3G无线传播模型测试与校正研究

江苏省邮电规划设计院有限责任公司 朱 科 周 辉 李晓阳

1.引言

在移动通信系统运行过程中，由于终端位置不断发生变化，传播环境复杂多样，造成电波传播具有多样性和复杂性，因而建立在严格理论计算上的确定性模型很难实现。目前传播模型一般通过电磁理论推算和实测数据相结合的方式获得，即针对各个地市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校正，以提高预测的准确性，从而获得符合本地市实际环境的无线传播模型。

在10年我公司进行3G网络规划时，为了得到准确的传播模型，我们在某地市挑选了几个典型的地点进行了传播模型的测试与校正工作，得到了包括城区商业区、住宅区，城郊等3种地形下的传播模型参数，利用得到的模型，我们进行了网络的仿真，以帮助我们进行3G无线网络的规划工作，本文正是基于该次的传播模型校正的情况进行论述。

2.3G无线传播模型

传播模型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。其主要研究对象是传播路径上障碍物阴影效应带来的慢衰落影响。在传播模型研究方面主要有如下两种流派：直接应用电磁理论计算的确定性模型，基于大量测量数据的统计模型，又称为经验模型[1]。

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）。

2.1 理论分析方法的研究

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。建立步骤如下：

首先确定一个发射源的位置，根据3D地图上建筑物特征和分布，找出发射源到每个接收位置光线的所有传播的路径，并根据各种的无线传播理论公式进行计算，得到每个测试点的接收场强，由于该模型要求的数字地图很高，需要带详细建筑信息的三维数字地图，对于算法要求非常严格，一般甚少使用。

2.2 实测统计方法

实测统计的方法就是基于一个经验的传播模型，通过试验测试的方法，并利用计算机规划软件进行辅助计算，修正模型的各个参数，得到不同地形下的模型参数，其中，这里的试验测试，主要是指CW(连续波)测试。而传播模型最常用的是标准宏小区(Standard MacroCell Model)传播模型。

2.3 Standard MacroCell Model

标准宏小区(Standard MacroCell Model)传播模型以ETS的Hata模型为基础，并在此基础之上添加了一些额外的功能，从而增强了模型的灵活性和精确性，模型为宏小区设计。

模型公式为：

Ploss=k1+k2log(d)+k3(Hms)+k4 log(Hms)+k5log(Heff)+k6log(Heff)log(d)+k7diffn+Clutter_Loss

其中：Ploss传播路径损耗(dB)；d是基站到移动站之间的距离(km)；Hms是移动站天线有效高度(m)；Heff是基站天线的有效高度(m)；Diffn是使用Epstein Peterson、Deygout或Bullington的等效刃形衍射方法计算的衍射损耗；k1 & k2：截距和斜率；K3：移动天线的高度因数；K4：Hms的Okumura Hata的Multiplying Factor；K5：有效天线高度增益；K6：Log(Heff)Log(d)。这是log(Heff)log(d)值的Okumura Hata类型的Multiplying Factor；K7：衍射系数；Clutter_Loss：地物损耗参数。

3.传播模型校正流程

一般取用CW测试来进行模型的校正，CW测试是通过连续波，采用全向天线发射信号，接收机在服务区内各个方向的道路上进行测试，以得到不同方向、距离的场强值，CW测试模型校正工作流程如图1所示。

(1)测试工具

测试工具主要是用来发射和采集模型校正所需要的原始数据，包括信号发射部分和接收部分，信号发射部分一般放置在位置相对较高的地方及放置在测试区域的中心地点，其中本次测试的发射单元选取了上海诺恩科技公司的WHT2005测试发射机，接收单元NORN LiteScan扫频仪2005，其他还有电脑，GPS，接收机，车载电源，hub，逆变器，车载电源一拖二，前台测试软件，加密狗等必要工具。

(2)测试基站/路线制定

根据地形地貌特征选择典型地点作为测试基站，安装发射设备，根据站点周围的地理环境制定测试路线，对于测试基站设置的个数，一般在人口稠密的城市，测试站址应不少于5个，中等规模的城市选取2－3个，中小城市及郊区1个就够了。对于测试路线，为了足够的采样数据，在市区一般测试要求达到10公里左右的距离，在郊区一般在15Km到20Km。由于无线电波在离发射天线很近的地方无法用公式模拟，只是用一固定衰减值，所以在测试中离发射天线很近的地方(一般是0.5Km-1Km)不需要做大量测试。本次某地市传播模型的校正共进行了三个地点的测试，主要如下(见表1)。

