shù)據(jù)過濾摒棄不合理數(shù)據(jù)，具體如下：高架橋、隧道等GPS不能準確定位的地方測得的數(shù)據(jù)；經(jīng)緯度出現(xiàn)漂移的數(shù)據(jù)；距離基站過遠或過近的數(shù)據(jù)、信號強度太強或太弱的數(shù)據(jù),例如接收電平大于-40 dBm或接收電平小于-115 dBm的數(shù)據(jù)；在不符合要求的路線上測得的數(shù)據(jù)；4.3.2. 數(shù)據(jù)離散由于GPS的采樣頻率比數(shù)據(jù)的采樣頻率慢，這樣在同一個經(jīng)緯度點上就有多個數(shù)據(jù)，通過按采樣時間順序?qū)?shù)據(jù)進行內(nèi)插，從而將同一點上的多個數(shù)據(jù)平鋪到取樣時間所走的路線

18、上，即完成了數(shù)據(jù)的離散操作。4.3.3. 數(shù)據(jù)地理平均數(shù)據(jù)地理平均的目的是“消除快衰落，保留慢衰落”的影響。方法是將測試路線分段,每段取6m,將該6m內(nèi)的數(shù)據(jù)取均值,并將取得的均值作為該路段中心點的場強值。平均的長度通常稱為本征長度，通常認為在115m內(nèi)都是合理的，但通常都是取6m，取得的均值稱為本地均值。4.3.4. 數(shù)據(jù)偏移修正數(shù)據(jù)偏移修正的目的是修正數(shù)據(jù)的地理屬性。通過在專用的修正軟件內(nèi)，手動搬移那些出現(xiàn)偏移的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)達到與地圖的最佳匹配。4.4. 模型校正在對傳播模型進行校正時，理論上對于各個因子都是可以進行校正的，但是實際上校正只能對變量進行，而對于像天線有效高度這樣的量，由于在

19、測試過程中很難進行變化，加上地形變化并不明顯，因此在測試過程中，天線有效高度的改變非常不明顯，通過少量數(shù)據(jù)去修改默認值并不合適。因此校正的任務主要是修正K1、K2和Kc。首先設(shè)置各參數(shù)值K1K7，通?？蛇x擇該頻率上的缺省值進行設(shè)置，也可以是其他地方類似地形的校正參數(shù)。然后以該模型進行無線傳播預測，并將預測值與路測值作比較，得到一個差值，再根據(jù)所得差值的統(tǒng)計結(jié)果反過來修改模型參數(shù)。經(jīng)過不斷的迭代處理，直到預測值與路測值的均方差及標準差達到最小，此時得到的模型的各參數(shù)值就是我們所需的校正值。5. 模型校正實例根據(jù)以上模型校正的步驟，我們采用中興通訊公司出產(chǎn)的ZXPOS CNP1軟件對汕頭市區(qū)的城區(qū)

20、的路測數(shù)據(jù)進行模型校正得到的汕頭老市區(qū)模型參數(shù)值如下圖：圖1汕頭老市區(qū)校模結(jié)果用校正后的模型進行仿真，輸出Rx.TAB仿真圖、與校正區(qū)域?qū)嶋H測試數(shù)據(jù)的Rx.TAB對比如下圖所示：圖2校正模型RX仿真圖圖3實際測試數(shù)據(jù)RX圖在ZXPOS CNP1中打開仿真Rx.TAB和測試數(shù)據(jù)Rx.TAB，在Legend中設(shè)置相同劃分等級和顏色，下圖中圓點為測試數(shù)據(jù)Rx，塊狀為Rx仿真圖。對比結(jié)果如下：圖表 4仿真結(jié)果RX和測試數(shù)據(jù)RX對比圖從對比結(jié)果可以看出，兩者在顏色和等級重合程度較高，說明校正的模型可以真實反映測試數(shù)據(jù)的傳播特性，本次汕頭老市區(qū)模型校正的模型可用。6. 影響模型校正準確度的因素模型校正是一

21、個迭代循環(huán)的過程，但最終是收斂的，最終可以有一個模型結(jié)果出來，但并不意味著校模工作的結(jié)束，還需要對所得模型的準確性進行分析，模型的準確性是指校正所得的模型和實際環(huán)境的擬合程度，通常這種擬合程度用RMS Error參數(shù)來評估，RMS Error<8dB時，則說明模型是符合實際環(huán)境的，也就是說模型的準確度較高，當RMS Error>8dB時，我們說模型與實際環(huán)境是不符合的，實際工作中，影響傳播模型準確度的主要因素有：l 基站信息的準確度：包括站點經(jīng)緯度、天線類型、天線增益、天線掛高、方向角、下傾角、饋線及接頭損耗、導頻信道發(fā)射增益等。l 數(shù)字地圖的精度：地圖制作廠商對地物的分類可能不正確，這種錯誤很難避免，也很難檢測，測量中使用的GPS的空間精度一般為20100m。因此，如果在兩種地物類型邊界進行測量的話，有可能出現(xiàn)錯誤的地物類型，而導致幾個dB的剩余誤差。l 測試數(shù)據(jù)與電子地圖的匹配度：由于GPS的定位精度偏差，也有可能是電子地圖信息不夠精確，導入電子地圖的測試路線有時并不能很好的和實測道路相吻合，很多測試路線深入到高層建筑中去，當進行模型校正時，空曠地區(qū)的測試數(shù)據(jù)變成了經(jīng)過高層建筑衍射后的測試數(shù)據(jù)，從而影響了模型校正的可信度，因此，模型校正前需要將測試信號和道路合并。首先要確定是