(3)无线测试

根据所选择的测试站点和测试路线进行原始数据的采集。

图1 CW测试模型校正工作流程图

(4)测试数据的后处理

测试结束后对测试数据进行整理，该项工作是传播模型校正的核心，一般都是依靠计算机的规划软件进行数据的处理，本次是使用了软件是百林规划软件[2]。

(5)传播模型参数修正

通过百林软件平台，利用Standard MacroCell Model模型[3]进行了模型优化，给出适合某地市各种地形环境下的无线传播模型。

(6)报告输出

对整个工作内容提交报告。

4.参数校正

4.1 K2校正

K2是与频率相关的因子，在校正的过程中一般采用先校正K2再反过来对K1进行校正。

4.2 K1的校正

K2校好后可，则此时图中的intercept即为K1的偏差（实际应为[K1+K3(Hms)+K 4log(Hms)+K5log(Heff)+K7diffn]的偏差，但可先假设K3(Hms)+K4log(Hms)+K5 log(Heff)+K7diffn]为常数，则此就为K1的偏差），将原K1值加上intercept即得K1的校正值。也可以用Analyse功能得到此偏差值

4.3 K3、K4的校正

K3、K4与移动台天线高度相关的因子，该值对传播模型的影响一般不大，可以取缺省值，一般可取-2.93和0.00。K3、K4的变化可由K1来弥补，因此一般取了缺省值后，就可以无需调整。

4.4 K5、K6的校正

K5、K6与基站天线高度相关。该值也与K3、K4值一样，可以取缺省值，K5、K6的变化可以通过K1、K2的变化来代替其变化的影响，因此一般也无需调整，一般取缺省参数设置-13.82和-6.55。

4.5 K7的校正

K7为衍射系数，表示衍射损耗对整个路径损耗贡献的权重。因为衍射只对非视线传播范围内的样点有效，对视线传播范围内的样点衍射损耗为0，对于K7值，如果地形起伏不大，一般建议保留值为0。

4.6 Clutter offset的调整

该值主要是对于各种地形的调整系数，对于该值，一般也是取缺省的值，对于每种地形的情况的取值详见表2。

5.测试案例

本部分我们介绍其中一个测试点的情况，我们以某地市火车站作为了一个测试的例子，其中：

5.1 测试基站－火车站－周围的照片(详见图2)

5.2 测试路线的选择

选择测试路线的主要原则是获取充足的采样点，尽量保证从统计意义上反映各种测试地形的真实情况。如图3为火车站的测试路线场强图。

图2 测试基站－火车站－周围的照片

表1 某地市传播模型的校正三个地点的测试

表2 每种地形的情况的取值

图3 火车站的测试路线场强图

表3 传播模型校正结果

图4 模型校正前的预测与预测的循环播损失对比

表4 本次传播模型测试和校正的结果

图5 分析模型校正后的传播损失误差统计图

5.3 模型校正前的预测与预测的循环播损失对比（详见图4）

从图4中我们可以看出模型校正后预测与路测数据的实际值吻合度明显提高，这说明通过校正后的模型与实际的传播环境匹配度大大提高，模型的可用性和精准度增加。

从图5中我们可以看出校正后模型的传播损失误差在5dB以内的约为80%，这说明模型拟合的精度较高，此模型在绝大多数情况下可以近似代表某地市城区实际的传播环境。

6.传播模型的校正结果

经过分析及规划软件的处理后，本次传播模型测试和校正的结果如表3、表4所示。

7.结语

通过对某地市3个地点3种地形的测试，我们得出了一组某地市不同地形下的传播模型的参数，该参数可以指导我们下一步的无线网络的仿真工作。

但是应该要补充的，对于以上各种地形得出的传播模型不是唯一的，对于一个模型我们只能说是该模型是否适用，而不能说规定使用唯一的模型，因为不同的仿真软件或不同一次的仿真得到的模型都可以是不一样，模型中各参数之间一个联动的结果，我们所说的模型的准确性是指校正所得的模型和实际测试环境的拟和程度，通常这种拟和程度用校正后的参数来评估。目前业界普遍认为当RMS Error（指模拟结果与实际测试结果之间的均方误差）＜8时，则说明所校正模型是贴和实际环境的，即该模型校正的结果是准确的，可以用做网络规划时候使用。同时，因为不同的规划软件其内部算法是有差异的，为此，在使用不同的规划软件进行仿真时，要是有条件，建议能重新做一个模型校正，以得出新的模型。

[1]蒋招金.3G无线传播模型校正[J].邮电设计技术,2006.5(5):24-27.

[2]百林网络规划软件用户手册[S].

[3]李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准[M].北京:人民邮电出版社,2004.9:119.